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摘要：主机上游串联式冰蓄冷系统，是一种广泛应用于公共建筑空调系统的冰蓄冷形式。该系统，双工况制冷主机位于蓄冰设备上游，主机与融冰联合供冷时，制冷主机在较高的蒸发温度下工作，从而可以获得较高的制冷效率。此外，主机上游串联式冰蓄冷系统还能提供稳定的低温乙二醇供液温度，系统相对简单，自动控制易于实现。因此，在大多数采用盘管式蓄冰设备的内融冰系统中，选择了这种冰蓄冷系统流程。本文，以杭州某高端办公楼冰蓄冷项目为例，结合项目所在地峰谷电价政策，简要介绍主机上游串联式冰蓄冷系统的优化运行策略制定及控制的实现。
关键词：冰蓄冷；运行策略；优化控制；控制实现；蓄冰率；融冰率
1.项目逐时负荷及电价政策
杭州某商务办公楼项目，冷冻机房采用冰蓄冷系统，空调末端采用单风道变风量空调低温送风系统，于2014年建成投入使用。项目总建筑面积50000㎡，设计日尖峰冷负荷为4700kw，设计日空调逐时冷负荷见表1。
2.项目系统流程及设备配置
根据项目的逐时负荷表可知，在22：00-次日7:00时间段内没有空调冷负荷，7:00-22:00时间段内有空调负荷，如果能在22：00-次日7:00时段内完成蓄冰，则本项目无需配置基载制冷主机来承担蓄冰时的供冷负荷。根据本项目设计图纸，设计师选择了2台双工况制冷机组，系统流程采用主机与蓄冰设备串联、主机置于蓄冰设备上游的单级单循环流程。经过简化后的冰蓄冷系统流程示意图见图1。
按照设计流程，可实现4种运行模式：蓄冰模式；融冰供冷模式；主机供冷模式；融冰+主机联合供冷模式。各模式下的乙二醇溶液循环路径图及设备顺序启停顺序，行业内已有许多论文进行阐述，此处不再累述。四种模式下主要设备参与情况及电动阀门的切换情况，详见表3。
按照上述冰蓄冷系统流程示意图，设计师进行设备选型配置。初步设计时，主机及蓄冰设备容量均按照主机优先运行的方式进行选型计算，2台双工况主机空调工况1(融冰+主机联合供冷)对应的单台制冷量为1250kw,蓄冰设备总潜热蓄冰容量14626kwh。该种计算方式下的设备配置思路是充分发挥制冷主机的作用，使其昼夜运行，以达到制冷主机装机容量最小，从而降低系统投资。这种计算方式，虽然考虑了制冷主机空调工况全天制冷量总和加上总蓄冰量等于全天空调总冷负荷，但忽略了蓄冰设备的最大小时融冰能力。根据金属盘管蓄冰设备厂家的选型数据，本项目融冰+主机联合供冷工况在确保乙二醇出口温度稳定在3.5℃的条件下，最大小时融冰率为蓄冰设备总潜热蓄冰容量的12.5%。采用主机优先运行方式计算得出的2台制冷主机在融冰+主机联合供冷工况下的制冷量为2500KW(1250kw*2),蓄冰设备最大小时融冰供冷量1828kw（14626kw*0.125），则所配置的蓄冰系统最大供冷能力为4328kw，小于本项目设计日尖峰冷负荷为4700kw，无法满足项目供冷要求。
经过与设计师沟通后，采用融冰优先运行的方式对主机及蓄冰设备容量进行选型计算，得出的主机及蓄冰设备容量作为设备配置的上限值；以主机优先运行方式选型计算得出的主机及蓄冰设备容量作为设备配置的下限值。在下限值与上限值区间内，进行试算，最终设计确定的冰蓄冷系统主要设备配置见表4。
3.项目的冰蓄冷系统运行策略
冰蓄冷系统主要的运行策略有三种，即：制冷主机优先运行策略、蓄冰设备融冰优先运行策略、优化控制运行策略。制冷主机优先运行策略，是优先使制冷主机供冷，只有当空调冷负荷超过制冷主机的供冷能力时，才启用蓄冰设备融冰供冷，使其承担不足部分。这种控制策略实施简单，运行可靠，但是，蓄冰设备使用率很低，不能有效地削减峰值用电和节约运行费用。融冰优先运行策略，是优先使用蓄冰设备融冰供冷，只有在蓄冰设备不能满足负荷需要时，才启用制冷主机供冷，以承担不足部分负荷。这种控制策略既要考虑最大负荷时蓄冰设备融冰供冷能力，又要考虑全天逐时冷负荷的需要，因此，实施颇为复杂，难以保证下午时段冷负荷高峰时的供冷需求。优化控制策略，是根据电价政策，峰电时段采用融冰优先供冷，谷电时段采用主机优先供冷。同时根据负荷监测和预测数据、蓄冰设备可用冰量实时数据情况，自动设定各时段融冰供冷量上限值，即保证蓄冰设备在当天蓄冰模式开启前“无剩冰”，又确保满足各时段的供冷需求。从而最大限度的发挥蓄冰设备的作用，使用户支付的电费最少。
