(杭州华电华源环境工程有限公司 浙江杭州 310013)
摘要：研究了区域能源系统夏季供冷运行原理及模式，进行了夏季蓄冰优先、机组优先和非蓄冰三种运行模式下的模拟对比分析，得到在负荷率分别为100%、80%、50%和20%时的经济和能耗对比。能耗和运行费用来看，夏季机组优先运行与非蓄冰运行模式差别甚微，而蓄冰优先运行模式相比于非蓄冰运行，节约运行费占比11.77%，单位电耗费用降低24.05%。合理运用冰蓄冷技术，能够显著降低系统运行费用，为用户带来良好的经济效益。
关键词：冰蓄冷；夏季空调；控制策略
引言
在夏季制冷工况下，空调用电主要集中在白天用电高峰时段，加大了电网压力。冰蓄冷空调可以起到电力削峰填谷的作用。传统冰蓄冷空调设计按照典型设计日的逐时负荷选择制冷机组容量和蓄冰装置容量，而制冷机组和蓄冰设备容量的选择不仅与初投资直接相关，而且对冰蓄冷空调系统经济运行策略的制定也会有所限制。本文通过建立冰蓄冷空调系统的运行模型和投资费用模型优化其设计，得到了冰蓄冷空调系统设备的设计容量，对比分析了优化系统和建筑现阶段使用的系统的经济性。
1冰蓄冷空调工作的原理
空调蓄冷的原理就在于其是将电网低谷时间段“便宜能源”储存起来,当处于需要用大量能量的峰值时段时,将事先储存的冷能释放出来,满足峰值时期负荷的要求。目前,由于各国都在大力研究空调工程的蓄冷,蓄冷形式种类比较多。如果按贮存冷能的形式来划分的话,则可以分为显热蓄冷和潜热蓄冷。
2区域负荷计算
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图1某市10kV非普非工业供暖/冷季分段电价
由图1可知，一昼夜分四个时段：23:00-7:00用电低谷时段；7:00-12:00、18:00-19:00和21:00-23:00用电高峰时段；19:00-21:00用电尖峰时段和12:00-18:00用电平段。本项目夏季供冷时间为5月15日—9月30日，共139天。根据工程经验，取本项目夏季同时使用系数为0.7，再考虑5%的管网冷损失，得到平均单位建筑面积冷负荷为79.30W/m2。该区域90%的冷负荷集中在昼间，而夜间冷负荷较小，负荷峰值出现于15时。根据负荷模拟结果，计算得到典型负荷率分别为100%、80%、50%和20%下的逐时冷负荷值，如图2所示。
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图2典型负荷率下逐时冷负荷
最后采用部分负荷估算的方法，以100%、80%、50%和20%为典型负荷率，计算出基于峰谷电价下典型负荷率的全天运行费用，再结合统计的典型负荷天数，计算出本项目夏季供冷费用。
3蓄冷常用的形式
3.1冷藏用冷板
在四周封闭的夹层板中充入盐水或醇类、烯醇类溶液作为冷冻液,并在其中添加一定量的缓蚀剂。板内设有充冷的盘管、氟利昂、氨等制冷剂工质可在盘管中循环。这样就制成了所谓的“冷板”(又称共晶冰板)。充冷时,制冷剂工作,冷板相当于制冷系统的蒸发器,冷冻液盘管中的制冷剂吸收热量在相当的冻结点冻结成共晶冰。如此,大量冷量被以共晶冰的形式存储起来。在制冷机停止工作时,共晶冰吸收融化,为被冷却对象提供冷量。将装有冷冻液的冷板安装的隔热的冷运工具里,就可以在运输途中释放很大的蓄冷量。冷板用冷冻液通常分为高温和低温两大类。高温冷冻液(如硝酸钾)冻结,用来运输蔬菜水果等易腐烂货物;而低温冷冻液(如氯化钠)可用来运输肉类、冰激凌等货物。
3.2水蓄冷
从1960年代开始,发展了利用夜间廉价电力的水蓄冷及时。它是利用显热蓄冷的一种方式。蓄冷剂水(即冷冻水一般存储的温度为4℃一7℃,供水、回水温度差为5℃一11℃,使用常规空调冷水机组制取7℃左右冷冻水就可实现。也有些地方可利用消防水池做蓄冷池。
4各运行模式的经济能耗分析
4.1各运行模式电耗和运行费
