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冥皇颠覆科举:集中空调系统变水温和变风量节能优化控制

时间: 2019-05-02阅读:

关键词: 变水温; 变风量; 空调负荷; 集中空调系统; 优化控制; 节能

中图分类号: TN876?34; TU831.3                    文献标识码: A                  文章编号: 1004?373X(2019)05?0141?04

Energy saving optimal control of variable water temperature and variable

air volume in central air?conditioning system

WANG Bin1, GAO Yan2, LI Rui1

(1. Beijing Key Lab of Heating, Gas Supply, Ventilating and Air Conditioning Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China; 2. Beijing Advanced Innovation Centre for Future Urban Design, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China)

Abstract: The control simulation model of the central air?conditioning system is set up in Matlab/Simulink, and calculated on the basis of the example of the central air?conditioning system in China?France Energy Center. The optimal control strategy of variable water temperature and variable air volume is proposed to achieve better energy saving effect while satisfying the room comfort. The simulation results show that the smaller the air?conditioning load is, the more effective the energy saving effect of the variable water temperature and variable air volume control strategy is. When the air?conditioning load rate is 60%, the chilled water supply temperature is 12 ℃ and the fan frequency is 35.8 Hz, which can save 13.3% energy than the strategy of variable water volume, and save 5% energy than the strategy of variable air volume.

Keywords: variable water temperature; variable air volume; air conditioning load; central air?conditioning system; optimal control; energy saving

0  引  言

近年来随着建筑业的快速发展,能源成为制约我国经济和社会发展的重要因素。有统计数据表明,建筑能耗在全球总能源的消耗中占到了40%,而集中空调系统能耗约占整个建筑物能耗的60%左右,其中冷水机组和风机能耗在集中空调系统能耗中占比过半,成为节能研究的主要设备。调研结果表明,实际空调负荷大多数时间都处在部分负荷下,而空调设备在选型时往往选取得容量较大,加之控制策略不合理,最终导致系统在实际运行过程中能源严重浪费[1?3]。

室外气象参数和人员数量变化直接影响着空调负荷的大小,为适应冷负荷的变化,目前对空调系统进行节能改造的主要手段是给水泵和风机加装变频器实现变频运行。大量研究显示,在部分冷负荷时,适当提高冷水供水温度能有效提高冷水机组的运行效率[4?7]。由于冷水机组和风机能耗在集中空调系统能耗中占比很大,因此,本文在分别比较水泵变频运行和风机变频运行系统能耗的基础上,将冷水机组和风机综合考虑,提出变水温和变风量优化控制策略。采用PID控制,以系统最低能耗为目标,通过建模仿真运行说明其具有更好的节能效果。

1  部分冷负荷下变水量控制和变风量控制的比较

基于中法能源中心集中空调系统实例,在Matlab/Simulink中搭建集中空调系统控制模型,其中,表冷器采用trnsys16中type32的模型计算方法。数学模型为:

水侧总换热量:

[QT=mwCpw(Two-Twi)] (1)

空气侧总换热量:

[QT=Hai-Hao] (2)

表冷器换热经验公式为:

[QT=Nrow×Af×BRCW×WSF×LMTD] (3)

其中:

[1BRCW=C1+C2Va+C3Vw+C4V2w+C5V3a+C6V2wV4a]  (4)

[WSF=k1+k2ΔT1+k3ΔT1ΔT2+k4ΔT21+k5ΔT1ΔT22+k6ΔT21ΔT2+k7ΔT1ΔT32+k8ΔT21ΔT32+k9ΔT31ΔT32] (5)

[ΔT1=Tdpi-Twi] (6)

[ΔT2=Tdbi-Twi]  (7)