在该办公楼冰蓄冷项目实施时，我们依据项目逐时负荷及峰谷电价政策进行100%设计日负荷、75%设计日负荷、50%设计日负荷、25%设计日负荷运行策略的排布。在四个典型负荷工况的运行策略排布时，主要从以下几个方面进行了综合考虑：
1.提高蓄冰率，确保蓄冰设备蓄冰容量用足或缩短蓄冰时间。在蓄冰中后期，盘管外壁冰层增厚，冰层的热阻增大，导致蓄冰设备单位时间蓄冰能力下降。因此，通过降低制冷主机乙二醇出口设定温度，增大蓄冰盘管蓄冰时换热对数温差，增加蓄冰设备单位时间内的蓄冰量，以缩短蓄冰时间或确保蓄冰设备满蓄。
2.提高融冰率，力求做到蓄冰设备融冰率接近100%，做到当天蓄冰模式开启前蓄冰设备内“无剩冰”。
3.峰电时段，融冰供冷优先运行，根据设计日逐时冷负荷与系统运行历史数据，自动分析计算并设定各时段融冰供冷量上限值（计划融冰），确保在下午及晚间冷负荷较大供冷时段，仍有足够的蓄冰量用于融冰供冷，与制冷主机联合运行满足负荷要求。
4.谷电时段，主机供冷优先运行。当主机供冷无法满足要求需要开启主机+融冰供冷时，可在满足供冷基本需求的前提下适当降低主机出口设定温度和提高冰蓄冷系统供水温度，调小蓄冰设备进出口乙二醇设定温度差。以求尽量增加主机的制冷量，减少融冰供冷量。
5.以系统运行历史数据分析为基础、结合系统实时监测数据（系统各关键点温度、主机电流百分比、蓄冰设备实时冰量）、室外温湿度数据，预估后续时段负荷或次日负荷，从而自动设定后续时段融冰供冷量上限值或当晚蓄冰量上限值。
6.结合100%、75%、50%、25%设计日负荷四个典型工况在全年实际运行时所占的比重，在排布运行策略时，优先考虑75%、50%、25%设计日负荷工况下供冷功能及节省费用等因素的满足度。
根据上述原则，对本项目100%、75%、50%、25%四个典型负荷工况的运行策略柱状图分别见图2.图3.图4.图5。
4.运行策略的控制实现
冰蓄冷系统的运行策略需要通过自动控制系统来实现，自动控制系统基本功能包括：各模式的启停、加载减载自动控制，各模式之间的自动切换，关键参数的监测、设定和控制，运行数据的存储和分析，远程监控及数据共享等。运行策略中提高蓄冰率和融冰率，融冰优先与主机优先相结合的优化控制，关键参数的预测和设定等一些原则均可以在自动控制系统的基本功能中予以贯彻和落实。下面就该办公楼冰蓄冷系统的运行策略控制实现进行简要介绍。
4.1各模式启动及关停、加减载自动控制
本项目冰蓄冷系统可实现蓄冰模式，融冰供冷模式，主机供冷模式，融冰+主机联合供冷模式。
4.1.1蓄冰模式的启停、加减载控制
a.模式启动：若自控系统时间程序处于蓄冰时间段内（22:00-7:00），且蓄冰系统处于自动控制状态，则启动蓄冰模式。
b.模式停止：若监测蓄冰量是已达到设定蓄冰量上限值，或自控系统的时间程序处于非蓄冰时间段内，则停止蓄冰模式。
c.模式内加载减载控制：将2台双工况制冷机组蓄冰工况的乙二醇出口温度设定值设定为-6.5 ℃（在制冷主机温度可设定范围内尽量设低）， 使主机尽量处于加载或满载状态，以缩短达到设定蓄冰量的蓄冰时间。
4.1.2融冰供冷模式的启停、加减载控制
a.模式启动：若自控系统时间程序处于融冰优先时间段内（8:00-11:00，13:00-22:00），且蓄冰系统处于自动控制状态，则启动融冰模式。
