冰蓄冷空调系统在工业方面的应用分析

冰蓄冷空调系统在工业方面的应用分析

胡杨波

杭州华电华源环境工程有限公司浙江杭州310030

摘要：随着冰蓄冷技术在我国的研究与推广，工业领域使用该技术的比例也在逐年上升。在归纳冰蓄冷空调技术应用的基础上，选取了啤酒厂、水果冷藏厂、奶制品厂3个典型的工业冰蓄空调系统，对其生产特点、系统连接形式、工况等方面进行分析，以期进一步指导冰蓄冷技术在工业空调系统的应用。

关键词：冰蓄冷；工业空调系统；运行策略

引言

冰蓄冷空调系统通常应用在办公楼、大型商场、宾馆、饭店和医院等负荷变化较大的场合。它主要有两个优点：1）降低装机容量，从而减少制冷主机和电力增容费用。2）在实行峰谷电价的城市，因充分使用低谷电，冰蓄冷空调可大大节约运行费用。由于冰蓄冷空调系统比常规空调多出许多额外的设备，系统结构复杂，对自控的要求也更高。如果在运行中其策略或控制方法选择不适，会导致移峰填谷的优势没有完全发挥，造成运行节约的经济未达到预期目标，使得该技术的推广受到一定的限制。本文根据某冰蓄冷空调系统，针对其目前使用的主机优先供冷的运行控制方式加以改进，以神经网络预测建筑冷负荷作为基础，通过优化算法合理分配制冷主机和蓄冰装置逐时供冷量，从而得到经济最优化的运行方式。

1冰蓄冷技术简介

冰蓄冷系统主要是在夜间用电量低谷的时段进行有效蓄冷，在白天供冷用电量高峰时段将冷量释放，从而降低空调系统在用电高峰的耗能，既大大降低城市高低峰谷的用电压力，也节约了空调系统整体运行的成本，同时也还能降低用电高峰时的空调负荷。冰蓄冷技术的运用已经成为全球中央空调发展的导向标，并被广泛应用于舒适性空调领域、大型区域供冷领域、奶制品加工制造领域等。冰蓄冷系统包含动态制冰和静态制冰两种方式，流动的冰晶或者冰浆是通过在制冰过程中形成的称之为动态制冰，如滑落式、冰晶式；静态制冰则是指在制冰过程中冰一直处于静止状态，且是在冷却管外部或者盛冰容器底部形成冰的状态。

2空调系统使用冰蓄冷的技术分析

2.1空调系统连接形式

虽然蓄冷机组和制冰装置的内部布管和设备构造等富于变化，但是连接这两台设备的方式基本可分为2种：（1）串联系统。其中，蓄冰装置和制冷机组串联连接。按蓄冷装置和制冷机组在整个回路中的相对位置分为制冷机组在上游的串联系统和制冷机组在下游的串联系统。（2）并联系统。在该系统中，制冷机组和蓄冰装置并联运行，工作状态互不干涉。

2.2结构与参数的选择

ANN隐含层个数和各隐含层神经元个数的选取目前还没有统一的准则。Kawashima指出隐含层可按照2n+1（n为输入层神经元个数）选取[4]。人工神经网络的BP算法最具影响力，据统计，有近90%的神经网络采用这一方法。本文选用具有13个神经元隐含层的BP神经网络预测冷负荷。为了简化办公建筑的负荷预测，本文将从建筑物冷负荷影响因素主要有内扰和外部环境两个部分进行分析。虽然内扰在夏季负荷中占较大比重，可是在正常工作日，它跟作息时间有关，因此本文使用时间来体现内扰的影响。对外部环境与冷负荷的相关性做出了研究，研究表明，室外干球温度和湿度对冷负荷具有较强的线性相关性，而太阳辐射与冷负荷成非线性相关。考虑到实际测量和影响权重，将室外空气干球温度、湿度作为输入参数。本文最后确定选用BP神经网络输入层6组参数为：星期、时刻、k时刻室外干球温度、k-1时刻室外干球温度、k-2时刻室外干球温度、k时刻室外空气相对湿度。输出层1组参数，为建筑物k时刻的逐时冷负荷。

