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【摘 要】 随着经济的发展，多年来我国电网容量在不断快速增加，同时电网的峰谷差也不断的加大，使电网负荷率明显下降，对电网的能耗、经济性和可靠性都产生了严重的影响。冰蓄冷空调系统的运行在我国正处于由示范工程向扩大规模运用的转变阶段。本文就负荷影响下空调冰蓄冷系统进行分析，并针对其存在的缺陷进行优化。
【关键词】 空调冰蓄冷系统;负荷影响;优化设计
引言：
我国电力部门普遍采取了分时电价政策，鼓励电力负荷从白天转移至夜晚。冰蓄冷空调正是实现电力负荷削峰填谷的一个有效措施。为了鼓励空调系统采用蓄冷措施，电力部门还对采用蓄冷的空调系统在收取电力增容费方面给予优惠。显然，蓄冷空调系统将是空调系统发展的必然趋势。目前，我国已有了不少成功的蓄冷空调系统样板工程，收到了良好的经济效益和社会效益。但是，有些蓄冷系统由于设计、运行管理不当等原因，系统投入运行后没有得到预想的效果。
一、冰蓄冷技术在国内的发展与应用
实践证明，发展蓄冷空调能起到移峰填谷，调节负荷节约电力的作用，并能显著改善电网运行质量，对发电、输电和用电均有益处。我国大陆从九十年代初开始发展应用空调蓄冷技术，目前国内研制和生产蓄冷设备的厂家己有16家。有关高校和研究所积极投入力量研究开发蓄冷设备和系统。北京西冷工程公司开发研制的有压齿球蓄冷器己获国家专利;浙江国祥制冷工程公司推出了完全冻结式蓄冷系统;杭州华源人工环境公司引进台湾冰宝公司的专利产品-双金属芯心冰球，采用国产或进口主机，自行研制的监控系统，首次应用于浙江诸赞百货大楼，开创了使用国产大型冰蓄冷设备用于中央空调系统的先例。
二、负荷影响下蓄冷空调系统的缺陷
对于冰蓄冷系统，其运行效率将降低。调系统低，故运行效率要降低。增加了蓄冷设备的费用及占用的空间。蓄冷空调系统比常规空调系统增加了蓄冷设备，增加了这部分的投资外，还占用一定的空间放置蓄冷设备。增加水管和风管的保温费用。由于蓄冷空调的冷水温度、送风温度均要低于常规空调系统，故水管和风管的保温要求就要提高。特别是冰蓄冷空调系统，冷水温度在O℃～5℃，为了减少冷量损失，蓄冰槽和管路的保温要求就更高。
三、冰蓄冷蓄冷空调运行策略
所谓运行策略是指以冰蓄冷系统设计循环周期（如设计日、周或整个空调季）的负荷及其特点为基础，按照电价结构等条件对系统以蓄冰容量、释冰供冷或以释冷联合制冷机组共同供冷作出最优的运行安排考虑。一般可以归纳为全负荷蓄冰与部分蓄冰两类。
（一）全负荷蓄冰策略
其制冷机组运行时间与空调运行时间完全错开。在夜间非用电高峰期，启动制冷机组进行蓄冷，当所蓄冷量达到空调所需的全部冷量时，制冷机组停机;在白天空调运行时，蓄冷系统将冷量转移到空调系统，空调运行期间制冷机不运行。该运行策略需要设置较大的制冷机和蓄冰装置。见图1（全负荷蓄冰）
图1 全负荷蓄冰
（二）、部分蓄冰策略
部分负荷蓄冰就是全天所需的一部分冷量由蓄冷装置供给，在夜间用电低谷期利用制冷机蓄存一定冷量，补充电力高峰时间所需的部分冷量。部分蓄冰分为负荷均衡的部分蓄冰形式和限制需求的部分蓄冰形式。