b.模式停止：若时间程序处于非融冰优先允许时段（时段11:00-13:00 22:00-8:00），或蓄冰设备剩余蓄冰量低于设定值，则停止融冰供冷模式。
c.模式内加载减载控制： 根据板式换热器冷冻水出口设定温度Ti3控制乙二醇泵的台数及频率，从而实现融冰供冷的加载和减载。Ti3设定值为6℃，当Ti3 ＞6℃时，提高乙二醇泵运行频率或增加运行台数；当Ti3 ＜6℃时，降低乙二醇泵运行频率或减少运行台数。
各时段融冰供冷量上限值的设定，通过设定乙二醇泵上限频率来实现。单融冰模式下，蓄冰设备出口温度Ti1稳定为3.5℃，蓄冰设备进口温度Ti5上限值为6.5℃，设定乙二醇泵上限频率即锁定了单融冰模式最大乙二醇溶液循环流量。最大循环流量及最大循环温差锁定，则融冰供冷模式最大供冷量也锁定。
4.1.3主机供冷模式的启停、加减载控制
a.模式启动：若自控系统时间程序处于主机优先供冷时间段内（7:00-8:00，11:00-13:00），且蓄冰系统处于自动控制状态，则启动主机供冷模式。
b.模式停止：若时间程序处于非主机优先供冷允许时段（8:00-11:00，13:00-7:00），且自控系统未给出运行指令，则停止主机供冷模式。
c.模式内加载减载控制：将2台双工况制冷机组的乙二醇出口温度Ti5设定值设定为3.5 ℃，乙二醇泵处于设定频率运行，双工况主机利用自身负荷调节能力将主机出口Ti5控制在3.5℃。主机供冷模式下板式换热乙二醇进口温度Ti1与主机供冷模式下Ti5可以等同，即板式换热器乙二醇进口温度Ti1稳定为3.5℃。因此通过调节板式换热器乙二醇侧旁通回路电动调节阀Vi3来控制进入板式换热器的低温乙二醇流量，从而间接控制冷冻水出口温度Ti3温度在6 ℃。由于Vi3调节会导致双工况主机进口温度Ti2变化，因此主机供冷模式的加减载，最终是通过双工况主机加载和减载来实现。
4.1.4融冰+主机联合供冷模式的启停、加减载控制
a.模式启动：若自控系统时间程序处于融冰+主机供冷允许开机时间段内（8:00-22:00），且自控程序发出融冰+主机供冷模式开启指令，则启动主机供冷模式。
b.模式停止：若时间程序处于非融冰+主机供冷允许时段（22:00-8:00），则停止融冰+主机供冷模式。
c.模式内加载减载控制：
在8:00-11:00，13:00-22:00时间段内，运行融冰优先的融冰+主机供冷模式。将2台双工况制冷机组的乙二醇出口温度Ti5设定值设定为6℃或6.5 ℃，乙二醇泵处于设定频率运行，双工况主机利用自身负荷调节能力将主机出口Ti5控制在6℃或6.5℃。控制蓄冰设备旁通回路电动调节阀Vi1，调节进入蓄冰设备的乙二醇流量，确保板式换热器乙二醇进口温度Ti1稳定为3.5℃。通过调节板式换热器乙二醇侧旁通回路调节阀Vi3来控制进入板式换热器的低温乙二醇流量，从而间接控制冷冻水出口温度Ti3温度在6 ℃。由于Vi3调节导致双工况主机进口温度Ti2变化，因此以融冰优先的融冰+主机供冷模式的加减载，最终是通过双工况主机加载和减载来实现。该模式下各时段的融冰量通过调整Ti5的设定值来设定和控制。当乙二醇水泵工频运行， Ti5设定为6℃时最大小时融冰量约为1500KW，Ti5设定为6.5℃时最大小时融冰量约为1800KW。
双工况机根据Ti5加减载时,为两台同时加减载,当两台主机实际负荷之和小于一台的主机的设计制冷量时,需关停一台主机,但仍保持2台乙二醇循环泵运行（保持流量不变来保证最大小时融冰量不受影响），由于被关停主机会旁通一半流量，因此在运行主机的乙二醇出口温度设定应由6℃调整为3℃或由6.5℃调整为4℃。以确保Ti5仍然能稳定在6℃或6.5 ℃。
