中央空調(diào)系統(tǒng)冷負荷修正量計算與節(jié)能研究-

1、中央空調(diào)系統(tǒng)冷負荷修正量計算與節(jié)能研究李養(yǎng)賢1,孫秀偉2,曹巖3,孫鴻建4(1.沈陽黎源空調(diào)工程有限公司,沈陽110024;2.中國建筑東北設(shè)計研究院,沈陽110006;3.沈陽市城鄉(xiāng)建筑設(shè)計研究院,沈陽110015;4.遼寧靖軒空調(diào)防排煙工程有限公司,沈陽110031摘要:針對傳統(tǒng)中央空調(diào)冷負荷計算中的缺陷,提出了基于歷史知識的案例分析的得熱量增量計算方法,通過實例進行了仿真實驗,能夠?qū)崿F(xiàn)較為合理的中央空調(diào)冷負荷的計算,具有自適應(yīng)能力,能夠應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)制冷量的計算和合理確定中央空調(diào)設(shè)備容量,具有廣闊的應(yīng)用前景和節(jié)能意義。關(guān)鍵詞:中央空調(diào)節(jié)能;冷負荷;得熱量增量;中央空調(diào)設(shè)備容量中圖分類

2、號:TU831.2文獻標(biāo)志碼:A文章編號:1673-7237(200805-0009-04Research on Calculation for Cooling Load Correctionand Energy Efficiency in Central Air-conditioning System sLI Yang-xian1,SUN Xiu-wei2,CAO Yan3,SUN Hong-jian4(1.Shenyang Liyuan Air Conditioning Engineering Co.,Ltd.,Shenyang110024,China;2.China Northeast

3、Architectural Design&Research Institute,Shenyang110006,China;3.Liaoning Urban and Rural Area Construction Design Institute,Shenyang110015,China;4.Liaoning Jingxuan Air-conditioning Smoke Prevention Engineering Co.,Ltd.,Shenyang110031,ChinaAbstract:In view of the problems during the traditional c

4、alculation on the cooling load for central air-conditionings(CACs,a comput-ing method for the increment of gained heat on basis of the historical knowledge-derived case based reasoning(CBRwas presented.A case of simulation test was carried out,which indicates that the proposed method can achieve rel

5、atively reasonable calculation on the cooling load for CACs.With self-adaption ability,this approach can be applied to calculate the cooling capacity,and properly determine the equipment capac-ity for CACs.Therefore,the proposed method has wide application prospect and significance of energy efficie

6、ncy.Key w ords:energy efficiency in central air-conditionings(CACs;cooling capacity;increment of gained heat;equipment capacity for CACs0引言空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能對于整幢建筑的能耗的影響是一個關(guān)鍵性因素。合理確定空調(diào)設(shè)備容量是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的前提,空調(diào)設(shè)備容量的大小取決于冷負荷的大小。冷負荷計算是中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的基本依據(jù)。冷負荷的計算方法也從早期的當(dāng)量溫差法、諧波分解法、反應(yīng)系數(shù)法、冷負荷系數(shù)法進入到目前常用的冷負荷模擬方法10。目前該計算主要由基本負荷疊加組成1,

7、而在空調(diào)系統(tǒng)運行的過程中,實際的冷負荷還同季節(jié)、氣候、人文、使用者的心理狀態(tài)等諸多難以量化的因素密切相關(guān),這使得傳統(tǒng)的計算方法很難適應(yīng)復(fù)雜多變的應(yīng)用場合2,3,5。針對空調(diào)冷負荷計算的各個層面的問題,近年來國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者們進行了多方面的研究。Zhongping Lin等提出了熱帶和亞熱帶夜間臥室的冷負荷計算方法3;Omar M.A.AL-RABGHI等利用傳遞函數(shù)方法建立了小時冷負荷量的計算模型4;Danny H.W.Li 從氣候?qū)啛釒У貐^(qū)冷負荷的影響方面修正了冷負荷的計算公式5;Abdullatif E.等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對公共場所和辦公樓HVAC蓄熱系統(tǒng)進行了優(yōu)化6;而G.C. B

