基于负荷动态模拟的冰蓄冷系统控制方案优化

No.2/2010 总第132期第31卷 制冷空调 与电力机械 Refrigeration Air Conditioning &Electric Power Machinery 中图分类号：TU83 文献标识码：B 文章编号：1006- 8449（2010）02- 0062- 04 技 术 交 流 0 引言 冰蓄冷空调系统是平衡用电负荷的有效方法，一 套完整的冰蓄冷系统是不能没有自动控制系统的。为 了充分发挥冰蓄冷系统电力移峰及节省运行费用的特 点，设置合适的自动控制系统是十分重要的。由于冰蓄 冷系统的设备容量是按照日冷负荷确定的，实际 运行中部分负荷运行的时间占大部分，此时冰蓄冷系 统能否经济地运行是决定其能否成功的关键。因此须 设置有效的自动控制系统，根据冷负荷的变化来控制 系统的经济运行。 1 概况 该示范楼如图 1所示，位于北京市玉渊潭南路南 侧、科技部旁，是一座突出节能特点的绿色、智能建筑。 建筑面积 1.3万 m2，建筑密度 22%，是一座地上 8层、 地下 2层、建筑高度 31m的办公建筑。节 能楼的空调系统冷 源 共 设 有 2 台 30HCX100 螺杆式 冷水机组，制冷剂为 R134A绿色制冷剂， 可 实 现 20~200RT （1RT=3.517kW） 的 12种组合，其中主 机的空调工况制冷 量为 342kW；在制冰工况下，制冷量为 250kW，包括 2 台冷水泵、2 台冷却水泵以及 2 台冷却塔、5 个 Calmac1098- C- 4- F 冰罐 （系统全日的蓄冷量为 2000kWh）。空调系统在工作日运行时间为 7：30~17：30， 周六、周日停止运行。 2 冰蓄冷系统的控制 2.1 控制目的、范围及主要受控设备 蓄冷控制系统控制目的：通过对制冷主机、蓄冰装 置、板式热交换器、系统水泵、冷却塔、系统管路调节阀 进行控制，调整蓄冰系统各应用工况的运行模式，在最 经济的情况下给末端提供一稳定的供水温度。同时，提 高系统的自动化水平，提高系统的管理效率和降低管 理劳动强度。控制范围包括整个冰蓄冷系统的参数状 态显示、设备状态及控制。主要控制设备有：双工况主 机、电动阀、冷却塔、冷却水泵、蓄冰装置、乙二醇泵和 板式换热器等。 2.2 控制功能 控制功能包括整个冰蓄冷系统稳定、经济运行所 需的功能。这里只简单介绍几点。 （1）工况转换功能。根据季节和机器运行情况，自 控系统具备以下工况转换功能：1）双工况主机单独制 冰模式；2）主机与蓄冰装置联合供冷模式；3）融冰单 独供冷模式；4）主机单独供冷模式。 基于负荷动态模拟的冰蓄冷系统控制优化 王雪梅 1， 谭洪艳 1， 吕子强 1， 吴醒龙 2 （1.辽宁科技大学资源与土木工程学院，辽宁鞍山 114044；2.鞍山市燃气总公司，辽宁鞍山 114001） 摘要：以北京科技部节能示范楼为例，在逐时负荷模拟计算的基础上，对冰蓄冷系统的自动 控制进行优化，为进一步优化和完善节能方案提供可靠的依据。 关键词：冰蓄冷系统； 控制优化； 能耗动态模拟 62 No.2/2010 总第132期第31卷 制冷空调 与电力机械 Refrigeration Air Conditioning &Electric Power Machinery （2）工况的启停、显示和故障报警功能。控制系统 按编排的时间顺序，结合负荷预测软件，控制制冷主机 及外围设备的启停数量及监视各设备之工作状况与运 行参数。 （3）数据的和打印功能。控制系统对一些需要 的监测点进行整年趋势记录，控制系统可将整年的负 荷情况（包括每天的最大负荷和全日总负荷）和设备运 转时间以#表格#和图表记录下来，供使用者使用。所有监 测点和计算的数据均能自动定时打印。 （4）手动 /自动转换功能。控制系统配置灵活的手 动 /自动转换功能。 （5）优化控制功能。根据室外温度、天气预报、天气 走势、历史记录等数据自动选择主机优先或融冰优先。 在满足末端负荷的前提下，每天使用完储存的冷量，尽 量少地运行主机，充分发挥冰蓄冷系统优势，节约运行 费用。 3 能耗模拟对冰蓄冷系统控制的指导 3.1 负荷的计算 逐时负荷的预测对冰蓄冷空调降低运行成本有着 重要的意义。EnergyPlus是一个建筑全能耗软件。 通过 EnergyPlus对建筑物以及空调系统的实际运行状 况进行模拟，我们能够得到各个时间段、各种设备的运 行状况以及能量消耗；通过软件中的系统模块，可以实 施一些对空调系统的优化控制策略的模拟，从而得到 该控制策略的节能效率以及设备的运行状况。 笔者运用模拟软件 EnergyPlus对建筑逐时负荷预 测，得到供冷季（5月 1日 ~9月 30日）逐月冷负荷分 布情况，见表 1和图 2。图 3是该楼 7月 21日设计日 的空调负荷分配图，最大的冷负荷出现在下午 15：00。 