（安全技术及工程专业论文）中央空调系统的最优化运行.pdf

s u b j e c t ：t h eo p t i m i z a t i o no f o p e r a t i o nf o rc e n t r a l a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m s p e c i a l t y ：s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g n a m e：m aj u a n l i i n s t r u c t o r ：f u m i n g x i n g j i c h a n g f a a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 幽丝! 逊鱼 ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) i ng e n e r a l ，t h ed e s i g no ft h eh v a cs y s t e mi sb a s e do nt h ea s s u m p t i o nt h a tt h es y s t e mi s w o r k i n go nt h el a r g e s tl o a d ，b u ti nf a c tt h eh v a cs y s t e mi su s u a l l yr u no nt h ep a r tl o a d i ft h e o p t i m u mw o r kp o i n to f t h eh v a cs y s t e mc o u l db ef o u n db yc e r t a i nm e t h o da n dt h eo p t i m u m o p e r a t i o nw o u l db er e a l i z e db yc o n t r o ls y s t e m ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h es y s t e mw o u l d b eg r e a t l yr e d u c e d f i r s t l y , t h i sp a p e rs t u d yo nw a t e r c o o l i n gv a p o rc o m p r e s s i o nc h i l l e ra n da i rs o u r c eh e a t p u m ps y s t e m ，t h eo b j e c t i v ef u n c t i o no ft o t a le n e r g yo fa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mf o rp r i m a r y p u m ps y s t e mw a ss e tu pw i t hm e c h a n i s ma n a l y s i sm e t h o d ，a n dt h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n o p t i m u mm o d e l sf o rc o o l i n gc o i l sc o m p o n e n t sa n df a n - c o i lu n i t sw e r es e tu p i no r d e rt o v e r i f y i n gt h ep r e c i s i o no ft h eo p t i m u mm o d e l ，t h eo p e r a t i o nd a t ao fa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m a r ec o l l e c t e df r o mx i a ny u x i a n g m e nh o t e la n dt h ec o m p a r i s o nr e s u l ts h o w st h a tt h ep r e c i s i o n o fm o d e l i sb e t t e r t h e nt h es e n s i t i v i t yo ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o no b je c t i v ef u n c t i o nf o ra i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e mw a sa n a l y z e dw i t ht h em e t h o do fd i r e c td e r i v a t i o n ，a n df i v ei n d