2.3空调系统运行工况

串联、并联两种连接方式均对应了4种运行工况：（1）双工况蓄冰装置单独蓄冰。该过程主要在晚上，利用低谷电价制冰蓄存，这也是该空调系统降低能耗的关键。其蓄冷容量可根据当地自然条件、工厂实际负荷决定。（2）制冷装置单独供冷。该工况主要在白天蓄冷系统冷量不足时开启，出于降低运行费用的考虑，可在白天非高峰用电时段运行，一般不作为主要的冷量供应形式。（3）双工况蓄冰装置单独供冷。白天时，如果蓄冰量可以满足建筑物总的冷负荷，即全天运行；若供冷量不足，则工作于高峰电价时段，最大程度降低运行费用。此外，其控制形式因系统连接形式不同而发生变化。（4）制冷和蓄冰装置联合供冷。出于经济考虑，联合供冷形式为主要形式，多用于平价电价时段。

2.4融冰供冷

在白天如果需要蓄冰容器通过融化冰来为用户提供制冷量时，制冷机组会停止工作，先是通过乙二醇泵将乙二醇溶液送入蓄冰槽降温后，然后让乙二醇溶液进入制冷板式换器，关闭电动阀V3，如果为了控制进入制冷板式换器的乙二醇温度，可以将电动阀V1，V2设置成调节状态。

2.5冰蓄冷中央空调控制系统

冰蓄冷中央空调的控制系统主要由上位机和下位机共同组成，上位机是采用工业级计算机为核心的中央管理工作站，下位机则一般采用PLC和触摸屏。冰蓄冷系统中还会大量采用调制解调器、网卡网口和通信设备等，以满足其全自动化智能运行的需求。现场的工作站能够通过下位机来完成系统的一系列控制，还可以运用作为中央管理工作站的上位机来进行远程系统控制，拥有下位机的所有功能。下位机的系统控制中PLC是系统核心，保障设备在远程控制中的正常工作。下位机系统TP21触摸屏，为了将开关按钮以及指示器等传统的原件合理的取代，所以采用TP27彩色触摸屏，该触摸屏可以作为整个工作操作面板，这使得操作界面更加简洁智能。TP27触摸屏的智能直观体现在其能够实时显示一系列的指数，如参数设置、故障报修记录、时间日期、负荷承载情况和统计报表等。目前于SIMATICS7-300系列被广泛运用于各个行业的自动化检测、监测和系统控制，它强大的功能主要集中体现在能够互联网络简化复杂的控制功能，使操作更加便捷。因其具有高电磁兼容和光电隔离，所以有很高的工业适用性，而且还能抗干扰、抗振动、抗冲击，能适应恶劣的气候环境。SIMATICS7-300系列还有一个特色功能就是自由通讯口方式，它能够将任何通讯协议公开的其他设备、控制器等互联。这不仅能使控制系统灵活化，而且使得控制器的通讯范围得以大幅度的提升。其灵活度主要体现在打印机、变频器、调制解调器、上位PC机、条形码阅读器等具有串形接口的外设都能连接使用，通讯或者数据的交换的实现只需要依靠编程即可，如ASCII码字符。RS232接口的设备想要进行自由通讯，可以采取PC/PPI电缆连接的方式，在上机位脱机的时候，整个系统在下机位的控制下也能正常的运行。

结语

冰蓄冷系统在工业上得以应用的最主要的优势在于其降低能耗的特性，主要技术特点归结为：（1）由于利用了低谷电价，故运行费用得到了降低。（2）减少了部分设备规模和占地面积，如因其采用部分负荷蓄冷的方式，本该全部由制冷机组承担的制冷量由蓄冰装置承担了其中一部分，故该系统减少了制冷机组的装机容量。（3）送风温度等的降低，其制冷量和制冷机组的COP值均上升，效率提高。（4）现阶段，冰蓄冷在工业上的应用已经越来越广泛，主要的系统连接形式为串联：首先，系统运行相对稳定，不同工况运行情况下受影响较小；其次，适用于低温冷库，主机出口温度较高，供回液温差较大，减少了泵的功率消耗，因此，在应用于温差较大的供冷系统时更具有经济性，此外，还较易实现自动控制。综上，虽然该技术节能与经济优势明显，但尚有进步的空间，主要体现在系统匹配、换热优化、自动控制等方面。

参考文献：

[1]陈兴华，刘光远.冰蓄冷和湿空气保鲜果蔬冷库新技术[J].制冷技术，2000（4）：21-23.

[2]王世清，张岩，朱英莲，等.自然冷源利用的状况与前景展望[J].农机化研究，2010，32（6）：237-240.