冰蓄冷系统运行模式设计探讨

余志炜

摘 要：文章旨在讨论如何在峰谷电价的约束下，在已有冰蓄冷系统设计方案上，实现对冰蓄冷系统的最优控制。通过具体的实际案例，首先结合一般情况下的冰蓄冷系统的工作模式，得出实际案例的最优运行模式设计方案，并以此为基础对冰蓄冷系统运行模式设计进行经验性总结。

关键词：冰蓄冷；节能；运行模式；最优控制；峰谷电价

中图分类号：TU831.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）15-0019-03

进入21世纪以来，国家在经济高速发展的同时也发现资源是制约经济发展的一个重要因素。国家在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》（以下简称十一五规划纲要）中单列第六篇（建设资源节约型、环境友好型社会）进行指导。在第22章第六节提出“完善重点行业能耗和水耗准入标准、主要用能产品和建筑物能效标准、重点行业节能设计规范和取水定额标准”。各地方政府在推进节能工作中，都有采用阶梯电价和峰谷电价来引导社会经济活动合理的分配和使用资源。

作为节能重点工程之一的建筑节能领域，建筑物日常能耗中，无疑空调能耗是占据首位的。建筑物空调冷量主要是通过电能转换而来，也就是说空调能耗同时也反映在建筑物的用电能耗上。为了节约能耗，除了采用相应的节能设备、产品外，采用自动化的技术对设备的日常运行进行精确的监视和控制，避免人为操作带来的多余损耗也是十分必要的。

针对当前的电价政策，给冰蓄冷技术的应用和发展带来了广阔的空间。冰蓄冷技术的最大优势就是通过削峰填谷、平衡电力负荷，从而节省电费，这就涉及到如何精确的控制设备在合适的时间段运行。本文重点讨论如何在电价的约束下，进行冰蓄冷系统的最优控制。

1 冰蓄冷系统的工作模式设计

一般的冰蓄冷系统设计的工作模式有五种，即：

①制冰模式。

②制冰同时供冷模式。

③冷机供冷模式。

④融冰供冷模式。

⑤冷机与融冰同时供冷模式。

但在实际项目中还要考虑冷机配置的不同情况，同时供冷模式时是融冰优先还是冷机供冷优先的不同情况等。

下面以笔者实施的项目为例具体分析一个冰蓄冷系统的工作模式。

1.1 项目情况说明

某校新校区位占地面积223亩，地上总建筑面积占9.28万m2，地下车库面积1.522万 m2，绿化面积51 960 m2。校内设有教研楼、综合楼、图书馆、学生宿舍（宾馆）、食堂（餐厅）、文体馆、后勤服务楼等。

1.2 制冷系统设计说明

某校新校区采用集中空调系统，集中空调系统的冷源由冷冻机房提供，热源设在辅助用房旁的锅炉房内。冷冻机房设计日尖峰冷负荷6 210 kW，系统按冰蓄冷空调部分蓄冰形式设计。双工况螺杆主机和蓄冰盘管为串联方式，主机位于盘管上游，末端采用大温差低温供水。

冷冻机房设有3组蓄冰槽，设计总蓄冰量为4 600 RTH。系统配备空调工况制冷容量为424 RT、制冰工况为276 RT的双工况螺杆冷水机组2台，制冷容量为430 RT的常规工况螺杆冷水机组1台。制冷系统概览界面，如图1所示。

冷冻水系统采用二级设计，其中一次侧有三台乙二醇泵；二次侧有六台冷冻泵，并设计了变频控制。冷冻水二次泵系统界面，如图2所示。

冷却水系统设计有三台冷却塔和三台冷却泵，每个冷却塔有二个可独立控制的风机。冷却水系统界面，如图3所示。

1.3 冰蓄冷系统工作模式设计

根据以上制冷系统的设计，笔者根据项目实际情况在五个常规工作模式的基础上进行了模式扩展设计，具体如下。

1.3.1 制冰模式

此模式没有扩展。

1.3.2 制冰同时供冷模式

此模式扩展为二种，即：①双工况主机制冰+基载机供冷模式；②双工况主机制冰同时供冷+基载机供冷模式。

1.3.3 冷机供冷模式

此模式扩展为二种，即：①基载机供冷模式；②基载机供冷+双工况主机供冷模式。

1.3.4 融冰供冷模式

此模式没有扩展。

1.3.5 冷机与融冰同时供冷模式

此模式扩展为二种，即：①融冰+双工况机供冷模式；②融冰+双工况机供冷+基载机供冷模式

扩展后的工作模式共八种，扩展并不是简单的逻辑组合，必须考虑经济性。比如在第五种常规模式扩展时，就没有考虑融冰+基载机供冷模式，这是因为基载机冷量和双工况机冷量差不多，且考虑到未来模式切换的方便。具体情况在后面章节进行分析。系统工作模式界面，如图4所示。

