274大型建筑冷水机组模型的建立与分析

大型建筑冷水机组模型的建立与分析香港理工大学杨嘉陈国泰余富荣后勤工程学院吴祥生摘要为分析制冷机性能，本文在对某综合性建筑冷水机组能耗状况研究的基础上，分别建立了螺杆式和离心式冷水机组的仿真模型。模型由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器以及冷却塔等一系列部件模型组成。模型的建立以能量平衡和质量平衡为基础，并按照制冷剂的流向完成对各个模块的迭代计算，从而实现了系统仿真。这两种冷水机组模型的模拟结果与冷水机组的实测数据相比较，吻合较好。本文还对该建筑现有冷水机组的运行模式进行了优化，并利用建立的这两种冷水机组模型对采用优化运行方式的节能潜力进行了分析。关键词螺杆式冷水机组离心式冷水机组模型节能随着空调系统越来越广泛的应用，建筑能耗增长特别是空调系统的电力需求增长迅速。在整个建筑物的耗电中，空调系统的耗电约占30%以上[1]，而在空调系统中，制冷机系统(冷冻站)是空调系统的核心，其能耗占整个空调系统能耗的大部分。因而对制冷机的运行进行优化，降低冷水机组的能耗有着重要意义。随着建筑规模的不断扩大，与之配套的空调系统的规模也不断增大，单台的设备已不能满足要求。在大型公共建筑中央空调系统的设计中，多台冷水机组组成的空调系统被广泛应用。据开利公司提供的上千台冷水机组项目的统计，约有86%的大型项目由两台或两台以上的多台冷水机组组成系统进行应用[2]。在实际运行过程中，机组大部分时间处于部分负荷运行状态。冷水机组的工况受负荷率影响，多台设备间容量和数量的匹配成为影响系统能耗的关键因素。如何确定不同冷水机组空调系统的最优运行模式，提高系统运行效率，从而降低系统能耗，这也是实现可持续发展的要求。因此，应加强对空调系统冷水机组能耗状况的研究。为了更好的分析机组的运行特性和节能潜力，本文首先分别建立了螺杆式和离心式冷水机组的仿真模型，并对某大楼的冷水机组的运行优化进行了分析。1建筑物及冷水机组本文选用的研究对象是位于香港某大学校园内的一幢综合性建筑。该建筑共14层，总建筑面积为25，000平方米，包括教室、演讲厅、办公室及实验室等，其中空调面积有22789平方米。在该空调系统中，制冷机组包括4台制冷量为1512kW的离心式冷水机组（3用1备），1台制冷量为703kW的螺杆式冷水机组。冷水机组的主要参数见表1。每台冷水机组配备1台定流量一级冷冻水泵，另螺杆式冷水机组配备1台备用冷冻水泵。各台冷水机组输出的冷冻水汇集后，由3台大的变频二级泵(1台备用)和2台小的变频二级泵（1台备用）输送到大楼各层的空气处理设备（AHU）。冷却水系统中共有4台大的冷却泵（3用1备）和2台小的冷却泵（1用1备），此外有4台大的冷却塔（1台备用）和1台小的冷却塔，每台具有高、低档转速调节风量。表1冷水机组主要参数压缩机类型离心式螺杆式制冷机数量41制冷剂R134aR134a制冷量(kW)1512703COP（满负荷）5.675.09设计冷冻水供/回水温度(oC)7/127/12设计冷冻水流量(l/s)7233.6设计冷却水供/回水温度(oC)33/3833/38设计冷却水流量(L/s)8741冷水机组的运行参数由楼宇管理系统(BuildingManagementSystem,BMS)进行测量记录，每隔半小时记录一次数据。测量的参数包括室外冷冻水的质量流量mchw(kg/s)，冷却水的质量流量mc(kg/s)，冷冻水供水温度Tchws(℃)和回水温度Tchwr(℃)，冷却水进口温度Tcde(℃)和出口温度Tcdl(℃)，制冷剂蒸发温度Tev(℃)和蒸发压力Pev(kPa)，制冷剂冷凝温度Tcd(℃)和冷凝压力Pcd(kPa)，制冷机耗功E(kW)等。2模型建立动态负荷分析是冷水机组优化配置的基础，也是分析空调系统动态负荷特性的基础。为了分析该建筑空调系统中螺杆式和离心式冷水机组的运行性能，在能量平衡和质量平衡的基础上，本文采用动态仿真软件TRNSYS分别对这两种冷水机组进行了仿真模拟[3]。