冰蓄冷系统单融冰工况在实际工程中的运行研究

2020-06-24张敏敏何梅玲吴毅学章文杰

流体机械 2020年5期

张敏敏，何梅玲，吴毅学，章文杰

（1.浙江大学建筑设计研究院有限公司，杭州 310028；2.南京理工大学能源与动力工程学院，南京 210094）

0 引言

冰蓄冷空调系统以冰作为储能介质，在谷电时期进行蓄冰储能，峰电时期融冰放能投入使用，达到了良好的“移峰填谷”的效果，极大地平衡了电力供应，提高了电能的有效利用。通过对电价政策的调研以及商业建筑中办公室的负荷估计，发现冰蓄冷空调的运用对电网的健康运行有着重大的作用[1]。

冰蓄冷技术可与多种空调形式相结合。毛细管发射空调结合冰蓄冷的技术可以在实现降低能耗的同时提升人们的热舒适性[2]。当冰蓄冷空调与空气换热器相结合时，所形成的新空调系统的能源效率比燃气锅炉系统有明显的提高[3]。建立光-电能量特性的理论模型，分析系统之间在能量传递上的特性，发现光伏能源驱动制冰蓄冷系统的理论计算模型与实际数据能较好的吻合，整个系统中能耗最大㶲流发生在蒸发器上。对于系统的优化则可以从蒸发器制冷模式入手[4]。在冰蓄冷低温送风系统（设计工况）中，设定新风比，热湿比，送风温差等的变量，分析节能的薄弱环节发现，部分表冷器的㶲损率与变量成正比关系，其他表冷器的㶲损率则与变量成反比关系[5]。另外通过分析太阳能吸收式制冷系统冰蓄冷器的性能数据，发现在过渡季节，冰蓄冷器可以提供5～6 h的备用时间，从而说明在阳光不强烈阶段系统依然可以平稳运行[6]。并且，通过与传统空调的经济性分析对比发现，光伏发电与冰蓄冷组合的模式可以提高光伏的消纳能力，其节能优势显著[7]。

冰蓄冷系统除了其结合形式多样化，在运行策略上，也展开了众多研究。文献[8]以尽量减少能源费用、需求费用或能源和需求组合的费用为目的，通过预冷策略控制建筑蓄热，从而对建筑蓄热和冰蓄冷情况进行了优化控制。文献[9-11]采用粒子群算法，对系统进行优化运行分析。研究结果发现，在适当的参数下，粒子群算法可以有效地应用于冰蓄冷空调系统的优化设计，降低运行费用和电耗。此外，还可以获得蓄冰罐的最佳容量。但是，随着蓄冰罐容量的增加，其耗电量和二氧化碳排放量也随之增加。因此，考虑到碳税等额外的电力消耗成本，可能会相应优化系统配置的变化。文献[12]分析了系统在不同空调负荷率下的逐时运行策略，由此确定了系统的自动控制模式。采用追加投资回收期的静态法对冰蓄冷系统进行了经济性分析。文献[13]对研制的回热式户用冰蓄冷空调系统在蓄冷运行、制冷蓄冷同时运行模式下进行了性能测试，并与不带回热器系统进行比较。实验结果表明：使用回热器后，蓄冷运行时，吸气温度提高近25 ℃，蒸发温度提高近3 ℃。由此，吸气管外结霜、结冰问题得到了解决，COP也有所提高。文献[14]建立了地下蓄冰的数学模型，并用75 m3蓄冰试验装置一年运行的试验结果进行了验证。结果表明，该模型在蓄冰温度和换热器换能方面具有较好的一致性。文献[15]介绍了季节性冰蓄冷系统和复合蓄冷系统的设计优化。以北京某实际建筑为例，研究结果发现，两种冷库的合理组合可以大大提高其适用性。季节性冷库和建筑冷却系统的寿命周期成本可以降低40%。文献[16]引入了冰蓄冷率和电价比的概念，分别表示不同的冰蓄冷容量和不同的电价结构。然后计算了三种控制策略（冷冻机优先、存储优先和优化）下，不同冰蓄率和电价比下各典型建筑对应的冷冻机容量和经济评价指标值。结果表明，在最小制冷量和最小经济评价指标值下，存在着各自的最优蓄冰速率。当电价比增大到一定值时，4种典型建筑的最优冰蓄冷率与每种控制策略下的最小经济费用和最小制冷量相当。

冰蓄冷系统的研究对其系统在实际中的运行有重大的意义，但当前的研究主要集中在理论模拟或者试验数据的分析上，对实际工程中，冰蓄冷系统实际运行数据的分析研究较少。本文基于一个实际的工程（富阳市电力调度通信大楼），对其实际投入运行使用过程中，冰蓄冷系统在过渡季节的单融冰工况进行分析研究。