8、akos等的研究從完善設(shè)備的角度入手,附加了傳統(tǒng)的中央暖氣系統(tǒng)使空調(diào)達到了節(jié)能目的7。本文針對各種不確定因素影響下的中央空調(diào)系統(tǒng)冷負荷的計算問題,在傳統(tǒng)冷負荷系數(shù)法中央空調(diào)系統(tǒng)冷負荷計算的基礎(chǔ)上提出了基于案例推理的方法的冷負荷修正量的計算,并對該方法進行了仿真研究,試驗結(jié)果表明,本文的計算方法能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的情況變化,為空調(diào)設(shè)計人員能夠合理地確定空調(diào)建筑冷負荷以及中央空調(diào)系統(tǒng)的自適應(yīng)控制等問題提供了可靠的依據(jù),同時為人們普遍關(guān)注的中央空調(diào)的節(jié)能與自適應(yīng)控制等課題提供了嶄新的基礎(chǔ)平臺。1帶有得熱量增量的中央空調(diào)系統(tǒng)冷負荷計算1.1基于冷負荷系數(shù)的傳統(tǒng)冷負荷計算方法簡介空調(diào)房間夏季計算得熱量通常

9、由以下幾部分組成:室內(nèi)外溫差經(jīng)圍護結(jié)構(gòu)傳入的熱量、太陽輻射熱收稿日期:2008-02-29暖通與設(shè)備HEATING VENTILATION&EQUIPMENT 建筑節(jié)能2008年第5期(總第36卷第207期No.5in2008(Total No.207,Vol.369進入的熱量以及人體、照明、工藝電氣設(shè)備散發(fā)的熱量。各項得熱量形成的冷負荷(單位均為瓦的計算公式如下8:外墻和屋頂:Q 1=K F (t H +t d -t n (1外窗:Q 2=K F t W -t n (2太陽輻射:Q 3=a q ft F C s C n(3人體:Q 4=q n n'(4白熾燈:Q 5=P (5

10、熒光燈:Q 6=nP (6工藝設(shè)備:Q 7=P 1(7式中:K 為圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù),W/(m 2K;F 為面積,m 2;t H 為逐時冷負荷計算溫度,;t d 為計算溫度關(guān)于地區(qū)的修正值,;t W 為空調(diào)室內(nèi)計算溫度,;a 為室外氣溫,;q f 為冷負荷計算系數(shù);C s 為計算時刻通過單層3mm 厚普通玻璃進入室內(nèi)的太陽輻射熱,W/m 2;C n 為玻璃類型修正系數(shù)和遮陽系數(shù);q ,n ,n'分別為成年人散熱量(W室內(nèi)總?cè)藛T和群集系數(shù);P 為電燈功率,W ;n 為鎮(zhèn)流器耗功系數(shù);P 1為工藝設(shè)備功率,W 。因此,空調(diào)的冷負荷量:Q =7i =1!Q i(8進行逐時計算時,此式變?yōu)?Q

11、 k =7i =1!Q ik(9式中:k 為計算時刻序數(shù)。1.2得熱量的修正量計算方法從(1(2兩式可知,外墻屋頂和外窗的得熱量均為溫度的函數(shù)。而溫度的測量具有滯后性,加上溫度本身是時變的,根據(jù)此二式計算的得熱量進行空調(diào)冷負荷的設(shè)計必然會導(dǎo)致空氣調(diào)整量滯后,難以滿足空氣調(diào)節(jié)的實時要求。而(3(5式中的參數(shù)也涉及相應(yīng)的未知動態(tài)時變特性,這些都是中央空調(diào)冷負荷計算和在線調(diào)節(jié)過程需要考慮的問題。于是(9式可寫成基礎(chǔ)量與修正量相加的形式,即:Q k '=Q k +Q k (10其中,Q k 為得熱量基礎(chǔ)量;Q k 為得熱量修正量。得熱量修正量Q k 的計算是本文主要討論的問題。從上述討論的結(jié)果

12、可知,影響Q k 的因素眾多且包含不確定因素,很難利用數(shù)學(xué)公式描述Q k 。于是我們將空調(diào)在運行過程中存在大量的風(fēng)量調(diào)整實例作為計算的Q k 知識。案例分析技術(shù)就是利用先前相似問題的解去匹配新問題的解決方案。案例推理方法廣泛應(yīng)用于支持利用相關(guān)案例進行人為推理的咨詢系統(tǒng),或在某一領(lǐng)域內(nèi)存在相當(dāng)數(shù)量的、相當(dāng)于領(lǐng)域知識的可用案例9。因此,本文以空調(diào)制冷工作中大量的歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),運用案例推理方法計算(10式中的得熱量修正量Q k 。首先根據(jù)對得熱量調(diào)整量有影響的因素建立得熱量修正量案例庫,并以數(shù)據(jù)庫的形式存儲于計算機中,每一個數(shù)據(jù)庫由若干條案例記錄組成,記為C n ,n=1,2,見表1所示。每條案例

