葉慶俊

【摘 要】隨著我國對節(jié)能減排政策的落實，通過對電力移峰填谷的水蓄冷技術(shù)也作為國家重點節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄進行推廣，水蓄冷由于采用的是顯熱蓄能，相比較冰蓄冷系統(tǒng)的潛熱蓄能大幅提升制冷主機及放冷時的效率，而水蓄冷系統(tǒng)作為一種移峰填谷的技術(shù)在空調(diào)領(lǐng)域得以廣泛的應(yīng)用，但市場上均采用的以8℃左右溫差為主，在有中低溫冷凍水需求的工業(yè)建筑空調(diào)系統(tǒng)中采用10度以上的大溫差水蓄冷技術(shù)，相比較一般溫差水蓄冷系統(tǒng)減少水泵耗電量9%，對于在實際的運行過程中節(jié)約運行費用及投資有著較好的效果。

【關(guān)鍵詞】大溫差；水蓄冷技術(shù)應(yīng)用；經(jīng)濟性分析

引言

水蓄冷技術(shù)作為移峰填谷間接的提升整個電網(wǎng)的運行效率，在不同領(lǐng)域予以推廣，大溫差（溫差10℃以上）水蓄冷系統(tǒng)具有蓄冷水罐占地少、系統(tǒng)運行效率高等優(yōu)勢，但由于使用過程中的條件限制在實際工程中應(yīng)用不多。通過對應(yīng)用中的蓄冷溫度控制及放冷策略進行分析，提供解決方法，保證了該技術(shù)的成功應(yīng)用并取得較好的經(jīng)濟效果，對后續(xù)蓄冷項目的應(yīng)用提供參考。

1項目概況

該項目位于惠州，主要生產(chǎn)液晶顯示屏，凈化廠房20萬m2，空調(diào)冷凍水系統(tǒng)分為低溫冷凍水系統(tǒng)和中溫冷凍水系統(tǒng)，低溫冷凍水由6臺（其中1臺預(yù)留）1340RT的低溫冷水機組提供，經(jīng)一次泵輸送至低溫冷凍水供水總管，提供7℃/14℃的低溫冷凍水。中溫冷凍水由2980RT4臺中溫冷水機組（其中1臺預(yù)留）、1520RT1臺中溫冷水機組和中溫帶熱回收的冷水機組1520RT（熱回收量為5350kW）5臺，提供14℃/21℃的中溫冷凍水。利用當?shù)氐姆骞入妰r差設(shè)計水蓄冷系統(tǒng)，夜間利用備用和富裕的低溫機組和中溫機組串聯(lián)蓄冷。蓄冷水罐9000m3×2座，蓄冷供回水溫度為7℃/19℃。白天電價峰值時放冷，蓄冷水經(jīng)過板換變溫為14℃/21℃中溫冷凍水，接至廠區(qū)中溫冷凍水系統(tǒng)總管。

2項目設(shè)計方案

2.1方案設(shè)計要點

（1）本水蓄冷方案針對電子凈化廠房進行設(shè)計，在制冷站附近的空地上新建蓄冷水罐；夜間利用制冷站的5臺離心機（1臺中溫大機（雙拼機），1臺中溫小機，3臺低溫機）串聯(lián)蓄冷，白天高峰時進行放冷。（2）中溫冷凍水系統(tǒng)供回水溫度為14～21℃，低溫冷凍水系統(tǒng)供回水溫度為7～14℃，考慮到部分冷凍水系統(tǒng)高度較高，在保證蓄冷水罐設(shè)計經(jīng)濟性前提下，采用直接蓄冷間接放冷方式，其蓄冷水罐蓄冷溫差設(shè)計為12℃（19～7℃）。（4）本項目在蓄冷的同時要保證熱回收主機的開啟數(shù)量，系統(tǒng)熱負荷7344RT是在冬季的夜間，在60%負荷白天放冷時需保證有2臺熱回收主機的開啟，以滿足系統(tǒng)低溫熱水的需求。（5）因低溫負荷全年需求較少，為保證蓄冷系統(tǒng)的投資回收和使用效果，本水蓄冷系統(tǒng)只針對中溫空調(diào)系統(tǒng)進行放冷，不對低溫系統(tǒng)放冷。

2.2蓄冷水罐選型設(shè)計

根據(jù)該項目24h的逐時負荷分布，本項目按照1臺2980RT中溫大機、1臺1520RT中溫小機及3臺1340RT低溫機組串聯(lián)蓄冷8h設(shè)計，蓄冷水罐體積按照低谷蓄存的冷量需占用的體積來進行設(shè)計，谷電時段的蓄冷量為Q=（2980+1520+1340×3）×8=68160RTh。3.1.3本項目的設(shè)計難點及解決對策

