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变频离心式制冷机组经济运行控制研究

第36卷 第10期2008年10

变频离心式制冷机组经济运行控制研究

月V o.l36 N o.10 O ct. 2008

变频离心式制冷机组经济运行控制研究

华 斌1,王卫斌1,郁庆庆2

(1.上海市电力公司市南供电公司,上海 200233;2.上海南区节电科技开发有限公司,上海 200233)

摘 要:研究变频离心式制冷机组的经济运行控制方式。介绍了经济运行控制理论原理。通过将经济运行控制理论与相变材料蓄冷空调的有效结合,实现了主机始终运行于特定的节能负荷区间,在最大C O P工况下高效运行。根据编制的模拟控制软件,分析了以经济运行控制的相变材料蓄冷空调与以变频离心机为主机的常规空调系统的经济性,认为前者较后者每年节约41.3%的运行费用。指出经济运行控制软件的实现,突破了冰蓄冷系统省钱不节能的局限,达到了移峰、节能的双重目的。

关键词:经济运行控制;变频离心式机组;蓄冷空调;相变材料

作者简介:华 斌(1968-),男,总工程师,高级工程师,从事供用电管理工作。

中图分类号:TK02 文献标识码:A 文章编号:1001-9529(2008)10-0105-03

Econom ic operation control for var i a ble frequency centrif uga l refrigeration units

H UA B in1,WAN G W ei-bin1,YU Q i ng-q ing2

(1.Shinan P o w er Supply Company,S M EPC,Shangha i200233,Ch i na;

2.Shangha iN anqu Energy-sav i ng S&T D evelop m ent Co.,L td.,Shanghai200233,China)

Abstrac t:The econom ic operati on contro lm e t hods for the var i able frequency centr if ugal refr i geration un i t are st udied, and w ith the he l p of the coo l accu m ulati on a ir cond iti one r usi ng phase chang e m ater ia,l the m ain eng i ne can opera te w it h i n t he energy-sav ing l oad range.B ased on the si m ulation contro l so ft w are,the econo m y of the phase change m ate-ria-l used coo l accu m ulati on a ir cond iti one r under econo m ic operati on contro l and that of t he conventi ona l conditi on i ng syste m usi ng the var i able frequency centr if ugalm ach i ne as itsm a i n eng i ne are co m pared.R esults show that the f o r m er can save41.3%co st o f the l a tter one i n one y ea r.

K ey word s:econom i c opera ti ona l con tro;l v ariab l e frequency centrifug al un it;coo l accumu l ation air cond itioner; phase change m a teria l

中央空调系统中制冷主机的耗电占整个空调系统耗电的绝大部分,通常约占60%[1],正因如此,冷冻机的节能一直是空调制冷行业研究人员致力于突破的重点所在。

因离心式制冷机的制冷效率高于活塞式和螺杆式,所以在大型空调系统中多数采用离心式制冷主机。制冷机的运行特性是在满负荷工况时效率较高,一般主机以设计日最大负荷选型,故在实际运行中,机组99%时间不在满负荷状态下运行[2],造成机组全年运行效率低下。

随着变频技术的应用,离心式制冷机通过变频器,可以根据负荷变化调整转速,从而将输入功率随空调负荷的降低即转速的降低而成倍降低,制冷效率大为提高。据测算,变频离心机比定频离心机每年约可降低20%~30%的能耗。尽管如此,变频离心机的节能区间也存在一定的局限。

本文将提出经济运行控制理论以及新型的相变材料蓄冷空调,通过两者的有效结合,突破其节能局限,使变频离心机及整个空调系统更为高效节能。

1 经济运行控制理论的由来及原理

图1为定频和变频离心式机组的运行特性曲线,图1(a)为变频离心式机组运行特性曲线;图1(b)为定频离心式机组在不同的冷凝温度、不同负荷情况下的COP特性曲线。

从图1可以看出,在一定冷凝温度下,COP随着负荷的上升逐渐增大。由此可见,在通常情况下,为了使机组的COP能够达到最高,用户总是希望制冷主机能够尽可能地满负荷运转。

但是实际使用中,受到天气的影响,往往在全

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变频离心式制冷机组经济运行控制研究

年大部分时间里制冷主机并不能满负荷运转,多数运转于部分负荷之间,因此其制冷效率相对它所能够达到的最高效率是比较低的。

为此,提出了将变频技术应用于离心式制冷机,使机组在部分负荷时也能高效运行,如图1(a)所示,采用变频器后离心式机组部分负荷时的COP 显著提高,尤其负荷在40%~60%左右COP

达到最高值。

变频离心式制冷机组经济运行控制研究

图1 离心式机组运行特性曲线(冷冻水出水7 ,400RT)

由此可以得出,采用变频器后,离心机COP 虽显著提高,但提高的COP 值有一定的局限范围,多数在40%~60%左右的负荷区间才能达到最高C OP ,但全年有大量时间并非运行于该区间

内,最佳节能效果受到限制。

为了突破这一瓶颈,我们把重点转向了在40%~60%负荷时能达到最高COP 的变频离心式机组,但是,如何能使变频离心机始终处于最佳COP 运行而且还要时时刻刻满足用户负荷需求,最终使用户最节省费用支出?