四、冰蓄冷系统的运行优化建模
目前冰蓄冷空调为了更好地体现其经济性的优点，大部分工程采用部分蓄冰的装机策略，以减少装机容量和初投资。在设计日负荷下，白天应该开足机组供冷。但是在整个空调季在非设计日负荷下运行占绝大多数情况下。那么在一天中选择什么时候开机或开几台机，都是值得考虑的。然而，现在研究的热点集中在冰蓄冷空调系统匹配、蓄冰装置的动态特性研究、系统的经济性分析和评价等方面。即便是研究系统的运行控制也只是仅仅停留在静态蓄冰系统上以天作为运行周期的运行模式上建模的，这些模型对于动态冰蓄冷系统的运行特别是冰片滑落式系统的运行并不是最佳的运行模式。
（一）、冰蓄冷系统冷负荷延续特性模型
当前飞速发展的计算机技术己经大量应用到暖通空调领域，出现了多款可以详细进行空调冷负荷计算的电脑软件，例如DesT、TRNSYS，但是这一类冷负荷计算软件大都从设计的角度出发的，要求提供所计算建筑物的详细建筑结构参数。
（二）、冰蓄冷空调系统逐时负荷的推导
空调系统冷负荷主要由两部分组成：通过围护结构的得热量而形成的冷负荷和新风及室内热湿源湿形成的冷负荷，其中室内热湿源包括工艺设备散热散湿、照明散热以及人体散热散湿等等。对于一确定建筑物，可以认为室内热湿源的冷负荷为一基本不变的部分;另外一部分冷负荷为与室外计算参数相关的冷负荷，不过这一部分中由新风的相对湿度引起的冷负荷与室外计算温度和太阳辐射关联较弱，在计算中可不单独列出进行计算。所以空调系统冷负荷可以通过下式进行近似：
Q=Q1+Q2=KFΔT+Q2
其中：
Q—空调系统冷负荷（kw）。Q1—围护结构得热量而形成的冷负荷（kW）。Q2—新风及室内热湿源形成的冷负荷（kW）。K—围护结构平均传热系数（W/（m2℃））。F—围护结构的面积（m2）。ΔT—围护结构平均传热温差（℃）。
由于对于某一确定的建筑物来说Q2近似的认为是一个定值，可以经过简单的计算得出。所以，对上述公式各参数项进行扩展，也即是对Q1的扩展。
综上所述，考虑到空调季节传热温差和室内热源散热所形成的冷负荷恒大于零，所以系统的冷负荷可以由下式计算得到：
在实测的空调系统负荷记录数据的基础上，根据上式进行拟合，可得到该式中一系列待定的系数。当外界条件变化在一个不大的范围时，传热系数K可认为不变，于是上式可用来估算这时候的空调系统负荷。室内热源散热主要有室内工艺设备散热、照明散热和人体散热三部分，对于确定的建筑其三项的变化很小，在这里近似的认为是一恒定值即常数。通过对该冰蓄冷系统中建筑物内部热源的计算必大约为3300KW。 五、冰蓄冷系统运行优化控制分析
（一）影响冰蓄冷优化控制实施的因素
目前常用的冰蓄冷空调控制方式为融冰优先和主机优先策略（确定合理的负荷分配）。融冰优先控制策略的基本思路是：在低谷电价时段将冰槽蓄满（或到低谷电价终了时刻止），在供冷时段，以融冰释冷为主，不足部分以主机供冷作为补充;主机优先的策略是在供冷阶段以主机直接供冷为主，不足部分由融冰来补充。在蓄冷过程开始阶段，未来时刻的逐时负荷是未知的，需要对将来时刻的建筑物空调负荷（需冷量）进行预测，否则无法实施优化控制。
（二）优化控制的思路
