電制冷在直燃機系統改造中的運行分析與優化

趙化濤 石燦 湯哲翔

北京長峰新聯工程管理有限責任公司

0 引言

制冷系統的優化控制，對于降低整個中央空調綜合能耗具有決定性作用[1]。制冷系統的運行狀態不僅影響供冷效果，還會影響到國家綠色低碳發展和企業的效益。特別是在“雙碳”目標和“十四五”規劃指導下，企業既要實現合理節能降耗，又要推動能源結構轉型。在建筑能耗中，空調系統能耗約占50%，其中，冷水機組能耗約占2/3[2]?？梢?，冷水機組有著很大的節能潛力和發展空間，迫切需要提高冷水機組運行效率。實現冷水機組節能高效穩定運行的技術手段不僅體現在能源結構轉型，還體現在制冷系統智能化改造及策略優化控制方面，因此本文以實際案例對系統運行和節能優化策略進行了分析。

1 站房基本情況

此制冷站房建于2010 年，主要負責工業園區約15 萬平米辦公樓宇的冷供應。原系統有3 臺單機制冷量7000 kW 的直燃型溴化鋰機組（直燃機），冷水泵、冷卻泵、冷卻塔等輔助設備與直燃機一一對應配備。三臺機組已運行多年，近兩年故障頻出，制冷能力衰減嚴重,供應質量下降。此外，站房缺少參數實時監測和調節的手段，未設集中控制系統，仍采用手動調節、運行參數就地讀取的模式，使節能降耗工作無法有效地開展。

為提高供應質量，降低消耗，公司考慮能源結構調整，嘗試在站房安裝一臺以電能作為動力源的4748 kW 離心式電制冷機組（電制冷），其輔助設備仍使用站房現有設備。同時，對系統升級改造，包括直燃機控制系統改造、水泵變頻改造等，并在此基礎上開發一套智能化集中監控平臺，實現機組、水泵等設備的自動調節與控制，提升站房智能化水平，保證運行質量，提高經濟效益。

2 系統運行分析

站房冷源系統升級改造和智能化平臺的搭建改變了傳統的手動模式，機組效率和智能化水平均有很大提升。然而，智能化平臺要想最大限度的發揮自身價值，需要具備與站房本身運行情況相結合的運行策略。此外，在同一天中，電制冷的經濟性還與不同時間段電價有關，直燃機運行也有一定年限，出力效果已經不能達到設計情況，這勢必會影響優先選擇電制冷還是直燃機制冷。因此，發揮老機組的余熱，探索滿足生產需要又實現節能降耗的聯合運行策略尤為重要，只有明確哪種策略比較節能，才能指導實際運行。

2.1 日運行對比分析

2.1.1 制冷效果分析

對制冷季某一運行時段全天分別單獨運行電制冷和直燃機的運行數據進行比較，如圖1 所示。圖1(a)為一天內不同時刻下室內外溫度的變化，可看出當室內溫度均達標的情況下，電制冷即使在較高的室外溫度下所能獲得的室內溫度也比直燃機低，制冷效果更好。圖1(b)為不同機組每天冷量的最大值，保證機組穩定的前提下，直燃機額定制冷量雖約為電制冷的1.5倍，但由于直燃機老舊以及電制冷高效性等因素，電制冷單獨運行所產生的制冷量始終高于直燃機單獨使用時，直燃機最大制冷量已降低至額定冷量的54.3%。

圖1 全天分別單獨運行電制冷和直燃機的運行數據對比

2.1.2 經濟性分析

在保證制冷效果時，也要考慮節能增效。為直觀比較兩種機組的經濟性，在能效比[3]和成本效益分析[4]的基礎上引入了一個“成本效能EERc”的概念。它可定義為：單位能源消耗成本所生成的制冷量，公式如下：EERc=制冷量÷耗能成本。它可通過比較系統運行的耗能成本和所得制冷量來評估系統的經濟效益。EERc越大，經濟效益越好，機組優勢較大。在同一天中，機組經濟性還與不同時間段谷峰電價有關，因此結合谷峰分時對單獨運行電制冷和直燃機的經濟性進行了比較，圖2 為電制冷和直燃機兩種方案各5 天谷峰不同時段下的總成本效能EERc。其中，電價按照北京市商業用電峰谷分時電價標準計算，燃氣單價按照北京市燃氣公司統一售價標準計算。