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图3不同运行模式下电耗对比
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图4不同运行模式下运行费对比
图3、图4显示运行费与电耗分布趋势基本相同，机组优先运行和非蓄冰运行模式电耗基本一致。主要是因为两种模式仅体现在100%负荷率下的区别，但100%负荷率天数占比不到3%，因此对电耗的影响甚微。
8:00-22:00，蓄冰优先运行电耗显著低于机组优先运行，这是由于昼间冰槽释冷只需运行水泵而节省了机组电耗；夜间蓄冰优先运行电耗明显高于机组优先运行，主要由于双工况主机利用夜间用电低谷期（23:00-6:00）进行制冰蓄冷，导致夜间主机耗电量明显增大。在上午（8:00-11:00）和晚上用电高峰时段（19:00-22:00）蓄冰优先运行逐时运行费显著低于机组优先运行模式，这是由于冰槽主要用于高峰时段供冷，且该时段电价相对较高.
4.2各运行模式能耗和节能参数
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图5夏季输配系统能耗占比
夏季蓄冰优先运行模式下，24h运行周期内水泵能耗占比变化较大。上午和晚上用电高峰时段水泵能耗占比最高，有时能达100%，即不开启机组。夏季机组优先运行模式下，24h运行周期内水泵电耗占比变化平稳。各负荷率下水泵电耗占比均处于20%左右。夜间用电低谷时段，机组优先运行水泵电耗占比高于蓄冰优先运行模式；上午和晚上用电高峰时段，蓄冰优先运行水泵电耗占比远远高于机组优先运行模式；下午用电平段，蓄冰优先运行水泵电耗占比略高于机组优先运行模式，主要与机组COP的变化有关。
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表1主要节能参数对比表
对比机组优先模式，蓄冰优先运行模式下系统供冷季移峰电量率为53.05%，谷电利用率为39.81%。蓄冰优先运行模式能够起到很好的移峰填谷作用，为电网降低供电压力。就能耗和运行费用来看，夏季机组优先运行与非蓄冰运行模式差别甚微，而蓄冰优先运行模式电耗增量占比16.17%，且相比于非蓄冰运行，节约运行费占比11.77%，单位电耗费用降低0.18元/kWh，即24.05%。合理运用冰蓄冷技术，能够显著降低系统运行费用，为用户带来良好的经济效益，但同时会增加系统能耗，无节能效益。
4.3优化方案
建筑全天冷负荷由主机和冰槽释冰来提供。通过冷负荷预测结果，确定电力低谷期的蓄冰量以及该时段主机的启停状态。针对白天逐时冷负荷，可以首先确定利用冰槽释冷的量，则剩下的部分全部靠主机提供。通过对建筑冷负荷为100%、75%、50%以及25%这四种典型情况下的空调运行模式进行优化结果分析，得到系统在各时间段内不同冷负荷大小的普遍情况下的空调优化运行模式。为了达到较好的效果，不单要控制冷机的运行台数，还要控制其逐时出力，对空调运行状态的转换也是以小时为单位的，在满足约束条件的基础下，将上述主机运行台时结果优先分配给电价低谷和平价期。
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表2冷量分配表
结语
本文介绍了夏季区域能源系统供冷运行的原理，并结合负荷计算对三种不同运行策略进行模拟分析，发现相比于非蓄冰运行，组优先运行模式经济效益、能源效益和移峰填谷能力甚微，而蓄冰优先运行模式：（1）电耗增量为519万kWh，即16.17%，无节能效益；（2）运行费节省285.82万元，即11.77%，单位电耗费用节省0.18元/kWh，即24.05%，经济效益显著；（3）移峰电量率为53.05%，具有良好的移峰填谷能力。
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