13、主要有包括由室外溫度、室外濕度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、天氣情況、室內(nèi)人數(shù)以及室內(nèi)人員活動量構(gòu)成的案例描述和由風(fēng)量調(diào)整量和得熱量調(diào)整量構(gòu)成的案例的解,為了進行案例匹配和案例重用等工作,每條案例還包括其相似度、時間和計算時刻。在表1的案例描述中x 1-x 4為實際測量值,即為連續(xù)變量而x 5-x 8為離散變量。其中,x 5=1,2,3,分別表示天氣情況為“好”、“中”、“差”;x 6=0,1,2,表示室內(nèi)的人數(shù);x 7=0,1,2,表示室內(nèi)散熱設(shè)備的臺數(shù);x 8=1,2,3,4,5,表示室內(nèi)人員活動量為“大”、“偏大”、“中”、“偏小”、“小”;得熱量修正量:y =F Q max /F max (1

14、1其中,F 為在案例描述的情況下的送風(fēng)量調(diào)整量,Q max 為最大得熱量,F max 為最大送風(fēng)量。表1得熱量修正量案例C n得熱量修正量計算條件描述(案例描述案例解室外溫度室外濕度室內(nèi)溫度室內(nèi)濕度天氣情況室內(nèi)人數(shù)散熱設(shè)備臺數(shù)室內(nèi)人員活動量得熱量修正量nkx 1x 2x 3x 4x 5x 6x 7x 8y相似度計算時刻10表1中相似度的計算方法為:設(shè)k 時刻的得熱量修正量計算條件為X i ,i=1,8。則它與C n 中每一個對應(yīng)案例描述的相似度為:sim(X i ,x i =1-X i -x iMax (X ix ,x i i=1,8(12則X i 同每條案例C n 的相似度為:x =SIM(

15、X i ,C n =8i =1!i sim(X i ,x ij ,j=1,2, (13其中,x ij 表示案例C n 中的數(shù)據(jù)記錄,i 表示得熱量修正量計算條件的加權(quán)系數(shù),由實際經(jīng)驗或?qū)嶒灧抡娴贸?。下面開始利用得熱量修正量案例庫進行計算:首先根據(jù)實驗得出一個01之間接近于1的數(shù)字作為相似度的閾值SIM V ,并從案例庫中檢索出所有相似度>SIM V 的案例記錄,并記錄案例的解,以用于下一步的處理。一般情況下案例庫中不存在與當(dāng)前工況描述完全匹配的案例,因而檢索出的匹配工況的解并不能直接作為當(dāng)前工況的解,這就需要對檢索得到的相似案例進行重用。具體方法如下:設(shè)具有相同最大相似度的案例有l(wèi) ,(

16、l >1,l Z 個,假設(shè)這些案例C i ,i =1l 按“相似度”屬性值降序排列為:C 1,C 2C l ,Y 1,Y 2Y l 為其相應(yīng)的解,那么當(dāng)前工況描述的解Y 為:Y =li =1!i Y i /li =1!i(14其中,i 為本次案例重用的時間加權(quán)系數(shù),滿足12l ,可根據(jù)具體情況或經(jīng)驗確定。案例重用的結(jié)果可以再根據(jù)實際情況進行修正,作為最終得熱量計算結(jié)果。然后將此次計算所得的案例描述和案例解作為一條新的案例存儲于計算機中。隨著時間的推移,案例數(shù)量必然增加。需要對案例進行維護。根據(jù)案例記錄的時間,刪除一些很早的案例記錄,以減少運算量。2仿真實驗案例1以沈陽市某寫字樓的某空調(diào)房

17、間2005年的某一日的冷負荷計算為例,設(shè)計條件為:屋面:內(nèi)粉刷,由內(nèi)向外為70mm 厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土板、隔氣層、25mm 厚加氣混凝土保溫層、水泥砂漿找平層、卷材防水層、通風(fēng)層、25mm 厚預(yù)制細石混凝土板,面積40m 2;南墻:370mm 厚紅磚墻,內(nèi)粉刷,22m 2,內(nèi)墻不計;南窗:雙層全玻璃、鋼窗,掛淺色內(nèi)窗簾,16m 2,內(nèi)側(cè)對流;傳熱系數(shù)8.7W/(m 2K;室內(nèi)設(shè)計溫度27,有8人,8:0018:00在室內(nèi)工作;人進入室內(nèi)工作的起止時間:8:00,18:00;室內(nèi)計算溫度:26。該地區(qū)處于北緯41°48,屬于北區(qū),夏季大氣壓99816hPa ,空調(diào)室外計算溫度32,濕球溫