e p e n d e n tv a r i a b l e s s i n f l u e n c eo nt h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni so b t a i n e d f i n a l l y , f i v ed i f f e r e n tl o a dr a t i o so fw a t e r - c o o l i n gv a p o rc o m p r e s s i o nc h i l l e ra n da i r s o u r c eh e a tp u m ps y s t e mw e r eo p t i m i z e dw i t ho p t i m i z a t i o nb o xi nn 讼t l a b a f t e rt h e o p t i m i z a t i o n ，t h ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m se n e r g yc o n s u m p t i o nd r o p so b v i o u s l y ；a n dt h e o t h e ro b je c t i v ep a r a m e t e r si n f l u e n c eo nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h eo p t i m u mp a r a m e t e r o p e r a t i o nv a l u eo fa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mw e r eo b t a i n e d ；t h e nw i t l lt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t t h ee n e r g y s a v i n gm e a s u r e sf o rp r a c t i c a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mw a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m m a t l a b t he s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h o p t i m u mm o d e l s e n s i t i v i t ya n a l y s i s 妻料技夫擎 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名蜀交蜀丽日期：2 d 口牛膳 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 1 学位论文作者签名：马娟丽 指导教师签名：卅形饿、 二口c ) 乡年争月腾日 1 绪论 1 1 问题的提出 1 绪论 能源是发展社会生产和提高人民生活水平的重要物质基础，是推动国民经济的强大 动力。但我国人均能源资源相对不足，据有关资料统计，我国人均能源水平仅为世界人均 能源水平的l 3 。另一方面，我国的能源利用率很低，仅为2 8 。因此，节能、提高能源利 用效率就成为我国当前非常紧迫的任务。 建筑能耗将是未来2 0 年间我国能源消费的重要增长点，随着我国现代化建设的不断 发展，各类现代化建筑特别是高层建筑、高级建筑不断增多，中央空调系统已广泛应用 于这些建筑中。在为人们提供舒适的工作生活环境的同时，空调能耗也成为建筑能耗大 户。在建筑能耗占整个能源消耗的比例不断增加的现状下，建筑节能特别是建筑中的空 调系统节能已成为节能领域中的一个重点和热点。我国建筑能耗约占全国总能耗的 3 5 ，而空调能耗又约占建筑能耗的5 0 - - - 6 5 左右。由此可见，暖通空调能耗占总能 耗的比例可高达2 2 7 5 。按照终端节能的概念，加大空调节能的力度对节约能源有着 巨大的理论和实际意义j 。 同时，在中央空调系统设计和运行管理中，缺乏必要的引导和管理，致使我国的 中央空调系统运行效率不高，浪费严重，我国空调产品的能效水平与发达国家相比还有 相当大的差距，存在着巨大的节能潜力【2 j 。 造成这种现象的原因是多方面的。首先，在设计方面在中央空调的设计过程往往赋 予空调系统具有名义工况下的工作能力，是按照最大制冷量来考虑主机和水泵的容量的。 冷却水泵、冷水泵的流量都是按照最大负荷时的工况来选择。可是在实际运行中，中央空 调有9 0 的时间系统都是在部分负荷工况下运转。这就导致在大多数中央空调水系统中 出现大流量、小温差的运行状态，必然造成水泵能量的大量损耗。同时，水系统温差的 变化，会使主机的运行条件变差、效率降低、能耗增大，进而影响主机的寿命；其次， 在控制方面，主机和部分末端装置有自动控制装置，但没有形成中央空调系统的集中控 制，总的来说是自动控制水平偏低。