电制冷在直燃机系统改造中的运行分析与优化

赵化涛 石灿 汤哲翔

北京长峰新联工程管理有限责任公司

0 引言

制冷系统的优化控制，对于降低整个中央空调综合能耗具有决定性作用[1]。制冷系统的运行状态不仅影响供冷效果，还会影响到国家绿色低碳发展和企业的效益。特别是在“双碳”目标和“十四五”规划指导下，企业既要实现合理节能降耗，又要推动能源结构转型。在建筑能耗中，空调系统能耗约占50%，其中，冷水机组能耗约占2/3[2]。可见，冷水机组有着很大的节能潜力和发展空间，迫切需要提高冷水机组运行效率。实现冷水机组节能高效稳定运行的技术手段不仅体现在能源结构转型，还体现在制冷系统智能化改造及策略优化控制方面，因此本文以实际案例对系统运行和节能优化策略进行了分析。

1 站房基本情况

此制冷站房建于2010 年，主要负责工业园区约15 万平米办公楼宇的冷供应。原系统有3 台单机制冷量7000 kW 的直燃型溴化锂机组（直燃机），冷水泵、冷却泵、冷却塔等辅助设备与直燃机一一对应配备。三台机组已运行多年，近两年故障频出，制冷能力衰减严重,供应质量下降。此外，站房缺少参数实时监测和调节的手段，未设集中控制系统，仍采用手动调节、运行参数就地读取的模式，使节能降耗工作无法有效地开展。

为提高供应质量，降低消耗，公司考虑能源结构调整，尝试在站房安装一台以电能作为动力源的4748 kW 离心式电制冷机组（电制冷），其辅助设备仍使用站房现有设备。同时，对系统升级改造，包括直燃机控制系统改造、水泵变频改造等，并在此基础上开发一套智能化集中监控平台，实现机组、水泵等设备的自动调节与控制，提升站房智能化水平，保证运行质量，提高经济效益。

2 系统运行分析

站房冷源系统升级改造和智能化平台的搭建改变了传统的手动模式，机组效率和智能化水平均有很大提升。然而，智能化平台要想最大限度的发挥自身价值，需要具备与站房本身运行情况相结合的运行策略。此外，在同一天中，电制冷的经济性还与不同时间段电价有关，直燃机运行也有一定年限，出力效果已经不能达到设计情况，这势必会影响优先选择电制冷还是直燃机制冷。因此，发挥老机组的余热，探索满足生产需要又实现节能降耗的联合运行策略尤为重要，只有明确哪种策略比较节能，才能指导实际运行。

2.1 日运行对比分析

2.1.1 制冷效果分析

对制冷季某一运行时段全天分别单独运行电制冷和直燃机的运行数据进行比较，如图1 所示。图1(a)为一天内不同时刻下室内外温度的变化，可看出当室内温度均达标的情况下，电制冷即使在较高的室外温度下所能获得的室内温度也比直燃机低，制冷效果更好。图1(b)为不同机组每天冷量的最大值，保证机组稳定的前提下，直燃机额定制冷量虽约为电制冷的1.5倍，但由于直燃机老旧以及电制冷高效性等因素，电制冷单独运行所产生的制冷量始终高于直燃机单独使用时，直燃机最大制冷量已降低至额定冷量的54.3%。

图1 全天分别单独运行电制冷和直燃机的运行数据对比

2.1.2 经济性分析

在保证制冷效果时，也要考虑节能增效。为直观比较两种机组的经济性，在能效比[3]和成本效益分析[4]的基础上引入了一个“成本效能EERc”的概念。它可定义为：单位能源消耗成本所生成的制冷量，公式如下：EERc=制冷量÷耗能成本。它可通过比较系统运行的耗能成本和所得制冷量来评估系统的经济效益。EERc越大，经济效益越好，机组优势较大。在同一天中，机组经济性还与不同时间段谷峰电价有关，因此结合谷峰分时对单独运行电制冷和直燃机的经济性进行了比较，图2 为电制冷和直燃机两种方案各5 天谷峰不同时段下的总成本效能EERc。其中，电价按照北京市商业用电峰谷分时电价标准计算，燃气单价按照北京市燃气公司统一售价标准计算。