圖2 電制冷和直燃機不同時段的總成本效能

從全天來看，兩種方案的全天EERc分別為4.25和2.52，電制冷遠大于直燃機，高達1.69 倍，說明電制冷單位能源成本產生的制冷量遠高于直燃機。從谷峰分時段來看，電制冷和直燃機低谷、平段、高峰和尖峰的EERc均依次逐漸降低，電價越低，EERc越高。低谷時電價最低，EERc最高，尖峰時電價最高，EERc最低；直燃機低谷EERc為尖峰的1.27 倍，電制冷EERc甚至高達6 倍，低谷經濟效益遠優于尖峰。供冷時，應盡量考慮在EERc較小時間段運行，即電價較低時，運行費用最優。

2.2 機組每天啟動初期運行對比分析

隨機抽選電制冷和直燃機單獨運行各5 天的數據，對比分析了6:00～8:00 運行時間段兩種方案下機組冷凍水供水溫降速率，如圖3 所示。分析發現，機組每天啟動初期，采用兩種方案雖然都有降溫作用，但直燃機供水溫度平均下降4.62 ℃，降速較慢，而電制冷平均溫降5.97 ℃，較快達到室溫要求，效果顯著優于直燃機。也就是說，6:00～8:00 初運行時間段電制冷供水溫降較為迅速，其溫降速率明顯高于直燃機。早晨機組啟動時，建議優先啟動電制冷達到快速降溫的目的。

圖3 6:00～8:00 兩種方案下機組每天啟動初期冷凍水供水溫降的對比

2.3 工作日與休息日運行分析

如圖4 為不同時刻下工作日和休息日制冷量和用電量變化曲線?？煽闯?，無論設定值如何，工作日制冷量和電量均比休息日大，很明顯這是因為工作日冷需求比休息日大。且設定值越低，耗電量也越多。因此，可分為工作日和休息日兩種模式。根據工作日與休息日冷需求的不同，分別設定不同模式下的出水溫度值，根據不同設定值自動改變機組的供回水溫度，以滿足舒適度需要。對于工作日模式，冷需求較大，所以出水溫度設定為7 ℃左右，對于休息日模式，冷需求較低，為了降低能耗，可以提高出水溫度設定值，溫度設定為9 ℃左右。

圖4 不同時刻工作日制冷量和電量變化

3 策略優化

多臺機組聯合運行時，為配合室外氣候變化和建筑冷負荷需求，確保機組高效運行，合理的控制策略尤為重要[5]。從以上運行情況分析來看，可從機組啟停策略、節能補償策略等方面優化控制策略，從而保證系統的最佳運行效率。

3.1 機組的啟停策略

此系統設有機組自動啟停模塊，包括3 種機組啟停策略：高效機組的優先啟動控制、室外溫度-回水溫度控制和系統總負荷控制。其中，為了保證系統的運行穩定，防止負荷值突變引起機組不必要的啟停，避免機組頻繁啟動，機組開關機間隔時間30 min。

1）電制機組優先啟動控制方案。

由于無論峰谷電價，電制機組EERc均遠大于直燃機，經濟效益遠優于直燃機。建議優先啟動電制冷，可以獲得顯著的節能效果。如果電制機組輸出不能滿足要求，可以加機的方式。此外，6:00～8:00 初運行時間段電制冷供水溫度降速明顯高于直燃機，早晨機組啟動時，同樣建議優先啟動電制冷能夠達到快速降溫的目的。

2）室外溫度-回水溫度控制方案。

電制冷優先啟動的前提下，根據室外溫濕度-回水溫度來控制3 臺直燃機的啟停順序。在制冷工況下，充分考慮到室外溫度與所需冷量的關系，當室外溫度大于設定值，此時由于制冷負荷的不足，造成冷水機組出水溫度超過設定值，使回水溫度進一步升高也大于設定值，且持續一定時間時，主機的壓縮機基本全部開啟，但仍不能滿足建筑物的冷負荷需求，所以開啟第二臺直燃機，增大制冷量來滿足要求。當回水溫度低于設定值，且持續一定時間后，表明機組已提供了足夠的冷量來滿足需求，關閉機組，減小制冷量，避免不必要的浪費。