当外界环境发生变化，特别是在湿度和房间负荷变 化较大时，控制系统调节时间长而浪费能源；再则，在系统优化方面，早期暖通空调系 统中的控制主要满足负荷需要，而能耗是次要问题，因此那时的控制根本谈不上优化。 比如冷机的启停、性能调节等基本是手动的，也有气动装置。7 0 年代的能源危机，使空 调控制在满足负荷、保证系统稳定性的条件下开始注意节能，这时的空调控制也逐步开 始向优化方向发展【3 j 。 近年来，随着直接数字控制器( d d c ) ，特别是能源管理控制系统( e m c s ) 的研究应 西安科技大学硕士学位论文 用日益广泛化，优化控制得到了飞速的发展。因此，如何优化各控制变量，以使整个系 统运行能耗最低己成为当今空调优化控制领域的研究热点。如果能找出中央空调系统不 同负荷时的最佳参数运行值，并通过控制系统保证系统尽可能在最佳状态工作，将会大 幅度的降低中央空调系统的能耗p j 。 由于中央空调系统是一个复杂的系统工程，要实现中央空调系统的最佳运行和节 能，从局部去解决问题是不可能办到的，必须针对空调系统的各个环节( 包括主机、冷 冻水系统、冷却水系统) 统一考虑，全面控制，使整个系统协调运行，才能实现最佳综 合节能。本课题旨在从整个系统方面考虑降低中央空调的能耗，使空调系统两大耗能装 置制冷主机和循环水泵的总能量在满足制冷量的条件下能量消耗最低。特别是在部分负 荷时，通过优化冷却水泵流量、冷冻水出口温度、冷冻水流量等参数使水泵和主机在满 足制冷要求的情况下，以最小的能耗在最佳状态运行。 1 2 国内外研究现状 暖通空调系统优化控制的研究最早出现于二十世纪7 0 年代，当时的研究更注重优化 控制的最终量值结果【4 】，系统参数也大都通过直接测量或离线回归的方式获取，由于测 量范围广、工作量大，致使结果误差较大。z i m m e r 【5 j 采用二次模型对冷机系统进行了优 化控制研究，采用n e l d e r m e a d 进行寻优。优化后系统的能耗降低了3 ，但作者没有考 虑冷机的启停状态，也未考虑冷凝温度对系统总能耗的影响。c h u n 和n o r d e n n l 6 1 在模型 中考虑了冷冻水供水温度等控制变量，并在约束条件中引入“惩罚因子”概念，采用 n e l d e r m e a d 优化算法。优化后系统的能耗降低了1 2 5 ，但文章作者没有对冷机运行台 数进行优化控制。e n t e r l i n e 7 】采用多维优化方法对空调系统的各组成部件分别进行了优 化控制研究，将冷机和冷冻水泵能耗之和作为目标函数，利用在线方法测绘出能耗随冷 冻水供水温度的变化关系图，由此获取所需参数，但文章作者没有考虑整个系统各组成 部件的相互关系，同时参数的获取较复杂。l a u 8 j 考虑到湿球温度、冷水负荷、冷却塔 风扇转速、冷却泵流量、冷机运行台数等变量、采用实测数据获取参数，该优化策略比 原来节能1 4 。 1 9 8 9 年以后的研究比较注重建模和参数辨识的方法，力求提高优化控制的稳定度和 精度。b r a u n 9 】认为建模的最终目的对所建模型的种类及特点起决定性作用。他分别采用 基于部件i 拘( c o m p o n e n t b a s e d ) 幂l l 基于系统的( s y s t e m b a s e d ) n j 种模型，对某飞机场的空调 系统进行了优化控制研究。文章作者着重对其中的参数辨识方法进行研究，提出“递归 最小二乘”参数辨识法。o l s o n t l 0 j 采用混合整数非线性问题( m i x i n t e g e r n o n l i n e a r p r o g r a m m i n gp r o b l e m ，m i n l p ) 的方法，对具有多台冷机和多台冷却塔的空调系 统进行了优化控制研究，采用s q p ( s e q u e n t i a lq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g ) 法进行优化计算。 1 9 9 8 年c u r t i s s 1 1 】利用人工神经网络技术对某空调系统进行了优化控制研究，采用 2 l 绪论 最速下降法进行寻优。神经网络模型比传统的二次模型更具灵活性，但因其不能微分而 致使可选用的优化计算方法受到限制。1 9 9 9 年b a f l a k e 1 2 】采用b r a u n 的二次模型对某空 调冷却系统进行优化控制研究，采用退火法进行寻优计算，得出在折合费用最低时各控 制变量的优化设定值。此时，研究者将一些先进的建模方法和优化方法引入到中央空调 的优化控制中来。 近两年来，殷平在文献【1 3 】中对冷冻水出口温度分别为5 、6 。c 、7 。c ，进出口温差 取5 、1 0 ，冷冻水流量取不同值时空调系统制冷量、主机能耗作了比较。但文章只 分析了主机的能耗变化，并没有定量表示出冷水泵的能耗变化，且文章只研究了冷水系 统参数变化对主机制冷量和主机能耗的影响，并没有进一步讨论冷却水系统参数变化对 主机制冷量和主机能耗的影响。 