274大型建筑冷水機組模型的建立與分析

1、大型建筑冷水機組模型的建立與分析 香港理工大學 楊 嘉 陳國泰 余富榮后勤工程學院 吳祥生摘要為分析制冷機性能，本文在對某綜合性建筑冷水機組能耗狀況研究的基礎上，分別建立了螺桿式和離心式冷水機組的仿真模型。模型由壓縮機、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量平衡為基礎，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。這兩種冷水機組模型的模擬結果與冷水機組的實測數(shù)據(jù)相比較，吻合較好。本文還對該建筑現(xiàn)有冷水機組的運行模式進行了優(yōu)化，并利用建立的這兩種冷水機組模型對采用優(yōu)化運行方式的節(jié)能潛力進行了分析。 關鍵詞螺桿式冷水機組 離心式冷水機組

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

3、處于部分負荷運行狀態(tài)。冷水機組的工況受負荷率影響，多臺設備間容量和數(shù)量的匹配成為影響系統(tǒng)能耗的關鍵因素。 如何確定不同冷水機組空調系統(tǒng)的最優(yōu)運行模式，提高系統(tǒng)運行效率，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，應加強對空調系統(tǒng)冷水機組能耗狀況的研究。為了更好的分析機組的運行特性和節(jié)能潛力，本文首先分別建立了螺桿式和離心式冷水機組的仿真模型，并對某大樓的冷水機組的運行優(yōu)化進行了分析。1 建筑物及冷水機組 本文選用的研究對象是位于香港某大學校園內的一幢綜合性建筑。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，其中空調面積有22789平方米。在該空調

4、系統(tǒng)中，制冷機組包括4臺制冷量為1512kW的離心式冷水機組（3用1備），1臺制冷量為703kW的螺桿式冷水機組。冷水機組的主要參數(shù)見表1。每臺冷水機組配備1臺定流量一級冷凍水泵，另螺桿式冷水機組配備1臺備用冷凍水泵。各臺冷水機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、低檔轉速調節(jié)風量。表1 冷水機組主要參數(shù)壓縮機類型離心式螺桿式制冷機數(shù)量41制冷劑R134aR134a制冷量(

5、kW) 1512703COP （滿負荷）5.675.09設計冷凍水供/回水溫度 (oC)7/127/12設計冷凍水流量 (l/s)7233.6設計冷卻水供/回水溫度(oC)33/3833/38設計冷卻水流量 (L/s)8741 冷水機組的運行參數(shù)由樓宇管理系統(tǒng)(Building Management System, BMS) 進行測量記錄，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量流量mchw (kg/ s) ，冷卻水的質量流量mc(kg/ s) ，冷凍水供水溫度Tchws ( ) 和回水溫度Tchwr ( )，冷卻水進口溫度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) ，制冷機耗功E(kW) 等。2 模型建立 動態(tài)負荷分析是冷水機組優(yōu)化配置的基礎，也是分析空調系統(tǒng)動態(tài)負荷特性的基礎。為了分析該建筑空調系統(tǒng)中螺桿式和離心式冷水機組的運行性能，在能量平衡和質量平衡的基礎上，本文采用動態(tài)仿真軟件TRNSYS分別對這兩種冷水機組進行了仿真模擬3。模型考慮了真實的熱力過程，包括制冷機各部 圖1 蒸氣壓縮制冷循環(huán)件之間的相互聯(lián)系。在模擬制冷機運行時，制冷劑在壓縮機、冷凝器、膨脹閥以及蒸發(fā)器各部件中的能量平衡和質量平衡必須滿足。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)在部分負荷時的變化。表2 為制冷機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3。在此模型中，每個運行工況輸入參數(shù)包括冷負荷、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、冷卻水供水溫度設定值等， 輸出值包括冷水機組的各運行參數(shù)和性能系數(shù)（COP）。仿真將從壓縮機模塊開始，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)。 模型中進行了以下簡化：（1）在整個制冷機中流過的制冷劑流量相等；（2） 忽略制冷機與外界環(huán)境的熱交熱，即冷凝器中的熱負荷等于制冷量加壓縮機所耗的電功；（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(螺桿式)No.壓縮機(離心式)No.(15)(23)(16)(24)(17)(25)(18)(26)(19)(27)(20)(28)(21)(29)(22)(30)(31)3 結果與討論3.1 冷水機組模型驗證 為了檢驗所建立的這兩種冷水機組模型的準確程度，利用測量結果計算的冷水機組COP來檢驗機組模型。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、離心式冷水機組和螺桿式冷水機組相應的運行工況分別進行了模擬，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組和離心式冷水機組COP的測量值和模擬值的比較。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，模擬結果與測量計算的結果吻合較好，對絕大部分運行工況的COP的相對誤差在±10% 以內。因此，應用所建立的這兩種冷水機組模型研究優(yōu)化冷水機組運行模式是可行的。 圖2 螺桿式冷水機組COP的比較 圖3 離心式冷水機組COP的比較3.2 優(yōu)化冷水機組運行模式 在本文研究的建筑中，由于冷水機組系統(tǒng)包括不同類型不同規(guī)格的冷水機組，在運行中可采用不同的設備組合、不同的運行模式和設定點來滿足建筑物的冷負荷需求。對于多臺冷

