冰蓄冷系統優化控制管理論文

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提要分析了冰蓄冷系統的冷機優先、蓄冰罐優先和優化控制三種控制策略，提出了優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化控制策略和冷機優先控制策略下的運行費，闡明優化控制可以發揮現有系統潛力，更有效地削減電負荷高峰。

關鍵詞控制策略優化控制冰蓄冷系統

AbstractInvestigatesthethreecontrolstrategies-chiller-priority,storage-priorityandoptimalcontroloficestoragesystems.Givesandalgrithomtoreducetheelectricchargewithcost-effectiveallocationofcoolingbetweenthechillerandstorageandanexampletocomparethechargeswithchillerpriorityandthatwithoptimalcontrol,whichshowsthelatterstrategycanbetterrealizethepotentialofthestoragesystemandtheratestructure.

keywordscontrolstrategyoptimalcontrolicestoragesystem

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施分時電價，以鼓勵用單位在電負荷谷進用電，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不使用冷凍機，只依靠蓄冰罐融冰來滿足冷負荷需求。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、持續時間短的場所。對于一般商業建筑，則由于其初投資過大而很少采用。部分冰蓄冷系統在供冷時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，因而被一般商業建筑廣泛采用。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題。常見的控制策略有冷機優先、蓄冰罐優先和優化控制。

2．1冷機優先

冷機優先的策略是盡量讓冷凍機滿負荷負荷運行。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。如果冷負荷超過了冷凍機制冷能力，則在冷凍機滿負荷的情況下，依靠冰罐融冰來負擔不足的部分。冷機優先的控制策略工程實現簡單，運行可靠，但這種控制策略在冷負荷較小時，冰罐使用率極低，不能有效地削減電負荷高峰和降低用戶電費。

2．2蓄冰罐優先

蓄冰罐優先的策略是盡可能地利用蓄冰罐融冰來負擔冷負荷。當冰罐不能完全負擔時，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，所以需要對負荷進行預測以決定各時刻的最大融冰量。因此，冰罐優先的控制策略實現起來較為復雜。而且在我國電價結構下并非最經濟的運行方式，對削減電負荷的晚高峰貢獻不大。

2．3優化控制

優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揮作用，盡可能地減少電負荷高峰期的用電，使用戶的電費最少，就需要對冰蓄冷系統進行控制策略。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的建筑進行了模擬分析，發現控制策略與冷機優先相比，節省運行費42%。Braun在文獻[2]中比較了冷機優先、蓄冰罐優先、優化控制的經濟性，發現在美國威斯康星電價結構下，天氣涼爽時，控制策略比冷機優先節約運行費25%；而典型設計日基本不節省運行費。該文提出優化目標的約束條件，但沒有對對蓄冰罐融冰的約束進行分析。

3優化控制方法

優化控制的目標是在滿足用戶需求的條件下，使運行費最少，這樣不僅對用戶有利，而且可以拉平電負荷，對整個電網有利，促進合理用電。

該用戶k時刻的負荷為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）

優化的目標是使M最小。

優化的結果是：

（2）

其中：qrkmax為冷凍機k時刻的最大制冷能力；

qikmax為蓄冰罐k時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，也就是與蓄冰罐以前的融冰量有關。

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

4實例分析

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

華北電網電價結構為：

高峰平峰低谷

時間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Calmac1190A冰罐，系統見圖1，典型設計日的逐時負荷見表1。

圖1

表1典型設計日負荷

時刻78910111213141516171819

負荷1878.22077.42191.22561.22105.91992.02760.43215.73101.92162.8369.9313256.1

因為RTHB4502部分負荷性能優越，為簡化計算，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時刻電價；

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。

下面給出具體約束條件：

（5）

關鍵是qikmax的確定，文獻[1][2]對此均未作進一步分析。筆者利用Calmac在文獻[3]中給出的產品性能曲線，綜合出蓄冰罐最大融冰供冷曲線。Calmac1190A在回水10℃，供水6.7℃下的融冰供冷曲線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為時刻h；

y為各時刻的最大融冰供冷量，kW。

從式中可能清楚看出，各時刻的最大融冰供冷量與蓄冰量有關，（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）

得出優化問題是：

（10）

這是一個線性優化問題，可用單純型法求解，具體解法參見文獻[4]。結果見表2至表5。

表24月份平均氣象條件下的比較/kW

時刻負荷冷機優先優化控制

融冰量冷機出力融冰量冷機出力

724050240524050

825280252825280

926520265226520

1027760277627760

1128990289928990

1230230302330230

1331470314731470

1432700327032700

1533940339433940

1631710317131710

17294902949392190

1827260272627260

1925040250425040

表36月份平均氣象條件下的比較/kW

時刻負荷冷機優先優化控制

融冰量冷機出力融冰量冷機出力

727750277527750

834460344634460

9416.60416.6416.60

104787.304787.34787.30

1154580545805458

126129564.45564.6564.45564.6

136800.112355564.612355564.6

147470.81906.25564.61906.25564.6

158181.625775564.625775564.6

166744.21179.65564.61179.65564.6

175726.7162.15564.6162.15564.6

1845190451945190

193311.603311.63311.60

表47月份平均氣象條件下的比較/kW

時刻負荷冷機優先優化控制

融冰量冷機出力融冰量冷機出力

725970259702597

84000.605564.64000.60

95044.605564.64725.1319.3

106088.3523.75564.6523.75564.6

117132.11567.55564.61567.55564.6

1281762611.45564.62611.45564.6

139219.53654.95564.63654.95564.6

1410263.34698.75564.64698.75564.6

1511307.25742.65564.65742.65564.6

169428.43863.85564.63863.85564.6

177549.619855564.619855564.6

185670.8106.25564.62079.63591.2

193792037921422.62369.4

表5優化控制的經濟性

月份優化運行費/元冷機優先運行費/元節約運行費/元節約百分比/%

452335.27107350.755015.3851.25

570060.74124886.354825.643.9

6143662.9199926.156263.2328.14

7242877.1273942.931065.8411.34

8242877.1273942.931065.8411.34

9147115.520153654420.4827

1095307.33150908.755601.436.84

1152335.27107350.755015.3851.25

總計10465711439844393273.227.31

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

由于我國電價結構中18：00～23：00為晚高峰，優化控制中便留取一定量的冰以作晚高峰制冷使用。可見在我國華北地

區，冰罐優先不是最最優的控制策略。優化控制就其復雜性來說基本等同于冰罐優先，便更省運行費。

優化控制比冷機優先全年節約運行費25%，這一節約主要來源于非設計條件下，即用戶日負荷小于典型設計日逐時負荷。此時，對于冷機優先策略，則以冷凍機供冷負荷，蓄冰罐基本不用（見4月份數據）；而優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，電費節省不多（7月份省11%）。考慮到實際設計中設計負荷往往大大超過實際負荷，冷源供冷能力偏大，在實際冰蓄冷系統中采用優化控制可以節約更多的運行費。

6參考文獻

1DHStethmann.Optimalcontrolforcoolstorage.ASHRAETrans.1989.95(1):1189-1193.

2JEBraun.Acomparisonofchiller-priority,storage-priorityandoptimalcontrolofanice-storagesystem.ASHRAETrans.1992.98(2):893-962.

3Calmac.Icetankperformacemanual

4蔡宣三，最優化與最優控制。北京：清華大學出版社，1982。