274大型建筑冷水機(jī)組模型的建立與分析

1、大型建筑冷水機(jī)組模型的建立與分析 香港理工大學(xué) 楊 嘉 陳國泰 余富榮后勤工程學(xué)院 吳祥生摘要為分析制冷機(jī)性能，本文在對某綜合性建筑冷水機(jī)組能耗狀況研究的基礎(chǔ)上，分別建立了螺桿式和離心式冷水機(jī)組的仿真模型。模型由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器以及冷卻塔等一系列部件模型組成。模型的建立以能量平衡和質(zhì)量平衡為基礎(chǔ)，并按照制冷劑的流向完成對各個模塊的迭代計算，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)仿真。這兩種冷水機(jī)組模型的模擬結(jié)果與冷水機(jī)組的實測數(shù)據(jù)相比較，吻合較好。本文還對該建筑現(xiàn)有冷水機(jī)組的運(yùn)行模式進(jìn)行了優(yōu)化，并利用建立的這兩種冷水機(jī)組模型對采用優(yōu)化運(yùn)行方式的節(jié)能潛力進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵詞螺桿式冷水機(jī)組 離心式冷水機(jī)組

2、模型 節(jié)能 隨著空調(diào)系統(tǒng)越來越廣泛的應(yīng)用，建筑能耗增長特別是空調(diào)系統(tǒng)的電力需求增長迅速。在整個建筑物的耗電中，空調(diào)系統(tǒng)的耗電約占30%以上1，而在空調(diào)系統(tǒng)中，制冷機(jī)系統(tǒng)(冷凍站)是空調(diào)系統(tǒng)的核心，其能耗占整個空調(diào)系統(tǒng)能耗的大部分。因而對制冷機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，降低冷水機(jī)組的能耗有著重要意義。 隨著建筑規(guī)模的不斷擴(kuò)大，與之配套的空調(diào)系統(tǒng)的規(guī)模也不斷增大，單臺的設(shè)備已不能滿足要求。在大型公共建筑中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計中，多臺冷水機(jī)組組成的空調(diào)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。據(jù)開利公司提供的上千臺冷水機(jī)組項目的統(tǒng)計，約有86 %的大型項目由兩臺或兩臺以上的多臺冷水機(jī)組組成系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用2 。在實際運(yùn)行過程中，機(jī)組大部分時間

3、處于部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。冷水機(jī)組的工況受負(fù)荷率影響，多臺設(shè)備間容量和數(shù)量的匹配成為影響系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵因素。 如何確定不同冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行模式，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，從而降低系統(tǒng)能耗，這也是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的要求。 因此，應(yīng)加強(qiáng)對空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組能耗狀況的研究。為了更好的分析機(jī)組的運(yùn)行特性和節(jié)能潛力，本文首先分別建立了螺桿式和離心式冷水機(jī)組的仿真模型，并對某大樓的冷水機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化進(jìn)行了分析。1 建筑物及冷水機(jī)組 本文選用的研究對象是位于香港某大學(xué)校園內(nèi)的一幢綜合性建筑。該建筑共14層，總建筑面積為25，000平方米，包括教室、演講廳、辦公室及實驗室等，其中空調(diào)面積有22789平方米。在該空調(diào)

4、系統(tǒng)中，制冷機(jī)組包括4臺制冷量為1512kW的離心式冷水機(jī)組（3用1備），1臺制冷量為703kW的螺桿式冷水機(jī)組。冷水機(jī)組的主要參數(shù)見表1。每臺冷水機(jī)組配備1臺定流量一級冷凍水泵，另螺桿式冷水機(jī)組配備1臺備用冷凍水泵。各臺冷水機(jī)組輸出的冷凍水匯集后，由3臺大的變頻二級泵(1臺備用)和2臺小的變頻二級泵（1臺備用）輸送到大樓各層的空氣處理設(shè)備（AHU）。冷卻水系統(tǒng)中共有4臺大的冷卻泵（3用1備）和2臺小的冷卻泵（1用1備），此外有4 臺大的冷卻塔（1臺備用）和1臺小的冷卻塔，每臺具有高、低檔轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)風(fēng)量。表1 冷水機(jī)組主要參數(shù)壓縮機(jī)類型離心式螺桿式制冷機(jī)數(shù)量41制冷劑R134aR134a制冷量(

5、kW) 1512703COP （滿負(fù)荷）5.675.09設(shè)計冷凍水供/回水溫度 (oC)7/127/12設(shè)計冷凍水流量 (l/s)7233.6設(shè)計冷卻水供/回水溫度(oC)33/3833/38設(shè)計冷卻水流量 (L/s)8741 冷水機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)由樓宇管理系統(tǒng)(Building Management System, BMS) 進(jìn)行測量記錄，每隔半小時記錄一次數(shù)據(jù)。測量的參數(shù)包括室外冷凍水的質(zhì)量流量mchw (kg/ s) ，冷卻水的質(zhì)量流量mc(kg/ s) ，冷凍水供水溫度Tchws ( ) 和回水溫度Tchwr ( )，冷卻水進(jìn)口溫度Tcde ( ) 和出口溫度Tcdl ( ) ，制冷劑蒸

