张景生
同方股份有限公司 100089
摘要
从节能及碳排放的角度分析了北京市某公共建筑冰蓄冷空调系统的控制策略。比较了无蓄冷、冰蓄冷承担基础负荷＋基载主机调峰、基载主机承担基础负荷＋冰蓄冷调峰３种运行模式。结果表明：冰蓄冷承担基础负荷＋基载主机调峰的方式可实现运行成本的最大节约，但碳排放量会超出限制要求；基载主机承担基础负荷＋冰蓄冷调峰的方式经济效益显著，且碳排放量可满足限制要求。
关键词 冰蓄冷 变流量 控制策略 节能 碳排放
供暖、通风和空调系统的能耗几乎占建筑物总能耗的一半，暖通空调系统节能是建筑节能工作的重点。尤其是夏季空调系统的使用，不仅增加了能耗，还加剧了峰谷用电的不平衡。空调系统的主要耗电设备为制冷主机、水泵、风机盘管、冷却塔等。这些设备的选型需要满足国家的相关节能标准。此外，由于空调系统大多数时间在部分负荷下运行，因而运行管理同样重要。
具有蓄冷装置的空调系统不仅可以方便地调节系统的供冷量，还可以通过夜间蓄冷缓解峰谷用电不平衡的矛盾。根据季节的不同和机器运行情况，供冷运行模式可以分为基载主机单独供冷、基载主机与双工况主机或蓄冰装置联合供冷、蓄冷装置单独供冷等。
本文针对采用冰蓄冷装置的北京某公共建筑，讨论其冰蓄冷空调系统的变流量改造方案及控制策略，并分析冰蓄冷空调系统在夏季典型日运行的经济效益。
１ 建筑及其空调系统
该办公楼位于北京市西城区，建成于1999年，楼高113ｍ，共30层（地上27层，地下3层），建筑面积50386ｍ２。综合楼冷源采用水冷离心式双工况冷水机组２台（额定功率380ｋＷ／台，制冷工况制冷量2040ｋＷ／台）和基载主机１台（额定功率266ｋＷ／台，额定制冷量1512ｋＷ／台）。冰蓄冷空调系统配备蓄冷量为14068ｋＷ·ｈ的蓄冰槽。输配系统配备冷水泵5台、冷却水泵４台，单台功率均为55ｋＷ，并配备功率为15ｋＷ的冷却塔6台；制冷站配备3台板式换热器。该建筑的空调系统图见图１。
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图１ 空调系统图
２.控制策略及计算方法
设置冰蓄冷装置和变频泵后，空调系统可以有以下几种工作状态：１）基载主机单独供冷；２）双工况主机单独制冰；３）基载主机与蓄冰装置并联供冷；４）融冰单独供冷。在制冰工况下，由于制冷机蒸发温度低于空调工况温度，制冷机组的ＣＯＰ也低于空调工况。从碳排放的角度来讲，制冰工况下主机的碳排放量高于制冷工况。
为了分析冰蓄冷技术对系统耗电和碳排放的影响，分析对比以下３种运行模式。
模式１：基载主机、双工况主机只运行制冷模式；
模式２：基载主机承担基础负荷，双工况主机夜间制冰、白天释冷调峰；
模式３：双工况主机夜间制冰、白天最大程度释冷，基载主机用于调峰。
在无释冷工况下，冷水温差控制在５℃，配合调节水泵台数。基载主机、双工况主机蓄冰槽并联供冷时，控制冷水温差为７℃，通过改变水泵的频率和运行台数控制流量。
该办公楼所采用的离心式冷水机组的变工况运行参数如表１所示。在节能计算时，考虑主机的ＣＯＰ近似与压缩比成正比。在制冷工况下，ＣＯＰ为5.37；在制冰工况下，ＣＯＰ为3.58。在计算碳排放量时，根据国家发展和改革委员会气候司发布的减排量数据，减排因子取0.9288，即节约1ｋＷ·ｈ电相当于减少排放0.9288ｋｇ二氧化碳。
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式中 Ｗ为功率；Ｎ为变频水泵的转速；下标１，２表示工况。