1 研究方法

1.1 项目基本概况

本项目位于浙江省富阳市，主要功能为电力调度大楼，其总建筑面积约31 585.3 m2，建筑高度67.6 m，其中地上14层，地下两层。本项目为市局级电力调度大楼，为富阳市重点工程，按照绿色建筑二星标准设计，于2018年2月竣工验收并投入使用。国网电力调度大楼的工作时间相对统一，除去机房区外其他区域夜间负荷非常低，故大楼冷源选用2台双工况水冷螺杆式冷水机组（单台额定制冷量为844 kW）及6套蓄冷量为1 755 kW的蓄冰槽，设计工况为分量蓄冰。采用主机上游串联式二级泵系统，设旁通管共5个调节工况：主机制冰，联合供冷，主机单独供冷，融冰单独供冷，主机制冰同时供冷。

1.2 单融冰工况运行情况

本次单融冰工况从6月26日22：00开始，至6月28日18：30结束，共历时2天2夜，约45 h。其中6月26日22：00-6月27日6：50期间为蓄冰阶段；6 月 27 日 7：30-18：00，6 月 28 日 7：30-18：00为融冰阶段；其余时间段为停止运行阶段。单融冰工况运行流程如图1所示。

图1 单融冰工况运行流程

整套冰蓄冷系统在设备安装阶段配置了各个节点的温度，流量，电量等检测装置。运行过程中，数据收集通过江森自控系统实时记录。整个调研过程中，各项数据每隔1 h存储一次。

2 结果分析

2.1 单融冰工况冰槽分析

本工程中共设3个蓄冰槽，蓄冰量取3个冰槽总的蓄冰量，冰槽液位为3个冰槽的平均液位，无冰液位的平均设定高度为1.037 m，满冰量设定为8 424 kW。制冰阶段在电价谷电时间进行，整体蓄冰22：00开始，到次日6：50蓄冰结束，蓄冰8 424 kW。冷槽蓄冰量及液位随时间的变化如图2所示。

图2 冰槽蓄冰量及液位随时间的变化情况

蓄冰过程中，蓄冰量及冰槽液位均随着时间的增加而增加，最后在6月27日早上6：50达到顶峰。融冰过程由2天组成，2天融冰时间相同（与电力调度大楼上班时间有关），均约为11 h。第一天融冰过程中，冰槽内的储冰量富裕，其储冰量与冰槽液位随着时间的降低单调降低，且较为稳定。第二天融冰过程，整体的冰量变化与液位变化也是同第一天，随时间的降低而降低，但运行至15：00之后，冰槽冰量与冰槽液位均处于较为稳定的阶段，几乎没有下降，冰槽液位还有微小上浮。以上变化主要原因在于，6月28日为融冰第二日，据巡检监测人员实地观察发现，当日15：00时，冰槽已只剩少量余冰。但冰融化之后，其水仍存在于冰槽之中，而冰量的测定为根据冰槽液位计算所得，故最后运行的几个小时，主要为冰槽冰水供冷，其液位基本不变导致了储冰量基本不变。另外，6月28日为周五，15：00之后，工作人员提前下班，导致末端负荷降低而影响储冰量的变化速率。

2.2 蓄冰阶段分析

图3所示为冷水机组单次蓄冰工况下，其两侧供、回水温度随时间的变化情况。稳定工况下，冷却水供水温度在33 ℃左右，回水温度为30 ℃左右，供、回水温差约为3 ℃。冷冻水供水温度在-5 ℃左右，冷冻水回水温度在-2～1 ℃之间。冰槽入口冷冻水温略高于机组冷冻水供水温度，这是因为在传输过程中存在耗散，但此耗散较小。本工程的设计冷冻水供水温度为-6 ℃，设计冷冻水回水温度为-1 ℃。实际工程中的实际运行工况与设计工况偏差较小，设计合理。在22：00-23：00期间，冷水机组处于刚启动阶段，整体运行还未稳，冷却供回水，冷冻供回水存在较明显变化。6：00-7：00期间，蓄冰接近尾声，最后机组关闭，冷却水供回水也存在变化。整体过程中，冷却水供水温度严格大于冷却水回水温度，冷冻水回水温度严格大于冰槽入口温度，冰槽入口温度严格大于冷冻水供水温度，冷水机组蓄冰阶段，整体运行稳定合理。

图3 冷水机组蓄冰阶段供、回水温度随时间变化情况

蓄冰阶段，对冷水机组的各项参数进行统计分析，并计算其COP。冷水机组蓄冰阶段的COP如表1所示。实测机组的COP值为蓄冰阶段逐时计算值。由表可知，通过实测流量所得的机组COP在3～3.2之间，由蓄冰量计算所得的机组COP在3.6左右，略高于流量计算所得的COP值。23：00时，冷水机组运行不久，其冷量主要用于降低冰槽内的水温，还未开始进行蓄冰，故其制冷量计算值无意义。机组COP3为实测供回水工况下，其机组的理论COP值（由厂家提供），为4.09。机组COP4是本工程的设计工况。设计工况的冷水机组COP值与实测接近，但实测的理论COP值则与其他3个COP值存在较大差异。不同情况下的COP值差异可能是由于仪器测量的误差性，实际运行过程中影响因素的复杂性所导致的。但整体COP值均在3以上，机组运行良好。