18、度24,風(fēng)速9m/s ,冬季空調(diào)室外計算溫度-12,風(fēng)速8m/s 。為了能夠保證運算速度、增強數(shù)據(jù)搜索能力,本文采用人機交互功能強大、界面的編輯、運行簡潔可靠的VB 軟件作為本算法的軟件開發(fā)平臺,鏈接數(shù)據(jù)庫采用Access 開發(fā)。對于給定地點和條件建立初始案例庫后,按照設(shè)計地點和條件進行冷負荷計算。首先利用(1(8式計算冷負荷的基礎(chǔ)量,計算結(jié)果見表2所示。再按照本文提出的方法根據(jù)每一時刻的得熱量修正量計算條件修正得熱量。假設(shè)在8:00得熱量修表2得熱量基礎(chǔ)值計算時刻8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:00得熱量基礎(chǔ)量/W2298

19、2260225422622302234523662375235223132302正量計算條件描述見表3所示。按照(13式計算的與案例庫中全部案例匹配的相似度為0.76。經(jīng)過案例檢索和案例重用之后,根據(jù)(14式計算出得熱量修正量為8.5。即8:00總得熱量為2306.5W 。將此次計算結(jié)果作為新的案例保存在案例庫中。按照同樣的方法計算出其他時刻的得熱量,見圖1所示。從圖1中可以發(fā)現(xiàn),修正后的得熱量與基礎(chǔ)得熱量的變化趨勢很接近,說明本文的算法具有較好圖1得熱量比較圖室外溫度/室外濕度/%室內(nèi)溫度/室內(nèi)濕度/%天氣情況室內(nèi)人數(shù)散熱設(shè)備臺數(shù)室內(nèi)人員活動量1734243511081表3空調(diào)間8:00得熱

20、量修正量計算條件描述11的穩(wěn)定性。在8:00,12:00,13:00修正后得熱量較基礎(chǔ)得熱量有所增加,根據(jù)案例庫進行分析,這主要由室內(nèi)人員的活動量較大、計算時刻處于人需要較大的冷量的階段等原因造成,這些都是傳統(tǒng)的得熱量計算難以完成的不確定量。經(jīng)過一段時間的運行,本文的案例庫中的案例數(shù)量將會增加,更多的調(diào)整得熱量的知識將被存貯和利用,計算結(jié)果將會趨于更加合理,因此,具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的功能和特點,非常適合中央空調(diào)系統(tǒng)制冷量的設(shè)計和在線實時調(diào)整。3結(jié)論本文針對傳統(tǒng)中央空調(diào)冷負荷計算中的缺陷,提出了基于歷史知識的案例分析的得熱量增量計算方法,通過實例進行了仿真實驗,結(jié)果表明本文的方法能夠?qū)崿F(xiàn)較為合理

21、的中央空調(diào)冷負荷的計算,具有自適應(yīng)能力,能夠應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)制冷量的計算和合理確定空調(diào)設(shè)備容量,從而使空調(diào)系統(tǒng)達到節(jié)能的目的。參考文獻:1閻復(fù)志.空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中幾個冷負荷問題的探討J.煤炭工程, 2005(3:21-23.2張燕,丁云飛.夏季熱濕地區(qū)新風(fēng)冷負荷特點及新風(fēng)濕負荷的處理J.制冷,2005(S1:30-33.3LIN Zhong-ping,DENG Shi-ming.A Study on the Characteristics of Nighttime Bedroom Cooling Load in Tropics and SubtropicsJ.Building and Envi

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25、0,10(2:191-213.10羅智特,杜雁霞,賈代勇.空調(diào)動態(tài)負荷計算方法及比較J.制冷與空調(diào),2005,5(2:57-61.作者簡介:李養(yǎng)賢(1974,男,甘肅人,沈陽黎源空調(diào)工程有限公司,工程師,暖通空調(diào)工程專業(yè),研究方向為暖通空調(diào)工程施工與節(jié)能(wfh_neu。行業(yè)動態(tài)與資訊熱烈祝賀建筑節(jié)能期刊被美國劍橋科學(xué)文摘(CSA收錄由中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司主辦的建筑節(jié)能期刊,近日通過美國劍橋科學(xué)文摘:工程技術(shù)(CSA的嚴格評估,于2008年4月被正式收錄為該檢索系統(tǒng)21種數(shù)據(jù)庫來源期刊。這是建筑節(jié)能期刊繼美國化學(xué)文摘(CA收錄后又新加入的一個國際檢索系統(tǒng),使建筑節(jié)能期刊在國內(nèi)已頗具盛譽的基礎(chǔ)上,在國際影響力方面又上了一個新的臺階。建筑節(jié)能期刊成功入編美國劍橋科學(xué)文摘(CSA,既是其辦刊質(zhì)量、學(xué)術(shù)水平得到國際認可的證明,同時