带有蓄冷装置的制冷系统及其基于需求侧响应的控制方法

本发明属于制冷系统，具体涉及一种带有蓄冷装置的制冷系统及其基于需求侧响应的控制方法。

背景技术：

1、对于制冷系统，用能设备的节能增效与生产模式升级成为目前的发展重心。商业及工业制冷系统的生产规模通常较大，需要24小时运行，并且一天内负荷呈现明显的高峰与低谷时段交替变化的特征。当处于生产高峰期时，负荷激增，若压缩机等制冷设备响应滞后，制冷量未及时跟上负荷变化，则会对安全生产造成影响。并且设备长时间处于高负荷运行，能耗较高，有时还会发生超负载运行。而在生产低谷期，压缩机长期处于低负载状态，能效较低，容易出现冷量浪费现象。通过在制冷系统中增加蓄冷装置，储存低负荷时段过剩的冷量，在高负荷时段释放，可以有效降低负荷的峰谷差异，提高能源利用效率。

2、近年来，对于采用蓄冷装置的制冷系统的研究主要集中在新型蓄冷材料的开发、蓄冷系统的智能化控制和大规模应用等方面，目前在空调领域和数据中心均有相关应用。

3、例如，公开号为cn 114322142 a的专利申请文件提出的一种蓄冷装置、制冷系统、制冷设备及其控制方法，以及，公开号为cn 115515400 a的专利申请文件提出的一种用于数据中心的水蓄冷制冷系统及其供冷方法，通过采用水蓄冷装置降低了数据中心制冷机组在高峰时期的用电量，进而减少了用电成本，并提出了多种蓄冷与制冷控制模式。

4、现有蓄冷制冷系统中蓄冷与放冷的切换大多基于以下两种传统的控制方法。第一种为定时控制，例如夜间低负荷期启动制冷机组的蓄冷模式，白天停止制冷系统运行仅靠蓄冷量维持系统运行，或在负荷高峰期放冷，降低白天制冷机组的运行负载。第二种方法为温度控制，例如根据建筑物内部温度变化调节制冷设备的运行状态，当室内温度高于设定值时启用制冷机组，温度为设定值时，仅依靠蓄冷装置为建筑供冷。定时控制简单易行但不够灵活，无法适应末端用户需求的突然变化。温度控制基于的控制信号为温度这一被动变化的状态参数，而由于热惯性的存在，当负荷变化一段时间后才会表现为温度的变化，通常无法及时传输给蓄冷与制冷系统负荷变化的信号，存在严重的时滞性问题，是一种被动的需求侧响应。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种带有蓄冷装置的制冷系统及其基于需求侧响应的控制方法，有效减少负荷高峰期制冷系统的能耗，提升负荷低谷期的能源利用效率，基于需求侧响应实现主动式控制，加快控制响应速度，消除时滞性问题。

2、为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

3、一种带有蓄冷装置的制冷系统，包括载冷剂外循环系统、载冷剂内循环系统、蓄冷装置以及制冷机组；

4、载冷剂外循环系统包括外循环载冷剂泵组，以及连接在用冷单元上的外循环低温载冷剂供液总管路与外循环高温载冷剂回液总管路；所述外循环载冷剂泵组通过外循环低温载冷剂供液总管路连接至用冷单元；

5、载冷剂内循环系统包括连接在制冷机组上的高温载冷剂回液管路与低温载冷剂供液管路，以及与低温载冷剂供液管路相连的低温载冷剂总供液管路，高温载冷剂回液管路与内循环载冷剂泵相连；内循环载冷剂泵通过制冷机组载冷剂回液三通阀分别连接外循环高温载冷剂回液总管路与蓄冷装置的第一进出口管路；低温载冷剂总供液管路通过载冷剂供液三通阀分别连接外循环载冷剂泵组与蓄冷装置的第二进出口管路；载冷剂内循环系统根据蓄冷装置处于蓄冷状态或放冷状态，载冷剂的流向相反。

6、作为一种优选的方案，所述的外循环载冷剂泵组由一个或多个载冷剂变频泵并联组成；所述的制冷机组由一个或多个蒸汽压缩式制冷机组并联组成，每个制冷机组均连接一条高温载冷剂回液管路与一条低温载冷剂供液管路，每一条高温载冷剂回液管路上均设置有一个内循环载冷剂泵与一个制冷机组载冷剂回液三通阀。