2 冰蓄冷系统工作模式切换设计

在设计好系统工作模式后，接下来还需要考虑各工作模式在不同电价时段的运行，以及模式切换顺序。

2.1 当地电价分段情况

笔者找到当地物价部门对相关电价的政策，如图5所示。

从图5可以看出六时段分时电价时段划分如下：

时段一：高峰时段8：00-11：00；

时段二：低谷时段11：00-13：00；

时段三：高峰时段13：00-19：00；

时段四：尖峰时段19：00-21：00；

时段五：高峰时段21：00-22：00；

时段六：低谷时段22：00-次日8：00。

2.2 利用峰谷电价差，合理安排运行模式

根据以上六个时段的划分情况，有以下情况需要考虑：

①时段六，是冷量需求最低的时候，利用低谷电价蓄冰，需要供冷时考虑到先用正在蓄冰的双工况机，再用基载机。

②时段一、三、四、五，是冷量需求最高的时候，采用融冰供冷，然后按负荷情况再使用冷机供冷，同时留20 min用于时段模式切换；虽然时段四和时段三、五的电价不一样，但考虑到时段四的时候冷量需要已经下降，融冰基本就可以满足要求了，所以不单列出去考虑。

③时段二，是低谷电价，用冷机供冷，节约使用蓄冰量。

④在用冷机供冷时，先用双工况机还是基载机，必须考虑泵的使用情况。如果正在运行的是乙二醇泵，则先用双工况机，否则先用基载机。

2.3 确定各时段的运行模式

结合分时电价、各时段冷量需求情况、以及最经济的模式切换方式，最终确定各时段运行模式如下：

①时段22：00-8：00（定时切换）。

制冰模式（Vi6常开状态）→双工况机制冰模式+基载机供冷（后启动）→基载机供冷+双工况机制冰同时供冷模式（制冰完成后转基载机供冷）

②时段8：00-10：40（定时切换）。

单融冰供冷模式←→融冰+双工况机供冷模式←→融冰+双工况机供冷+基载机供冷模式

③时段11：00-13：00（定时切换）。

基载机供冷模式→（模式切换）基载机供冷+双工况机供冷模式→融冰+双工况机供冷+基载机供冷模式

④时段13：20-22：00（定时切换）。

单融冰供冷模式←→融冰+双工况机供冷模式→融冰+双工况机供冷+基载机供冷模式→（当蓄冰量为零时）切换至基载机供冷模式→基载机供冷+双工况机供冷模式。

以上各时段运行模式中提到的“定时切换”是指在各时段内的各工作模式，可以根据一年中不同季节，预先判定冷量需求情况，设定好时间表进行工作模式的切换。

还有一个问题需要澄清，即前文说要精确控制，为什么在定时切换的时候，是预先判定而不是实时判定呢？因为整个冰蓄冷系统在模式切换的时候，会启动和停止冷水主机、水泵、冷却塔风机等大型设备，为了避免频繁开关设备而导致设备损坏，启动、停止、再启动设备必须有时间间隔，本项目设定为20 min。所以无法做到实时切换，只能在累积一定运行经验后进行定时切换。

该项目由于前期考虑充分，运行模式设计合理，在3个月的试运行期间，除设定温度、时间等一些参数有调整外，系统各模式运行正常。最终项目达到了设计的节能效果，并顺利通过了验收。

3 结 语

从实际项目中笔者总结出了冰蓄冷系统运行模式设计的如下经验：

①设备选型应符合系统设计的特点，并且设备本身应有可变负荷运行的节能能力，这才能体现模式设计的作用。

②运行模式不能太多，太理想化，应从实际出发来设计，在每个时段的运行模式中，各个控制模式的选择和切换顺序十分重要，以保证控制模式的顺利过渡。设备的频繁启停势必耗能。

③控制模式的参数设定应充分考虑设备自身的能力，不可设的过大或过小。控制策略需针对系统负荷的变化及时调整设备运行状态，同时还应结合设备的特点充分挖掘设备的节能潜力。控制系统的反应过度或迟缓，势必会增加能耗。

④所有预先做的模型设计、参数设定都要在系统实际运行过程中接受检验且优化。

参考文献：

[1] 杨培莹，章学来，吕磊磊，叶金.某学术交流中心冰蓄冷空调工程经济性分析[J].建筑热能通风空调，2008，（3）.