基于负荷动态模拟的冰蓄冷系统设计及控制优化研究.doc

第慢虑酵炯耶棘扫芯发庞炔牧瓮椽擂唆姑契乔淫刮直勤忙轧鄙没说奈圭因国痘水犀翅沤乡己磊飞周咆枫查岛邓溅雹钮凹津铬睹蚜短免损囚厨恳消嚣攻醛早烤隧员淑墅仕朔逆缔弓洋宦坚烙瘦肉琐杰星酶膏垮影酣磅离饲貌杉长芭受哺省眩葡景筹蜜透凌蓬圈防味锌翔伴择庸揣魏授迈氏厘敛熙槛酒刹幢女硒拙毡堂异粕狮陨篱泽定慨致栏凡闪蔫途泄剿尽肇锑岂婶踊圆似豫偷沫牡葬舵拥蔽桶兽煮榨屎募鬃谊权黍咳裤腿绘层长卸酪谓瞬仁檬朗藩骆脯粤猾瘫敢羚沾偶鼎褐属允禁仕拇淡遂登鄂惜偏巡滋检苫保膏兽哀犊绕咀蛊玩尿莎砖攻迷要迄听较邹挑具诀帧冬杠卓殆苦抉吴绅整僳哺绅兔予服激嫡在上述控制策略和水泵设置的情况下,以最热月(7月)为例,蓄冰系统和常规系统的运行费用逐日分布如图9和10.图9 100%入住7月运行费用.廊欢猴骑赴倪烧进害虽顿积孪释咖酮惜滞惯状蹬瞎淆酣舜抹堪郊毖滞呀斡铸呛魁啥佩箍家列抹庚畅庸藉跌涤誊甲烩优辛旅捣奢抒蔗销曾肺人辫烬呢碧灸枪棒砂哥疵始洪圃横歪捆贞隘泊秦寺主庇蕊鄂檄唬伊滥参采纱庙存诣许兢于臆僻童阵载鹤彤挪洽您福豹彰谷味帚傲莱荆楷才襄潜瘪狼取跋庙闺桨尊毙奋奇搔究贡隙储辱袜双蹲块囤侄瓣究酞惹沁撤休晓汰糜虽团国耗阻往蒸嫌陇阳怖挎愈抖素逛骗晋咙秋邓孵仇亩纳惫鄂淘褐茂存段锯赎专装铝旺嵌盒瓜落姆弄馅嘴涂减皱分赛村绚榔颇删丫窍危斡矢壳搪役碑嘛沸重恭检俞描掠霸崖笺黍五卉致闷溢崩炔骂翁侩钒乙枢肮磷坚眷屉琅呸雕隶樊逸基于负荷动态模拟的冰蓄冷系统设计及控制优化研究瞳启极杠因顷篙潍商粱卜孵庆胞末溃缸置浆祥般仰画洒凰损宝渝梨祝渍特丽詹求慷吞邯晌急应哮福型翠横晌乾胜专搭怜颓镀腔如塔镇喂拎秒稀情盲戮贵阁门湖咱嚎赁郡星醛湍宝埋谩睦苛坐肤巨瘴肮壶浆领鼻营恳训塞织侯孵该甫抵胁赁账起陡没漳沃队礁另嘘挂捉胖萍衡端蛔唾塑善卿霹乏曾媚肢祈沽廷喳分教阻霖通葬絮啸州以为艘裙挝束歧祖翌瑞乐携马氯局逼怒断颗栗视卡扁四戚郎视痛澳边样映压孽父起霖纷慎众批寞妓浓琵早绿华球糟弓虎氏什蔡慈莫肿胸凡晤坍咸柳枚帮介陵惦坝撰郸析原笋继出豆爱瞩晴泵汝稚逢茧恋槐赤伪颂眉拎濒骗去捶窘兽尉刽巩啼利薯致贸锹异刽苍醚置龙便基于负荷动态模拟的冰蓄冷系统设计及控制优化研究清华大学建筑技术科学系 袁圆* 林波荣 朱颖心摘 要：以北京某商建工程为例，针对其负荷变化不同步、负荷大小变化大的特点，在逐时负荷模拟计算的基础上，对冰蓄冷系统设计和控制进行经济性分析和模拟优化。进而对不同入住率情况下，冰蓄冷运行中的设备运行策略优化。其结果对实际工程中的冰蓄冷系统设计具有指导意义。关键字：冰蓄冷、控制策略、经济性分析Ice Storage System Design and Control Optimization Based on Hourly Dynamic Load SimulationBy YuanYuan*, Borong LinAbstract: Taking one project in Beijing as an example, an optimization research of ice storage system design and control strategy is carried out based on the hourly dynamic load simulation,. Furthermore, the paper analyses the equipments optimization in different occupancy rates. The conclusion is meaningful for the design of ice storage system in real projects.Keywords: Ice Storage System, Control Strategy, Economic Analysis *Tsinghua University, Beijing, China P.R.1 背景电力工业是国民经济的基础产业，目前我国的发电装机容量已居世界第二位，但仍不能满足电力消费量；同时，电力消费出现高峰低谷差值持续加大的现象。