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某动态冰蓄冷空调系统控制策略的优化(其他)

某动态冰蓄冷空调系统控制策略的优化(其他)

                      詹利军 刘刚 甘长德 魏曙光

                      东华大学环境科学与工程学院

摘要:冰蓄冷空调系统控制策略有多种形式,又各有其优缺点。本文将制冷主机运行效率与冰蓄冷空调系统运行策略结合起来,通过计算制冷主机逐时COP值,找到一种更加适合冰蓄冷空调的运行策略,可以大幅节省运行费用和降低运行能耗,实现国家、电商、用户的共利同赢。    

关键词:冰蓄冷空调冰片滑落式制冷机效率优化控制经济性

0  引言

    冰蓄冷空调技术是移峰填谷,平衡电网负荷的重要技术。然而,只有通过合理的优化蓄冷空调系统运行策略,才能真正发挥上述优势。本文通过对东华大学松江校区冰片滑落式冰蓄冷系统的分析、计算,得到东华大学松江校区冰蓄冷空调系统的制冷主机逐时COP值,以用来指导对该蓄冷空调系统控制策略的优化,最后进行了整个供冷季的耗电量和电费计算,表明考虑制冷主机逐时效率的蓄冷空调控制策略能具有更大的节能空间,有效地降低供冷季的运行费用。

1  工程概况

  东华大学(松江)校区总建筑面积约8.6m2,总空调面积达5.2m2。中央空调系统采用冰蓄冷(蓄热)系统方式(图1),主要包括图文信息中心、信息理学学院楼、人文外语学院楼、第二餐厅以及校行政办公楼。夏季尖峰冷负荷为8790 kW,冬季尖峰热负荷为3000 kW。分两期投入使用,首期尖峰负荷为:6828 kW,热负荷为1600 kW。二期尖峰负荷为:1960 kW,热负荷为:1400 kW。一期装机容量为5970 kW,二期装机容量为2820 kW,总装机容量为8790 kW。    

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作为学校供冷,每天供冷时间为8:00-22:00,每周供冷五天。周六、周日时只有少量办公室、阅览室开放,可由机载主机直接供冷就可以满足负荷要求。

2  制冷主机运行效率分析及对系统控制策略的优化

2.1设计日各时段的冷凝温度

    夏季室外空气湿球温度日变化模型为:

某动态冰蓄冷空调系统控制策略的优化(其他)879.png30.4℃,B01005.3kPaB’取1013.25 k Pa,通过式(1)计算,计算结果列在表1中,湿球温度一天变化如图2

某动态冰蓄冷空调系统控制策略的优化(其他)948.png某动态冰蓄冷空调系统控制策略的优化(其他)949.png 

    该工程选用的冷却塔热力性能曲线,由计算出的不同湿球温度,可以查出冷却塔的出水温度,按照当前工程的实际经验,水冷式制冷机组冷凝温度比冷凝器出水温度(冷却塔出水温度)高出35℃,本文取5℃,由此可得到制冷机冷凝温度,结果见表2

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2.2设计日各时段的蒸发温度

  该工程使用Mueller公司的制冷机组,蒸发温度靠外平衡式热力膨胀阀开度来进行调节。当外界负荷较大时,板式换热器冷冻水出口温度较高,所以蒸发板片进水温度比较高,此时热力膨胀阀调节加大开度,使得在节流阀处的压降减小,由于冷凝压力几乎不变,故蒸发压力必然升高,蒸发温度相对比较高。反之,外界负荷较小时,蒸发温度会相对较低。

    板式换热器的一次冷冻水来自于蓄冰槽,冰槽内水温恒定,约为10C,冷冻水回路按定流量设计,设计流量为1148 m3/h,根据各个时段的负荷,可计算出冷冻水在板式换热器的出口水温。根据设备厂提供的电磁膨胀阀资料,电磁膨胀阀能自动调节开度,控制蒸发温度,蒸发温度比蒸发板片出口冷冻水温度低约1.5℃,所以,可计算出蒸发板片的出口冷冻水温度,然后再反推出蒸发温度,将计算结果列在表1中。

2.3设计日各时段制冷机COP

    3所示为制冷循环压焓图,制冷机的制冷性能系数公式如下:

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    依据上述得到的各时段的冷凝温度和蒸发温度,通过饱和氟利昂R-22的蒸汽参数表及压焓图查出各个温度所对应的焓值,根据式(2)得到各个时段的制冷机COP值。冷凝温度和COP值的结果列于表2中。

    为了寻找影响冷水机组COP值的因素,现将设计日逐时负荷列在图4

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    通过对比表2和图4,可以发现:对于冷水机组而言,负荷率对其COP值影响很大。COP较低时段8:00-9:0019:00-22:00分别对应冷负荷较小的时段。究其原因,是由于该时间段负荷较小时,冷冻水回水温度相对较低,热力膨胀阀会根据冷冻水回水温度自动调节开度,从而导致冷水机组蒸发温度较低,进而减小了冷水机组性能系数(COP)

    同样,非设计日时,由于学校的特殊性,8:00-9:0019:00-22:00这两个时间段内,图书馆、教室和餐厅等室内人员较少,当天冷负荷降低较多,此时若开启冷水机组制冷,恰是冷水机组COP值较低的时段,造成能耗和经济上的浪费,故应尽量避开。

2.4具体优化策略

    对于设计日负荷下,该优化策略和其他控制策略没有很大的差别,运行时主机全部开启在100%负荷率下运行,不足部分由蓄冰槽补充。

    然而,在整个供冷季,设计日负荷的天数只占大约10%,其它绝大部分的时间系统都在非设计日负荷的情况下工作。白天8:00-9:0019:00-22:00时间段,不开启制冷主机,完全由蓄冰槽通过融冰供冷。这样就保证了制冷机不在其COP较低的时段运行。而9:00-19:00时段,若蓄冰槽剩余冷量Qc大于该时段所需冷量Q a,则不需开启制冷主机,仍由蓄冰槽独自供冷。反之,则根据差值大小依次开启各螺杆制冷机组,

以保证每台制冷主机运行时处于COP值较高时段。晚上22:00-6:00时间段,四台机组均开启制冰运行模式。

    例如,在70%设计日负荷下,对该考虑制冷主机COP的优化控制和主机优先控制的负荷分配进行比较,见图5,则非设计日时,该优化控制策略的优势便显现出来了。

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    对于当日负荷小于或等于30%设计日负荷的情况。由于设计该工程时蓄冰槽提供冷量占总冷量的30%,故可全天利用蓄冰槽供冷,关闭所有冷水机组。

3供冷季用电量及电费比较

本工程电价表见表3

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    整个供冷季按照61日到930日计算。其冷负荷分布频数见图6所示。主机优先供冷策略、蓄冷优先策略和结合制冷机效率的优化控制策略的电耗、电费在表4中列出。从列表中可以看到,采用了结合制冷机效率的优化运行控制方式后,整个供冷剂运行费用明显下降,比主机优先策略降低了21.3%,比蓄冷优先策略降低了11.6%,充分体现了该运行策略下冰蓄冷系统的经济效益。

某动态冰蓄冷空调系统控制策略的优化(其他)2627.png某动态冰蓄冷空调系统控制策略的优化(其他)2628.png 

4  结论

    1)通过以上分析可知,对东华大学松江校区所使用的冰蓄冷系统而言,采用考虑制冷机逐时效率来优化运行策略比制冷机优化和蓄冷优化策略更加合理,利用制冷机效率较高时段开启主机制冷,而制冷机效率较低时采用蓄冰槽制冷,可以在用电量相当的情况下大幅度降低整个供冷季的运行费用。该蓄冷空调系统控制策略可以推广到类似蓄冷空调系统中使用。

    2)虽然主机冷凝温度和蒸发温度二者都对制冷机的制冷效率有影响,但是蒸发温度对COP值的影响相对冷凝温度要大很多。而且冷凝温度与当地湿球温度有很大的关系,因此,对于在相同地点的制冷机组,想要改变其冷凝温度是比较困难的。我们应当从蒸发温度着手,来提高制冷主机的COP值。

    3)蓄冷空调已经越来越多地出现在中央空调系统的设计中,把制冷机逐时效率与蓄冷空调控制策略结合起来的选择性开机运行策略不仅可以实现制冷机的高效运行,提高制冷机的高制冷效率,而且充分发挥蓄冷空调利用低谷电能、移峰填谷和提高电网安全运行优势,达到高效节能和降低运行费用的目的。

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