上海春茂消防工程有限公司
摘要：随着经济的不断发展，资源问题日益凸显，如何更好地节约和利用资源，是时代赋予人们一项重大的课题。本文以空调冰蓄冷系统为例，探讨了其智能化运行的方法，并分析了能源管理的一些内容，希望可以起到一定的参考作用。
关键词：冰蓄冷；智能化；负荷；能耗
引言：目前，冰蓄冷系统的研究成为了空调领域的重点内容，并且具有一定的现实意义，能够节约资源、降低成本的同时，为人们营造舒适的室内环境。本文以上海市某工程为例，探讨了冰蓄冷系统的运行和能源管理方面的内容，希望帮助大家更好地认识和了解冰蓄冷系统的原理和作用。
1.冰蓄冷系统简介
一般而言，冰蓄冷系统的主要结构包括制冷机、冷却塔、蓄冰槽以及水泵等设备，它能够充分利用夜间低谷负荷电力制冰，然后将冰体存储到蓄冰槽内，白天融冰过程会释放冷量，从而有效减少了空调的用电负荷。蓄冰原理和融冰原理分别如图1和2所示。
图 2 融冰原理
制冷机的功耗较大，并且受到环境的影响严重，所以本文对制冷机的工作温度进行了系统的计算，公式如下：Teq=（Tcon，rtn-Tcon，nom）/Z-（Tch，out-Tch，nom）
其中，Tch，nom代表冷冻水的供水温度，Tcon，nom代表冷却水的回水温度，Tch，out代表实际供水温度，Tcon，rtn代表实际回水温度。满负荷容量比Rcav=B1+B2×Teq+B3×T2eq，其中Bi是二阶多项式的系数[1]。
冷却塔的功耗计算公式如下：twrld=CHpow+Qc×（3517kW/ton），twrld代表冷却塔的负载，CHpow代表制冷机的功耗，Qc代表制冷机的负载。
2.冰蓄冷系统智能化运行的策略
2.1工程概况
本文以上海市某工程为例，该工程包括3栋独立高档办公楼及地下两层车库，项目地上总面积为60611平米，地下总面积为28133平米。从集中管理和节约成本等因素进行考虑，办公楼采用冰蓄冷系统，夜晚低谷电价阶段满负荷制冰，而白天融冰和机组运行满足总冷负荷。办公楼空调设计日总负荷量26839RTH，根据冰蓄冷系统日间及夜间运行时间计算，系统需要的制冷容量为1355RT，其余容量靠白天融冰来承担，即冰蓄冷等效承担主系统负荷量为35%。空调末端供回水温度为5/12℃，冷却水供回水温度为32/37℃，其中空调工况制冷主机供回水温度为6.2/11℃，再经过蓄冰盘管温度降为4℃，经过板换供5/12℃的空调供水，制冰主机供回水温度为-2.6/-5.6℃，制冰工况冷却水供回水温度33/30℃。主机与蓄冰槽采用串联方式，设计工况运行策略为融冰优先模式，系统采用容积百分比浓度为26％的乙二醇溶液，系统的原理如图3所示。
图 3 冰蓄冷系统原理
2.2运行策略
2.2.1空调负荷100％
夜间电价低谷时长为8小时，这时使用3台双工况制冷主机制冰，白天供冷的运行原则是在保证将夜间已经制得的冰量全部融完并不超过蓄冰装置可提供的最大融冰速度的前提下，使用双工况主机供冷。
2.2.2空调负荷50％
当空调负荷为设计日负荷的50％时，夜间制冰情况没有变化，但是白天供冷的运行原则是1台双工况制冷主机投入运行空调供冷工况，不足部分由蓄冰装置以融冰方式提供剩余的冷量。
2.3自控系统
该工程配置了上位机系统和下位机系统，这样能够实现冰蓄冷系统的参数化和智能化运行，其中上位机负责远程管理和打印，而下位机在现场进行系统控制、参数设置和数据显示。可以说，整个自控系统以可编程程序控制器为核心，保证了冰蓄冷系统的智能化运行。该系统由同方公司研制，并且能够在恶劣环境下运行，具有很强的抗干扰能力，很好地保证了空调的运行效果。
2.3.1上位机系统
上位机系统主要包括工控机和打印机，并且应用SIMATIC WINCC软件，工作人员可以观察PC机上显示的信息，了解冰蓄冷系统的运行情况，然后通过移动和点击鼠标完成管理和打印工作。通过上位机系统，可以实现对建筑内部各控制子系统进行集中的管理，下面重点介绍一下SIMATIC WINCC软件，该软件能够清楚地显示过程控制中出现的瞬间，并且进行顺序排列和记录，同时按照要求编辑和输出趋势图。当出现异常情况时，不仅能够通过文字、图表的形式进行报警，还能够发出声音提示，并支持用在线帮助消除故障。
2.3.2下位机系统
下位机系统采用的是SIMATIC S7-300系列PLC，可靠性极高，指令集合丰富，同时操作简单，通讯能力出色，并且将彩色触摸屏作为操作面板，代替了常规的按钮和器件，进一步简化了系统界面。SIMATIC S7-300系列PLC的质量符合国际标准，并且数据存储时间长，在与彩色触摸屏进行通讯时，采用MPI方式，经济效益显著，而且可以连接32个节点，通信距离长达50m，必要时可以使用中继器延长通信距离。
