某冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制及經(jīng)濟(jì)性研究

慈 超 沈致和 胡玉坤

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某冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制及經(jīng)濟(jì)性研究

慈 超 沈致和 胡玉坤

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 合肥 230009）

冰蓄冷是移峰填谷，平衡電網(wǎng)負(fù)荷的重要技術(shù)。從冰蓄冷系統(tǒng)優(yōu)化控制出發(fā)，分析了目前常用的三種控制策略即冷機(jī)優(yōu)先，蓄冰優(yōu)先和優(yōu)化控制在實(shí)際工程應(yīng)用中的優(yōu)缺。結(jié)合了機(jī)組優(yōu)先控制策略和冷水機(jī)組逐臺(tái)啟動(dòng)策略的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新的優(yōu)化控制策略；并以一實(shí)際工程為例，分析了在不同負(fù)荷下具體運(yùn)行策略。運(yùn)用靜態(tài)經(jīng)濟(jì)分析法對(duì)冰蓄冷系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，論證了該冰蓄冷系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

冰蓄冷；優(yōu)化控制；常規(guī)空調(diào)；能耗；經(jīng)濟(jì)分析

0 引言

冰蓄冷空調(diào)是平衡用電負(fù)荷，解決電力供應(yīng)不足的有效途徑。該系統(tǒng)以其“移峰填谷”和“節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用”的優(yōu)勢(shì)獲得了電力部門(mén)和用戶(hù)的青睞，得到了廣泛的運(yùn)用。對(duì)于冰蓄冷系統(tǒng)而言，合理控制冰蓄冷設(shè)備在谷段電價(jià)時(shí)間的蓄冰量，以及在峰段和平段電價(jià)時(shí)間的融冰速度是決定冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)鍵因素。冰蓄冷優(yōu)化控制的核心問(wèn)題就是合理安排和分配峰段及平段電價(jià)時(shí)間內(nèi)制冷機(jī)組直接供冷和蓄冰裝置融冰供冷之間的比例，以最經(jīng)濟(jì)的方式滿(mǎn)足空調(diào)負(fù)荷的要求。常規(guī)的控制方式有三種制冷機(jī)優(yōu)先、蓄冰優(yōu)先和優(yōu)化控制[1]。但冷機(jī)優(yōu)先無(wú)法發(fā)揮冰蓄冷系統(tǒng)“轉(zhuǎn)移負(fù)荷”能力；蓄冰優(yōu)先會(huì)導(dǎo)致制冷機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于低負(fù)荷狀態(tài)不經(jīng)濟(jì)合理；優(yōu)化控制需要建立控制模型，求解復(fù)雜而且在工程中很難實(shí)現(xiàn)。本文將工程中常用的冷機(jī)優(yōu)先策略和冷水機(jī)組逐臺(tái)啟動(dòng)法相結(jié)合，提出一種優(yōu)化和控制冰蓄冷系統(tǒng)的策略，并和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)比較分析，證實(shí)其經(jīng)濟(jì)性和可行性。

1 冰蓄冷優(yōu)化控制策略

冰蓄冷優(yōu)化控制的目的是節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。冰蓄冷系統(tǒng)控制的核心是合理安排和分配峰段及平段電價(jià)時(shí)間內(nèi)制冷機(jī)機(jī)組直接供冷和蓄冷裝置融冰供冷之間的比例。假設(shè)夜間蓄冰量固定，從客觀上考慮，白天就應(yīng)該在滿(mǎn)足建筑物空調(diào)負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上，盡可能地少開(kāi)制冷機(jī)組，同時(shí)將制冷機(jī)組的開(kāi)啟時(shí)間盡可能安排在平價(jià)電費(fèi)時(shí)段。但是，考慮到制冷機(jī)組在不同負(fù)荷率下的能效比是不同的，如果在低負(fù)荷率下，制冷機(jī)組工作在平價(jià)電時(shí)段獲得單位冷量所實(shí)際支出的費(fèi)用也可能高于在高峰電價(jià)時(shí)段獲得同樣冷量的費(fèi)用，所以在平價(jià)時(shí)段開(kāi)啟多臺(tái)制冷機(jī)組進(jìn)行供冷時(shí)需要考慮到機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用。為正確地衡量各時(shí)段制冷機(jī)組輸出冷量所付出的代價(jià)，定義單位冷量實(shí)際價(jià)格[5]這一概念。單位冷量實(shí)際價(jià)格為每獲得1kW冷量實(shí)際支付的費(fèi)用。根據(jù)制冷機(jī)組廠商提供的產(chǎn)品樣本和設(shè)備選型，計(jì)算得到一套制冷設(shè)備（制冷機(jī)組，冷卻塔，冷凍水泵，冷卻水泵各一臺(tái)）在機(jī)組負(fù)荷率為100%、75%、50%、25%的能耗值，再利用MATLAB進(jìn)行曲線擬合得到不同負(fù)荷率下制冷設(shè)備的能耗函數(shù)：