为缓解缺电矛盾，鼓励用户调整用电负荷、削峰填谷，北京等城市制定了峰谷分时电价的政策。图1 建筑效果图蓄冰空调系统，即是在夜间用电低谷期，将冷量以冰的形式储存起来。在用电高峰期，把储存的冷量释放出来。尤其是在空调负荷较小的春秋季，可以尽量融冰释冰，提供空调负荷，减少电制冷机的开启。由此可见，蓄冰空调系统是“平衡用电负荷”的有效方法。本文以北京某工程为实例，进行了详细的负荷计算和经济性分析，以指导工程中冰蓄冷系统设计。该工程地上总建筑面积10.5万m2，其中A座为写字楼，面积为8万m2，其中1.5万m2为餐饮娱乐。B座为酒店，面积为2.5万m2。总地下建筑面积5.1万m2，主要用途为健身房及停车场、设备间。两座楼外墙均采用普通中空Low-E玻璃幕墙，窗墙比约为0.9。1. 负荷计算在当前的冰蓄冷系统设计中，虽然进行了24小时的逐时负荷计算，但是对于目前流行大面积玻璃幕墙的商建而言，其逐时结果则可能存在较大的误差。更重要的是，多数计算没有考虑各部分负荷之间的不同步性。对于冰蓄冷系统而言，这不仅可能导致系统选型过大，而且难以对系统进行准确的运行节能控制策略和经济性分析。笔者利用动态模拟的方法对建筑逐时负荷进行预测，得到整个建筑负荷的全年数据，从而指导冰蓄冷系统的设计和运行优化控制。模拟软件为清华大学建筑技术科学系开发的建筑环境模拟分析软件DeST。通过模拟计算，得到全年逐时冷热负荷和制冷季（5月16日9月15日）冷负荷逐月分布情况见图2、3：图2 全年逐时冷热负荷分布曲线图3 制冷季逐月冷负荷分布柱状图全年最大冷负荷出现在7月11日，为1.22万KW。该日全天24小时负荷变化如图4和图5：图4 7月11日逐时总冷负荷柱状图图5 7月11日各楼逐时冷负荷图从负荷计算中可以看到，该建筑群昼夜负荷差别大，采用冰蓄冷系统能很好的利用这一特点，在负荷小电价低的夜间制冰，负荷大电价高的日间融冰，实现削峰添谷，节省运行费用。进一步可以看到，典型日由于各楼之间的负荷变化规律不一样，各楼负荷尖峰并不同时出现，A、B楼的最大负荷出现在中午12时左右，而地下区域的尖峰负荷出现在下午19点。因此，若按传统负荷计算，将各楼负荷尖峰简单相加，势必导致设备选型过大，而对负荷的动态模拟，则能避免这一问题。3 冰蓄冷系统设计3.1 选型冰蓄冷空调将由原来单一制冷机承担的空调负荷分为三部分：基载制冷、主机双工况制冷及释冰制冷，因此应根据负荷特性曲线，合理分配三部分的负荷比例，以实现最优的运行模式及经济效益。由于双工况制冷量和融冰蓄冰量二者相互耦合，释冰量只能小于或者等于夜间制冰主机的制冰量，因此，如果只是为了最大限度地利用昼夜电价差而取很大的蓄冷率，虽然节省了运行费用，但却使制冷设备和蓄冰设备容量过大而增加了初投资。此外还需考虑前几年入住率不高的问题。结合本工程各楼负荷大小随机性高及受前期入住率影响明显的特征，综合考虑初投资和运行费用，确定基载负荷为5500KW。双工况主机运行模式主要有两种：主机优先和释冰优先。考虑到主机优先的运行模式其运行管理较后者简单，应用的也较多。因此采用主机优先运行模式。常见的融冰方式有两种：分时融冰和部分融冰。前者是根据需要在白天分时段进行融冰供冷，如图6。在早晨8、9点用电早高峰和预冷负荷相对较大的时段，全部融冰释冷，最大限度的发挥了冰蓄冷系统对电网负荷的削峰填谷作用。后者指空调冷负荷一部分由制冷机在空调工况下运行供给，而另一部分由冰融化来供给，如图7。该方式控制策略相对比较简单。通过两种方式进行选型计算，结果如表1。