冰蓄冷系統優(yōu)化控制的管理論文

　　提要：分析了冰蓄冷系統的冷機優(yōu)先、蓄冰罐優(yōu)先和優(yōu)化控制三種控制策略，提出了優(yōu)化控制的目標和約束，并以某建筑為例對比分析冰蓄冷系統在優(yōu)化控制策略和冷機優(yōu)先控制策略下的運行費，闡明優(yōu)化控制可以發(fā)揮現有系統潛力，更有效地削減電負荷高峰。

　　關(guān)鍵詞：控制策略?xún)?yōu)化控制冰蓄冷系統

　　1前言

　　冰蓄冷系統可以削減電負荷高峰，緩解電力緊張，減少電力建設投資。因此自80年代初至今美國、日本等地得到廣泛應

　　用。目前我國不少省市已實(shí)施分時(shí)電價(jià)，以鼓勵用單位在電負荷谷進(jìn)用電，北京等一些城市更是明確規定利用電力制冷的單位必須安裝冰蓄冷系統，否則將控制高峰用電量。

　　冰蓄冷系統可以分為全負荷冰蓄冷系統和部分負荷冰蓄冷系統。全負荷冰蓄冷系統是在供冷時(shí)不使用冷凍機，只依靠蓄冰罐融冰來(lái)滿(mǎn)足冷負荷需求。這種系統要求的蓄冰罐和冷凍機容量都比較大，一般用于體育館、影劇院等負荷大、持續時(shí)間短的場(chǎng)所。對于一般商業(yè)建筑，則由于其初投資過(guò)大而很少采用。部分冰蓄冷系統在供冷時(shí)則依靠蓄冰罐融冰和冷凍機共同運行負擔冷負荷，冷凍機和蓄冰罐容量都比較小，初投資和運行費可以達到綜合最優(yōu)，因而被一般商業(yè)建筑廣泛采用。本文只討論部分負荷冰蓄冷系統的控制。

　　2冰蓄冷系統的控制策略

　　部分負荷冰蓄冷系統的控制就是要解決冷負荷在冷機和冰罐之間的分配問(wèn)題。常見(jiàn)的控制策略有冷機優(yōu)先、蓄冰罐優(yōu)先和優(yōu)化控制。

　　2．1冷機優(yōu)先

　　冷機優(yōu)先的策略是盡量讓冷凍機滿(mǎn)負荷負荷運行。如果冷負荷小于冷凍機制冷能力則蓄冰罐不融冰供冷，完全依靠冷凍機負擔冷負荷。如果冷負荷超過(guò)了冷凍機制冷能力，則在冷凍機滿(mǎn)負荷的情況下，依靠冰罐融冰來(lái)負擔不足的部分。冷機優(yōu)先的控制策略工程實(shí)現簡(jiǎn)單，運行可靠，但這種控制策略在冷負荷較小時(shí)，冰罐使用率極低，不能有效地削減電負荷高峰和降低用戶(hù)電費。

　　2．2蓄冰罐優(yōu)先

　　蓄冰罐優(yōu)先的策略是盡可能地利用蓄冰罐融冰來(lái)負擔冷負荷。當冰罐不能完全負擔時(shí)，依靠冷凍機負擔不足的部分。這種策略能最大限度地利用蓄冰罐。但因為要保證冷源能負擔每天的峰值冷負荷，蓄冰罐不能融冰太快，所以需要對負荷進(jìn)行預測以決定各時(shí)刻的最大融冰量。因此，冰罐優(yōu)先的控制策略實(shí)現起來(lái)較為復雜。而且在我國電價(jià)結構下并非最經(jīng)濟的運行方式，對削減電負荷的晚高峰貢獻不大。

　　2．3優(yōu)化控制

　　優(yōu)化控制是提出某目標函數，在一定的約束條件下，使該目標函數達到極值。為了使冰蓄冷系統最大限度地發(fā)揮作用，盡可能地減少電負荷高峰期的用電，使用戶(hù)的電費最少，就需要對冰蓄冷系統進(jìn)行控制策略。Stethmann在文獻[1]中提出了冰蓄冷系統的控制策略，并對美國圣地亞哥一幢9200m2的建筑進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現控制策略與冷機優(yōu)先相比，節省運行費42%。Braun在文獻[2]中比較了冷機優(yōu)先、蓄冰罐優(yōu)先、優(yōu)化控制的經(jīng)濟性，發(fā)現在美國威斯康星電價(jià)結構下，天氣涼爽時(shí)，控制策略比冷機優(yōu)先節約運行費25%；而典型設計日基本不節省運行費。該文提出優(yōu)化目標的約束條件，但沒(méi)有對對蓄冰罐融冰的約束進(jìn)行分析。

　　3優(yōu)化控制方法

　　優(yōu)化控制的目標是在滿(mǎn)足用戶(hù)需求的條件下，使運行費最少，這樣不僅對用戶(hù)有利，而且可以拉平電負荷，對整個(gè)電網(wǎng)有利，促進(jìn)合理用電。

　　該用戶(hù)k時(shí)刻的負荷為qk，其中冷機負擔qik，冷凍機出力qrk的費用為R（qrk），蓄冰罐出力qik的費用為I（qik）。全天的運行費M為

　�。�1）優(yōu)化的目標是使M最小。

　　優(yōu)化的結果是：

　�。�2）其中：qrkmax為冷凍機k時(shí)刻的最大制冷能力；

　　qikmax為蓄冰罐k時(shí)刻的最大融冰供冷能力

　　這里需要注意的是：蓄冰罐最大融冰供冷能力與蓄冰罐中剩余的冰量有關(guān)，也就是與蓄冰罐以前的融冰量有關(guān)。

　　按蓄冰罐、冷凍機性能給出具體的約束條件，按電價(jià)結構、用戶(hù)負荷、系統性能給出具體目標函數后，可以使用最優(yōu)化方法求解該問(wèn)題，得以的結果是各時(shí)刻冷凍機和蓄冰罐分別負擔的冷負荷qrk、qik。