图2 电制冷和直燃机不同时段的总成本效能

从全天来看，两种方案的全天EERc分别为4.25和2.52，电制冷远大于直燃机，高达1.69 倍，说明电制冷单位能源成本产生的制冷量远高于直燃机。从谷峰分时段来看，电制冷和直燃机低谷、平段、高峰和尖峰的EERc均依次逐渐降低，电价越低，EERc越高。低谷时电价最低，EERc最高，尖峰时电价最高，EERc最低；直燃机低谷EERc为尖峰的1.27 倍，电制冷EERc甚至高达6 倍，低谷经济效益远优于尖峰。供冷时，应尽量考虑在EERc较小时间段运行，即电价较低时，运行费用最优。

2.2 机组每天启动初期运行对比分析

随机抽选电制冷和直燃机单独运行各5 天的数据，对比分析了6:00～8:00 运行时间段两种方案下机组冷冻水供水温降速率，如图3 所示。分析发现，机组每天启动初期，采用两种方案虽然都有降温作用，但直燃机供水温度平均下降4.62 ℃，降速较慢，而电制冷平均温降5.97 ℃，较快达到室温要求，效果显著优于直燃机。也就是说，6:00～8:00 初运行时间段电制冷供水温降较为迅速，其温降速率明显高于直燃机。早晨机组启动时，建议优先启动电制冷达到快速降温的目的。

图3 6:00～8:00 两种方案下机组每天启动初期冷冻水供水温降的对比

2.3 工作日与休息日运行分析

如图4 为不同时刻下工作日和休息日制冷量和用电量变化曲线。可看出，无论设定值如何，工作日制冷量和电量均比休息日大，很明显这是因为工作日冷需求比休息日大。且设定值越低，耗电量也越多。因此，可分为工作日和休息日两种模式。根据工作日与休息日冷需求的不同，分别设定不同模式下的出水温度值，根据不同设定值自动改变机组的供回水温度，以满足舒适度需要。对于工作日模式，冷需求较大，所以出水温度设定为7 ℃左右，对于休息日模式，冷需求较低，为了降低能耗，可以提高出水温度设定值，温度设定为9 ℃左右。

图4 不同时刻工作日制冷量和电量变化

3 策略优化

多台机组联合运行时，为配合室外气候变化和建筑冷负荷需求，确保机组高效运行，合理的控制策略尤为重要[5]。从以上运行情况分析来看，可从机组启停策略、节能补偿策略等方面优化控制策略，从而保证系统的最佳运行效率。

3.1 机组的启停策略

此系统设有机组自动启停模块，包括3 种机组启停策略：高效机组的优先启动控制、室外温度-回水温度控制和系统总负荷控制。其中，为了保证系统的运行稳定，防止负荷值突变引起机组不必要的启停，避免机组频繁启动，机组开关机间隔时间30 min。

1）电制机组优先启动控制方案。

由于无论峰谷电价，电制机组EERc均远大于直燃机，经济效益远优于直燃机。建议优先启动电制冷，可以获得显著的节能效果。如果电制机组输出不能满足要求，可以加机的方式。此外，6:00～8:00 初运行时间段电制冷供水温度降速明显高于直燃机，早晨机组启动时，同样建议优先启动电制冷能够达到快速降温的目的。

2）室外温度-回水温度控制方案。

电制冷优先启动的前提下，根据室外温湿度-回水温度来控制3 台直燃机的启停顺序。在制冷工况下，充分考虑到室外温度与所需冷量的关系，当室外温度大于设定值，此时由于制冷负荷的不足，造成冷水机组出水温度超过设定值，使回水温度进一步升高也大于设定值，且持续一定时间时，主机的压缩机基本全部开启，但仍不能满足建筑物的冷负荷需求，所以开启第二台直燃机，增大制冷量来满足要求。当回水温度低于设定值，且持续一定时间后，表明机组已提供了足够的冷量来满足需求，关闭机组，减小制冷量，避免不必要的浪费。