式中，表示制冷機(jī)組的冷量輸出，kW；表示制冷機(jī)組在此負(fù)荷率下的功率，kW。因而，某時(shí)段的單位冷量實(shí)際價(jià)格：

（2）

式中：表示制冷機(jī)組的冷量輸出，kW；表示此時(shí)的電價(jià)，元/度；表示制冷機(jī)組在特定時(shí)段、特定負(fù)荷率下的單位冷量實(shí)際價(jià)格， 元/kW。

按公式（2）繪制出單套制冷設(shè)備在不同時(shí)段，制冷機(jī)組在不同負(fù)荷率下的單位冷量實(shí)際價(jià)格比值曲線圖，如圖1所示。

圖1 不同時(shí)段單位冷量實(shí)際價(jià)格與基準(zhǔn)價(jià)格比較

將制冷機(jī)組工作于高峰電價(jià)時(shí)段、滿(mǎn)載運(yùn)行狀態(tài)下的單位冷量實(shí)際價(jià)格作為基準(zhǔn)價(jià)格。認(rèn)為當(dāng)單位冷量實(shí)際價(jià)格高于基準(zhǔn)價(jià)格時(shí)，利用制冷機(jī)組供冷是不合適的，應(yīng)盡可能利用融冰提供這部分冷負(fù)荷；當(dāng)單位冷量實(shí)際價(jià)格低于基準(zhǔn)價(jià)格時(shí)，利用制冷機(jī)組供冷是合適的。

由圖1可以看出，在高峰時(shí)段顯然應(yīng)盡可能融冰供冷，不足部分由制冷機(jī)組承擔(dān)。按照這種思想，通過(guò)逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)，便可確定24小時(shí)高峰時(shí)刻制冷機(jī)組的逐時(shí)啟動(dòng)臺(tái)數(shù)。

對(duì)于平價(jià)電費(fèi)時(shí)段，存在一個(gè)分界負(fù)荷率。當(dāng)制冷機(jī)組的負(fù)荷率高于分界負(fù)荷率時(shí)，單位冷量實(shí)際價(jià)格低于基準(zhǔn)價(jià)格；當(dāng)制冷機(jī)組的負(fù)荷率低于分界負(fù)荷率時(shí)，單位冷量實(shí)際價(jià)格高于基準(zhǔn)價(jià)格。此分界負(fù)荷率可通過(guò)求解方程（3）中的output獲得。

平價(jià)時(shí)段制冷機(jī)組的逐時(shí)啟動(dòng)臺(tái)數(shù)可按如下方法確定：對(duì)于某一時(shí)段，逐臺(tái)增加制冷機(jī)組的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)，在擬定啟動(dòng)制冷機(jī)組和蓄冰設(shè)備之間采用機(jī)組優(yōu)先供冷控制策略，計(jì)算由制冷機(jī)組輸出冷量的單位冷量實(shí)際價(jià)格。如果價(jià)格低于基準(zhǔn)價(jià)格，還有可用空閑制冷機(jī)組，則繼續(xù)增加啟動(dòng)臺(tái)數(shù)。直至當(dāng)起動(dòng)臺(tái)，其單位冷量實(shí)際價(jià)格低于基準(zhǔn)價(jià)格，而當(dāng)起動(dòng)+1臺(tái)時(shí)，其單位冷量實(shí)際價(jià)格高于基準(zhǔn)價(jià)格或已無(wú)可用空閑機(jī)組，則此時(shí)段的制冷機(jī)組啟動(dòng)臺(tái)數(shù)即為。通過(guò)這種方法，即可確定在平價(jià)時(shí)段制冷機(jī)組的逐時(shí)啟動(dòng)臺(tái)數(shù)。