　　4實(shí)例分析

　　為了探討在華北地區電網(wǎng)電價(jià)結構下優(yōu)化控制的經(jīng)濟性，筆者對北京某建筑的冰蓄冷系統在優(yōu)化控制和冷機優(yōu)先的兩種控制策略下的全年運行費進(jìn)行比較分析。

　　華北電網(wǎng)電價(jià)結構為：

　　高峰平峰低谷

　　時(shí)間8：00～11：007：00～8：0023：00～7：00

　　18：00～23：0011；00～18：00

　　電費0.534元/kWh0.318元/kWh0.118元/kWh

　　該建筑采用部分負荷蓄冰系統，有4臺RTHB4502螺桿式冷水機，空調工況制冷能力5564.6kW，蓄冷工況制冷能力3784kW，耗電量為1032kW，71個(gè)Calmac1190A冰罐，系統見(jiàn)圖1，典型設計日的逐時(shí)負荷見(jiàn)表1。

　　圖1

　　表1典型設計日負荷

　　時(shí)刻78910111213141516171819

　　負荷1878.22077.42191.22561.22105.91992.02760.43215.73101.92162.8369.9313256.1

　　因為RTHB4502部分負荷性能優(yōu)越，為簡(jiǎn)化計算，假定空調工況與蓄冰工況的耗電量分別與負荷成正比（這樣得到的結果偏于保守）。即：

　　R（qrk）=qrk×（1032/5564.6）×Ek=qrk×qk(3)

　　其中Ek為k時(shí)刻電價(jià)；

　　ak為冷凍機單位供冷負荷的費用，等于（1032/5564.6）×Ek。

　　因為本建筑只在電負荷低谷期蓄冰，故蓄冰罐供冷的費用簡(jiǎn)化為：

　　I（qik）=qik×bk（4）

　　其中bk為冰罐負擔單位冷負荷的費用，等于（1032/3784）×E低谷，E低谷為低谷電價(jià)。

　　下面給出具體約束條件：

　�。�5）

　　關(guān)鍵是qikmax的確定，文獻[1][2]對此均未作進(jìn)一步分析。筆者利用Calmac在文獻[3]中給出的產(chǎn)品性能曲線(xiàn)，綜合出蓄冰罐最大融冰供冷曲線(xiàn)。Calmac1190A在回水10℃，供水6.7℃下的融冰供冷曲線(xiàn)可以用最小二乘法擬合為：

　　x=563×(1-exp(-0.316t))(6)

　　融冰供冷量

　　y=dx/dt=177.8×exp(-0.316t)(7)

　　即：y=177.8×(1-x/563)（8）

　　其中：x為已融冰供冷量，kWh；

　　t為時(shí)刻h；

　　y為各時(shí)刻的最大融冰供冷量，kW。

　　從式中可能清楚看出，各時(shí)刻的最大融冰供冷量與蓄冰量有關(guān)，（1-x/563）為剩余蓄冰量占部蓄冰量的比例。

　　這樣，便可以給出qikmax的表達式：

　�。�9）得出優(yōu)化問(wèn)題是：

　�。�10）這是一個(gè)線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題，可用單純型法求解，具體解法參見(jiàn)文獻[4]。結果見(jiàn)表2至表5。

　　從表2可以看出：在冷負荷非常小時(shí)，優(yōu)化控制策略充分發(fā)揮了蓄冰罐的潛力，冷凍機在電負荷高峰期完全不運行。從表3中可見(jiàn)，在冷負荷比較小時(shí)，優(yōu)化控制在滿(mǎn)足高峰冷負荷的條件下，在電價(jià)峰值期，盡量利用蓄冰罐融冰來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)冷負荷需求，其中，在優(yōu)化控制策略下，完全用蓄冰罐融冰來(lái)負擔8、9、10、18、19點(diǎn)冷負荷；從表4中可見(jiàn)，當冷負荷接近典型設計日負荷時(shí)，為了保證滿(mǎn)足高峰冷負荷需求，必須控制電價(jià)峰值期的冰罐融冰量，優(yōu)化控制節省的電費不多。

　　由于我國電價(jià)結構中18：00～23：00為晚高峰，優(yōu)化控制中便留取一定量的冰以作晚高峰制冷使用�？梢�(jiàn)在我國華北地區，冰罐優(yōu)先不是最最優(yōu)的控制策略。優(yōu)化控制就其復雜性來(lái)說(shuō)基本等同于冰罐優(yōu)先，便更省運行費。

　　優(yōu)化控制比冷機優(yōu)先全年節約運行費25%，這一節約主要來(lái)源于非設計條件下，即用戶(hù)日負荷小于典型設計日逐時(shí)負荷。此時(shí)，對于冷機優(yōu)先策略，則以冷凍機供冷負荷，蓄冰罐基本不用（見(jiàn)4月份數據）；而優(yōu)化控制則基本由蓄冰罐供冷負荷，節約了大量運行費（4月份省51%）。而在負荷接近設計負荷時(shí)，電費節省不多（7月份省11%）�？紤]到實(shí)際設計中設計負荷往往大大超過(guò)實(shí)際負荷，冷源供冷能力偏大，在實(shí)際冰蓄冷系統中采用優(yōu)化控制可以節約更多的運行費。

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