表1 冷水机组蓄冰阶段COP

2.3 融冰阶段分析

富阳电力调度大楼于工作日进行融冰供冷。本次融冰时间为6月27日，6月28日两天，融冰阶段，板式换热器两侧供回水温度情况如图4所示。

图4 板换两侧供、回水温度随时间的变化情况

图4（a）为融冰第一天，冰槽至板换的供水温度约为13 ℃，板换至冰槽的回水温度约为16 ℃。板换至末端供水温度约为14 ℃，末端至板换回水温度约为17 ℃，整体运行过程中，回水温度严格高于供水温度，末端侧温度严格高于冰槽侧，运行合理。整体的供回水温度随着时刻的增加有所降低，后又升高，整体趋势大致相同，且运行稳定。末端侧，设计供回水温度为6/13 ℃，本工程实际运行中，其供回水温差与设计工况偏差较大。图4（b）为融冰第二天，板换两侧供回水温度及其变化趋势与第一天融冰情况类似，但整体波动较第一天要大。6月28日气温明显高于6月27日，故在刚开始融冰阶段，机组开始运行前，机组起始供回水温度较高。融冰第二天下午阶段，冰槽侧供水较为不稳定，在13：00-14：00有一个明显的下降过程，因为考虑末端侧负荷增加，工作人员将冰槽+循环水混合后的供水设定温度由原先的12 ℃改至10 ℃，最后几小时实际储冰量接近零，冰水供冷的情况使得板换两侧供回水温度再次升回14/17 ℃。第二天融冰工况下，末端侧供回水温度也同第一天运行情况，远高于设计温度。

融冰阶段，冰槽至板式换热器，板式换热器至末端均采用变频水泵运行，其功耗百分比随时间的变化如图5所示。冰槽至板换的变频水泵在两天的融冰过程中均处于非常稳定的阶段，分别为58.7%（第一天），59.9%（第二天），而板换至末端的水泵功耗则存在较大的波。随着使用时刻增加，变频水泵的功耗整体趋势先增加，后减小。第二天板换两侧水泵的耗功率均高于第一天的水泵耗功率，这可能和第二天的室外温度较高，末端侧负荷增加，而两天的供回水温差异不大（见板换供回水温分析）有关。融冰第二天在13：00时刻水泵耗功率则受冰槽+循环水混合出水设定温度调整的影响，发生一定程度的下降。本工程中，水泵设计工况为两用一备，而实际运行过程中，板换两侧水泵均只有一台开启，这可能是由于当前处于过度季节，室外温度未至最高，末端侧负荷还未达到峰值所致。

图5 变频水泵功耗随时间变化情况

2.4 与室外参数相关性分析

表2所示为本次融冰过程中，室外温湿度情况。第一天实测室外温度在33～34 ℃之间，室外相对湿度在57%～66%之间，第二天实测室外温度在34.3～41 ℃之间，室外相对湿度与第一天相差不大，但略低于第一天。气象网所提供的两天的干球温度均低于实测的干球温度，室外相对湿度的一天波动比实测要明显。以上差异可能受测量装置位置的影响以及气象网参数的不精确性和地方差异性也会导致偏差。2天的室外干球温度（实测+气象）均随着时刻先升高，再降低，而相对湿度则成相反趋势，随着时刻先降低，再升高。

表2 室外干球温度和相对湿度

本次相关性分析采用SPSS软件进行。显著性值小于0.05，则两组数据之间存在显著性相关，显著性值小于0.01则两组数据之间存在极显著性相关。末端制冷量以及变频水泵的耗功率百分比与室外温度（实测+气象）进行相关性分析，其分析结果如表3所示。由下表可知末端制冷量以及变频泵的耗工百分比均与实测温度之间存在极显著性相关，而其与气象参数之间存在的相关性则不明显。导致以上原因可能是实测温度虽高于气象温度，但为系统所在地温度，较能准确地反映当地的温度变化。而气象温度则为大区域的温度，与当地温度存在差异。末端负荷与实测温度的极显著相关性可以为未来蓄冰计划提供前馈，从而合理的调整此工程冰蓄冷系统的运行情况。

表3 制冷量及水泵耗工百分比与温度相关性分析

3 讨论

当前，针对冰蓄冷系统的众多研究充分说明了冰蓄冷系统的存在价值，但之前的研究大量的集中于针对设计工况的理论分析或者是试验的分析。文献[17]对非冰蓄冷制冷系统和冰蓄冷空调系统进行了模拟分析，结果发现，系统制冷能耗的消耗很大程度上取决于气候条件。文献[18]对冰蓄冷系统开式冰槽和闭式冰槽的融冰过程进行了试验研究，结果发现，封闭式冰槽冷量的释放速率比开放式冰槽冷量的释放速率稳定，特别是在排放过程的后期，开放式冰槽冷量的释放速率明显降低。本文的研究基于了一个实际工程，系统规模比大部分的冰蓄冷实验平台大。而且，本文的研究是在大楼实际运行过程中进行的分析研究，分析结果能较好的反应实际工程的情况。另外，之前的冰蓄冷优化方案主要以理论的整体运行经济性或者是投资加运行的最优化为目的而进行的优化。本文结合气候条件，分析实际运行情况，所提供的前馈结果更具有灵活性和准确性。