另外，如果考慮在任意時(shí)段制冷機(jī)組啟動(dòng)臺(tái)數(shù)一定，那么增加制冷機(jī)組的負(fù)荷率可以降低制冷機(jī)組供冷的單位冷量實(shí)際價(jià)格，因此，對(duì)于某一時(shí)段已決定啟動(dòng)的制冷機(jī)組與蓄冰設(shè)備之間采用機(jī)組優(yōu)先控制策略，這樣可以保證在可能的條件下制冷機(jī)組輸出冷量的實(shí)際價(jià)格均低于或等于基準(zhǔn)價(jià)格，以盡可能做到節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。

以上這種控制策略實(shí)際是基于制冷機(jī)組逐時(shí)啟動(dòng)臺(tái)數(shù)的機(jī)組優(yōu)先控制方式，通過(guò)動(dòng)態(tài)合理地確定逐時(shí)啟動(dòng)臺(tái)數(shù)，把傳統(tǒng)冰蓄冷優(yōu)化控制中精確確定各時(shí)刻制冷機(jī)冷量輸出的思想轉(zhuǎn)化為確定制冷機(jī)逐時(shí)啟動(dòng)臺(tái)數(shù)，大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理和實(shí)現(xiàn)難度。是優(yōu)化冰蓄冷系統(tǒng)日運(yùn)行費(fèi)用的一種控制策略，下面以一實(shí)際工程為例，進(jìn)行分析。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

本文以某醫(yī)院病房樓為研究對(duì)象。此病房樓總建筑面積約為24395m2，地上12層，地下一層，高度為49.95m，總空調(diào)面積17400m2。該建筑夏季空調(diào)最大冷負(fù)荷2430kW，設(shè)計(jì)日全天總冷負(fù)荷為31797kWh，空調(diào)供冷季負(fù)荷總和為2188008kWh，供冷季按112天計(jì)算。該系統(tǒng)采用常用的主機(jī)位于上游的串聯(lián)蓄冷形式，制冷主機(jī)空調(diào)運(yùn)行時(shí)間按14h計(jì)算。由于該建筑夜間逐時(shí)負(fù)荷超過(guò)350kWh，需設(shè)一臺(tái)基載冷水機(jī)組，擬定全天24小時(shí)運(yùn)行。運(yùn)用DeST模擬軟件對(duì)該建筑進(jìn)行冷耗模擬，得到設(shè)計(jì)日的逐時(shí)負(fù)荷見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷

2.2 冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)備選型

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)制冷機(jī)組的容量的確定與機(jī)組的運(yùn)行模式有關(guān)。本文討論的是基于冷機(jī)優(yōu)先的運(yùn)行模式；同時(shí)根據(jù)本建筑負(fù)荷的特點(diǎn)，夜間存在一定的負(fù)荷需設(shè)一臺(tái)基載機(jī)組，基載機(jī)組的容量一般按夜間最大逐時(shí)負(fù)荷選擇。而一般為了充分利用基載的投資，在主機(jī)優(yōu)先運(yùn)行策略下，要求基載機(jī)組全天運(yùn)行。所以在計(jì)算該雙工況機(jī)組和蓄冰裝置容量時(shí)要減去基載機(jī)的逐時(shí)制冷量，計(jì)算公式如下：