6、發(fā)溫度Tev ( ) 和蒸發(fā)壓力Pev(kPa ) ， 制冷劑冷凝溫度Tcd ( ) 和冷凝壓力Pcd(kPa) ，制冷機(jī)耗功E(kW) 等。2 模型建立 動態(tài)負(fù)荷分析是冷水機(jī)組優(yōu)化配置的基礎(chǔ)，也是分析空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)負(fù)荷特性的基礎(chǔ)。為了分析該建筑空調(diào)系統(tǒng)中螺桿式和離心式冷水機(jī)組的運(yùn)行性能，在能量平衡和質(zhì)量平衡的基礎(chǔ)上，本文采用動態(tài)仿真軟件TRNSYS分別對這兩種冷水機(jī)組進(jìn)行了仿真模擬3。模型考慮了真實的熱力過程，包括制冷機(jī)各部 圖1 蒸氣壓縮制冷循環(huán)件之間的相互聯(lián)系。在模擬制冷機(jī)運(yùn)行時，制冷劑在壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥以及蒸發(fā)器各部件中的能量平衡和質(zhì)量平衡必須滿足。同時，在本模型中還考慮了蒸發(fā)器和

7、冷凝器的總傳熱系數(shù)在部分負(fù)荷時的變化。表2 為制冷機(jī)模型各部件的主要方程式，參數(shù)說明見表3。在該模型中還包括冷卻塔，冷卻塔的模型見文獻(xiàn)3。在此模型中，每個運(yùn)行工況輸入?yún)?shù)包括冷負(fù)荷、干球溫度、濕球溫度、冷凍水供水溫度、冷凍水流量、冷卻水流量、冷卻水供水溫度設(shè)定值等， 輸出值包括冷水機(jī)組的各運(yùn)行參數(shù)和性能系數(shù)（COP）。仿真將從壓縮機(jī)模塊開始，并按照制冷劑的流向完成對各個模塊的迭代計算，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)仿真。圖1為典型的制冷循環(huán)。 模型中進(jìn)行了以下簡化：（1）在整個制冷機(jī)中流過的制冷劑流量相等；（2） 忽略制冷機(jī)與外界環(huán)境的熱交熱，即冷凝器中的熱負(fù)荷等于制冷量加壓縮機(jī)所耗的電功；（3）忽略制冷劑在

8、制冷劑管道中的壓降4，5。表2 制冷機(jī)部件方程蒸發(fā)器No.冷凝器No. (1)(2)(3)(4) (8)(9)(10)(11)(5)(12)(6)(13)(7)膨脹閥(14)壓縮機(jī)(螺桿式)No.壓縮機(jī)(離心式)No.(15)(23)(16)(24)(17)(25)(18)(26)(19)(27)(20)(28)(21)(29)(22)(30)(31)3 結(jié)果與討論3.1 冷水機(jī)組模型驗證 為了檢驗所建立的這兩種冷水機(jī)組模型的準(zhǔn)確程度，利用測量結(jié)果計算的冷水機(jī)組COP來檢驗機(jī)組模型。由于該建筑的樓宇管理系統(tǒng)在2007年6月20日至2007年11月15日期間測量記錄的數(shù)據(jù)較完善，因此對該段時間的

9、離心式冷水機(jī)組和螺桿式冷水機(jī)組相應(yīng)的運(yùn)行工況分別進(jìn)行了模擬，氣象參數(shù)來自于香港天文臺。圖2和圖3分別為螺桿式冷水機(jī)組和離心式冷水機(jī)組COP的測量值和模擬值的比較。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與測量計算的結(jié)果吻合較好，對絕大部分運(yùn)行工況的COP的相對誤差在±10% 以內(nèi)。因此，應(yīng)用所建立的這兩種冷水機(jī)組模型研究優(yōu)化冷水機(jī)組運(yùn)行模式是可行的。 圖2 螺桿式冷水機(jī)組COP的比較 圖3 離心式冷水機(jī)組COP的比較3.2 優(yōu)化冷水機(jī)組運(yùn)行模式 在本文研究的建筑中，由于冷水機(jī)組系統(tǒng)包括不同類型不同規(guī)格的冷水機(jī)組，在運(yùn)行中可采用不同的設(shè)備組合、不同的運(yùn)行模式和設(shè)定點(diǎn)來滿足建筑物的冷負(fù)荷需求。對于多臺冷

10、水機(jī)組組成的空調(diào)系統(tǒng)，冷水機(jī)組的能耗不僅由其全負(fù)荷和部分負(fù)荷性能決定，而且還與運(yùn)行模式有關(guān)，冷水機(jī)組的運(yùn)行模式不同，系統(tǒng)總能耗也就不同。所以當(dāng)整個系統(tǒng)工作在部分負(fù)荷時，就會產(chǎn)生究竟開幾臺冷水機(jī)組、開哪幾臺機(jī)組比較經(jīng)濟(jì)合理的問題。此時可通過優(yōu)化冷水機(jī)組運(yùn)行模式來達(dá)到節(jié)能的目的。在對該冷水機(jī)組的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，在實際運(yùn)行過程中，機(jī)房管理人員有時根據(jù)經(jīng)驗選擇所要運(yùn)行冷水機(jī)組類型和數(shù)量，沒有優(yōu)化運(yùn)行。因此本文將分析現(xiàn)有的冷水機(jī)組在優(yōu)化運(yùn)行的基礎(chǔ)上的節(jié)能潛力。 表3 制冷機(jī)的運(yùn)行策略建筑負(fù)荷率(BLR)制冷機(jī)運(yùn)行臺數(shù)及其制冷能力(kW)運(yùn)行制冷機(jī)總的制冷能力(kW)Step制冷機(jī)部分負(fù)荷最小最大0<B