式中:[QT]为表冷器交换的总热量,单位为kW;[mw]为冷水流量,单位为kg·s-1;[Cpw]为水的比热,单位为kJ·(kg·℃)-1; [Two]和[Twi]分别为冷水出口和进口温度,单位为℃;[Hai]和[Hao]分别为空气进口和出口焓,单位为kJ·kg-1;[Nrow]和[Af]为表冷器盘管排数和迎风面积;[Va]和[Vw]分别为空气和水的流速,单位为m·s-1;[Tdpi]和[Tdbi]分别为进口空气的露点温度和干球温度,单位为℃;[C1~C6]和[k1~k9]为经验常数。

针对不同负荷率下一次回风空调系统,对JW10?4型6排表冷器进行计算。设计工况为:室外设计干球温度35 ℃,湿球温度29 ℃;室内参数为干球温度26 ℃,相对湿度50%;冷冻水进口温度7 ℃,出口温度12 ℃;新风比为20%;设计负荷为100%,按图1所示的流程图,比较空调负荷率在60%~100%时,分别进行变水量控制和变风量控制,室内温湿度的情况以及系统能耗。

不同冷负荷时采用变水量和变风量调节的数据见表1,表2。由表1和表2得出,部分冷负荷时,水量的降低会导致表冷器除湿能力下降,导致室内相对湿度的升高,负荷率为60%时的房间相对湿度比室内设计相对湿度值高出了17.3%,达到了67.3%。而根据文献[8],舒适性空调的室内设计相对湿度一般为40%~65%,可见已经超出此范围;并且其冷冻泵频率过低,系统运行安全性会受到影响。变风量调节在满足房间溫度的同时,室内相对湿度也可以得到很好的控制。风机变频可以适应更大的冷负荷变化范围,充分发挥表冷器降温除湿性能。但当部分冷负荷风机频率较低时,会出现新风量不足、供回水温差偏低,送风温度过低等不合理的情况。

由相似律可知,水泵/风机的流量、扬程、功率有如下关系:

[QQ0=HH0=NN03] (8)

式中:[Q]为流量,单位为m3·s-1;[H]为扬程,单位为m;[N]为功率,单位为kW。

不同冷负荷时两种调节方式的能耗对比如图2所示。由图2可以看出,风机变频运行对集中空调系统能耗影响显著,特别是在较低冷负荷情况下,在负荷率为60%时,采用变风量调节可以降低16%的能耗,比变水量调节节省了8.3%的能耗。

2  部分冷负荷下变水温和变风量优化控制调节效果

由上述分析可知,风机的能耗大小对集中空调系统总能耗影响很大,但在部分空调负荷下,仅靠风机变频调节会导致新风量不足、供回水温差偏低,送风温度过低等不合理的情况。在保证机组安全运行的情况下,部分冷负荷时适当提高冷水机组的供水温度能有效降低冷水机组耗能。文献[9]提供的冷水机组性能数据和文献[10]显示冷冻水出口温度平均每升高1 ℃,冷水机组COP可提高2%~4%。因此本节将冷水机组和风机进行综合优化控制,以最低耗能为目标,得到调节效果,计算流程图如图3所示。

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在部分冷负荷大小范围内,在满足房间舒适性要求的前提下,均有使系统能耗最低的冷水供水温度,称为最优供水温度,如表3所示。在冷负荷较高时,冷水供水温度宜采用7 ℃,而在负荷率为60%冷负荷较低的情况下,冷水温度可提高到12 ℃,在很大程度上降低了主机的能耗。在优化控制策略下,风机的频率在35~42 Hz之间调节,保证了设备运行安全,避免了前述风机频率过低带来的不合理情况。

图4是变水温变风量优化控制调节和前面两种控制方式的节能率对比,可以看出空调负荷越小,变水温和变风量优化控制策略的节能效果越明显。在空调负荷率为60%时,采用冷水供水温度12 ℃和风机频率35.8 Hz,可比仅采用变水量调节节能13.3%,比仅采用变风量调节节能5%。

3  结  语

由本文的研究讨论可得如下结论:

1) 冷水量的降低会导致表冷器的除湿能力下降,造成室内相对湿度增大,在冷负荷较低时,仅采用水泵变频调节会导致房间舒适性的降低,有一定的局限性。

2) 在本文计算条件下,风机变频运行对集中空调系统能耗大小影响显著。特别是在较低冷负荷情况下,在负荷率为60%时,采用变风量调节可以降低16%的能耗,比水泵变频调节节省了8.3%的能耗。风机变频可以适应更大的冷负荷变化范围,充分发挥表冷器降温除湿性能。但当部分冷负荷风机频率较低时,会出现新风量不足、供回水温差偏低,送风温度过低等不合理的情况。

3) 在满足房间空调效果和本文计算条件下,变水温和变风量优化控制策略在某一冷负荷大小范围内,均有使系统能耗最低的最优冷水供水温度。空调负荷越小,变水温和变风量优化控制策略的节能效果越明显。在空调负荷率为60%时,采用冷水供水温度12 ℃和风机频率35.8 Hz,可比仅采用变水量调节节能13.3%,比仅采用变风量调节节能5%。

参考文献

[1] 喻勇.基于TRNSYS的集中空调及其控制系统仿真[D].北京:北京建筑大学,2014.

YU Yong. Simulation of a center air conditioning control system based on TRNSYS [D]. Beijing: Beijing University of Civil Engineering and Architecture, 2014.

[2] 袁自远.变风量空调系统新风量控制方法试验研究[D].大连:大连理工大学,2013.

YUAN Ziyuan. Analysis of new air volume control method of VAV air conditioning system [D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2013.

[3] 朱丹丹.空调冷冻水系统用户侧整体模型研究[D].北京:清华大学,2013.

ZHU Dandan. Air conditioning chilled water system user survey model [D]. Beijing: Tsinghua University, 2013.

[4] 化帅奇,潘雷彬,梅松,等.基于冷水机组进水温度优化控制的节能效益分析[J].制冷与空调,2016,16(4):69?72.

HUA Shuaiqi, PAN Leibin, MEI Song, et al. Analysis on energy?saving efficiency based on optimal control of inlet water tempe?rature of chiller [J]. Refrigeration and air conditioning, 2016, 16(4): 69?72.

[5] 林秀军,赵波峰.深圳机场候机楼空调系统变水温运行分析[J].建筑热能通风空调,2015,34(4):59?60.

LIN Xiujun, ZHAO Bofeng. Analysis of variable chilled water temperature operation of air?conditioning system in Shenzhen International Airport Terminal [J]. Building energy & environment, 2015, 34 (4): 59?60.

[6] 余俊祥,高克文,宁太刚.空调系统变水温运行能耗特性研究[J].建筑技术开发,2016,43(10):34?37.

YU Junxiang, GAO Kewen, NING Taigang. Characteristics study of operation energy consumption of central air conditio?ning [J]. Construction technology development, 2016, 43(10): 34?37.

[7] 江喜鹏.高温冷冻水冷水机组方案设计分析[J].制冷与空调,2014,28(1):34?37.

JIANG Xipeng. Design analysis of high?temperature chilled water chiller [J]. Refrigeration and air conditioning, 2014, 28(1): 34?37.

[8] 赵荣义,范存养,薛殿华.空气调节[M].北京:中國建筑工业出版社,2009.

ZHAO Rongyi, FAN Cunyang, XUE Dianhua. Air conditio?ning [M]. Beijing: China Building Industry Press, 2009.

[9] 江楚遥,梁彩华,范鹏杰,等.空调系统变冷冻水温性能实验与预测模拟[J].化工学报,2014,12(2):265?271.

JIANG Chuyao, LIANG Caihua, FAN Pengjie, et al. Experimental and predictive simulation of variable chilled water temperature in air conditioning systems [J]. CIESC journal, 2014, 12(2): 265?271

[10] 刘静纨,魏东,陈一民,等.中央空调制冷站控制策略分析[J].电气应用,2014,33(6):82?86.

LIU Jingwan, WEI Dong, CHEN Yimin, et al. Analysis of control strategy of central air conditioning and refrigeration station [J]. Electrotechnique application, 2014, 33(6): 82?86.

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