区域能源站运行优化策略探讨分析

吴鹏良，黄飞强，徐为中，邱实，祁渭岩，符小贵

（国家电投珠海横琴能源发展有限公司，珠海，519031）

1 引言

区域供冷就是在一个建筑群设置集中的制冷站制备空调冷冻水，再通过循环水管道系统，向各座建筑提供空调冷量［1-5］。一般建筑面积规模在50万平方米以上，这样各座建筑内不必单独设置空调冷源，从而避免到处设置冷却塔。由于不同建筑功能的空调负荷峰值出现时刻不尽相同，因此采用区域供冷就可使制冷机装机容量小于分散设置冷机时的总装机容量，从而减少空调设备初投资［6-15］。

然而大型区域供冷能源站的空调设备复杂，不同的控制策略会导致不同的能耗运行，对此，通过研究不同运行控制策略下的全年能耗运行情况，可以得到空调系统运行的最佳经济性策略，这对提升大型区域供冷能源站的节能率和经济性很有意义。

2 工程概况及建筑负荷

2.1 工程概况

本工程是位于珠海横琴CBD核心区的某横琴能源站区域供冷项目，负责横琴十字门中央商务区的集中供冷，总供冷建筑面积995,853m2，建筑场所包括普通写字楼、高档办公楼、酒店、商场、商务公寓、大剧场等。设计日尖峰冷负荷为20,200 Rt，采用冰蓄冷系统进行供冷，蓄冰形式采用冰盘管外融冰方式，并对能源站实施集中管理与控制，采用优化控制策略减少电网峰谷差异，实现电力“移峰填谷”，有效减少能源站实际用电支出。

2.2 建筑负荷

空调冷负荷计算结果如下：设计日总冷负荷为222269RT•h，空调最大冷负荷为20200Rt，当机组运行蓄冰工况时，每小时最大蓄冰量为7200 RT•h，设计日全天蓄冰7h，蓄冰冷量为50400 Rt•h，蓄冷率为23%。设计日湿球温度及空调逐时冷负荷见图1。

表1 珠海市大工业用电峰谷电价表（20kV）

图1 设计日逐时冷负荷

3 冰蓄冷中央空调系统仿真方案及运行控制策略

3.1 仿真方案

横琴能源站区域供冷运行能效的评估，需要计算统计机组运行性能系数（COP），系统耗电量以及系统综合能效比（EERs）等参数。其中，COP是指机组制备的冷量与能耗之比［16-18］，EERs是指机组制备的冷量与冷机、基载水泵、乙二醇泵、融冰下游泵、冷冻二级泵、冷却水泵、冷却塔风机设备耗电量和之比［19-21］。本项目的冰蓄冷中央空调系统主要设备如下表2所示。

表2 冰蓄冷中央空调系统主要设备一览表

图2（a）是在冷冻水出水温度为3℃，冷却水进水温度分别为15℃，18 ℃，20 ℃，23℃，26℃，29℃和32℃的永磁同步变频离心式冷水机组全工况性能曲线图。图2（b）是在冷冻水出水温度为6 ℃，冷却水进水温度分别为15℃，18℃，20 ℃，23℃，26℃，29℃和32 ℃的永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组制冷工况的全工况性能曲线图。图2（c）是在冷冻水出水温度为-5.6 ℃，冷却水进水温度分别为15℃，18℃，20℃，23℃，26 ℃和29℃的永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组蓄冰工况的全工况性能曲线图。

图2 永磁同步变频离心式冷水机组和永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组性能曲线图

3.2 运行控制策略

本项目的冰蓄冷系统较复杂，不同的系统运行策略会有不同的系统耗电量及电费。为了对比不同运行策略下的系统能耗及经济性情况，本文采用主机优先、融冰优先、优化控制三种不同的控制策略对该冰蓄冷系统的能耗及经济性问题进行对比讨论。

（1）主机优先策略

夜间蓄冷，白天供冷采用主机优先策略，确保主机处于满负荷运行，不足时由蓄冰槽融冰释冷补充。

（2）融冰优先策略

夜间蓄冷，白天供冷采用融冰优先策略，优先使用蓄冰槽融冰释冷，并且在保证满足冷负荷前提下尽量平均各时刻的融冰量，充分利用完毕蓄冷后采用主机进行供冷。

（3）优化控制策略

夜间蓄冷，白天供冷采用优化优先策略，根据负荷预测情况进行蓄冷；白天供冷时，在保证满足冷负荷前提下提前计划好将蓄冷量用于峰电时供冷，减小白天峰电供冷的电费支出，充分利用完毕蓄冷后采用主机进行供冷。

3.3 空调设计日与非设计日情况

冰蓄冷系统采用优化控制策略下空调设计日与空调非设计日冷量分配情况如图3（a-d）所示。

图3 冷量分配情况

4 仿真结果

4.1 空调设计日与非设计日情况

由表3-1、3-2、3-3可知，在设计日满负荷（100%）情况下，主机优先、融冰优先、优化控制三种方案的冰蓄冷系统的能耗及总电费相同。在非设计日部分负荷下，同一负荷率下主机优先策略的机组平均COP和系统平均EERs最高，融冰优先策略的次之，优化控制策略的能效最低；同一负荷率下主机优先策略的机组运行电费和系统运行总电费最高，融冰优先策略的次之，优化控制策略的电费最少。

表3-1 主机优先控制策略冰蓄冷系统能耗仿真结果

表3-2 融冰优先控制策略冰蓄冷系统能耗仿真结果

表3-3 优化控制控制策略冰蓄冷系统能耗仿真结果

采用主机优先控制策略的冰蓄冷空调系统最节能，但运行电费最高；采用优化控制策略的冰蓄冷空调系统最不节能，但节费。在非设计日部分负荷下，负荷越小，主机优先策略相对于优化控制策略的节能性越好，优化控制策略相对于主机优先策略越节费、越经济。

4.2 全年情况

由表4可知，从节能性上看，采用融冰优先、优化控制策略的冰蓄冷空调系统耗电量相差不大，采用主机优先的冰蓄冷系统最节能，系统总耗电量为23928293 kW•h，相对于优化控制策略节能16.4%。从经济性上看，采用融冰优先、优化控制策略的冰蓄冷空调系统的运行电费相差不大，采用主机优先策略的冰蓄冷空调系统经济性最差，全年系统运行总电费为20.3元/m2，采用优化控制策略的冰蓄冷系统最节费，全年系统运行总电费为15.9元/m2，相对于主机优先策略节费21.6 %。这也说明采用考虑“峰谷电价”策略的冰蓄冷系统较普通中央空调系统节费不节能的特点。

5 结论

（1）在设计日满负荷（100 %）情况下，主机优先、融冰优先、优化控制三种方案的冰蓄冷系统的能耗及总电费相同。这说明在满负荷情况下，冰蓄冷系统相对于常规中央空调系统无法体现出优势，冰蓄冷系统主要在部分负荷下体现出节费优势。

（2）从全年仿真情况来看，虽然采用主机优先策略的冰蓄冷空调系统经济性最差，但最节能；采用优化控制策略的冰蓄冷系统虽最耗电，但是经济性最好，这是由于优化控制策略在满足逐时负荷前提下，结合了优先在电价峰值时融冰的优势，使得系统运行电费最低，完美的体现出了冰蓄冷系统的节费优势，全年系统运行总电费为15.9元/m2，相对于主机优先策略节费21.6 %。