基于当地天气预报的冰蓄冷控制策略研究

李悦

上海同悦节能科技有限公司

0 前言

目前随着全球对电力能源的需求以及节能减碳的目标，我国也在积极出台政策应对城市对电力的需求，各地纷纷出台峰谷电价政策，而冰蓄冷系统可以有效的转移电力高峰，平衡电网负荷[1]。有学者提出了基于全蓄冷量和蓄冷量的优化策略[2]。而针对传统的冰蓄冷系统本身并不节能，为了降低其能耗，本文提出利用当地天气预报来预测和优化冰蓄冷的融冰和蓄冰策略，从而使系统达到更节能的目的。

本文将以陕西某超高层已有的冰蓄冷设计为研究基础，其空调系统按建筑高、中、低三个区的负荷分布情况进行设计，其具体环路设计如图1 所示。

图1 冰蓄冷系统环路示意图

1 分析方法

1.1 技术路线

利用e-QUEST 软件对建筑全年能耗进行8760 个小时的模拟，得出空调冷负荷与天气的关系，分析不同天气状况下的蓄冰策略。最后，根据特定的天气状况及该天气下的建筑全天逐时冷负荷，基于分时电价的变化，分析最经济的融冰策略。

本报告研究的主要技术路线图如下：首先，基于典型气象年数据，将空调期的气象数据按照日平均温度分为以下几个区段，分为18℃以下、18～20℃、20～22℃、22～24℃、24～26℃、26～28℃、28℃以上。其次，分析各类气象数据的特征及天气状态。然后，计算建筑空调逐时冷负荷，并分别统计出各类天气类别下的空调冷负荷。最后，基于各类天气状况下的空调冷负荷，分析其对应的蓄冰及融冰策略。

1.2 空调冷负荷拆分说明

根据当地分时电价，将全天累计空调冷负荷拆分为早峰值电价累计冷负荷（早峰值冷负荷）、晚峰值电价累计冷负荷（晚峰值冷负荷）、平值电价累计冷负荷（平值冷负荷）（图2），以便后面在分析融冰策略时确定融冰的时间段。

图2 建筑冷负荷拆分说明图

1.3 冰蓄冷系统运行控制逻辑

本项目的冰蓄冷系统设计时要求冰蓄冷系统优先满足高区和中区的冷量需求，因此为了使冰蓄冷系统的运行效果最佳，应尽可能的在高峰电价时段进行融冰供冷，以确定冰蓄冷系统在不同天气状况下的蓄冰率，使冰蓄冷系统发挥最大的作用。本项目冰蓄冷系统运行控制逻辑如图3 所示。

图3 冰蓄冷系统运行控制逻辑

2 天气特征分析

2.1 气象数据处理说明

根据经验，假定4.15～10.15 为空调制冷期，对此期间的气象数据进行分析。

利用试算的方法，将日平均温度按2℃温度梯度分级，依次分为日平均温度低于18℃、18～20℃、20～22℃、22～24℃、24～26℃、26～28℃、高于28℃。

分别统计出4.15～10.15 期间各个日平均温度段内的日期（仅包含工作日，不包含周六、周日的数据）。

分别对各个日平均温度段内的逐时干球温度、冷负荷进行分析。

2.2 气象数据统计

根据以上方法，可以得出不同日平均温度空调期的频谱分布图，如图4 所示。

图4 日平均温度空调期的频谱分布图

2.3 各工况下的逐时干球温度变化分析

由图4 可知，在分析冰蓄冷系统的运行策略时，仅需考虑日平均温度高于20℃的情况，日平均温度低于20℃时，无需空调，进行自然通风即可。

图4 日逐时干球温度变化

3 建筑冷负荷分析

为了进一步分析冰蓄冷系统的蓄冰及融冰策略，先对各日平均温度区间下典型日的空调冷负荷进行分析，以下仅列出典型的工况（图5～7 及表1）。

图5 日平均温度26℃～28℃时晴天冷负荷

图6 日平均温度26℃～28℃时阴雨天冷负荷

图7 日平均温度高于28℃时晴天冷负荷

表1 各工况空调冷负荷统计

由图5～7 及表1 可知，空调逐时冷负荷在晴天时存在较明显早峰值和晚峰值冷负荷，其变化趋势与当地分时电价的变化趋势趋于一致。空调逐时冷负荷在阴雨天时没有明显的峰值和谷值的出现，全天空调逐时冷负荷变化趋势较为平缓，依据空调负荷在不同天气状况下的变化特点，相应的制定冰蓄冷系统的融冰策略。

4 蓄冰及融冰策略分析

分别对对各工况下晴天和阴雨天冷负荷的构成进行分析（图8），具体工况如下：工况1：日平均干球温度为20～22℃，工况2：日平均干球温度为22～24℃，工况3：日平均干球温度为24～26℃，工况4：日平均干球温度为26～28℃，工况5：日平均干球温度高于28℃。

图8 融冰策略分析图

根据以上对各个工况下融冰策略的分析，可以得出各工况下的融冰时各环路的开启控制策略，具体如表2 所示。

表2 各工况下的环路控制开启表

5 结论

本文分析了该项目所处地区典型气象年的气象数据，并对空调期建筑逐时冷负荷的变化进行预测，分别得出了各个工况晴天和阴雨天的负荷特点，据此，对各个工况下蓄冰策略和融冰策略逐一进行分析，得出如下结论：

1）当日平均温度低于20℃时，不需开启空调，进行自然通风即可。当日平均温度高于20℃时，需开启空调。

2）日平均温度高于28℃时，天气状况基本可以按晴天处理，全天逐时空调负荷均较大，累计空调负荷很高。

3）基于不同天气状况下的建筑负荷分析，本报告制定了各工况下的融冰运行策略。详细策略参见表2。