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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，從而實現了系統仿真。這兩種冷水機組模型的模擬結果與冷水機組的實測數據相比較，吻合較好。本文還對該建筑現有冷水機組的運行模式進行了優化，并利用建立的這兩種冷水機組模型對采用優化運行方式的節能潛力進行了分析。 關鍵詞螺桿式冷水機組 離心式冷水機組 2、模型 節能 隨著空調系統越來越廣泛的應用，建筑能耗增長特別是空調系統的電力需求增長迅速。在整個建筑物的耗電中，空調系統的耗電約占30%以上1，而在空調系統中，制冷機系統(冷凍站)是空調系統的核心，其能耗占整個空調系統能耗的大部分。因而對制冷機的運行進行優化，降低冷水機組的能耗有著重要意義。 隨著建筑規模的不斷擴大，與之配套的空調系統的規模也不斷增大，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的設計中，多臺冷水機組組成的空調系統被廣泛應用。據開利公司提供的上千臺冷水機組項目的統計，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。冷水機組的工況受負荷率影響，多臺設備間容量和數量的匹配成為影響系統能耗的關鍵因素。 如何確定不同冷水機組空調系統的最優運行模式，提高系統運行效率，從而降低系統能耗，這也是實現可持續發展的要求。 因此，應加強對空調系統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、低檔轉速調節風量。表1 冷水機組主要參數壓縮機類型離心式螺桿式制冷機數量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由樓宇管理系統(Building Management System, BMS) 進行測量記錄，每隔半小時記錄一次數據。測量的參數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、發溫度Tev ( ) 和蒸發壓力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 動態負荷分析是冷水機組優化配置的基礎，也是分析空調系統動態負荷特性的基礎。為了分析該建筑空調系統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 蒸氣壓縮制冷循環件之間的相互聯系。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器和7、冷凝器的總傳熱系數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和性能系數（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，從而實現了系統仿真。圖1為典型的制冷循環。 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在2007年6月20日至2007年11月15日期間測量記錄的數據較完善，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。從圖中可以發現，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，由于冷水機組系統包括不同類型不同規格的冷水機組，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。對于多臺冷水機組組成的10、空調系統，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，系統總能耗也就不同。所以當整個系統工作在部分負荷時，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。此時可通過優化冷水機組運行模式來達到節能的目的。在對該冷水機組的調研中發現，在實際運行過程中，機房管理人員有時根據經驗選擇所要運行冷水機組類型和數量，沒有優化運行。因此本文將分析現有的冷水機組在優化運行的基礎上的節能潛力。 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0BLR0.161 x 11、70370310.2910.16BLR0.341 x 1512151220.4910.34BLR0.491 x 703 + 1 x 1512221530.6510.49BLR0.672 x 1512302440.7310.67BLR0.831 x 703 + 2 x 1512372750.8010.83BLR13 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，制冷機的優化運行控制策略為：先開啟1 臺冷水機組，由小到大調節其制冷量以滿足實際負荷變化要求。所有運行的制冷機運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12、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，在滿足系統總負荷的要求下，在不增加任何費用的基礎上，通過優化機組的運行模式就能實現較大程度的節能。表4 參數說明參 數說 明參 數說 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)Tcdsc過冷度(oC)Tcdal離開冷凝器空氣溫度(oC)Tcd13、sp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(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制冷劑液態比熱(kJ kg-1 oC -1)Qcd總的熱ni多變指數下標14、：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，從而實現了系統仿真。這兩種冷水機組模型的模擬結果與冷水機組的實測數據相比較，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，該建筑的冷水機組的運行有時由機房運行人員根據經驗進行調節，沒有優化運行。本文15、因此對該建筑現有冷水機組進行運行優化，在滿足系統總負荷的要求下，優化運行模式，并利用建立的兩種冷水機組模型對采用優化運行方式的節能潛力進行了分析。通過模擬分析可看出，在不增加任何費用的基礎上，通過優化機組的運行模式就能實現較大程度的節能。如果同時考慮冷凍水系統、冷卻水系統的節能，則可以得到更好的節能性和經濟性。參考文獻 1 Deng Shi-ming , Burnett John. 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