11、LR0.161 x 70370310.2910.16<BLR0.341 x 1512151220.4910.34<BLR0.491 x 703 + 1 x 1512221530.6510.49<BLR0.672 x 1512302440.7310.67<BLR0.831 x 703 + 2 x 1512372750.8010.83<BLR13 x 1512453660.831注: BLR 是建筑冷負(fù)荷相對于峰值冷負(fù)荷（ 4507kW）的比值。在本研究中，制冷機(jī)的優(yōu)化運(yùn)行控制策略為：先開啟1 臺冷水機(jī)組，由小到大調(diào)節(jié)其制冷量以滿足實際負(fù)荷變化要求。所有運(yùn)行的制冷機(jī)運(yùn)

12、行在相同的部分負(fù)荷下，只有在每一臺運(yùn)行的制冷機(jī)都運(yùn)行在滿負(fù)荷下時才增加運(yùn)行1臺制冷機(jī)，運(yùn)行策略如表3所示。在此運(yùn)行模式下，通過模擬得出在2007年6月20日至2007年11月15日期間，冷水機(jī)組的總耗電量為1610503kW，與冷水機(jī)組的實際運(yùn)行能耗測量值1769784kW相比，下降了9 %。因此，在滿足系統(tǒng)總負(fù)荷的要求下，在不增加任何費(fèi)用的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行模式就能實現(xiàn)較大程度的節(jié)能。表4 參數(shù)說明參 數(shù)說 明參 數(shù)說 明mchw冷凍水流量 (kg s-1)Qcl制冷量(kW)PLR制冷機(jī)部分負(fù)荷qrf制冷效果(kJ kg-1)Tcdae室外溫度(oC)T制冷劑飽和溫度(oC)Tcd

13、sc過冷度(oC)Tcdal離開冷凝器空氣溫度(oC)Tcdsp冷凝溫度設(shè)定值(oC)Tchwr冷凍水回水溫度(oC)Tchws冷凍水供水溫度(oC)win壓縮機(jī)絕熱壓縮耗功(kJ kg-1)Tevsh過熱度(oC)hisen絕熱效率AU總的傳熱面積數(shù)(kW oC-1)hcc壓縮效率CR壓縮比hv容積效率 E輸入功Cpa空氣的定壓比熱 (kJ kg-1 oC -1)mr每臺壓縮機(jī)制冷劑流量(kg s-1)Cpw水的定壓比熱 (kJ kg-1 oC -1)mr,tot總的制冷劑流量(kg s-1)Cprg制冷劑蒸氣比熱(kJ kg-1 oC -1)P制冷劑飽和壓力( kPa)Cprl制冷劑液態(tài)比

14、熱(kJ kg-1 oC -1)Qcd總的熱ni多變指數(shù)下標(biāo)：cc、cd、cf、ch、ev和tot分別代表壓縮機(jī)、冷凝器、冷凝器風(fēng)扇、制冷機(jī)、蒸發(fā)器和總值（total）4結(jié)語 為分析制冷機(jī)性能，本文首先對某綜合性建筑的冷水機(jī)組能耗狀況研究的基礎(chǔ)上，分別建立了螺桿式和離心式冷水機(jī)組的仿真模型。模型由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器以及冷卻塔等一系列部件模型組成。模型的建立以能量平衡和質(zhì)量平衡為基礎(chǔ)，并按照制冷劑的流向完成對各個模塊的迭代計算，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)仿真。這兩種冷水機(jī)組模型的模擬結(jié)果與冷水機(jī)組的實測數(shù)據(jù)相比較，吻合較好，絕大部分運(yùn)行工況COP的誤差在±10%以內(nèi)。通過調(diào)研分析，該建

15、筑的冷水機(jī)組的運(yùn)行有時由機(jī)房運(yùn)行人員根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)節(jié)，沒有優(yōu)化運(yùn)行。本文因此對該建筑現(xiàn)有冷水機(jī)組進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化，在滿足系統(tǒng)總負(fù)荷的要求下，優(yōu)化運(yùn)行模式，并利用建立的兩種冷水機(jī)組模型對采用優(yōu)化運(yùn)行方式的節(jié)能潛力進(jìn)行了分析。通過模擬分析可看出，在不增加任何費(fèi)用的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行模式就能實現(xiàn)較大程度的節(jié)能。如果同時考慮冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能，則可以得到更好的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。參考文獻(xiàn) 1 Deng Shi-ming , Burnett John. Performance monitoring and measurement for central air conditioning chi

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