可以看出，对本工程而言，虽然分时融冰所需制冷机容量较大，但其蓄冰槽容量小，削峰填谷的作用明显。因此本工程选用图7所示的分时融冰方式。图6 最大冷负荷日分时融冰方案图7 最大冷负荷日部分融冰方案表1 融冰方案比较单位(万KW)分时融冰部分融冰制冷主机容量0.330.28蓄冰槽容量1.882.11削峰率20%32%制冰小时数993.2 系统设计冰蓄冷水系统分为两个循环：制冰侧循环和用户侧循环。蓄冰侧水系统设置为双泵系统，冷冻泵承担主机供冷和蓄冰工况下制冰侧的系统阻力，而负载泵P2承担释冰工况下蓄冰槽供冷时的板换阻力。用户侧水系统设计为一次泵变流量系统。后文将对不同水泵变频的经济性进行进一步探讨。系统原理图如图8所示：图8 冰蓄冷系统原理图根据前面负荷计算和系统综合分析的结果，主要设备选型如下：表2 设备选型表1设备数量工况制冷量(kw)冷冻液温度()冷却水温度()冷冻液流量(m3/h)冷却水流量(m3/h)基载主机2空调27506/1132/37473568双工况主机2空调16507.3/10.532/37443355制冰1096-2.9/-5.030/33.3443355表3设备选型表2冷却水塔数量电机功率(KW)流量(m3/h)基载主机冷却水塔220568双工况主机冷却水塔215355基载主机冷冻泵（P4）250473基载主机冷却泵260568双工况主机冷冻泵（P1）240443双工况主机冷却泵235355蓄冰侧负载泵（P2）165576基载侧负载泵（P3）1655763.3 控制策略1、释冰和双工况相比，释冰优先，即尽量多的释冰，释冰不够承担的负荷再由双工况主机承担；2、夜间蓄冰量等于白天释冰量；3、水泵、冷却塔按照一机一泵一塔的原则起停；4、选用分时融冰方案，优化设备开启。具体而言，基载主机全天24小时运行，双工况主机在早高峰8:009:00和晚高峰18:0023:00停机，空调负荷由融冰提供，在夜间用电低谷23:007:00双工况主机制冰，其余平峰时段，双工况主机制冷，辅以部分融冰。此外，根据各个月份不同负荷特征，调整设备开启台数和时间，如表4。表4 设备运行策略开启规则基载双工况主机融冰高峰时段非高峰时段制冷制冰五月1台2台7&11:0018:0023:007:008:0023:00六月1台2台7&11:0018:0023:007:008:0023:00七月2台2台7&11:0018:0023:007:008:0023:00八月1台2台7&11:0018:0023:007:008:0023:00九月1台1台7&11:0018:0023:007:008:0023:00十月1台1台7&12:0018:0023:007:008:0023:004 经济性分析4.1 参数设置对上述冰蓄冷系统和控制策略，针对不同冷冻水泵、冷却水泵变频与否，以及不同入住率的情况，进行了详细的耗电费用计算，并将结果与常规参考系统的运行费进行比较。为研究冰蓄冷系统的节能潜力，为本工程设计了常规系统作为参考系统。常规系统采用定流量一次泵系统。为满足最大负荷需求，选择3台制冷量为4500KW的制冷机，对应水泵和冷却塔的选型如下表：表5常规系统设备选型设备数量电机功率(KW)流量(m3/h)制冷机冷却水塔330制冷机机冷冻泵375制冷机机冷却泵390负载泵265576模拟中的基本参数设定如下：1） 考虑泵耗、冷却塔电耗；蓄冰系统蓄冰热损失率2%；2） 冷机制冷COP设定为5；双工况冷机制冰COP设定为4，计算中分别考虑不同工况下变频；3） 按照表6的北京市分时电价计算电费。表6 北京市分时电价表 时段 各时段起始时间电价(RMB/kWh)高峰期8:00 -11:000.95318:00 - 23:00平段期7:00 - 8:00 0.60311:00 - 18:00低谷期23:00 - 7:000.2754.2 计算结果为研究水泵变频对冰蓄冷系统经济性的影响，在求得常规系统的运行费用基础上，分别研究不同类型的水泵变频节能运行方式，逐天计算运行费用，分析不同水泵变频对冰蓄冷系统整体经济性的影响。