3）由系統總負荷控制。

如果機組開啟數量過多，造成系統總制冷量大于實際需求冷量，會導致多臺設備同時在低負載情況下運行，造成能源浪費。因此，需根據總負荷調整有幾組運行數量以提高系統效率。在滿足冷需求的情況下，根據用戶的實際冷量需求確定機組啟動數量，減少能源消耗，達到節能降耗的目的。當負荷大于等于設定值，開啟機組；負荷低于設定值時，此機組關閉。

3.2 節能補償策略

供應時段和氣候條件的變化影響著建筑物用冷量[6]，要想既滿足供冷需要，又實現節能降耗，供回水溫度必須做出相應調整，使供冷量與需冷量相匹配。為此設計了節能補償策略，如圖5 所示，包括工作日模式和休息日模式兩種，它是根據工業區工作日與休息日辦公人員冷需求的不同進行分日供冷。這兩種模式又分別包括定時節能補償（時段-機組出水溫度）和室外溫度補償技術（時段-室外溫度-機組出水溫度）兩種模式。前者根據不同時段設定相應供水溫度，實現供冷自動調節，可根據公休日和每天上下班時間冷需求的不同，設置不同時間段內的供冷要求。而后者根據每天不同時段下冷需求不同的基礎上，以室外溫度為參考，隨時修正和補償供冷溫度，使系統供冷量與室外溫度相匹配，實現供冷自動調節。工作時段室外溫度越高，用戶所需冷量就越多，供水溫度設定值就越低，這樣才能滿足需要，非工作時段室外溫度高，但用戶所需冷量不多，供水溫度設定值可以適當道升高，這樣可以減少不必要的能源浪費。

圖5 節能補償策略

經策略優化，系統能夠全面監測系統運行參數和監控設備的運行狀態，綜合系統冷量需求，優化系統運行參數，自動控制機組啟停、水泵變頻等，調節系統冷凍水、冷卻水流量，保證系統在各種工況下處于最佳工作狀態，從而提高了整個系統的運行穩定性以及安全性。

4 節能效果分析

改造前后站房內制冷系統能源消耗主要類型均為電、水和燃氣。改造前能源消耗設備主要是直燃機及其配套冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等輔助設備，改造后又增加了電制冷。由于冷凍水泵和冷卻水泵的變頻改造、電制冷機的高效運行以及智能化平臺的搭建和策略優化等一系列改造，使機組、水泵、冷卻塔等設備實現了自動調節與控制，在節能降耗方面取得不錯效果。圖6 為某一運行時段內系統改造前后的同期總能耗對比。改造后直燃機單獨運行、電制冷單獨運行以及兩種機組組合運行的天數分別占總運行天數的43.4%，25%和31.6%。

圖6 某一運行時段內系統改造前后的同期總能耗

可明顯看出，系統各項能源耗量均較改造前同期有所降低。耗電量節約149×103kW·h，降低了約10%。燃氣量節約466×103 m3，降低了約55.3%。用水量減少6485 t，降低了約22.7%。其中，站房總耗氣量降幅最大，造成下降的主要原因是電制冷的投運和監控平臺的搭建等減少了直燃機的總運行時長。對于耗電量，改造后電制冷的投運增加了電力消耗，但耗電量卻出現小幅度下降。為進一步說明耗電量下降的原因，對改造前后系統實際耗電量和1 小時理論耗電量分別進行了對比分析，如表1 所示?？梢钥闯?，改造前后各設備的投運臺數和水泵的變頻改造等措施，使得理論耗電量也出現減少的情況。

表1 改造前后系統理論耗電量

由此可見，由于動力系統的改造和智能化平臺的搭建等一系列措施，避免了不必要的浪費，降低了系統能耗，在節能降耗方面取得了不錯的經濟效益。

5 總結

對電制冷在直燃機制冷系統運行過程中運行情況進行了分析，并結合站房實際和運行分析探討了站房自控系統的節能優化控制策略，解決了制冷效果差、能源消耗大的問題，既保證了供應參數的穩定達標和機組的安全運行，又實現了節能、降耗、增效的目的，這對直燃機和電制冷兩種不同類型機組合并運行及冷源系統智能化改造具有一定的借鑒意義，特別是在“碳達峰”、“碳中和”目標下，逐步調減以天然氣為能源的直燃機數量，用電制冷予以替代，實現能源結構調整優化和綠色低碳發展，也有一定的參考價值。