随着绿色建筑和LEED体系的申报条件要求，越来越多的项目会在实施中采用各自领域内的相关节能技术与方案，其中便包含空调系统的能源中心多种冷热源系统的配置。对于这种多冷热源协同配置的设计方案，如何优化多种冷热源系统运行模式及控制策略使其节能效果最优，是设计中需要考虑的重要问题。

项目概况

本建筑物位于陆家嘴金融中心区，功能分区分别为：地下4层至地下2层为 ** 及设备机房，地下1层为商业及设备控制机房，裙房为入口大堂及商业，8层以上分为5个办公区、1个酒店区及1个观光塔冠区。

空调冷热源中心机房集中在两处区域设置：低区能源中心在地下2层，高区能源中心在83层。

大厦空调冷热源系统组成

大厦的空调冷源由高区和低区两个能源中心分别提供，低区能源中心为低区建筑空间的空调系统供冷，高区能源中心为高区建筑空间的空调系统供冷。大厦的热源全部由低区能源中心提供。

具体内容配置如下：

低区能源中心：冷热电三联供、常规电制冷机、冰蓄冷、地源热泵、冷却水免费供冷、租户后备冷源、蒸汽锅炉。

高区能源中心：常规电制冷机、冷却水免费供冷、租户后备冷源。

大厦各冷热源系统容量构成

根据设计资料，折算为冷热源消耗量，其构成如图1所示。

由图1可知，在夏秋季节冷源正常需求情况下，冷源热源基本由冰蓄冷（双工况机组+冰槽）和电制冷机组提供，而热源基本由锅炉提供，各种冷热源占比如图2和图3所示。

基于能效排序原则的控制策略分析

本大厦冷热源中心由多种能源构成，在实际运行时会存在不同租售阶段、不同季节和同一天的不同时段中，整个冷热源系统需求量有多有少，因此便需要对整个冷热源动力场各子系统进行比较合理的投切启停联合控制。在怎样的负荷需求下选择怎样的子系统机组投入负载运行，需要一个统一的逻辑控制策略，简称为“能源中心冷热源动力场联合控制策略系统”，下文缩略为“CPMS”。

各冷热源子系统优选原则

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热源指标优选原则

锅炉系统为大厦整个热源系统贡献了90 %，三联供比值为9 %，地源热泵仅为1 %，可忽略不计。考虑到本工程中，三联供为能源合同管理模式，故在实际运营中，管理方必定会要求在合同要求的运行时间内，三联供系统为常开模式，故热源的控制只涉及到锅炉系统的启停和台数控制。

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冷源指标优选原则

冰蓄冷系统为大厦的整个冷源系统贡献了73 %（其中双工况为43 %，冰槽为30 %），电制冷比值为22 %，三联供溴化锂机组为4 %，地源热泵为1 %。根据设计条件，冷源的一次能源包含电能和燃气，对于整体系统运营来说，评判其合理性大小或者性能优劣的原则是整体投入与产出的效率如何，即：

Σ min = 消耗能源费用 / 获得产出

即按照各子系统运行的费用作为子系统投切转换的唯一原则。故在分析各子系统的分配能源时，主要考虑的应该是其耗费与产出比的性能系数，下文所有的比较与分析，均以此原则为基础。

系统性能系数分析

由于本大厦冷热源中心动力场中热源构成非常简单，其控制可以简单归结为锅炉台数的控制，故CPMS的控制核心可以简化为冷源的联合控制。判断CPMS系统性能优劣的指标即简化为在供冷模式下，满足末端所有冷负荷需求的情况下，如何使得大厦的冷源设备所耗的费用最省。据此，如下表述均为制冷工况下的耗费分析和比较。

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性能系数

在制冷能耗或运行经济型分析中，经常会用到两个指标，即COP和EER。

制冷循环性能系数（即Coefficient of Perfor ** nce，COP）指在额定工况和规定条件下，能源系统在进行制冷或制热运行时，实际制冷 / 热量与实际输入功率之比，COP用来评价的是制冷循环的能耗指标或压缩机的单位功率制冷量：

COP = Q 1 / N 1

式中：

Q 1 —— 制冷剂的循环制冷量，kW；

N 1 —— 压缩机获取Q 1 时的消耗功率，kW，它包括整体机组的所有消耗功率。

任何形式的压缩机设备在某工况下的COP值均可以通过不同类型的压缩机性能试验台测试取得，并绘制成不同工况下的COP曲线值。

能效比（即Energy Efficinecy Ratio，EER）是一个综合性指标，反映了在获取有效供冷量的条件下，机组的输入电功率。EER值越大，说明在制造的能源相等时消耗的电能就越少，运营费用就越低。

EER = Q 2 / N 2

式中：

Q 1 —— 机组的有效供冷量，kW，根据所用的冷却介质种类、流量、比热、温差和焓值等计算而来；

N 2 —— 机组的输入功率，kW，它包括整体机组的所有消耗功率。

为统一，本工程以及下文均以COP作为系统能效的参考参数。

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各子系统性能系数COP分析

大厦在制冷工况模式下任一时间段内所需冷量（以1 h为模数）：

Q = a×Q 1 + b×Q 2 + b×Q 3 + d×Q 4 + e×Q 5

式中：

Q 1 ~ Q 5 —— 每个冷源子系统每小时最大制冷量，kW；

a ~ e —— 每个子系统贡献冷量的比例。

大厦在制冷工况模式下任一时间段内所需耗能量（以1 h为模数）：

W = W 1 + W 2 + W 3 + W 4 + W 5

式中：

W 1 ~ W 5 —— 每个冷源子系统每小时能耗量，W 1 =（a×Q 1 ）/ COP 1 ，W 2 =（ b ×Q 2 ）/ COP 2 ，W 3 = （c×Q 3 ）/ COP 3 ，W 4 =（d×Q 4 ）/ COP 4 ，W 5 =（e×Q 5 ）/ COP 5 ，其中COP 1 ~ COP 5 为每个子系统的能效。