（1）制冷機(jī)名義制冷量[2]：

（2）蓄冰裝置有效容量[2]：

（5）

式中，為設(shè)計(jì)日的總負(fù)荷，kW；q為逐時(shí)基載負(fù)荷，kW；為白天制冷機(jī)在空調(diào)工況下的運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h；為夜間制冷機(jī)在蓄冷工況下的運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h；為制冷機(jī)蓄冷時(shí)制冷能力的變化率即實(shí)際制冷量與標(biāo)定制冷量的比值；q為制冷機(jī)空調(diào)工況下的制冷量，kW；Q為蓄冷裝置有效容量，kWh。

2.3 冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本工程按冰蓄冷空調(diào)分量蓄冰模式設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算最終確定配備三臺(tái)空調(diào)工況制冷量400kW，制冰工況制冷量280kW的雙工況螺桿機(jī)組；同時(shí)配置一臺(tái)容量為500kW的基載螺桿制冷機(jī)組。蓄冰裝置采用蓄冰盤(pán)管系統(tǒng)，蓄冷量7560kWh，蓄冰率為23.8％。選用一臺(tái)換熱量為2500kW的板式換熱器，板式換熱器將蓄冰系統(tǒng)的冰水混合物和空調(diào)系統(tǒng)冷凍水回路隔離，板式換熱器冷凍水側(cè)進(jìn)/出口溫度為12℃/7℃，冰水混合物側(cè)進(jìn)出口溫度1.5℃/8.5℃。冰蓄冷機(jī)房主要設(shè)備配置見(jiàn)表2。

表2 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備

3 典型負(fù)荷的運(yùn)行策略

本工程的冰蓄冷空調(diào)按制冷機(jī)組逐時(shí)啟動(dòng)臺(tái)數(shù)的機(jī)組優(yōu)先控制方式運(yùn)行。當(dāng)日負(fù)荷較小，小于等于最大融冰供冷量時(shí)，該樓的全天空調(diào)負(fù)荷由融冰供冷基本可以滿(mǎn)足，不開(kāi)啟制冷機(jī)組。當(dāng)日負(fù)荷大于最大融冰供冷量時(shí)，在白天供冷分2個(gè)時(shí)段：高峰時(shí)段、平價(jià)時(shí)段。在高峰時(shí)段，系統(tǒng)將依據(jù)實(shí)際的冷負(fù)荷需求，優(yōu)先使用融冰供冷來(lái)滿(mǎn)足負(fù)荷要求，不足部分由制冷機(jī)組承擔(dān)；但在平價(jià)時(shí)段，優(yōu)先使用制冷機(jī)組來(lái)供冷，不足部分由融冰供冷提供。但在擬定制冷機(jī)臺(tái)數(shù)時(shí)，需要計(jì)算制冷機(jī)輸出冷量的實(shí)際價(jià)格，考慮制冷機(jī)組的負(fù)荷率，保證輸出冷量的實(shí)際價(jià)格小于或等于基準(zhǔn)價(jià)格，依據(jù)這一原則確定制冷機(jī)組的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)。本文將供冷季的負(fù)荷分成4種典型負(fù)荷，結(jié)合峰谷電價(jià)和逐時(shí)啟動(dòng)臺(tái)數(shù)的機(jī)組優(yōu)先控制原則，得到了典型負(fù)荷的運(yùn)行模式，見(jiàn)圖2、3、4、5。典型負(fù)荷空調(diào)工況機(jī)組開(kāi)啟策略見(jiàn)表3。

表3 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略

圖3 100％負(fù)荷運(yùn)行策略

圖4 75％負(fù)荷運(yùn)行策略

圖5 50％負(fù)荷運(yùn)行策略

圖6 25％負(fù)荷運(yùn)行策略

4 經(jīng)濟(jì)分析

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)有很多評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文擬采用靜態(tài)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法分析冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，以投資回收期為評(píng)價(jià)指標(biāo)。投資回收期定義式為：

式中：Δ為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)增加初投資，元；Δ為蓄冷空調(diào)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)節(jié)省量，元；I為蓄冷空調(diào)系統(tǒng)初投資，元；I常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)初投資，元；P為蓄冷空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行總費(fèi)用，元；P為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行總費(fèi)用，元。