7、作为一种优选的方案，所述的蓄冷装置为载冷剂分层储罐，第一进出口管路设置在上方，第二进出口管路设置在下方；

8、当载冷剂分层储罐处于蓄冷状态时，第一进出口为载冷剂分层储罐的载冷剂出口，第二进出口为载冷剂分层储罐的载冷剂入口，载冷剂分层储罐内载冷剂的流动方向为自下而上；

9、当载冷剂分层储罐处于放冷状态时，第一进出口为载冷剂分层储罐的载冷剂进口，第二进出口为载冷剂分层储罐的载冷剂出口，载冷剂分层储罐内载冷剂的流动方向为自上而下。

10、作为一种优选的方案，所述的外循环低温载冷剂供液总管路上设置有温度传感器、流量传感器和压力传感器；所述的外循环高温载冷剂回液总管路上设置有温度传感器；

11、所述的载冷剂分层储罐中装有液位传感器检测水罐内液位变化，并且在载冷剂分层储罐内部的上层、中层和下层分别装有温度传感器。

12、作为一种优选的方案，所述制冷机组包括蒸发器、节流阀、压缩机、冷凝器和冷却塔；所述冷却塔连接在冷凝器上，所述冷凝器与蒸发器通过制冷工质管路相连组成循环制冷系统，所述节流阀与所述压缩机设置在所述制冷工质管路上；所述高温载冷剂回液管路与低温载冷剂供液管路连接在所述蒸发器上。

13、作为一种优选的方案，所述蒸发器连接高温载冷剂回液管路的进口处设置有温度传感器以及流量传感器；

14、所述蒸发器连接低温载冷剂供液管路的出口处设置有温度传感器；

15、所述压缩机上设置有转速传感器和滑阀位置传感器。

16、作为一种优选的方案，通过调节制冷机组的运行台数与运行中的制冷机组中压缩机的工作转速或滑阀位置来调节制冷能力，保持外循环低温载冷剂供液总管路的水温和供水压力不超过安全运行范围。

17、一种所述带有蓄冷装置的制冷系统的基于需求侧响应的控制方法，包括以下步骤：

18、获取载冷剂外循环系统中外循环低温载冷剂供液总管路上的压力测量值pend与外循环高温载冷剂回液总管路上的温度测量值tback；

19、设置条件一，所述条件一为压力测量值pend在载冷剂外循环系统供液压力要求的上下限内，且温度测量值tback在规定的范围内；当满足条件一时，维持当前载冷剂外循环系统的外循环载冷剂泵组的运行状态；

20、设置条件二，所述条件二为压力测量值pend在载冷剂外循环系统供液压力要求的上下限内，且温度测量值tback未在规定的范围内；当满足条件二时，若温度测量值tback高于规定的上限，则增开一个外循环载冷剂泵，反之，则减开一个外循环载冷剂泵；通过调节运行中的外循环载冷剂泵运行台数，直至上述参数的运行状态由条件二变为条件一；

21、设置条件三，所述条件三为压力测量值pend低于载冷剂外循环系统供液压力要求的下限，但未超过安全警戒下限；满足条件三时，若温度测量值tback超过规定的上限，则增开一个外循环载冷剂泵；若温度测量值tback在规定的范围内，但供液压力低于要求的下限，则对运行中的外循环载冷剂泵进行变频控制，维持供液压力不低于要求的下限；

22、设置条件四，所述条件四为压力测量值pend高于载冷剂外循环系统供液压力要求的上限，但未超过安全警戒上限；满足条件四时，则对运行中的外循环载冷剂泵进行变频控制，维持供液压力不高于要求的上限；

23、设置条件五，所述条件五为压力测量值pend超出安全警戒上下限；满足条件五时，如果压力测量值pend低于安全警戒下限，则增开一个外循环载冷剂泵，如果压力测量值pend高于安全警戒上限，则减开一个外循环载冷剂泵；

24、通过上述步骤调节压力测量值pend在载冷剂外循环系统供液压力要求的上下限内，且温度测量值tback在规定的范围内，获取外循环低温载冷剂供液总管路的流量测量值qvend、内循环制冷系统中每个制冷机组上的高温载冷剂回液管路流量测量值qvn、每个制冷机组上的低温载冷剂供液管路温度测量值tn，以及载冷剂分层储罐的中层与下层的温度测量值均值twt；

25、设置条件六，所述条件六为当前运行的每个制冷机组上的高温载冷剂回液管路流量测量值总和与外循环低温载冷剂供液总管路的流量测量值的差值在范围一内，且载冷剂分层储罐的中层与下层的温度测量值均值twt低于载冷剂外循环系统载冷剂供液要求的上限；满足条件六时，制冷机组维持当前运行台数，调节运行中的制冷机组的压缩机转速或滑阀位置，维持低温载冷剂供液管路温度测量值tn不超过生产安全范围；当运行的每个制冷机组上的高温载冷剂回液管路流量测量值总和与外循环低温载冷剂供液总管路的流量测量值的差值为正数时，载冷剂分层储罐为蓄冷状态；而当差值为负数时，载冷剂分层储罐为放冷状态；