（1）中、低溫主機的串聯(lián)蓄冷對于蓄冷工況時蓄冷溫度的控制

采用蓄冷泵優(yōu)化調(diào)頻技術(shù)，蓄冷泵為變頻控制，控制程序以蓄冷水池進水溫度（即蓄冷溫度）作為控制目標，將實際反饋值與設(shè)定值比較進行負反饋控制，程序通過自適應(yīng)增量式PID算法計算得出當前水泵的輸出頻率，對蓄冷泵進行調(diào)頻控制，以改變蓄冷泵的頻率，增減蓄冷水流量，使蓄冷主機始終滿負荷高效運行，同時將蓄冷水池進水溫度控制在設(shè)定值范圍內(nèi)。為保證蓄冷主機始終處于滿負荷高效運行，在最短時間內(nèi)完成蓄冷，采用系統(tǒng)尋優(yōu)的控制策略對蓄冷泵進行頻率調(diào)節(jié)，將蓄冷泵的調(diào)頻設(shè)定溫度值稍高于蓄冷主機的出水溫度設(shè)定值，當出水溫度達到蓄冷主機設(shè)定值時，蓄冷主機達到卸載臨界狀態(tài)，此時出水溫度值已達到蓄冷泵升頻設(shè)定值，蓄冷泵將升頻運行，蓄冷機的出水溫度也將隨之高于卸載臨界值，而繼續(xù)滿負荷運行，出水溫度又將被拉低，蓄冷泵頻率隨之升高，這樣反復(fù)調(diào)節(jié)后蓄冷泵的頻率將被不斷拉高，直至蓄冷水池進水溫度達到蓄冷泵的設(shè)定值，保持穩(wěn)定，此時蓄冷泵即處于高頻運行狀態(tài)，蓄冷主機也處于滿負荷運行，即保證了主機高效運行，也保證了可以在最短的時間將蓄冷水池蓄滿，從而節(jié)約蓄冷能耗。

（2）不同工況下的放冷

①預(yù)測負荷分配冷量策略。系統(tǒng)根據(jù)輸入的經(jīng)驗數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)預(yù)測出當天的中溫冷凍水系統(tǒng)的冷負荷變化規(guī)律，動態(tài)調(diào)整對中溫系統(tǒng)的放冷量分配，以降低中溫冷水機的負載率，或減少中溫冷水機的運行時間，在電價高峰時段充分利用放冷板換進行放冷，具體策略為：（a）根據(jù)室外安裝的溫度傳感器檢測實時氣象數(shù)據(jù)，并采用ASHRAE（美國采暖、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會）計算方法預(yù)測當天24h逐時氣象；（b）根據(jù)預(yù)測氣象數(shù)據(jù)和歷史負荷數(shù)據(jù)預(yù)測當天24h中低溫系統(tǒng)的逐時負荷；（c）根據(jù)當天蓄冷量、最大逐時放冷量、峰電時段和中低溫系統(tǒng)逐時負荷需求量，確定放冷開始時間和峰電時段放冷方式（聯(lián)合供冷或單獨放冷）；（d）水蓄冷放冷優(yōu)先滿足電價峰段放冷需求，以獲得最大的移峰填谷轉(zhuǎn)移量；（e）在聯(lián)合供冷模式下，在電價平段且能將蓄冷量放完的情況下，放冷量的調(diào)節(jié)應(yīng)使中低溫系統(tǒng)的運行COP最高；（f）放冷模式下，精確調(diào)節(jié)放冷泵及調(diào)節(jié)閥開度，以使得回到蓄冷水池的溫度滿足設(shè)計工況回水溫度，獲得最大的放冷量和放冷收益；（g）根據(jù)蓄冷水池出水溫度和放冷累計流量計算蓄冷水池剩余冷量，當剩余冷量低于5%時，開啟中低溫系統(tǒng)冷機，以保證系統(tǒng)供冷安全。②提前減機策略。當中溫冷水系統(tǒng)冷量需求小于等于放冷板換額定放冷量時，群控系統(tǒng)自動停掉該系統(tǒng)冷水主機，充分利用該系統(tǒng)放冷板換進行放冷?？刂葡到y(tǒng)通過對中溫系統(tǒng)的COP計算和末端負荷預(yù)測，得出系統(tǒng)效率處于高位所需的放冷量，進而得出放冷流量，通過實時動態(tài)調(diào)節(jié)的閥開度和放冷一次泵頻率達到該流量值。

（3）蓄冷水罐內(nèi)的布水設(shè)計即斜溫層厚度的控制

做好水蓄冷系統(tǒng)，最重要的一點是做好溫度分層，斜溫層厚度對于項目的成敗起著關(guān)鍵的作用，而影響斜溫層的關(guān)鍵是布水器，大溫差水蓄冷由于蓄放冷時溫差較大，其斜溫層在實際運行中由于水流的“活塞”運動以及高低溫水之間的傳熱其控制難度更大，采用Fluent軟件對布水器的水流狀態(tài)及運行模擬，通過對蓄冷水罐斜溫層厚度模擬，優(yōu)化布水技術(shù)減少斜溫層的衰減Froude數(shù)Fr≤1，將斜溫層厚度控制在可接受范圍之內(nèi)，提升水蓄冷系統(tǒng)的效率。

結(jié)語

本項目已運行超過2年時間，而經(jīng)過實際的運行數(shù)據(jù)分析，在保證蓄冷各項目數(shù)據(jù)均滿足要求的前提下，每年實際的節(jié)約電費在850萬元以上，進而佐證了本項目的各項模擬數(shù)據(jù)，為其他項目的應(yīng)用提供了充分的依據(jù)，也為其他類似項目對于大溫差水蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計提供相應(yīng)參考。因此，大溫差水蓄冷系統(tǒng)相比一般小溫差水蓄冷系統(tǒng)有如下優(yōu)勢：（1）提升整個冷熱源系統(tǒng)的效率，中溫主機出水溫度由7℃提升至13℃，蓄冷系統(tǒng)效率提升15%以上；（2）蓄冷水罐由于采用大溫差體積極少，其水罐的建造成本節(jié)約34%；（3）減少蓄冷系統(tǒng)水泵冷泵耗電量9%以上。

參考文獻：

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（作者單位：杭州華電華源環(huán)境工程有限公司）