靜態(tài)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法使用最為直觀與方便，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在投資回收期以后，其每年節(jié)省的費(fèi)用即為用戶(hù)所獲得的經(jīng)濟(jì)效益。一般認(rèn)為回收期小于5年的是經(jīng)濟(jì)可行的。

4.1 初投資

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的初投資費(fèi)用主要在于與制冷設(shè)備有關(guān)的設(shè)備如：制冷主機(jī)，各種泵，冷卻塔，蓄冰設(shè)備等費(fèi)用。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備見(jiàn)表4。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備初投資概算見(jiàn)表5、6。

表4 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備

表5 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備投資

表6 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備投資

續(xù)表6 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備投資

4.2 運(yùn)行費(fèi)用與投資回收期

本項(xiàng)目的空調(diào)供冷時(shí)間從6月1號(hào)到9月20號(hào)，為112天。根據(jù)負(fù)荷模擬結(jié)果，統(tǒng)計(jì)達(dá)到100%設(shè)計(jì)日負(fù)荷的時(shí)間約為14天，總負(fù)荷達(dá)到設(shè)計(jì)日負(fù)荷75%的時(shí)間約36天，總負(fù)荷達(dá)到設(shè)計(jì)日負(fù)荷50%時(shí)間46天，總負(fù)荷達(dá)到設(shè)計(jì)日負(fù)荷25%時(shí)間16天。結(jié)合當(dāng)?shù)仉妰r(jià)政策（表8）和運(yùn)行耗電量可以得到2種空調(diào)系統(tǒng)的供冷季運(yùn)行總費(fèi)用，見(jiàn)表7。

表7 冰蓄冷空調(diào)與常規(guī)空調(diào)運(yùn)行電費(fèi)比較

表8 峰谷電價(jià)

經(jīng)計(jì)算可知，該項(xiàng)目冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備初投資費(fèi)用比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)初投資增加了約38.8萬(wàn)元，而每年的運(yùn)行總費(fèi)用比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)省了約15.1萬(wàn)，可得該項(xiàng)目的投資回收期=2.7年。

5 結(jié)論

在冰蓄冷優(yōu)化控制方法中，傳統(tǒng)的主機(jī)優(yōu)先或者融冰優(yōu)先都不能使冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，而追求理論上的最優(yōu)控制在實(shí)踐中又很難實(shí)現(xiàn)。本文提出的逐時(shí)啟動(dòng)臺(tái)數(shù)的機(jī)組優(yōu)先控制方式，通過(guò)合理確定逐時(shí)制冷機(jī)組的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)，解決了傳統(tǒng)機(jī)組優(yōu)先控制策略無(wú)法發(fā)揮系統(tǒng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力的缺點(diǎn)，又確保了機(jī)組高效率運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，是一種較為可行的，更接近最優(yōu)控制的控制模型。

本文以投資回收期為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將該冰蓄冷空調(diào)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，得到冰蓄冷空調(diào)投資回收期為2.7年，驗(yàn)證了該冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的控制方式比較節(jié)省費(fèi)用，具有不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。

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Study on Economic Analysis and Optimization Control to Ice Storage Air-conditioning System

Ci Chao Shen Zhihe Hu Yukun

( School of Civil and Hydraulic Engineering Hefei University of Technology, Hefei, 230009 )

Ice storage is an important technology of peak clipping and channel filling and grid load balancing. This paper started with optimization control to ice storage air-conditioning system, then analyzed the advantages and disadvantages of the current three common control strategies that was cold priority, ice priority and optimization control in practical application. This paper banded merit of two kinds of control strategies that was cold priority and one by one chiller starting, put a new optimization control strategy; Analyzed the hourly operational strategy under the different cooling load based on an example project. Economic analysis was made for the ice storage air–conditioning system and the conventional air conditioning system by using static economy method. Economic effectiveness of the ice storage air-conditioning system an was demonstrated.

Ice storage; Optimization control; Conventional air conditioning system; Energy consumption; Economic analysis

1671-6612（2017）02-204-06

TU831.6

B

慈 超（1990-），男，在讀研究生，E-mail：cc969136483@163.com

沈致和（1963-），男，教授，碩士生導(dǎo)師

2015-12-18