集美大学的张建一在文献【1 4 l 中利用微机计算了典型氨两级压缩制冷系统循环中压 缩机功耗与冷凝温度的关系根据对两个工业制冷装置的实地测试和分析，提出制冷装置 在部分负荷时，冷却水系统的节能调节原则，并讨论了不同冷却水流量对冷凝温度、制冷 量s d c o p 的影响。在定程度上可供现行制冷装置的节能调节和新制冷装置的优化设计 参考。文章也只讨论了冷却水系统参数变化对主机制冷量和水泵的影响，却没有兼顾冷 水系统的参数变化对主机的影响。 余平三在文献【l 】中文通过对制冷系统耗能诸多因素的初步分析，采用正交试验、回 归计算等手段得出空调系统能耗与主要因素的函数关系，通过优化计算迅速找出最佳运 行参数指导操作，从而达到节能是目的。但是在优化过程中，冷冻水流量和冷却水流量都 没有变化，而且文章只是针对个别空调系统进行回归优化并没有普遍使用性。 哈尔滨工业大学的赵加宁，周巧航，施雪华在文献【l6 】利用全年空调负荷统计分析结果 及冷水机组部分负荷特性，对制冷系统中冷水机组和冷水泵变流量运行时不同调节方案 的能耗进行了计算，并从中得出冷水机组和水泵的最优运行方案。5 0 负荷以下时，冷水 机组和水泵各开启一台，冷水机组冷量和水泵转速比随负荷实时调节；5 0 负荷以上时， 冷机和水泵均开启两台，且冷机随负荷变化平均分配冷量，两台水泵的调速比也相同。结 果表明，其节能率可达2 3 1 7 。 南京理工大学的许远超在文献【2 】中采用人工神经网络与遗传算法相结合的方法，建 立了空调系统的模型，又利用遗传算法的全局搜索能力在特定的冷负荷状态下，通过优 化运行参数，使空调水系统始终保持在最佳运行状态。文中讨论了冷水出口温度为7 时，不同负荷率的冷却水流量、冷冻水流量、冷却水进口温度的最佳值。并讨论冷水出 口温度变化对末端空气处理设备冷量、除湿能力及冷水机组制冷性能的影响；并针对空调 系统负荷特点和室外气象条件，给出了变水温运行的调节方案。 沈阳工业大学的何厚键在文献【3 】通过分析空调水系统的运行工艺过程和各环节设备 的能耗特点，提出对中央空调水系统的工作设定点进行在线优化，使中央空调水系统在 西安科技大学硕士学位论文 任何工况下，都可以实现最佳运行，节约大量的能量消耗，并针对于中央空调水系统的 特点研究了关键设备的建模方法和优化方法，解决了中央空调水系统的实时优化控制问 题。采用神经网络方法来辨识中央空调系统的静态模型，并且结合实际的运行数据，利 用前馈型网络结合b p 算法建立了冷却塔、制冷机节能关键设备的神经网络模型，解决了 传统的机理分析法和系统辨识方法难以解决的具有高度非线性的中央空调水系统设备 的建模问题。 1 3 本文研究的内容和方法 1 3 1 研究方法 本文的基本思想是建立中央空调系统总能耗优化模型，然后根据模型计算空调系统 不同负荷时的最优参数运行值，确保空调系统始终处于最佳工作点上。 中央空调系统最优化的实现需要分两步来进行：首先，建立空调系统总能耗的合理的 模型，然后根据模型的形式寻找合适的优化算法寻找全局最优点。 在中央空调系统的优化中，系统建模的方法主要有：机理分析法、系统辨识法和人 工神经网络建模。 机理分析法【2 】是以描述物理特性为主的模型，它是基于较详细的物理概念或设备性 能而得出的；是在了解制冷系统物理特性的基础上充分利用流体力学、工程热力学和传 热学等学科的基础理论建立起。模型精度较高，但须待定的参数量较大。 在现代控制理论中，建模手段开始由机理建模向系统辨识建模方法转变。较之机理 分析法，系统辨识法无须深入了解过程的机理。传统的系统辨识法也有自身的缺点：它要 求研究人员给出系统模型的结构及阶次，也就是说模型的建立还是立足于函数的求解， 而对于多输入多输出的复杂非线性系统必须进行解藕，这个过程很困难甚至可能达不到 我们需要的目的。 人工神经网络建模方法可以根据对象的输入、输出信息，不断调整网络的权值和闽 值，以实现输入参数到输出参数的映射，建立模型时不需具体的函数形式，因而整个学 习过程不需要机理方面的细节知识，也不需方程的求解过程就可以得出一个输入输出变 量的函数关系式，该函数式可用于系统的优化控制。适当的选择系统的输入、输出变量， 人工神经网络能够很好地解决传统方法不能解决的具有高度的非线性、多变量系统的建 模问题【1 7 18 | 。 系统辨识建模和人工神经网络建模方法，虽然不需要机理方面的的细节知识，但它 采用的实验工作量大，数学模型通用性差。机理分析法所建立的模型精度较高、通用性 好【l9 1 ，我们在本文中使用机理分析法建立空调系统的优化模型，计算不同负荷时空调 系统参数的最优运行值。 4 1 绪论 1 3 2 研究内容 本课题的内容如下： ( 1 ) 对水冷蒸气压缩式空调系统进行研究，采用机理分析法针对一次泵系统建立了 整个中央空调系统总能耗的目标函数：并针对风机盘管和表冷器两种不同的末端型式分 别建立了约束条件的优化模型。 ( 2 ) 其次，对空气源热泵空调系统进行研究，针对一次泵系统建立了整个热泵空调 系统总能耗的目标函数；并针对风机盘管和表冷器两种不同的末端型式分别建立了约束 条件的优化模型。 ( 3 ) 在上述优化模型的建立中，关键是冷凝温度、排气压力和蒸发温度、吸气压力 这几个重要参数的计算。