区域能源站优化设计方案全年能耗分析与对比

章乾，徐朝阳，毛世权，杨禹，耿安然

（国家电投珠海横琴能源发展有限公司，珠海，519031）

1 引言

随着经济的发展、综合建筑群的兴起，区域供冷的需求日益增长，与传统单体供冷相比，采用区域供冷不仅能节约能源消耗、提升建筑品质与形象、改善城市空间环境，还能有助于缓解城市电网压力，助力政府实现资源配置优化、节能减排，合理降低同时使用系数，大幅度降低空调设备的备用余量，节省投资［1-6］。

然而区域供冷空调设备繁多、系统形式多种多样，不同的设备选型、控制策略都会影响系统运行的整体能效和节能性、经济性等问题。研究不同控制策略下区域能源站中央空调系统能效对系统运行具有指导作用，因此，本文将基于空调系统设备选型优化和控制策略优化对区域供冷系统进行全年逐时能耗仿真，分析不同方案下的空调系统能效、节能性和经济性。

2 工程概况

本工程是位于广东某能源站区域供冷项目，负责某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。

基于由清华大学开发的建筑负荷模拟软件DeST以及设计院提供的原始建筑CAD图进行建筑末端负荷预测，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20200 Rt，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。本文计算冰蓄冷系统运行电费涉及到的大工业用电峰谷电价表如表1所示。

表1 大工业用电峰谷电价表（20kV）

图1 设计日逐时冷负荷

3 仿真方案及运行控制策略

3.1 仿真方案

区域能源站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 控制方案

系统设备具体的控制方案如表3所示。

表3 系统不同控制方案

冰蓄冷系统采用常规控制策略时，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。

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。夜间谷价时刻蓄冰制冷，白天供冷时，在保证满足全天各时刻冷负荷前提下，提前规划好各时刻蓄冰量，将其用于峰电时刻供冷，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。

图3 冷量分配情况

图3（a）所示是空调设计日情况下供冷冷量分配情况，图中有两个明显的负荷波峰时段，一个是9点～11点，一个是16点～18点。全天负荷峰值时刻在17点，为20200RT。夜间23点～5点谷价蓄冰制冷，白天6点～22点结合全天冷负荷情况，在满足冷负荷情况下优先在峰价时刻采用融冰优先策略，不足时再开机双工况机组制冷的策略。这里基载机组全天开启，用于夜间小负荷或白天制冷。图3（b～d）是空调非设计日情况下供冷冷量分配情况，其策略与空调设计日情况一致。

4 仿真结果

4.1 空调设计日与非设计日情况

图4为空调设计日与非设计日机组能效情况，设计日的机组能效较为平稳，说明机组运行稳定，受负荷影响较小，受室外湿球温度影响较大。非设计日基载机组、双工况机组能效在全天波动较大，这说明机组的能效COP不仅仅受室外湿球温度影响，还与由于峰谷电价冷量分配不同导致的不同负荷率有关。

图4 空调设计日与非设计日机组能效情况

由表4计算可知，从系统能效上看，方案一、二、三3种方案在制冷负荷比为75%的非设计日的系统能效都是最高的，分别为3.32、4.05和4.59；方案三相对于方案一的系统节能率随着制冷负荷比的降低而增加，分别为24.1%、27.6、28.1%和29.1%。

表4 系统不同控制方案冰蓄冷系统空调设计日与非设计日能耗仿真结果

从经济性上看，在不同的制冷负荷比下，方案三的系统运行总电费相对于其它两种方案最低，并且随着随着制冷负荷比的降低而降低，分别 为0.1322元/m2、0.0836元/m2、0.0468元/m2、0.0197元/m2。

4.2 全年情况

由表5可知，方案一的系统能效最低，为3.2；方案三的系统能效最高，为4.5；方案一的系统运行费用最高，为21.9元/m2；方案三的系统运行费用最低，为15.9元/m2。

表5 系统不同控制方案冰蓄冷系统空调全年能耗仿真结果

从系统能效上看，方案二相对于方案一的节能性体现在变频主机，方案二相对于方案一机组节能25.5%；方案三相对于方案二的节能性体现在优化控制策略，方案三相对于方案二系统节能28.1%。

从经济性上看，方案二相对于方案一的经济性体现在变频主机，方案二相对于方案一机组节费25.7 %，方案三相对于方案二的经济性体现在优化控制策略，方案三相对于方案二系统节费12.6 %。

5 结论

本文结合不同设备选型以及控制策略，制定了三种不同空调系统方案，并通过全年逐时仿真对其节能性和经济性进行分析，逐月结论如下：

（1）变频主机相对于定频主机在能耗方面节能25.5%，从经济性上看，变频主机相对于定频主机节费25.7%。

（2）从控制策略上考虑，采用优化控制的空调系统比常规控制节能12.6 %，对应的节费12.6 %。

（3）经过设备优化、系统控制策略的优化，可使空调系统能效从3.2提升到4.5，系统能效提升39.1%；可使空调系统总耗电量从40.0 kWh/m2降到28.7kWh/m2，能耗降低28.1%；可使系统运行总电费从21.9元/m2降到15.9元/m2，其节费率为27.5%。