3）由系统总负荷控制。

如果机组开启数量过多，造成系统总制冷量大于实际需求冷量，会导致多台设备同时在低负载情况下运行，造成能源浪费。因此，需根据总负荷调整有几组运行数量以提高系统效率。在满足冷需求的情况下，根据用户的实际冷量需求确定机组启动数量，减少能源消耗，达到节能降耗的目的。当负荷大于等于设定值，开启机组；负荷低于设定值时，此机组关闭。

3.2 节能补偿策略

供应时段和气候条件的变化影响着建筑物用冷量[6]，要想既满足供冷需要，又实现节能降耗，供回水温度必须做出相应调整，使供冷量与需冷量相匹配。为此设计了节能补偿策略，如图5 所示，包括工作日模式和休息日模式两种，它是根据工业区工作日与休息日办公人员冷需求的不同进行分日供冷。这两种模式又分别包括定时节能补偿（时段-机组出水温度）和室外温度补偿技术（时段-室外温度-机组出水温度）两种模式。前者根据不同时段设定相应供水温度，实现供冷自动调节，可根据公休日和每天上下班时间冷需求的不同，设置不同时间段内的供冷要求。而后者根据每天不同时段下冷需求不同的基础上，以室外温度为参考，随时修正和补偿供冷温度，使系统供冷量与室外温度相匹配，实现供冷自动调节。工作时段室外温度越高，用户所需冷量就越多，供水温度设定值就越低，这样才能满足需要，非工作时段室外温度高，但用户所需冷量不多，供水温度设定值可以适当道升高，这样可以减少不必要的能源浪费。

图5 节能补偿策略

经策略优化，系统能够全面监测系统运行参数和监控设备的运行状态，综合系统冷量需求，优化系统运行参数，自动控制机组启停、水泵变频等，调节系统冷冻水、冷却水流量，保证系统在各种工况下处于最佳工作状态，从而提高了整个系统的运行稳定性以及安全性。

4 节能效果分析

改造前后站房内制冷系统能源消耗主要类型均为电、水和燃气。改造前能源消耗设备主要是直燃机及其配套冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等辅助设备，改造后又增加了电制冷。由于冷冻水泵和冷却水泵的变频改造、电制冷机的高效运行以及智能化平台的搭建和策略优化等一系列改造，使机组、水泵、冷却塔等设备实现了自动调节与控制，在节能降耗方面取得不错效果。图6 为某一运行时段内系统改造前后的同期总能耗对比。改造后直燃机单独运行、电制冷单独运行以及两种机组组合运行的天数分别占总运行天数的43.4%，25%和31.6%。

图6 某一运行时段内系统改造前后的同期总能耗

可明显看出，系统各项能源耗量均较改造前同期有所降低。耗电量节约149×103kW·h，降低了约10%。燃气量节约466×103 m3，降低了约55.3%。用水量减少6485 t，降低了约22.7%。其中，站房总耗气量降幅最大，造成下降的主要原因是电制冷的投运和监控平台的搭建等减少了直燃机的总运行时长。对于耗电量，改造后电制冷的投运增加了电力消耗，但耗电量却出现小幅度下降。为进一步说明耗电量下降的原因，对改造前后系统实际耗电量和1 小时理论耗电量分别进行了对比分析，如表1 所示。可以看出，改造前后各设备的投运台数和水泵的变频改造等措施，使得理论耗电量也出现减少的情况。

表1 改造前后系统理论耗电量

由此可见，由于动力系统的改造和智能化平台的搭建等一系列措施，避免了不必要的浪费，降低了系统能耗，在节能降耗方面取得了不错的经济效益。

5 总结

对电制冷在直燃机制冷系统运行过程中运行情况进行了分析，并结合站房实际和运行分析探讨了站房自控系统的节能优化控制策略，解决了制冷效果差、能源消耗大的问题，既保证了供应参数的稳定达标和机组的安全运行，又实现了节能、降耗、增效的目的，这对直燃机和电制冷两种不同类型机组合并运行及冷源系统智能化改造具有一定的借鉴意义，特别是在“碳达峰”、“碳中和”目标下，逐步调减以天然气为能源的直燃机数量，用电制冷予以替代，实现能源结构调整优化和绿色低碳发展，也有一定的参考价值。