基于上述问题,提出了 经济运行控制 ,并将此控制与相变材料蓄冷空调结合起来。所谓经济运行控制就是使变频离心式制冷主机运行于特定的节能负荷区间,保证主机高效运行,再利用备用的冷源作为补充来满足总体负荷需求。

通常的运行模式是根据负荷变化来调整制冷主机的输出冷量和蓄冷介质相变材料的释冷量或蓄冷量的匹配,即2种冷量的总输出与外界负荷始终保持平衡。

运用经济运行控制的前提就是要有备用冷源,使主机既能在部分负荷状态下高效运行,又能保证总体负荷要求。即当空调冷负荷大于主机在最高C OP 下运行输出的冷量时,蓄冷介质开始释冷;当空调冷负荷小于主机在最高COP 下运行输出的冷量时,蓄冷介质开始蓄冷。相变材料蓄冷

技术的出现为成功实现这一控制策略提供了有力的保证,两者相辅相成,缺一不可。

2 相变材料蓄冷空调

蓄冷空调具有移峰填谷、平衡电网负荷等作用,利用峰谷分时电价又能为用户节省电费支出,但实际上,传统的冰、水蓄冷空调省钱但不节能。除此之外,冰、水蓄冷空调的特性也决定了它们存在无法改进的缺陷。比如,水蓄冷系统虽然简单,不需双工况制冷主机和板式换热器,但蓄冷槽体积较大;而冰蓄冷系统则相反,虽然蓄冷槽体积相对较小,但系统复杂,需双工况制冷主机和板式换热器,且制冰工况时机组效率降低。

为此采用了相变材料蓄冷空调作为经济运行控制的研究对象,此类空调兼并了水蓄冷系统的简单、不需双工况机组、不需板式换热器以及冰蓄冷空调蓄冷槽体积相对较小的优点,更为重要的

是,结合本文提出的经济运行控制理论,能使主机保持高效运行,从而实现相对传统蓄冷空调省钱又节能的目的,真正达到国家、电业、用户的同赢共利。

相变材料蓄冷是利用固 液相变特性蓄冷的一种蓄冷方式。目前应用较广泛的相变温度约5~9 ,相变潜热100~250kJ/kg 左右,此相变温度可以使用普通的空调制冷机组,克服了冰蓄冷要求很低的蒸发温度的弱点。这些蓄冷介质大多装在板状、球状或其他形状的密封件中,再放置在蓄冷槽中。

相变材料蓄冷能力比冰蓄冷能力小,但比水蓄冷能力大,相变蓄冷槽的体积约为冰蓄冷槽的1.3~3.3倍,但只是水蓄冷槽的1/3~1/10左右,而且相变温度广,现已开发出-114~+164 的相变材料,是较有前途的一种蓄冷方式。

本研究采用的是癸酸、月桂酸和十四烷混合而制的一种蓄冷材料。相变温度为7.8 ,相变潜热为163kJ/kg ,可满足空调蓄冷要求。该材料的优点是:

(1)相变温度比冰高,可提高制冷系统和蓄冷系统的效率;

(2)相变潜热比水蓄冷和其他一些共晶盐蓄冷高,可减小蓄冷装置的体积和成本,提高蓄冷系统的经济性;

(3)无过冷和相分离,相变体积变化小,性能

华 斌,等 变频离心式制冷机组经济运行控制研究107(总1263)

稳定,重复性好,可长期使用。

3 经济运行控制模拟软件

变频离心式制冷机组经济运行控制研究

为论证上述理论,编制了经济运行控制模拟软件,该软件目的在于:

(1)控制中央空调主机在不同工况下始终保持在高效的运行状态;

(2)可进行运行工况的转换,控制机组台数运行和启停以及相变材料的蓄能和放能;

(3)引入 经济性能系数 (Coefficient of E -cono m ic Perfo r m ance ,简称C OEP),结合电价政策使得相变蓄冷集中空调系统在最为经济的条件下运行,最大程度地节约运行费用;

COEP=输出冷量/支出电费

(4)实现数据显示、报警等功能。

相变材料蓄冷空调结合该控制软件后,不仅能够节约可观的运行费用,而且还可以节约实实在在的电量,具有避峰、节能的双重优点。

软件逻辑方框图如图2所示。

软件逻辑中包括设备开启流程、最佳C OP 判定流程、单蓄冷工况工作流程、单融冰工况工作流程、联合供冷工况工作流程、直接供冷工况工作流程、蓄冷兼供冷工况工作流程以及程序关闭流程。

现选用700冷t 的YORK 变频离心式机组作为分析对象,比较两种空调系统的经济性,以经济运行控制的相变材料蓄冷空调和只采用变频离心式主机的不蓄冷空调。工程设计日负荷7900RTh ,移峰率按45%计算。

经模拟软件分析得出,以经济运行控制的相变材料蓄冷空调每年可比只以变频离心机为主机的常规不蓄冷空调系统节约41.3%的运行费用。

4 结语

经济运行控制打破了常规中央空调 机组输出冷量=空调负荷 的常规控制策略,而以

机组图2 程序逻辑方框图

输出冷量+蓄冷空调蓄冷/释冷=空调负荷 的控

制策略运行,同时确保变频离心式主机始终在最高COP 运行,当机组输出冷量大于空调负荷时,多余的冷量储存于相变材料中,反之,不够的冷量从相变材料中释放。

经济运行控制同时权衡电价因素,根据 避用峰电、少用平电、用足谷电 的用电原则自动转化运行策略,将经济性能系数COEP 作为最终控制目标,从而实现效益最大化。COEP 同时考虑了能耗和电费两个因素,充分显示了该系统的节能和经济效益。

通过模拟软件分析得出,以经济运行控制的相变材料蓄冷空调每年可比以变频离心机为主机的常规不蓄冷空调节约40%左右的运行费用。

参考文献:

[1]

孙 靖,程大章.基于逐时空调负荷预测的冰蓄冷优化控制策略[J ].智能建筑与城市信息,2005,5(10):24-29.

收稿日期:2008-10-07本文编辑:郑文彬

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