冰片滑落式冰蓄冷系统在制冰开始时，如果蓄冰槽内的水温高于2℃时系统就不能制冰，先要把蓄冰槽中的水温降到2℃时系统才能开始制冰。为了保证蓄冰槽的水温在蓄冰开始时不是很高，一般在运行控制时会在蓄冰槽中存有一定余冰量，这样会保证在制冰的一开始就能制冰。这里设蓄冰槽的存冰量为Z0，则蓄冰槽的冰量有下面公式决定。
其中：X为效率最高的负荷率，蓄Qs0为开始制冰时蓄冰槽的剩余冰量（Qs0≥Z0）。
（三）冰片滑落式系统主机优先控制的分析
主机优先控制就是尽量让制冷机满负荷运行。如果冷负荷小于制冷机额定制冷量，完全依靠冷机负担冷负荷。如果冷负荷超过了冷机制冷能力，则在冷机满负荷运行的情况下，依靠冰槽融冰来负担不足的部分。在春秋空调淡季时，冷负荷小于冷水机组制冷能力，则蓄冷槽不融冰供冷，只运转冷水机组来负担冷负荷。冷机优先的控制策略，对于实际工程实现简单，运行可靠，由于所需的蓄冷量较小，可减少蓄冷及转换过程的能量损失，且压缩机的运转效率较高。但是这种控制策略在空调淡季，蓄冰槽利用率较低，不能有效地削减电负荷高峰，充分利用低谷电，降低用户年运行费用。
六、结束语
总而言之，在满足一定条件的情况下，动态蓄冷系统可以实现初投资与常规空调系统持平甚至更低;而其他的静态制冰方式由于制冰主机和蓄冰装置无法分开，增大蓄冰量就需要增大制冷主机的容量和蓄冰槽的容量，费用相对比较高，因此很难实现初投资与常规空调持平。对于冰片滑落式冰蓄冷系统而言，延长了制冰时间，仅仅需要增大蓄冰槽的容积，费用较低。
参考文献：
[1]胡良剑，丁晓东，孙晓君.数学实验使用MATLAB[M].上海：上海科学技术出版社，2001：146-152.
[2]孙靖.冰蓄冷系统运行与控制模式的研究[D].上海：同济大学.2003.
[3]王勇，赵庆珠.冰蓄冷系统的优化控制分析[J].暖通空调，1996，26（3）：3-6.
【关键词】 空调冰蓄冷系统;负荷影响;优化设计
引言：
我国电力部门普遍采取了分时电价政策，鼓励电力负荷从白天转移至夜晚。冰蓄冷空调正是实现电力负荷削峰填谷的一个有效措施。为了鼓励空调系统采用蓄冷措施，电力部门还对采用蓄冷的空调系统在收取电力增容费方面给予优惠。显然，蓄冷空调系统将是空调系统发展的必然趋势。目前，我国已有了不少成功的蓄冷空调系统样板工程，收到了良好的经济效益和社会效益。但是，有些蓄冷系统由于设计、运行管理不当等原因，系统投入运行后没有得到预想的效果。
一、冰蓄冷技术在国内的发展与应用
实践证明，发展蓄冷空调能起到移峰填谷，调节负荷节约电力的作用，并能显著改善电网运行质量，对发电、输电和用电均有益处。我国大陆从九十年代初开始发展应用空调蓄冷技术，目前国内研制和生产蓄冷设备的厂家己有16家。有关高校和研究所积极投入力量研究开发蓄冷设备和系统。北京西冷工程公司开发研制的有压齿球蓄冷器己获国家专利;浙江国祥制冷工程公司推出了完全冻结式蓄冷系统;杭州华源人工环境公司引进台湾冰宝公司的专利产品-双金属芯心冰球，采用国产或进口主机，自行研制的监控系统，首次应用于浙江诸赞百货大楼，开创了使用国产大型冰蓄冷设备用于中央空调系统的先例。
二、负荷影响下蓄冷空调系统的缺陷