2.4监控网络
冰蓄冷系统的监控网络分为三部分：第一部分，现场层。包括冰蓄冷机房内的传感器、电动阀门、电机以及变频器等，根据设备的类型，主站会配置相关的模拟量输入输出模块。第二部分，智能化控制层。通过可编程控制器（PLC）以及输入输出模块，可以保存系统控制程序，而I/O模块可以对传感器的信号进行采集，了解设备的开关状态，并且执行相关的操作。第三部分，管理层。采用以太网方式通讯，当监控上位机连入到智能化系统之后，安装服务器软件，进行信息交换处理，监控空调系统的运行，如果使用SIEMENS软件，那么可以将客户机直接接入MPI网络，通讯速率为12Mbit/s[2]。
3.冰蓄冷系统能源管理方面的研究
3.1具体工况
冰蓄冷系统需要在达到空调系统要求的前提下，尽可能节约能源，降低运行成本，提高管理效率。夜间制冰阶段，主机将乙二醇溶液的温度降低到-5.6℃后，使其与冰槽中的水进行热交换，这一过程完成后，乙二醇溶液的温度会有所上升，然后再经过乙二醇泵重新降温，直到制冰结束。当冰槽液位传感器指示已储存额定冰量时，或者是控制系统的时间程序指示为非蓄冰时间时，可以确定制冰完成。在单独供冷方面，乙二醇溶液可以不直接进入冰槽，只是在主机和乙二醇泵之间循环，那么就不需要克服蓄冰装置的阻力，所以能够低频运行，节省电费，而融冰单独供冷时，只需要把电动阀门调整到相应的位置，保证乙二醇溶液的温度在32℃左右，主机处于停机状态，乙二醇进入冰槽后，先与冰进行热交换，然后再与冷冻水进行热交换，确保冷冻水达到温度负荷设计的要求。
这里要注意冷冻水系统的控制，因为冷冻水直接关系着能源的管理效果，从温度方面考虑，冷冻水泵要根据回水总管的压差传感器进行变频控制，并且在设计之初增加直通管路和旁通管路，安装电动阀门，这样能够根据夜间末端的设计供水温度进行阀位调节。从压力方面考虑，冷却水泵要根据供回水总管之间的压差传感器控制变频，末端不同的支路要根据负荷变化调节水流量。如果系统检测到冷却水回水温度过高，可以增加风机开启的台数，如果回水温度过低，可以减少风机开启的台数，这样可以发挥冰蓄冷系统的节能效果。
3.2运行模式
一般而言，冰蓄冷系统的运行模式有三种，分别是主机优先、融冰优先以及优化控制。如果冷负荷较大，可以采用主机优先的模式，并通过融冰补充冷量，这种情况下，主机在制冷工况下运行，可以缓解冷负荷的压力。需要注意的是，虽然融冰能够满足大部分的空调负荷，但是在系统设计时必须要考虑增加蓄冰量，成本较大，所以在冰蓄冷系统供冷时，必须结合系统的剩余冰量，考虑现场负荷，对各个时段的冰量进行合理的分配。
但是主机优先和融冰优先都存在一定的弊端，在能源管理方面凸显出很大的劣势，所以需要采用优化控制模式，这种模式的目标是把有限的蓄冰量用在电价最高的时候。当冰蓄冷系统设置上位机后，可以对空调的负荷进行预测，避免主机的空转，并且争取将夜间产生的冰在白天全部用完，使主机的耗电量与水泵的总耗电量达到最小[3]。
3.3节能效果
我们以100％负荷和50％负荷的冰蓄冷空调耗能情况与常规空调进行对比，具体情况如表1所示。
表 1 冰蓄冷空调与常规空调的比较
从表中我们可以发现，冰蓄冷空调与常规空调相比，节能效果突出，经济优势明显，但是需要强调的是，冰蓄冷空调之所以能够发挥节能的作用，是因为系统实现了智能化运行，同时不能忽略系统运行的投入和成本。常规空调系统的投资较少，包括螺杆、机组、水泵和冷却塔几大设备，总价在200万元左右，而冰蓄冷空调系统的设备相对较多，比如双工况机组、冷却水泵、冷却塔、蓄冰装置、乙二醇泵、板式换热器等，造价在260万元左右。
结论：综上所述，通过具体的工程实例，不难发现冰蓄冷系统智能化运行的内容相对比较复杂，并且涉及范围广泛，但是降低能耗的效果突出，经济效益明显。有鉴于此，在具体的系统运行过程中，不仅要做好前期调研工作，结合实际情况，还要在后期优化细节，注重技术的应用，同时做好预算工作，只有这样，才能发挥冰蓄冷系统的优势。
参考文献
[1]秦黄辉.冰蓄冷技术控制系统优化研究[J].低温与超导，2017，45（05）：86-92.
[2]徐笑强，陈振乾.基于负荷预测的冰蓄冷空调系统优化运行[J].建筑热能通风空调，2018，37（01）：1-5+10.
[3]史春燕，叶重阳，常亚翠.冰蓄冷集中供冷系统的优化控制应用算法研究[J].钢铁技术，2018（02）：48-52.
论文作者:陈伽
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年5期
论文发表时间:2019/7/2
标签：系统论文; 空调论文; 负荷论文; 回水论文; 温度论文; 主机论文; 双工论文; 《建筑学研究前沿》2019年5期论文;