我国自上世纪90年代以来,冰蓄冷空调技术已有成功应用案例。通过冰蓄冷系统,可有效转移空调电力的高峰负荷,减轻电网压力并降低设备容量,同时充分利用城市峰谷电价,降低空调系统运行费用。

　　 冰蓄冷系统的成功应用,除了设计之外,控制策略及实际运行水平至关重要。关于冰蓄冷控制策略、优化控制的研究很多,主要集中在基于负荷预测的控制、动态经济最优控制、制冷机优先或蓄冰优先运行、结合低温送风或大温差送水等方面 ^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9]}。

　　 目前针对冰蓄冷系统实际案例分析的文献不多 ^[10,11,12],且多从设计角度出发介绍设计方案,缺乏系统实际运行问题诊断及分析的研究。本文基于已运行20年的某大型场馆冰蓄冷系统,对运行问题进行分析、诊断,并提出解决方案,为冰蓄冷系统的实际应用分析提供参考案例。

　　 该场馆位于上海,2001年投入使用,营业时间为09:00—17:15,每周一闭馆。总建筑面积为100 666 m²,共2幢楼。其中1#楼为展示场馆,建筑面积89 857 m²;2#楼为行政楼,建筑面积10 809 m²。

　　 空调系统采用冰蓄冷系统,4台双工况螺杆式主机,1台基载主机,主要参数见表1。供暖系统采用2台2 960 kW、1台1 172 kW的燃气热水锅炉。照明系统主要灯具为日光灯、金属卤化物灯、节能灯等,总功率456.2 kW。图1为冰蓄冷系统图。

　　 4台双工况制冷机于22:00至次日03:00蓄冰,夏季白天07:30—17:00采用制冷机和冰槽双供冷,优先利用冰槽供冷,融冰结束后由制冷机单供冷;过渡季采用冰槽单供冷或制冷机单供冷。

　　 乙二醇泵一机对一泵,定频运行;冷却水泵并联,定频运行;冷水一级泵定频运行;冷水二级泵手动变频运行。

　　 2#楼采用1台单工况螺杆式冷水机组供冷。

　　 该场馆2015年总用电量11 127 512 kW·h,用气量415 897 m³,一次能源消耗比例分别为87%(电)和13%(天然气),建筑总能耗折合标准煤3 878.80 t,单位建筑面积能耗38.5 kg/(m²·a)。根据DB 31/T554—2015《上海市大型公共文化设施建筑合理用能指南》 ^[13],该场馆用能水平介于先进值30 kg/(m²·a)与合理值42 kg/(m²·a)之间。

　　 建筑用能系统能耗拆分见图2,空调用电占总用电量的46.6%,照明插座占总用电量的27.8%,高低压变损及其他占10%左右,其他用能包括未计入分项计量系统的消防设备和5#制冷机及部分插座用能。

　　 本文关键测试指标为冷量和功率,主要测试设备为超声波流量计、三相四线电功率计、温度自记仪、精密压力表等。主要计算公式及测试方法如表2所示。

　　 场馆2015年实测数据显示,双工况制冷机制冷工况及蓄冰工况运行COP均低于额定值,冷水机组全年EER平均值为2.33。测试结果如图3,4所示。

　　 导致COP偏低的主要原因为制冷机运行负载率偏低。导致负载率偏低的主要原因有2个:系统释冷工况运行策略不合理及双工况主机限流。目前释冷工况始终保持双工况制冷机与蓄冰槽联合供冷,导致主机一直处于低负载率状态。如图5所示,4台主机大部分运行在部分负载率下,负载率为30%～70%的运行时间占总运行时间的74%。

　　 主机限流导致主机出力不足也是导致负载率偏低的重要原因。实测中发现,双工况制冷机夜间蓄冰出力不足。

　　 如图6所示,以典型日夜间测试数据为例,22:30开启制冷机蓄冰,直到02:15关闭制冷机。制冷机负荷率下降,COP从3.2降至2.9,蓄冰温差(乙二醇进出口温差)从3.0 ℃降为2.7 ℃。但直到02:15制冷机关闭,乙二醇供水温度还未达到-6 ℃的设定温度。测试日22:30—02:15 4台制冷机全开制冰,08:00—17:00开启2#,3#制冷机供冷。抄录制冷机控制面板显示的电流百分比读数,同时实测计算实际的制冷机负荷率,结果见表3。蓄冰工况下,面板显示的电流百分比达100%,但实测功率为300 kW,计算得实际电流百分比仅为82%。