对于冰蓄冷系统，其运行效率将降低。调系统低，故运行效率要降低。增加了蓄冷设备的费用及占用的空间。蓄冷空调系统比常规空调系统增加了蓄冷设备，增加了这部分的投资外，还占用一定的空间放置蓄冷设备。增加水管和风管的保温费用。由于蓄冷空调的冷水温度、送风温度均要低于常规空调系统，故水管和风管的保温要求就要提高。特别是冰蓄冷空调系统，冷水温度在O℃～5℃，为了减少冷量损失，蓄冰槽和管路的保温要求就更高。
三、冰蓄冷蓄冷空调运行策略
所谓运行策略是指以冰蓄冷系统设计循环周期（如设计日、周或整个空调季）的负荷及其特点为基础，按照电价结构等条件对系统以蓄冰容量、释冰供冷或以释冷联合制冷机组共同供冷作出最优的运行安排考虑。一般可以归纳为全负荷蓄冰与部分蓄冰两类。
（一）全负荷蓄冰策略
其制冷机组运行时间与空调运行时间完全错开。在夜间非用电高峰期，启动制冷机组进行蓄冷，当所蓄冷量达到空调所需的全部冷量时，制冷机组停机;在白天空调运行时，蓄冷系统将冷量转移到空调系统，空调运行期间制冷机不运行。该运行策略需要设置较大的制冷机和蓄冰装置。见图1（全负荷蓄冰）
图1 全负荷蓄冰
（二）、部分蓄冰策略
部分负荷蓄冰就是全天所需的一部分冷量由蓄冷装置供给，在夜间用电低谷期利用制冷机蓄存一定冷量，补充电力高峰时间所需的部分冷量。部分蓄冰分为负荷均衡的部分蓄冰形式和限制需求的部分蓄冰形式。
四、冰蓄冷系统的运行优化建模
目前冰蓄冷空调为了更好地体现其经济性的优点，大部分工程采用部分蓄冰的装机策略，以减少装机容量和初投资。在设计日负荷下，白天应该开足机组供冷。但是在整个空调季在非设计日负荷下运行占绝大多数情况下。那么在一天中选择什么时候开机或开几台机，都是值得考虑的。然而，现在研究的热点集中在冰蓄冷空调系统匹配、蓄冰装置的动态特性研究、系统的经济性分析和评价等方面。即便是研究系统的运行控制也只是仅仅停留在静态蓄冰系统上以天作为运行周期的运行模式上建模的，这些模型对于动态冰蓄冷系统的运行特别是冰片滑落式系统的运行并不是最佳的运行模式。
（一）、冰蓄冷系统冷负荷延续特性模型
当前飞速发展的计算机技术己经大量应用到暖通空调领域，出现了多款可以详细进行空调冷负荷计算的电脑软件，例如DesT、TRNSYS，但是这一类冷负荷计算软件大都从设计的角度出发的，要求提供所计算建筑物的详细建筑结构参数。
（二）、冰蓄冷空调系统逐时负荷的推导
空调系统冷负荷主要由两部分组成：通过围护结构的得热量而形成的冷负荷和新风及室内热湿源湿形成的冷负荷，其中室内热湿源包括工艺设备散热散湿、照明散热以及人体散热散湿等等。对于一确定建筑物，可以认为室内热湿源的冷负荷为一基本不变的部分;另外一部分冷负荷为与室外计算参数相关的冷负荷，不过这一部分中由新风的相对湿度引起的冷负荷与室外计算温度和太阳辐射关联较弱，在计算中可不单独列出进行计算。所以空调系统冷负荷可以通过下式进行近似：
Q=Q1+Q2=KFΔT+Q2
其中：
Q—空调系统冷负荷（kw）。Q1—围护结构得热量而形成的冷负荷（kW）。Q2—新风及室内热湿源形成的冷负荷（kW）。K—围护结构平均传热系数（W/（m2℃））。F—围护结构的面积（m2）。ΔT—围护结构平均传热温差（℃）。