为了检验所建立模型的正确性，本文在西安市玉祥门大酒店测 量了该酒店空调系统的一组参数运行值。对比结果表明，文中方法所计算的参数值与实 际测量值相差不大，吸气压力的差值最小为0 0 9 4 0 6m p a ，最大为o 1 0 9 9 6m p a ；排气压 力的差值最小为o 0 0 9 2 5 m p a ，最大为o 2 1 m p a 。 ( 4 ) 采用直接求导法对空调系统总能耗的目标函数进行灵敏度分析，得出目标函数 随几个独立变量的变化趋势和改变程度。 ( 5 ) 借助于m a t l a b 语言中的优化程序包，选用f m i n c o n 命令编写了所建模型的优化程 序，对一实际水冷蒸气压缩式空调系统和空气源热泵空调系统负荷率不同的5 种工况分 别进行优化计算，得出不同负荷率时空调系统的最优参数运行值。 ( 6 ) 分析了各种客观因素对空调系统能耗和最优参数运行值的影响，并根据本文优 化结果针对实际空调系统多数时间都处于部分负荷状态的情况，提出了节省系统能耗的 措施。 西安科技大学硕士学位论文 2 中央空调系统分类和特点 2 1 常用空调机组 目前空调系统中普遍选用冷水机组作为空调冷源设备，冷水机组是包括全套制冷设 备，制备冷冻水或冷盐水的制冷机组。冷水机组按驱动的动力可分为两大类，一类是电 力驱动的冷水机组，另一类是热力驱动的冷水机组，又称吸收式冷水机组【2 0 1 。目前，国 内采用的冷水机组基本有三个【2 1 2 2 l ： ( 1 ) 水冷蒸汽压缩式冷水机组； ( 2 ) 溴化锂吸收式制冷机组( 或直燃式吸收制冷机组制冷制热一体化) ； ( 3 ) 空气源热泵机组制冷制热一体化。 其中溴化锂吸收式制冷机组又分双效机组和单效机组，本课题只对采用水冷蒸气压 缩式冷水机组和空气源热泵的空调系统进行节能分析。 2 2 水冷蒸汽压缩式空调系统 2 2 1 水冷蒸汽压缩式空调系统的工作原理 水冷蒸气压缩式空调系统制冷时，液态制冷剂在蒸发器中汽化，使冷水温度降低。低 温低压的气态制冷剂经压缩机压缩，变为高温高压气体，进入水换热器中。制冷剂温度高 于冷却水温度，制冷剂向冷却水传热，制冷剂经冷凝为高压液体；制冷剂高压液态经膨胀 阀节流后进入蒸发器，低压液体制冷剂再次汽化完成一个循环。在这个循环过程中，随着 制冷剂状态的变化，实现了热量从冷水侧向冷却水侧的转移，如图2 1 所示： 放至冷却水热量 f f ”t 膨胀阀 f f ”t 吸收水中热量 图2 1 水冷蒸气压缩式能量转移 6 压缩机 2 中央空调系统分类和特点 2 2 2 水冷蒸汽压缩式空调系统 水冷蒸气压缩式空调系统图如图2 2 所示： 螺 垛 * 佥 1 一蒸发器：2 一压缩机；3 冷凝器；4 一膨胀阀5 - 冷却塔： 图2 2 水冷蒸气压缩式空调系统 在系统中，制冷剂在蒸发器内与冷水发生热量交换，吸收冷水的热量并汽化；同时 冷水在蒸发器中向制冷剂放出热量后，通过水泵和管道输送到各种空气调节处理装置与 被处理的空气进行热交换后，冷水又经过回水管道返回到制冷机的蒸发器中。 蒸发器产生的低压蒸气被压缩机吸入，经压缩后以高压排出。压缩机排出的高温高 压气态工质在冷凝器中被冷却水冷却，凝结成高压液体；同时，冷却水在冷凝器中吸收 制冷剂放出热量后，经水泵送至冷却塔，冷却后的水从冷却塔后又流至冷凝器，如此周 而复始【2 3 j 。 2 3 空气源热泵空调系统 热泵作为一种节能技术受到了世界各国的普遍重视，空气源热泵冷热水机组是近几 年才发展起来的中央空调新型的冷热源设备，其应用十分广泛。机组的种类也很多，如 按压缩机的型式分，有全封闭、半封闭往返式压缩机，涡旋式压缩机，半封闭螺杆式压 缩机等【2 4 1 。 2 3 1 空气源热泵的工作原理 在制冷时，液态制冷剂在蒸发器中汽化，使水温降低。低温低压的气态制冷剂经压缩 机压缩，变为高温高压气体，进入空气换热器，由于制冷剂温度高于空气温度，制冷剂向空 西安科技大学硕士学位论文 气传热，制冷剂经气体冷凝为高压液体；制冷剂高压液态经膨胀阀节流后进入蒸发器，低 压液体制冷剂再次汽化，完成一个循环。在这个循环过程中，随着制冷剂状态的变动，实现 了热量从水侧向空气侧的转移，如图2 3 所示【2 5 】： 膨胀阀 放至空气热量 f ft ft 图2 3 空气源热泵能量转移 2 3 2 空气源热泵空调系统 空气源热泵空调系统图如图2 4 所示： 冷却风 压缩机 冷水系统 1 蒸发器；2 压缩机；3 冷凝器；4 膨胀阀 图2 4 空气源热泵系统 空气源热泵系统的冷水系统与水冷蒸气压缩式空调系统完全相同，制冷剂在蒸发器 内与冷水发生热量交换，吸收冷水的热量并汽化：同时冷水在蒸发器中向制冷剂放出热 量后，通过水泵和管道输送到各种空气调节处理装置与被处理的空气进行热交换后，冷 水又经过回水管道返回到制冷机的蒸发器中。压缩机吸入低压制冷剂气体，经压缩增压后 豫t 水t 收 吸 2 中央空调系统分类和特点 排出高压气体，经过四通阀至风换热器，在风换热器中经风扇使空气循环带走热量，冷却为 高压液体。高压液体经膨胀阀节流后，减压膨胀变为低压的制冷剂液体。 2 4 冷水系统分类 空调冷冻水系统是指以中央设备供应的以冷水为介质，将介质送至末端空气处理设 备的水路系统【2 6 1 。