３.计算结果
３．１ 夏季典型日空调系统逐时冷负荷
利用北京地区的典型气象参数，以８月１日为例计算该办公楼的逐时冷负荷，结果见图２。从图２可见，该办公楼空调冷负荷13：00达到峰值，最大值为4080ｋＷ。在模式１下，该空调系统的所有负荷由基载主机＋制冷模式的双工况主机承担（模式１的逐时冷负荷为模式２不含融冰部分的逐时冷负荷）。在模式２下，基载主机单台制冷量为2040ｋＷ，其余负荷由冰蓄冷装置承担。在模式３下，冰蓄冷装置最多可提供2720ｋＷ的冷量，其余负荷由基载主机承担。
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图３ 模式１逐时耗电量
主机耗电量07：00最低，为210ｋＷ·ｈ，随后逐渐增大，13：00达到最大值760ｋＷ·ｈ，其后逐渐降低；除07：00—08：00之外，其他时段耗电量均大于380ｋＷ·ｈ，至少需要开启２台主机。
图4显示了运行模式2的逐时耗电量。23：00—06：00运行制冰工况，夜晚低谷电价时将能量储存于蓄冰槽，白天高峰电价时释冷调峰，与基载主机共同承担冷负荷，主机最大逐时耗电量降低至450ｋＷ·ｈ左右，达到了一定的移峰填谷效果。
图5显示了运行模式３的逐时耗电量。
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图５ 模式３逐时耗电量
23：00—06：00运行制冰工况，夜晚低谷电价时将能量储存于蓄冰槽。白天最大程度释放蓄冰槽冷量，冷负荷高峰时由基载主机调峰，白天主机最大逐时耗电量降低至２50ｋＷ·ｈ左右，移峰填谷的效果更加显著。
３．３ 不同运行模式的综合分析
不同运行模式的运行成本及碳排放量对比如表２所示。与模式１相比，采用变流量冰蓄冷的模式２和模式３总耗电量均有所增加，并没有起到节能的效果，但合理利用峰谷电价后可大幅降低运行费用。根据北京20174年公布的各时段的电价———尖峰时段（夏季7，8月11：00—13：00，16：00—17：00）、高峰时段（10：00—15：00，18：00—21：00）、平段（07：00—10：00，15：00—18：00，21：00—23：00）、低谷段（23：00—07：00）的电价分别为1.5195，1.3902，0.8645，0.3648元／（ｋＷ·ｈ），采用冰蓄冷技术后，模式２和模式３电费分别降低了23.1％和53.8％，经济效益十分显著。不过，从碳排放量的角度来看，模式２和模式３比模式１分别增加了14.3％和42.0％。
考虑到国家电网集团对碳排放量的限制要求，在实际运行中制冷机组没有采用最经济的运行模式３，而是采用运行模式２，首先满足碳排放要求，然后利用基载主机承担基本负荷、冰蓄冷作为调峰的策略实现一定程度的节约成本。
结论
１）采用冰蓄冷承担基础负荷＋基载主机调峰时，可实现运行成本的最大节约，但由于根据耗电量折算的碳排放量大幅增加，有可能不满足碳排放的限制要求。
２）采用基载主机承担基础负荷＋冰蓄冷调峰的模式，机组的总耗电量有所增加，但在典型计算日电费降低23.1％，经济效益突出，且碳排放量可满足限制要求。
参考文献：
［1］唐浩，丁勇，刘学．公共建筑节能改造技术途径与效果分析［Ｊ］．暖通空调，2018，48（12）：118－125
［2］吉淑敏．变频变流量集中空调系统节能性分析［Ｄ］．西安：西安科技大学，2018：2
［3］吴德胜，杨昌智．变频变流量系统的节能分析与控制［Ｊ］．制冷与空调（四川），2017，14（1）：24－27