由于对于某一确定的建筑物来说Q2近似的认为是一个定值，可以经过简单的计算得出。所以，对上述公式各参数项进行扩展，也即是对Q1的扩展。
综上所述，考虑到空调季节传热温差和室内热源散热所形成的冷负荷恒大于零，所以系统的冷负荷可以由下式计算得到：
在实测的空调系统负荷记录数据的基础上，根据上式进行拟合，可得到该式中一系列待定的系数。当外界条件变化在一个不大的范围时，传热系数K可认为不变，于是上式可用来估算这时候的空调系统负荷。室内热源散热主要有室内工艺设备散热、照明散热和人体散热三部分，对于确定的建筑其三项的变化很小，在这里近似的认为是一恒定值即常数。通过对该冰蓄冷系统中建筑物内部热源的计算必大约为3300KW。 五、冰蓄冷系统运行优化控制分析
（一）影响冰蓄冷优化控制实施的因素
目前常用的冰蓄冷空调控制方式为融冰优先和主机优先策略（确定合理的负荷分配）。融冰优先控制策略的基本思路是：在低谷电价时段将冰槽蓄满（或到低谷电价终了时刻止），在供冷时段，以融冰释冷为主，不足部分以主机供冷作为补充;主机优先的策略是在供冷阶段以主机直接供冷为主，不足部分由融冰来补充。在蓄冷过程开始阶段，未来时刻的逐时负荷是未知的，需要对将来时刻的建筑物空调负荷（需冷量）进行预测，否则无法实施优化控制。
（二）优化控制的思路
冰片滑落式冰蓄冷系统在制冰开始时，如果蓄冰槽内的水温高于2℃时系统就不能制冰，先要把蓄冰槽中的水温降到2℃时系统才能开始制冰。为了保证蓄冰槽的水温在蓄冰开始时不是很高，一般在运行控制时会在蓄冰槽中存有一定余冰量，这样会保证在制冰的一开始就能制冰。这里设蓄冰槽的存冰量为Z0，则蓄冰槽的冰量有下面公式决定。
其中：X为效率最高的负荷率，蓄Qs0为开始制冰时蓄冰槽的剩余冰量（Qs0≥Z0）。
（三）冰片滑落式系统主机优先控制的分析
主机优先控制就是尽量让制冷机满负荷运行。如果冷负荷小于制冷机额定制冷量，完全依靠冷机负担冷负荷。如果冷负荷超过了冷机制冷能力，则在冷机满负荷运行的情况下，依靠冰槽融冰来负担不足的部分。在春秋空调淡季时，冷负荷小于冷水机组制冷能力，则蓄冷槽不融冰供冷，只运转冷水机组来负担冷负荷。冷机优先的控制策略，对于实际工程实现简单，运行可靠，由于所需的蓄冷量较小，可减少蓄冷及转换过程的能量损失，且压缩机的运转效率较高。但是这种控制策略在空调淡季，蓄冰槽利用率较低，不能有效地削减电负荷高峰，充分利用低谷电，降低用户年运行费用。
六、结束语
总而言之，在满足一定条件的情况下，动态蓄冷系统可以实现初投资与常规空调系统持平甚至更低;而其他的静态制冰方式由于制冰主机和蓄冰装置无法分开，增大蓄冰量就需要增大制冷主机的容量和蓄冰槽的容量，费用相对比较高，因此很难实现初投资与常规空调持平。对于冰片滑落式冰蓄冷系统而言，延长了制冰时间，仅仅需要增大蓄冰槽的容积，费用较低。
参考文献：
[1]胡良剑，丁晓东，孙晓君.数学实验使用MATLAB[M].上海：上海科学技术出版社，2001：146-152.
[2]孙靖.冰蓄冷系统运行与控制模式的研究[D].上海：同济大学.2003.
[3]王勇，赵庆珠.冰蓄冷系统的优化控制分析[J].暖通空调，1996，26（3）：3-6.