在11:00-13:00时间段内，运行主机优先的融冰+主机供冷模式。将2台双工况制冷机组的乙二醇出口温度Ti5设定值设定为3.5 ℃，乙二醇泵处于设定频率运行，双工况主机始终处于满载状态，主机出口Ti5反馈值在3.5℃-5.6℃之间。控制蓄冰设备旁通回路电动调节阀Vi1，调节进入蓄冰设备的乙二醇流量，确保板式换热器乙二醇进口温度Ti1稳定为3.5℃。通过调节板式换热器乙二醇侧旁通回路调节阀Vi3来控制进入板式换热器的低温乙二醇流量，从而间接控制冷冻水出口温度Ti3温度在6 ℃。由于双工况主机一直处于满载状态，不足部分负荷由融冰供冷承担。该模式下各时段的融冰量根据实际负荷需求自动调整。当乙二醇水泵工频运行， Ti5反馈为5.6℃时实际小时融冰量约为1260KW，Ti5反馈为3.5℃时实际小时融冰量约为0KW。因此以主机优先的融冰+主机供冷模式的加减载，实际是通过控制电动阀Vi1调节进入蓄冰设备的乙二醇流量来实现的。
4.2各模式间切换自动控制
各模式的启停及模式内部加减载的控制，主要是实现单个模式的自动运行。若需实现冰蓄冷系统的全自动运行，则需对各模式之间的加载减载切换进行智能判断和控制，自动控制模式的切换。
结合四个典型负荷工况的运行策略负荷分布柱状图，可以列出各时间段的基础模式和后控模式。基础模式，按照时间程序自动启用。后控模式，是在基础模式供冷无法满足系统要求时，自动切换至的目标模式。该办公楼冰蓄冷项目各时段基础模式及后控模式排布见表5。
4.3相关设备及关键参数的控制
在前文中，对主机的控制、乙二醇泵的控制、冷冻水供水温度控制、蓄冰设备进出口温度控制、各时段上限融冰量的设定结合各运行模式进行了穿插的介绍。除上述主要设备及参数的控制外，还有冷冻水泵变频控制、冷却塔的控制、流量旁通阀的控制等也是冰蓄冷系统控制实现不可缺少的内容。
冷冻水泵的变频控制，可以根据系统最不利管路对应的管路系统压降设定水泵变频下限频率，然后根据冷冻水供回水温差Ti4-Ti3进行变频控制。当监测供回水温差大于设定温差时，提高冷冻水泵运行频率，当供回水温差小于设定温差时，降低冷冻水泵运行频率。水泵运行台数的控制，结合水泵运行频率及冷冻水供回水温差进行智能选择。
冷却塔的控制，根据环境温湿度监测数据，智能设定冷却塔出口水温，当监测冷却塔出口水温高于设定值时增开冷却塔风机，当监测冷却塔出口水温低于设定值时，减少冷却塔风机运行台数。
流量旁通阀的控制，当冷冻水泵处于变频下限时，激活压差旁通阀的控制，并根据集分水器冷冻水温差控制流量旁通阀的开度。当监测温差高于设定温差时减小旁通阀开度，当监测温差低于设定温差时增加旁通阀开度。
4.小结
多数项目选择冰蓄冷系统时，均希望通过采用冰蓄冷系统，提高负荷灵活调节能力，提供较低的冷冻水供水温度，通过电力“削峰填谷”来节省运行费用。蓄冰系统流程的设计、设备的选型配置、系统的运行控制是影响蓄冰系统品质的几个主要因素。主机上游串联式冰蓄冷系统是公共建筑项目较为适用的一种系统形式，该系统的控制相对简单并且易于实现。本文以杭州某办公楼冰蓄冷系统为例，简要介绍了主机上游串联式冰蓄冷系统的一种优化控制策略，提出优化控制的思路，并对运行策略的自动控制实现进行了基本阐述，希望能对同行提供一些参考。限于作者水平，文中不当之处还望指正。
参考文献:
[1]王勇, 赵庆珠. 冰蓄冷系统的优化控制分析[J]. 暖通空调, 1996(3):3-6.
[2]杜雁霞, 贾代勇, 马吉民. 冰蓄冷空调系统设备容量的计算[J]. 能源研究与信息, 2003, 19(4):223-228.
[3]孙玉建, 高伟. 不同配置冰蓄冷空调系统的控制策略分析[J]. 暖通空调, 2010(10):222-226.
论文作者:米孟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第9期
论文发表时间:2017/8/16
标签：主机论文; 模式论文; 设备论文; 负荷论文; 系统论文; 双工论文; 温度论文; 《建筑学研究前沿》2017年第9期论文;