　　 经查证,制冷机出厂时厂家进行了电流限流的设置,虽然制冷机面板上显示制冷机出力为100%,但实际电流只有80%,导致制冷机实际运行时无法达到额定工况。如果日常运行时依据面板电流比继续调低主机出力,将导致制冷机负荷率进一步降低。该问题需联系厂家并进行修复。

　　 采取液位计测量冰槽蓄冰量,由于液位计误差较大,导致实际蓄冰量没有达到设定值时提前结束蓄冷。测试期间平均蓄冰量为20 444 kW·h,仅为额定蓄冰量32 497 kW·h的64%。上海的谷电时间为22:00—06:00,但是该场馆结束蓄冷的时间从02:30至04:30不等,对谷电时间利用不充分,没有将蓄冷系统的经济性优势发挥到最大。峰谷电价及蓄冰时间见图7。

　　 建议对液位计进行标定,恢复蓄冰量上限。同时,延长夜间蓄冰时间,从而充分利用谷电进行蓄冰,发挥冰蓄冷系统的经济效益。

　　 冰槽表面水温如图8所示,除了7月8日外,融冰结束后冰槽内温度均未保持在0 ℃附近,处于冰水混合物的状态,并未进行完全释冷。

　　 建议基于冰槽温度调整释冰策略,充分利用冰槽已蓄的冷量,减少白天机组的峰电使用量。

　　 乙二醇系统、冷水系统、冷却水系统及冷却塔系统输配系数实测结果均低于一般值,冷水泵、冷却水泵运行效率相比于理论效率偏低较多(见表4),具有较大节能潜力。

　　 建议冷水泵降频,控制末端供回水温差在5 ℃左右;夜间蓄冰工况降低乙二醇泵频率,控制制冰进出水温差为3.5 ℃左右;冷却水泵、冷却塔输配能效较低,通过加装变频装置,优化调节策略,进一步实现节能效益。水泵运行效率实测值与理论值比较见图9。

　　 冷却塔安放在行政楼屋顶,但冷却塔四周三面为墙壁,仅北面和顶部与外界环境相通。图10显示了现场实测温度场,实测数据表明,东西两侧的冷却塔距离墙壁较近,空间狭窄导致冷却塔气流短路,影响冷却塔的运行效率。

　　 建议对1#,4#冷却塔加装导流罩,将冷却塔出风沿风罩直接引向室外,解决冷却塔气流短路问题。

　　 如图11所示,冷却塔流量不均,低流量冷却塔填料利用不充分,影响冷却效果。部分冷却塔溢水情况严重。需对冷却塔进水流量进行平衡调适。

　　 以典型供冷日数据进行测算(见图12),基于上述调适建议,在不调整蓄冰/释冰运行策略工况下,对制冷机、水泵、冷却塔进行调适,可实现制冷系统能耗下降2 737 kW·h,系统节能率达15.6%。

　　 该场馆由于冰槽液位计不准,导致夜间蓄冷时间不足。可将运行策略改为:夜间蓄冰结束时间延长至06:00,可以达到额定蓄冰量;07:00—10:00,室外温度较低且电价处于峰电,采用冰槽单供冷;11:00开始,采用双工况制冷机优先运行,保证制冷机满负载运行,不足部分采用冰槽补峰。如图13所示。

　　 运行策略调整后,制冷站全天的耗电量及单位冷量价格如图14,15所示。数据表明,夜间蓄冰量增加,由于夜间制冰COP低于白天供冷COP,导致制冷站总耗电量增加,节能量降至1 137 kW·h,节能率6.5%。

　　 但是由于更多地利用了谷电,并减少了峰电时段系统的用电量,使得单位冷量价格由0.273元/(kW·h)降至0.175元/(kW·h),降幅达36%。通过测量调整,以牺牲部分节能量为代价,实现了运行费用的显著降低,充分发挥了冰蓄冷系统的节费优势。

　　 1) 冰蓄冷系统的蓄冰及释冰量需进行精细化管理,应对自控系统的蓄放冰量监测仪器进行定期校准,否则将严重影响系统的有效运行,导致蓄冰不足、释冰不充分的问题。

　　 2) 冰蓄冷系统应根据峰谷电价规则,合理设置蓄冰与释冰时间,充分利用夜间谷电蓄冰,并在日间峰时充分释冷,从而减少日间制冷机的运行时间。

　　 3) 提升设备专业运维水平,加强设备运行问题排查力度,避免主机限流、输配系统能效偏低、冷却塔气流短路等设备运行问题影响系统运行。