由此可见，在总需求Q一定的情况下，若要使得耗能量W最小，需要首先启动COP值较大的冷源子系统，以此顺序投入各子系统。

根据前文所述，影响各子系统COP的主要因素有：① 设备负荷；② 室外温湿度；③ 土壤温度；④ 供水温度。

地源热泵系统COP

热泵系统在不同土壤温度和不同负荷率下的能效公式：

y = - 0.020 7t 2 x 2 + 0.832 2 tx 2 + 0.050 4 t 2 x - 9.040 9 x2 + 0.013 4 t2 - 2.023 tx + 21.826 x - 0.545 2 t + 7.135 3

式中：

y —— 系统能效COP值；

x —— 系统负载率；

t —— 土壤温度，℃。

代入不同土壤温度值，可得到在不同温度条件下的COP值，如图4所示。

电制冷系统COP

电制冷系统在不同冷却水温度、不同负荷下的能效公式：

y = - 0.000 4 t 2 x 2 + 0.050 tx 2 + 0.006 t 2 x - 4.661 2 x 2 - 0.000 8 t2 - 0.1 **  8 tx + 11.842 x + 0.045 2 t- 0.044 7

式中：

y —— 系统能效COP值；

x —— 系统负载率；

t —— 冷却水温度，℃。

代入不同温度值，可得到电制冷系统的COP值，如图5所示。

双工况系统COP

双工况系统在不同冷却水温度、不同负荷下的能效公式：

y = 0.001 6 t 2 x 2 - 0.048 98 tx 2 - 0.001 4 t 2 x - 3.761 3 x2 + 0.000 6 t2 - 0.059 9 tx + 10.423 x+ 0.045 2 t + 0.310 5

式中：

y —— 系统能效COP值；

x —— 系统负载率；

t —— 冷却水温度，℃。

代入不同冷却水温度，同样可以得到单台和多台双工况系统的COP能效图，如图6所示。

溴化锂系统COP

由于溴化锂机组是利用发电机排热进行制冷，因此溴化锂机组系统主要能耗为泵体与冷却塔耗电，其能效与负载率呈线性关系，如下：

溴化锂系统等效COP = 冷量 / 耗电

溴化锂机组COP如图7所示。

冰槽系统COP

冰蓄冷系统内的冰槽相对非常独立，大厦的工程设计上冰槽每小时最大融冰量为12 000 kW，因此实际可以等同于一台最大冷量为12 000 kW的机组，而且其性能基本不受其他因素影响，故：

冰槽白天供冷COP = 蓄冰总量 / (蓄冰总能耗 + 泵能耗)

蓄冰工况下冰槽系统的COP值如图8所示；融冰工况下冰槽系统的COP值如图9所示。

各子系统性能系数

COP

排序

由上分析，可以得出每个子系统在不同温度、不同负载率的条件下的COP值，通过CMPS的预设程序对COP进行自动排序后，根据COP值由高到低，原则上可以得到最小能耗的负荷分配，在相同温度和负荷率的情况下，各子系统的能效由高到低排列如下：

溴化锂系统 > 电制冷系统 > 双工况机组系统 > 热泵系统 > 冰槽系统

由于上述排序为针对固定燃气及电能价格，2018年上海市燃气全市统一价为2.50元 / m 3 ，故仅需考虑电价的影响。

本建筑进户用电为110 kV直降10 kV，根据最新工商业两部制分时用电的要求，本项目电价按照表1标准收取。

其中上海市峰平谷的时间划分为：① 峰段：8：00 - 11：00、18：00 - 21：00；② 平段：6：00 - 8：00、11：00 - 18：00、21：00 - 22：00；③ 谷段：22：00 - 6：00。

由于分时电费的影响，所以在错时投切设备时会影响到冰槽系统的能效值，即在用电峰时段和谷时段会有不同COP值，对于冰槽系统：

考虑到分时电价因素，峰时的冰槽蓄冰COP如图10所示；考虑到分时电价因素，平时的冰槽蓄冰COP如图11所示。

同样由于电价有时差，发电机在不同时段运行，其燃气价格与电价的差异也有不同，因此对于溴化锂机组而言，其能效COP也有较大影响，如下：

溴化锂系统等效COP = (冷量 + 发电 - 燃气) / 耗电

考虑到分时电价因素，峰时的三联供溴化锂机组COP如图12所示；考虑到分时电价因素，平时的三联供溴化锂机组COP如图13所示。

由此，考虑电价因素后，在相同温度和负荷率的情况下，各子系统的能效由高到低重新排列如下：

溴化锂系统 > 冰槽系统 > 电制冷系统 > 双工况机组系统 > 热泵系统

结语

CPMS系统通过对总体冷源系统数据的记录与计算，并将价格因素计入，可以得到5个子系统的能效，从而决策在某个时间、某个温度情况下，从对5个子系统的负荷分配得到的所有排列组合中，选取运行成本最小一组作为投切启停的控制策略。

从系统的实际操作而言，上述策略会受很多因素限制，如机组负荷限制、总体负荷的获取、投切启停时间间隔等。对于在不同时间段，如何获取相关温度、负荷需求等参数，可以作为进一步研究的方向和内容。