模型考虑了真实的热力过程，包括制冷机各部件之间的相互联系。在模拟制冷机运行时，制冷剂在压缩机、冷凝器、膨胀阀以及蒸发器各部件中的能量平衡和质量平衡必须满足。同时，在本模型中还考虑了蒸发器和冷凝器的总传热系数在部分负荷时的变化。表2为制冷机模型各部件的主要方程式，参数说明见表3。在该模型中还包括冷却塔，冷却塔的模型见文献[3]。在此模型中，每个运行工况输入参数包括冷负荷、干球温度、湿球温度、冷冻水供水温度、冷冻水流量、冷却水流量、冷却水供水温度设定值等，输出值包括冷水机组的各运行参数和性能系数（COP）。仿真将从压缩机模块开始，并按照制冷剂的流向完成对各个模块的迭代计算，从而实现了系统仿真。图1为典型的制冷循环。模型中进行了以下简化：（1）在整个制冷机中流过的制冷剂流量相等；（2）忽略制冷机与外界环境的热交热，即冷凝器中的热负荷等于制冷量加压缩机所耗的电功；（3）忽略制冷剂在制冷剂管道中的压降[4，5]。表2制冷机部件方程蒸发器No.冷凝器No.crclPLRQQ)(chwschwrpwwTTCmrftotrqm,evevLMTDAU(1)(2)(3)(4)ccclcdEQQ)(32,hhmtotr)(cdaecdalpaaaTTCVcdcdLMTDAU(8)(9)(10)(11)4'1hhqrf(5)68.0,55.041cmcVcAUtotracd(12))ln(evchwsevchwrchwschwrevTTTTTTLMTD(6))ln(cdalcdcdaecdcdaecdalcdTTTTTTLMTD(13)3745.028.011cQcmcAUclwev(7)膨胀阀exexextotrPKm,(14)压缩机(螺杆式)No.压缩机(离心式)No.ccisenintotrccwmE,(15)])1(1)[tan(2/)1(22impniniimpimprUvPniniUAV(23)ccrvvdtotrNvVm,(16)evcdPP(24))1(11nirveinniCRninivPw(17)max,rrmm(25)evcdPPCR(18)niimprrvVm/12max,(26)evshevrTPvv)0002.00007.0(11'1(19))1/(222222)])(sin(1211[niniimprimpimpAVUvPnini(27)CRv009.0925.0(20)00006.0931.00704.02PLRPLR(28))(01.087625423221aQaTTaTTaTaTaTaTacrevcdevcdevevcdcdisen(21)mpolinccWE(29)2054.01537.07845.0PLRPLRpol(22))1(1122ninirinninivPmW(30)256691708.10903.0PLRPLRcc(31)3结果与讨论图1蒸气压缩制冷循环P(kPa)h(kJ/kg)433’12’2PVni=CQclQcdEcc过冷过热mr1’3.1冷水机组模型验证为了检验所建立的这两种冷水机组模型的准确程度，利用测量结果计算的冷水机组COP来检验机组模型。由于该建筑的楼宇管理系统在2007年6月20日至2007年11月15日期间测量记录的数据较完善，因此对该段时间的离心式冷水机组和螺杆式冷水机组相应的运行工况分别进行了模拟，气象参数来自于香港天文台。图2和图3分别为螺杆式冷水机组和离心式冷水机组COP的测量值和模拟值的比较。从图中可以发现，模拟结果与测量计算的结果吻合较好，对绝大部分运行工况的COP的相对误差在±10%以内。因此，应用所建立的这两种冷水机组模型研究优化冷水机组运行模式是可行的。-10%+10%3.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.03.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.0测量值COP模拟值COP图2螺杆式冷水机组COP的比较+10%-10%3.