从图中可以看到，该建筑群昼夜负荷差别大，采用冰蓄 冷系统能很好地利用这一特点，夜间制冰，白天融冰， 实现削峰填谷，节省运行费用。 3.2 冰蓄冷系统的控制方案 冰蓄冷系统和 BMS（Building mangement system）系 统通过软件接口协议实现联结。BMS系统根据实际冷 负荷和节能要求监控冰蓄冷系统工作模式和监测相关 的数据。 冰蓄冷系统主要包括制冷机、冷水泵、冷却泵、冷 却塔、乙二醇泵和板式交换器及三通调节阀、旁通阀、 导向阀、室外温度监控和相应的监测传感器。因此冰蓄 冷系统包括冷水系统的控制，冰蓄冷系统的模式控制 由冰蓄冷系统实现。图 4和图 5是科技部节能楼冰蓄 冷系统图和控制流程图。 根据节能楼的全年冷负荷分布情况，我们需要制 定时间表，考虑节假日等的修正量，由此确定负荷需 求。根据优化控制分析，分析的过程不作为本文的内 容，采用融冰优先，制冷机组和蓄冷设备协调运行情况 见表 2。表 3是冰蓄冷系统电动阀门在各工况时的状 态表。 3.3 冰蓄冷系统控制的实现 系统在两大时间段内工作，即在用电低谷段制冰， 在用电高峰段利用主机和融冰供冷。在制冰模式下，冷 0 8 8 8 8 408 100% 15 15 80% 16 8 23 47 60% 6 18 24 30% 10 4 14 50% 7 7 40% 6 6 五月 六月 七月 八月 九月 负荷状况 各负荷状况所占天数 总计 表 1 节能楼供冷期逐月的负荷分布 d 技 术 交 流 63 No.2/2010 总第132期第31卷 制冷空调 与电力机械 Refrigeration Air Conditioning &Electric Power Machinery 表 3 冰蓄冷系统电动阀门在各工况时的状态表 基载主机 供冷 平锋时段 2号 制冷机优先 不运行 不运行 A- C 关 关 系统不需 要冷负荷 T5=- 3.3℃ 不运行 不运行 A- C 关 关 关 关 不运行 运行设定 温度 7.6℃ 单制冰 低谷时段 运行设定 温度 - 8.0℃ 运行 A- B 关 开 关 不运行 蓄冰桶 蓄满 低谷时段 不运行 不运行 A- C 关 关 关 运行设定 温度 7.6℃ 制冷机和 融冰同 时供冷 平峰时段 1号 制冷机优先 运行设定 温度 6.6℃ 运行 运行 6.6℃ 开 关 开 不运行 融冰供冷 用电高峰 不运行 运行 运行 6.6℃ 开 关 开 不运行 运行工况 运行时段 1号制冷机 乙二醇泵 电动阀门 AV1 DV1 DV2 CV1 2号制冷机 开 关 关 开 关 关 不运行 不运行 运行 运行 运行 运行 不运行 不运行 不运行 不运行 不运行 不运行 2号 冷水泵 1号CV2 水机组将工作在低的设定点，产生 - 8.0℃（可调）的乙 二醇溶液通过蓄冰 装置，使蓄冰内盘 管的外壁结冰并储 存；在供冷模式下， 双工况冷水机组运 行并将其出口的乙 二醇溶液温度降低 至 6.6℃（可调），经 过蓄冰装置后其出 口温度为 3.3℃。 3.3.1 设计日的控 制 在设计工况下 （冷负荷大），在冷 负荷高峰时段内冷 水机组的容量不能满足节能楼的需要，通 过融冰来补充冷量。这时双工况主机在空 调制冷工况下运行，满足大楼部分冷负荷 的需要，其它的负荷由融冰满足。 3.3.2 非设计日的控制 冷负荷相对较大时（负荷为设计负荷 的 50%以上），冷水机组的冷量将受到限 制，从而产生融冰优先操作模式。在这种模式下，这期 间融冰首先满足大楼部分冷负荷的需要，其它的负荷 由双工况主机在空调制冷工况下满足。一般控制系统 根据以往的日建筑冷负荷分布图，加上预报的温度来 决定当天的预测性负荷图，来决定当天的运行策略。如 果根据模拟软件输入第二天的实际天气情况，可以模 拟出第二天的逐时负荷，来决定哪种工作模式，使晚上 低谷蓄冰的冷量全部用完，避免浪费；同时以末端空调 冷负荷、主机的出口温度、主机的滑阀位置来决定在当 天的哪一时段关闭已运行的部分主机使主机的制冷量 达到额定容量的 60%以上。 当冷负荷相对较小时，根据模拟结果，供冷负荷在 50%以下，该节能楼所需要的空调冷负荷全部由融冰 表 2 制冷机组和蓄冷设备协调运行情况 供冷负荷 制冷机组供冷 冰蓄冷供冷 30 0 30 100 60 40 80 30 50 60 15 45 50 0 50 40 0 40 % 技 术 交 流 64 No.2/2010 总第132期第31卷 制冷空调 与电力机械 Refrigeration Air Conditioning &Electric Power Machinery Optimal Control Strategy for Ice Storage Systems Based on Hourly Dynamic Load Simulation WANGXue- mei1， TANHong- yan1， LV Zi- qiang1， WUXing- long2 （1.School of Resources and Civil Engineering，Liaoning University of Science and Technology，Anshan 114044，China； 2.Anshan Municipal Gas General Company，Anshan 114001，China） Abstract： Takings the buildings of ministry of science and technology in Beijing as an example，the ice storage system automatic control was optimizated based on the hourly dynamic load simulation. The result will play an important role on the further optimizing and perfecting of the energy saving schemes for the building. Key words： ice storage system； optimal control； energy consumption dynamic simulati 作者简介：王雪梅（1976-），女，辽宁人，硕士，讲师。 方式提供，不需要开启主机。 4 结语 （1）该节能示范楼是一座突出节能特点的绿色、智 能建筑，已被建设部评为“全国绿色建筑创新奖”综合 类二等奖。智能化控制更胜一筹，该节能示范楼采用智 能化的数字控制技术，达到国际先进水平，为整个冰蓄 冷系统的优化运行奠定了良好的基础。基于负荷模拟 结果对冰蓄冷系统控制进行模拟优化，指导运行和控 制节能，更大幅度地减少运行费用，同时希望给楼控技 术人员编程提供一点帮助，最终实现夏季的无人职守， 让节能效果更加明显。 （2）在模拟计算中，对制冷机和系统进行了一些简 化，例如在系统负荷变化时，假设供回水温差不变。而 在实际系统运行中，风机盘管系统的供回水温差会随 负荷发生变化，全空气系统的供回水温差变化则不大。 在未来的研究中，可考虑采用精确的制冷机模型、系统 形式和末端性能模拟进行进一步的分析。 参考文献： [1]科技部建筑节能示范楼[EB/OL]. http：//www.soufun.com. [2]潘毅群，吴刚，Volker Hartkopf.建筑全能耗分析软件 EnergyPlus及其 应用[J].暖通空调 HV&AC，2004，34（9）：2～7. [3]王勇，赵庆珠.冰蓄冷系统的优化控制分析 [J].暖通空调 HV&AC， 1996，3：3~6. [4]袁圆，林波荣.基于负荷动态模拟的冰蓄冷系统及控制优化运行[J]. 暖通空调 HV&AC，2006，10：75~78. [5]晓春，胡大伟. PLC在冰蓄冷中央空调系统控制中的应用[J].制冷空 调与电力机械，2003，24：50~52. [6]陈众励，成红文.冰蓄冷系统的控制策略的探讨[J].工程设计 CAD与 智能建筑，2002，11：1~5. 收稿日期：2009- 12- 21 修回日期：2010- 01- 14 技 术 交 流 （上接第 88页） 作者简介： 郅娇琼（1972-），女，山西五台人，本科，工程师，主要从事暖通、制冷工程设计。 Several Problems in the Building Air-conditioning Installation and Commissioning of Bank of Communications Shanghai Branch ZHI Jiao- qiong （Shanghai dongmei Architectural Design Institute，Shanghai 200233，China） Abstract：With an air conditioning project as an example，this paper focused on several common problems occurred during air- conditioning commissioning，such as insufficient air supply，jam，noise，vent condensation and bad insulation. The reasons were analysed，and the relevant solutions were also proposed. Key words：air conditioning system； water system； air system； FCU； AHU； air flow； condensation； noise； insulation 65