空调冷冻水系统的形式是多种多样的，常用的冷冻水系统形式有【2 7 】： 1 、一次泵定流量系统2 、一次泵变流量系统3 、变流量二级泵系统。系统的形式不同， 优化模型就也不同。 空调水系统设计有定流量系统与变流量系统之分，两种方式均是就负荷侧而言，对 于冷源侧，则应根据制冷方式不同具体分析对待。通常所说得变流量系统是指在水路系 统空调末端采用二通阀调节，根据室温的变化调整其开度或状态，从而引起冷水系统流 量的变化。它是与水路系统空调末端使用三通阀的“定流量系统”相对而言。所谓变流量 与定流量均是指输送冷水的水路系统的流量，而不是通过末端的流量，经过末端装置的 流量在上述两种方式下均是变化的。变流量的目的是要使冷源输出流量所载冷量与经常 变化着的末端所需的冷负荷相匹配，从而节约冷源输送动力和冷源的运行费用【2 引。 2 4 1 一次泵定流量系统 在一次泵定流量系统中，通过冷水机组的冷水流量保持不变，通过水泵的水量为定 值。当负荷减小时，一部分水量与负荷成比例的流过空调机组或风机盘管，另一部分从 三通阀旁通，以保证供冷量与负荷相适应【2 引。 j 供水回水上 图2 5 定流量系统 全年运行工况下，空调系统并不总是满负荷运行。若只有一台冷冻水泵，则通过冷 水机组的水量是一定的。若水泵为两个以上并联，则部分负荷时，通常停开相应的冷水 泵，水泵消耗的功率随水泵运行台数的减少而成阶跃式变化，以节约一定的运行费用【3 0 】。 9 西安科技大学硕士学位论文 当冷源侧冷冻水采用多台泵并联时，在设计工况下，冷冻水泵耗功率为： 已 昂= p 眠( q p k ) 】 ( 2 1 ) k = l 式中下标“k ”表示不同型号水泵的性能系数，“m ”为水泵并连台数。目前大多数的系统都 采用相同型号的冷水机组和冷冻水泵，这时定流量冷冻水系统的冷冻水泵耗功率为： 昂= m p g h w o 0 7 口f l u ) ( 2 2 ) 这种系统的控制方法是在用户末端设备处装三通阀，根据用户房间的温度调节冷水 进入空调末端和进入旁通管的比例。温度高时加大进入末端的比例，温度低时加大进入 旁通管的比例，使室温维持在设定值范围内，系统的总水量在冷水机组侧不变【3 1 1 。 2 4 2 一次泵变流量系统 一次泵变流量系统中，冷水机组的冷水流量仍然保持不变，因为通过冷水机组蒸发 器的水流量不允许太少，否则导致蒸发温度过低，有结冰的危险。我们常用压差旁通控 制法来实现负荷侧的变水量调节。 t 供水回水l 图2 6 变流量一级泵系统 一次泵变水量系统的调节原理是：在负荷盘管上设置的二通调节阀，根据室温调节 器调节经空调末端的水流量，形成供回水之间的压差。当负荷变小，末端上二通阀关小， 供回水管压差增大，如不做相应调解，整个系统的流量将减少，这时利用压差调节器调 节旁通管上的旁通阀予以补偿，从而保持冷水机组的水量不变 2 9 3 2 j 。 这种系统的控制方法是：在用户末端设备处装二通阀，根据负荷的变化调节流经末 1 0 2 中央空调系统分类和特点 端的冷水流量，使通过二通阀的冷水流量和负载需求成比例的。为了满足冷水机组冷水 的定流量要求，在主机旁另外加装了旁通阀。如此流经盘管的流量能满足变流量的要求， 而冷水泵则仍能定流量地满足冷水机组的要求。 2 4 3 二次泵变流量系统 二次泵变流量系统如图2 7 所示： l 一级泵；2 二级象； 图2 7 变流量二级泵系统 二级泵变流量系统中，冷水系统分为冷水制备系统和冷水输送系统两部分。冷源侧 与冷水机组相对应的水泵称为一次泵，它与供回水干管的旁通管组成定水量一次环路， 即冷水制备系统，负责冷水的制备。负荷侧与用户相对应的水泵称为二次泵，它与负荷 侧末端设备、管路系统和旁通管构成二次环路，即冷水输送系统，负责冷水的输送【2 引。 二级泵系统允许冷源侧定流量，用户侧变流量，减少了泵动力，通过负荷变化，允许选 择合适的泵控制流量变化，简化了系统的控制和运行 3 3 3 6 1 。 西安科技大学硕士学位论文 这种系统的特点是采用两组泵来保持冷水机组一次环路的定流量运行，而用户n - - 次环路为变流量运行，从而解决空调末端设备要求变流量与冷水机组蒸发器要求定流量 的矛盾。该系统完全可以根据空调负荷的需求，通过改变二次泵的台数或者水泵的转速 调节二次环路的循环水量，以降低冷冻水的输送能耗p 。 系统的运行调节方法是：一次泵水泵输送的水在制冷机组、分水器、集水器、分水器 和集水器之间的连通管道形成的环路中循环运行，一次泵的扬程用来克服制冷机组和 分水器、集水器、管路、阀门等部件的阻力，不承担用户侧管路系统的阻力。二次水泵 的扬程用来克服用户侧环路内末端装置或空调处理装置盘管、管路、阀门等部件的阻力， 二次水泵流量的调节是根据二次管路系统主供、回水管内冷冻水的温度差，通过调节水 泵的转速来实现的，可以采用变频调速器改变次级水泵的转速1 2 6 1 。 二次泵系统的介绍在专业文章中屡见不鲜，但在具体工程中是否采用这种系统的关 键是要仔细研究用户侧各部分空调负荷的性质、变化特性和各管路阻力差异等情况。当 用户侧负荷变化较大，有条件采用变频水泵时，系统的节能性无疑比较显著。