10、水機組組成的空調系統(tǒng)，冷水機組的能耗不僅由其全負荷和部分負荷性能決定，而且還與運行模式有關，冷水機組的運行模式不同，系統(tǒng)總能耗也就不同。所以當整個系統(tǒng)工作在部分負荷時，就會產生究竟開幾臺冷水機組、開哪幾臺機組比較經濟合理的問題。此時可通過優(yōu)化冷水機組運行模式來達到節(jié)能的目的。在對該冷水機組的調研中發(fā)現(xiàn)，在實際運行過程中，機房管理人員有時根據(jù)經驗選擇所要運行冷水機組類型和數(shù)量，沒有優(yōu)化運行。因此本文將分析現(xiàn)有的冷水機組在優(yōu)化運行的基礎上的節(jié)能潛力。 表3 制冷機的運行策略建筑負荷率(BLR)制冷機運行臺數(shù)及其制冷能力(kW)運行制冷機總的制冷能力(kW)Step制冷機部分負荷最小最大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 是建筑冷負荷相對于峰值冷負荷（ 4507kW）的比值。在本研究中，制冷機的優(yōu)化運行控制策略為：先開啟1 臺冷水機組，由小到大調節(jié)其制冷量以滿足實際負荷變化要求。所有運行的制冷機運

12、行在相同的部分負荷下，只有在每一臺運行的制冷機都運行在滿負荷下時才增加運行1臺制冷機，運行策略如表3所示。在此運行模式下，通過模擬得出在2007年6月20日至2007年11月15日期間，冷水機組的總耗電量為1610503kW，與冷水機組的實際運行能耗測量值1769784kW相比，下降了9 %。因此，在滿足系統(tǒng)總負荷的要求下，在不增加任何費用的基礎上，通過優(yōu)化機組的運行模式就能實現(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制冷機部分負荷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：cc、cd、cf、ch、ev和tot分別代表壓縮機、冷凝器、冷凝器風扇、制冷機、蒸發(fā)器和總值（total）4結語 為分析制冷機性能，本文首先對某綜合性建筑的冷水機組能耗狀況研究的基礎上，分別建立了螺桿式和離心式冷水機組的仿真模型。模型由壓縮機、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量平衡為基礎，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。這兩種冷水機組模型的模擬結果與冷水機組的實測數(shù)據(jù)相比較，吻合較好，絕大部分運行工況COP的誤差在±10%以內。通過調研分析，該建

15、筑的冷水機組的運行有時由機房運行人員根據(jù)經驗進行調節(jié)，沒有優(yōu)化運行。本文因此對該建筑現(xiàn)有冷水機組進行運行優(yōu)化，在滿足系統(tǒng)總負荷的要求下，優(yōu)化運行模式，并利用建立的兩種冷水機組模型對采用優(yōu)化運行方式的節(jié)能潛力進行了分析。通過模擬分析可看出，在不增加任何費用的基礎上，通過優(yōu)化機組的運行模式就能實現(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)能性和經濟性。參考文獻 1 Deng Shi-ming , Burnett John. Performance monitoring and measurement for central air conditioning chi

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