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.03.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.0测量值COP模拟值COP图3离心式冷水机组COP的比较3.2优化冷水机组运行模式在本文研究的建筑中，由于冷水机组系统包括不同类型不同规格的冷水机组，在运行中可采用不同的设备组合、不同的运行模式和设定点来满足建筑物的冷负荷需求。对于多台冷水机组组成的空调系统，冷水机组的能耗不仅由其全负荷和部分负荷性能决定，而且还与运行模式有关，冷水机组的运行模式不同，系统总能耗也就不同。所以当整个系统工作在部分负荷时，就会产生究竟开几台冷水机组、开哪几台机组比较经济合理的问题。此时可通过优化冷水机组运行模式来达到节能的目的。在对该冷水机组的调研中发现，在实际运行过程中，机房管理人员有时根据经验选择所要运行冷水机组类型和数量，没有优化运行。因此本文将分析现有的冷水机组在优化运行的基础上的节能潜力。表3制冷机的运行策略建筑负荷率(BLR)制冷机运行台数及其制冷能力(kW)运行制冷机总的制冷能力(kW)Step制冷机部分负荷最小最大0BLR≤0.161x70370310.2910.16BLR≤0.341x1512151220.4910.34BLR≤0.491x703+1x1512221530.6510.49BLR≤0.672x1512302440.7310.67BLR≤0.831x703+2x1512372750.8010.83BLR≤13x1512453660.831注:BLR是建筑冷负荷相对于峰值冷负荷（4507kW）的比值。在本研究中，制冷机的优化运行控制策略为：先开启1台冷水机组，由小到大调节其制冷量以满足实际负荷变化要求。所有运行的制冷机运行在相同的部分负荷下，只有在每一台运行的制冷机都运行在满负荷下时才增加运行1台制冷机，运行策略如表3所示。在此运行模式下，通过模拟得出在2007年6月20日至2007年11月15日期间，冷水机组的总耗电量为1610503kW，与冷水机组的实际运行能耗测量值1769784kW相比，下降了9%。因此，在满足系统总负荷的要求下，在不增加任何费用的基础上，通过优化机组的运行模式就能实现较大程度的节能。表4参数说明参数说明参数说明mchw冷冻水流量(kgs-1)Qcl制冷量(kW)PLR制冷机部分负荷qrf制冷效果(kJkg-1)Tcdae室外温度(oC)T制冷剂饱和温度(oC)Tcdsc过冷度(oC)Tcdal离开冷凝器空气温度(oC)Tcdsp冷凝温度设定值(oC)Tchwr冷冻水回水温度(oC)Tchws冷冻水供水温度(oC)win压缩机绝热压缩耗功(kJkg-1)Tevsh过热度(oC)isen绝热效率AU总的传热面积数(kWoC-1)cc压缩效率CR压缩比v容积效率E输入功Cpa空气的定压比热(kJkg-1oC-1)mr每台压缩机制冷剂流量(kgs-1)Cpw水的定压比热(kJkg-1oC-1)mr,tot总的制冷剂流量(kgs-1)Cprg制冷剂蒸气比热(kJkg-1oC-1)P制冷剂饱和压力(kPa)Cprl制冷剂液态比热(kJkg-1oC-1)Qcd总的热ni多变指数下标：cc、cd、cf、ch、ev和tot分别代表压缩机、冷凝器、冷凝器风扇、制冷机、蒸发器和总值（total）4结语为分析制冷机性能，本文首先对某综合性建筑的冷水机组能耗状况研究的基础上，分别建立了螺杆式和离心式冷水机组的仿真模型。模型由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器以及冷却塔等一系列部件模型组成。模型的建立以能量平衡和质量平衡为基础，并按照制冷剂的流向完成对各个模块的迭代计算，从而实现了系统仿真。这两种冷水机组模型的模拟结果与冷水机组的实测数据相比较，吻合较好，绝大部分运行工况COP的误差在±10%以内。通过