但在一些 常见的办公、商业大楼中、负荷和管路特点不明显，空调器的控制不理想，我们就应考 虑到采用二次泵系统会带来管路复杂、机房面积大、水泵需量多、自控要求高等因素。 正因为如此，一次泵系统在许多工程中仍被广泛应用【3 川。 文献【2 6 j 统计自1 9 9 6 年至2 0 0 0 年5 年间暖通空调期刊及其他文献正式发表的工程 实例1 3 3 项，其中采用一次泵系统的有1 2 0 项，采用二次泵系统的有1 3 项，即采用二次泵 系统的项目仅占统计总项目的9 8 ，从直观上看，这个比例并不高 3 8 1 。鉴于二次泵在 我国的应用现在还不广泛，在本课题中只对一次泵定流量系统和一次泵变流量系统进行 研究。 2 5 本章小结 本章首先概述了水冷蒸气压缩式空调系统和空气源热泵系统的工作原理及工作过 程；然后详细介绍了中央空调中的冷水一次泵定流量系统、一次泵变流量系统和二级泵 变流量系统，着重研究了这三个冷水系统的结构特点和负荷变化时的控制方法。 1 2 3 空调系统优化模型的建立 3 1 工程最优化问题 空调系统优化模型的建立 随着现代科技和生产的发展，人们在设计一个工程系统时，总希望得到一个最优的 方案。所谓最优，往往表现在投资最少、利润最大、时间最省、产量最高、质量最好等 等。从事任何工程项目，不管是设计新系统还是改造己有系统，一般总存在各种不同的 候选方案，人们总是按照一定的标准设法从中选出最好的方案加以实施，以达到最满意 的效果这就是工程最优化问题。 优化是为了达到合理的技术设计而进行的数学和技术上的综合处理工作。通常包括 两种情况【j 圳： a ) 使预定的代价( 能源、材料或总投资等) 得到最大的技术效果； b ) 用最小的代价得到预期的技术效果。 前者是在己知允许消耗量的情况下对系统进行优化，以使其获得最大的技术效果： 而后者是在己知要达到的技术效果的前提之下优化系统，使支出( 材料和能源方面) 为最 小。本文所讨论的中央空调系统优化问题属于后者，即在满足用户需冷量的前提下，对 有限个参数进行综合优化，使空调系统总能耗最低。 从已建系统和新建系统作为优化前提，制冷系统的优化可分为两类问题：对于己建 系统是根据机器、设备的实际条件来优化热力学过程，即通过优化制冷机的运行参数来 达到节能的目的。对于新建系统则是用有关的优化准则来优化各个部件及整个系统，一 般所讲的优化设计或设计优化即属于该范畴，这类优化问题的结果是要求预先确定一组 设备的结构和运行参数的最优值。它同设计、制造制冷压缩机和设备的技术理论及实践 是密切相关的。本文要研究的是空调系统不同负荷的最优运行参数，也就是通过优化运 行参数来实现节能。 3 2 制冷系统的优化准则 制冷系统的优化准则最常见的有三种【4 0 1 ：即热力学准则、结构设计准则和经济准则。 ( 1 ) 热力学准则是从热力学的观点出发，在给定的条件下选择各种制冷参数，使它 们在制冷循环时损失最少，制冷系数最大。对于己经运行的制冷系统，热力学准则在确 定其最优运行参数时具有指导意义。 ( 2 ) 结构设计准则是从制冷系统中的各种设备重量和尺寸出发，力求把它设计成重量 最轻，总尺寸最小的系统。这一准则一般用于设计特殊用途的换热器，如空间飞行器上 用的换热器要求尺寸最小或是重量最轻等。应用这一准则，通常须加一些约束条件，例 西安科技大学硕士学位论文 如费用限制，否则全部使用贵重金属会导致成本无法承受。 ( 3 ) 经济准则是一个比较全面的、合理的准则，它可用费用总额最低来表示。它综 合考虑了制冷系统的性能和结构，既考虑了运行费用，又考虑了初投资，提出了所谓总 成本的最小值。制冷系统的所有费用e 可表示为： 厂( 功= e = 吼+ ( k 弦 ( 3 1 ) i = 1i = 1 式中：一制冷系统某部件或设备的投资费用， ( 元) ； q ，一每种设备的年折旧费百分比，( ) ； ，一制冷系统的部件和设备总数； k 一某部件或设备工作时动力等的费用， ( 元伽； f 一制冷系统每年工作的小时数，( 1 l 年) ； 经济准则就是在给定的条件下选择合适的参数，使目标函数值最小。e 值的算式( 3 1 ) 由两部分组成。第一部分为制冷系统所有部件、设备投资费用的每年偿还金额；第二部 分为制冷系统中各设备和部件消耗电等费用的金额数总和。 本文选择热力学准则，优化给定制冷量时的空调系统运行参数。即在保证用户需冷量 要求的同时，使整个空调系统的能量消耗最小。解决最优化问题的技术称为最优化技术。 这种技术一般可以分为两个方面： ( 1 ) 建立数学模型：将实际的最优化问题用数学语言描述出来。模型由一组数学关 系式，如方程、不等式、逻辑依赖关系式等组成。模型中的数学问题关系式反映了最优 化问题所要达到的目标和各种约束条件。 ( 2 ) 求出最优解：其内容包括对己建立的数学模型进行分析、选用适当的最优化数 学方法、编写计算程序、以及在计算机上运算和对计算的结果进行评价、求出实际问题 的最优解等。 3 3 水冷蒸汽压缩式空调系统优化模型 本文依据热力学优化准则，在给定制冷量时优化各种运行参数，使它们在制冷循环 时损失最少，冷水机组的综合制冷系数最大。即求给定制冷量时，下式的最大值【2 1 ： 唧2 南 ( 3 2 ) 式中，c o p 为制冷系数；q 为给定制冷量，k w ；e 。