26、设置条件七，所述条件七为运行的每个制冷机组上的高温载冷剂回液管路流量测量值总和与外循环低温载冷剂供液总管路的流量测量值的差值在范围二内，或载冷剂分层储罐的中层与下层的温度测量值均值twt高于载冷剂外循环系统载冷剂供液要求的上限；满足条件七时，增开一台制冷机组，调节运行中的制冷机组的压缩机转速或滑阀位置，直至运行状态由条件七变为条件六，若不满足则再增开一台制冷机组直至满足条件六；如果载冷剂分层储罐的放冷量与运行中的制冷机组的制冷量总和无法满足载冷剂外循环系统的负荷需求，或载冷剂分层储罐内载冷剂温度高于载冷剂供液温度上限，此时增开制冷机组提高制冷量或将载冷剂分层储罐运行状态由放冷切换为蓄冷；

27、设置条件八，所述条件八为运行的每个制冷机组上的高温载冷剂回液管路流量测量值总和与外循环低温载冷剂供液总管路的流量测量值的差值在范围三内，且载冷剂分层储罐的中层与下层的温度测量值均值twt低于载冷剂外循环系统载冷剂供液要求的下限；满足条件八时，则减开一台制冷机组，调节运行中的制冷机组的压缩机转速或滑阀位置，直至运行状态由条件八变为条件六，若不满足则再减开一台制冷机组直至满足条件六；如果载冷剂分层储罐的放冷量与运行中的制冷机组的制冷量总和超过载冷剂外循环系统的负荷，且载冷剂分层储罐内载冷剂温度低于供液温度下限，则载冷剂分层储罐已经完全蓄冷，运行状态由蓄冷状态切换为放冷状态。

28、作为一种优选的方案，外循环高温载冷剂回液总管路上的温度测量值tback的规定范围，根据实验确定：外循环高温载冷剂回液总管路上的温度测量值tback的上限值tback,ul为保证制冷机组载冷剂供液温度等于载冷剂外循环系统要求的供液温度上限，制冷机组的载冷剂回液温度，即为制冷机组中蒸发器达到换热上限时的载冷剂进口温度；外循环高温载冷剂回液总管路上的温度测量值tback的下限值tback,dl为保证制冷机组中压缩机运行负载为额定负载的20％，制冷机组的载冷剂回液温度。

29、作为一种优选的方案，当前运行的每个制冷机组上的高温载冷剂回液管路流量测量值总和与外循环低温载冷剂供液总管路的流量测量值的差值的范围划分如下：

30、范围一：下限为载冷剂分层储罐放冷量与三分之二个制冷机组制冷量相同时，载冷剂分层储罐出口的流量，值为负数；上限为三分之二个制冷机组进水的额定流量，值为正数；当所述差值为负数时，载冷剂分层储罐为放冷状态，当所述差值为正数时，载冷剂分层储罐为蓄冷状态，表达式如下：

31、

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33、

34、

35、式中，q制冷机组为单个制冷机组的额定制冷量；δt为制冷机组载冷剂供回液最大温差；ρ为载冷剂的密度；cp为载冷剂的比热容，n为运行的制冷机组数量，为载冷剂外循环系统中单个外循环载冷剂泵的额定流量；

36、范围二：当前运行的每个制冷机组上的高温载冷剂回液管路流量测量值总和小于外循环低温载冷剂供液总管路的流量测量值且差值的绝对值大于载冷剂分层储罐放冷量与三分之二个制冷机组制冷量时，载冷剂分层储罐出口的流量，表达式如下：

37、

38、

39、

40、范围三：当前运行的每个制冷机组上的高温载冷剂回液管路流量测量值总和大于外循环低温载冷剂供液总管路的流量测量值且差值的绝对值大于三分之二个制冷机组进水的额定流量，表达式如下：

41、

42、

43、相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：

44、本发明带有蓄冷装置的制冷系统有效减少了负荷高峰时制冷系统的能耗，提升了负荷低谷期的能源利用效率，降低了系统运行的总用电成本，具有较高的经济效益，适用于工业及商业制冷系统，以及液冷式数据中心制冷系统，推广适用性强。本发明将蓄冷装置的蓄冷与放冷控制信号设定为依据制冷系统载冷剂供液流量与用冷需求侧的载冷剂需求流量的差值，使整个制冷系统对用冷需求侧的负荷及流量变化更加敏感，当用冷负荷激增时，能快速释放蓄冷装置的蓄冷量，响应速度提升，解决了传统控制策略的时滞性问题，是一种基于需求侧响应的主动式控制方法。此外，本发明还改进了用冷需求侧的载冷剂供液流量控制方式，在根据负荷变化实时调整的基础上，加入了用冷需求侧换热后载冷剂回液温度对供液流量的限制。将载冷剂回液温度，即制冷机组的载冷剂回液温度，控制在制冷机组的换热能力的上限范围内，从而使制冷机组运行能效达到最高。实现在不改变需求侧载冷剂供液温度与压力的前提下，合理调节供液流量，提升系统整体的能源利用效率。