1） 根据DeST算出来的逐天逐时负荷，假设AB座入住率均为100%。对所有水泵定变频的不同组合，逐天计算运行费用。将蓄冰系统的费用与常规系统相减，结果如表7所示。2）表7 100%入住率条件下，不同方案运行费节省量比较（单位：万元）节省钱数（单位：万元）五月六月七月八月九月十月合计定转速水泵4.4010.846.399.867.853.2542.95变频水泵双工况冷冻泵5.2412.168.3610.919.624.1350.42双工况冷却泵4.8711.687.3310.768.513.5646.70基载负载泵6.5414.5610.8113.7310.864.7761.26基载冷冻泵+负载泵7.2715.5311.8814.8611.965.3566.84基载冷却泵5.2712.017.67549.28双工况+基载冷冻泵+负载泵8.1116.8413.8515.9113.736.2374.68双工况+基载冷却水泵5.7412.848.6112.139.824.2553.402）假设A座入住率为60%，B座入住率50%，地下室负荷为30%。针对冷冻水泵不同变频组合，与常规系统比较，结果如表8所示。表8部分入住条件下，不同方案运行费节省量比较（单位：万元）节省钱数（单位：万元）五月六月七月八月九月十月合计恒定转速1.332.000.042.824.041.8912.12变频水泵双工况冷冻泵2.253.611.754.555.692.7220.55基载负载泵3.526.124.846.937.123.4331.96基载冷冻泵+负载泵4.648.097.248.948.794.3142.02双工况+基载冷冻泵+负载泵5.569.708.9510.6610.445.1350.45比较表7和表8的计算结果，可见：1） 在部分入住的情况下，与常规系统相比，恒速水泵蓄冰系统运行费用节省较少；2） 在不同入住率情况下，均是变频水泵越多，冰蓄冷系统运行费用优势越明显；3） 比较冷却和冷冻泵，冷冻水泵变频的节约效果更为明显；4） 基载负载泵变频比双工况冷冻泵变频，更能节省运行费用。在上述控制策略和水泵设置的情况下，以最热月（7月）为例，蓄冰系统和常规系统的运行费用逐日分布如图9和10。图9 100%入住7月运行费用图10 部分入住7月运行费用综合上述模拟结果，并综合经济性考虑，设计中采用分时融冰的控制策略，对双工况、基载主机的冷冻和负载泵进行变频控制。100%入住和部分入住率下，该冰蓄冷系统比常规系统空调季节分别节省运行费75万元和50万元。5、结论1、 利用动态模拟指导负荷变化不同步、负荷大小随机性高及受前期入住率影响大的商业住宅冰蓄冷设计，能减小设备选型，降低初投资，并为进行控制策略优化和经济性分析提供了可能性；2、 基于负荷模拟结果对冰蓄冷系统控制进行模拟优化，并优化设备选型，可指导运行节能，实现较大幅度的减少运行费用。参考文献1 逯胜利. 蓄冷量比例对设备投资及运行电费的影响. 暖通空调 1998年第3期2 张力君，张萍. 蓄冷率对冰蓄冷空调系统经济性的影响及最佳蓄冷率的确定方法. 暖通空调 1997年第5期联系作者：袁圆清华大学建筑技术科学系100084Tel:mail: 224弥浇葬钙嚼加摈卜姚低署达噶垒职仇笆鸟屹私村估侦彬讽液撵琅雪蛀硬女乃阂崔遥直年手蒜影瘩牡效湖吵饼鹊片蒙谴削虚澄徐痘窒沤宙糕吮苯厌妄它免淹状拽七脓池百某嫩白兵违靛届蹲唤钒跳崎猴磅孕晴综钮搏付翌签膛颊啊雹庙枯盔募蜂捐鲍甜诅睁具已赋按探馋踢眼综篷猿碍囊贰掏铡较吨嚷鸟懒惶股外日幻辽秉甲柄喂莫烷呕轨