为冷却水泵能耗，k w ；e ：为压缩 机能耗，k w ；e ，为冷水泵能耗，k w ； 1 4 3 空调系统优化模型的建立 3 3 1 目标函数分析 对于本文所研究的两种冷水系统，通过冷水机组、沿程各管路的水量是一定的，负 荷变化时冷水流量不变。当冷水泵采用变频泵，流量不变则冷水泵的功率不变，冷水泵 能耗e 3 是定值。根据以上分析，求给定制冷量的综合制冷系数的最大值相当于求下式的 最小值： f = e 1 + 垦( 3 3 ) 式中：厂为冷水机组和冷却水泵的总能耗；我们就以厂最小为最优化的目标函数， 下面对公式( 3 3 ) 中各部分能耗逐个进行分析： ( 1 ) 冷水机组能耗分析 冷水机组中的主要耗能设备是压缩机，我们在模型建立中用压缩机的能耗来代替冷 水机组的能耗。这样，对于理论排气量不变的制冷压缩机( 简称定容量压缩机) 而言， 当所用的制冷剂不变时，其制冷量、耗功率( 即输入功率) 以及需要在冷凝器排出的热 量，主要与压缩机吸气压力和排气压力呈函数关系，即p ：，( 仇，p 0 ) 。压缩机功率与吸 气压力和排气压力的具体关系可以用公式( 3 4 ) 表示【4 2 】： p = 扭w 击术 州1 0 - 3 ( 3 4 ) 卵尼一上豫 、7 式中，p 一压缩机功率，k w ； a 一输气效率； 卵一电效率； k 一多变指数； 一理论输气量( 对结构固定的压缩机为定值) ，m 3 s ； p o 、p k 一压缩机进气压力、压缩机排气压力，p a 。 输气效率 输气效率a 的主要影响因素是压力比警，当压缩机转速大于7 2 0 r m i n 时【4 3 】： 。土 入= 0 9 4 一o 0 8 5 ( 丝) 珊一1 f 3 5 1 电效率 电效率叩可由公式( 3 5 ) 计算： 叼2f l i t m 叩m 。 ( 3 6 ) 式中，叩i 是指示效率，理论比功与实际压缩过程中所消耗的指示比功之比；影响指示效 率的因素主要有：压缩机运行工况、压缩机结构与质量、制冷剂性质等 4 4 1 。是机械 效率，表示指示比功与实际消耗的压缩功之比；r k n 。是电动机效率，表示电动机输出效 西安科技大学硕士学位论文 率与输入功率之比，直接传动。取1 ，三角皮带传动时，叩f l 。取0 9 到0 9 5 ；电效率叩 可根据具体设备按常数给定【4 5 1 。 由以上分析可以知道压缩机的功率p 是压缩机排气压力p 。和压缩机进气压力p 。的 函数。在制冷系统中我们通常假设p 。等于冷凝压力，p 。等于蒸发压力。我们知道，冷 凝压力、蒸发压力分别是冷凝温度和蒸发温度的函数，其函数关系为【4 6 1 ： 阢一x p ( 0 1 + 焘) _ ( 3 7 ) p 。一x 比+ 熹) ( 3 8 ) 将公式( 3 7 ) 、( 3 8 ) 带进输气效率a 的计算式( 3 5 ) 可得出输气效率a 和冷凝温度、蒸发 温度的关系： 入：o 9 4 一o 0 8 5 e ( 去一南) 二一1 】 ( 3 9 ) 把公式( 3 7 ) 、( 3 8 ) 、( 3 9 ) 带入公式( 3 4 ) ，得出压缩机输入功率与蒸发温度和冷凝温 度的关系为： p = ，u “堕、i - - _ 1 q ：坠兰：堕睦竺型术v ， f 3 10 、 丰e “+ 焘) 木土木e 焘一意) _ k - i 一1 * 1 0 - 3 、。 k 一1 。 对于常用的制冷剂r 2 2 4 6 1 ，a 1 取2 1 2 5 3 8 4 ，a 2 取( 2 0 2 5 4 5 1 8 ) ，a 3 取2 4 7 9 4 ；多变指数 k 取1 1 0 【4 3 】，n 。取1 1 8 【4 3 】，电效率叩取定值0 7 【4 7 】。 ( 2 ) 冷却水泵的能耗分析 水泵是水系统的动力源，是在空调系统供、回水系统中输送冷、热媒水和冷却水的 机械。常用的水泵有两种：离心式和轴流式水泵。因为在实际应用中离心水泵的使用率 很高，所以在这里我们主要讨论离心水泵。 离心泵的基本结构 离心泵的基本结构如图3 1 所示。 离心泵的工作过程 离心泵叶轮的前盖板上有一圆孔，即叶轮的进水口，它装在泵壳的吸水口内与水泵 吸水管路相连通。离心泵在启动之前，要先用水灌满泵壳和吸水管道，然后启动电动机 带动叶轮和水作高速旋转运动，此时水受到离心力作用被甩出叶轮，经蜗形泵壳中的流 道而流入水泵的压力管道，由压力管道而输入管网中去。与此同时，水泵叶轮中心处由 1 6 3 空调系统优化模型的建立 于水被甩出而形成真空，即水池中的水便在大气压力作用下沿吸水管源源不断地被吸入 到泵壳内，又受到叶轮的作用被甩出，进入压力管道，形成离心泵的连续输水过程。 4 9 7 1 泵壳：2 一泵轴；3 叶轮；4 一吸水管；5 压水管：6 底阀：7 一闸阀；8 一灌水漏斗：9 一泵座 图3 1 离心泵的构造 水泵的相似律 为了研究水泵的能耗，我们下面来分析一下水泵的相似律。水泵相似律可用公式 ( 3 11 ) 、( 3 1 2 ) 署n ( 3 1 3 ) 表示： 1 扬程换算公式： 等= ( 鲁) 2 ( 2 ( 3 1 1 ) 2 流量换算公式： 等= ( 务：号 (