空调冷水系统的仿真数学模型及实验分析.pdf

No 4 2010 总第134期 第31卷 制冷空调 与电力机械 Refrigeration Air Conditioning Electric Power Machinery 中图分类号 TU831 3 6 TP337文献标识码 A文章编号 1006 8449 2010 04 0036 04 0引言 目前 流体换热管网和末端装置 或热交换设备 的稳态数学模型与水力学特性的模拟方法有许多研究 成果报道 文献 1 引入网络图论的原理 给出了流体管 网计算和调节的数值计算方法 文献 2 分别建立了表 冷器和风机盘管在大温差下的性能方程 定量分析了 冷水大温差对表冷器及风机盘管性能的影响 文献 3 对国内外翅片型表冷器换热及压降关联式的研究进行 了总结 并对不同翅片表冷器的性能进行了评价 文献 4 从热力学和传热传质的基本原理出发 以 T R N S Y S 为仿真平台 建立了表冷器动态数学模型 并进行了实 验验证 文献 5 对已有的板式换热器中流体的换热系 数及压降的计算式进行了总结 并对它们各自的优缺 点做了探讨 本文的工作是引入管网解算的基本方法 利用空调系统中换热器中已有的经验关联式 建立空 调系统的各部件和整体的仿真模型并进行实验验证 通过模拟计算研究空调冷水系统的热力特性 1数学模型 1 1 稳态流体管网的输配方程 若管网的节点数为 N 1 管段数为 b 则整个管网 的稳态流动可由流量平衡方程和回路压降平衡方程来 表示 1 AGb 0 1 C R Gb Gb hF hp 0 2 式中 A N b 阶基本节点 分支关联矩阵 其元素 由 1 1 和 0 组成 Gb G1G2 Gb T为分支流量 b 维 列矢量 C b N b 阶基本回路 分支关联矩阵 其 元素由 1 1 和 0 组成 hF 分支的动力压头 如水泵扬程 风机风压等 向量 hF hF 1 hF k hF b T hp 分支的附加作用压头或自然循环作用力 hp hp 1 hp k hp b T R Gb 分支阻抗和流量的绝对值 均为对角方 阵 模型求解需确定管段阻抗 水泵 阀门的方程 为 避免假收敛 水泵性能曲线给出 5 次多项式 1 管段摩 擦阻抗和局部阻抗分别与沿程阻力系数 和局部损失 系数 有关 对于管内湍流 按显式格式进行计算 6 的值从手册中查取 1 2 翅片管表冷器的数值计算模型 对于空调机组的表冷换热段 常采用翅片管的形 式 其空气与水的流动方式主要为逆交叉流 当冷却器 空调冷水系统的仿真数学模型及实验分析 张成义 孙金鹏 朱启振 孙德锋 山东电力工程咨询院有限公司 山东 济南 250013 摘要 引入稳态流体管网的解算方法 建立了翅片管表冷换热器 板式换热器的数值传热模 型 利用 FORTRAN 语言编制了相应程序 基于实验室的空调系统 在冬季供暖工况下对该模型 进行了验证 模拟值与实测值的误差在 10 以内 在不同工况下对系统热力特性进行了数值模拟 得到了热源侧供水温度 空调机组进风温度以及用户侧流量三者与系统换热量的函数关系 对空 调系统的节能控制策略提供了参考 关键词 空调 管网 仿真 冷水系统 计算机应用与 IT 技术 36 No 4 2010 总第134期 第31卷 制冷空调 与电力机械 Refrigeration Air Conditioning Electric Power Machinery j4 0 2 6 7 5 Gmax Dw a ww 0 4At Af At ww 0 1 5 1 3 2 5 1 0 6 5 jn j4 1 n 1280 Gmax XL a ww 1 2 1 4 1280 Gmax XL a ww 1 2 6 排数大于 2 时 可完全看做逆流 层流和紊流两种情况 下水侧换热系数分别按式 3 和式 4 计算 7 w l 3 65 0 0668 Dw Lw wwRewPrw 1 0 04 Dw Lw wwRewPrwww 2 3 w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w Dw 3 w t 0 0 2 3 5 Rew 0 8 2 3 0 1 8 Prw0 3 0 8 1 Dw Lw ww 2 3 ww w Dw 4 式中 Dw 管径 m Lw 冷水每个流程的长度 m w 水的导热系数 W m Rew 管内水流动的雷诺数 Prw 水的普朗特数 空气侧换热系数常用 j 因子方法 j 因子的计算采 用 M c Q u i s t o n 关联式 8 其优势在于应用范围较宽 能 够反映出包括片间距 片厚 管间距 排数及表冷器长 度在内各参数的影响 管排数在 4 排及 n 排 n 4 以上 时 j 因子的计算公式如下 式中 Gm a x 表冷器最小断面处的空气流量 m 3 h a 空气的动力粘度 P a s At A型光管面积 m 2 Af B型光管面积 m 2 XL 表冷器的有效长度 m 计算流程是按表冷器内空气流向将整个盘管沿空 气流动方向划分为若干个计算网格 首先假定水的出 口温度 根据入口空气的温度和焓值以及水侧和空气 侧的热阻关系 通过迭代计算管壁温度 该网格的热交 换量以及下一网格空气和水的温度 按空气流动的相 反方向对每个网格进行计算直至入口单元 将算得的 水的入口温度与已知值进行比较 若差值超过了允许 范围 调整假设的出水温度后重复进行迭代计算 直到 进水温度误差在允许范围内为止 1 3 板式换热器的计算模型 板式换热器的换热模型采用平均温差法 9 板换热 水侧与冷水侧的努谢尔特数按下式计算 Nu 0 3 7 4 G M S ww 0 6 6 8Pr0 3 3 7 式中 G 水量 m 3 h M 板式换热器的流道数 S 单流道换热面积 m 2 Pr 水的普朗特数 基于管网解算模型和表冷器 板式换热器 水泵 阀门的模型 用 F O R T R A N语言编程完成空调系统仿 真模型的建立 2实验验证 2 1 实验台简介 为了验证上述模型 利用大连理工大学建筑环境 与设备实验室土壤热泵空调系统实验台 如图 1 所示 的在冬季供暖工况下进行了 1 0 次实验 图中的来自土 壤源热泵机组的热源侧供水 后称一次水 经板式换 热器换热给作为用户的组合式空调机组 A H U 和 6 个 风机盘管 F A U 1 6 在实验中一次水量恒定为 8 6 4 m 3 h A H U采用全新风运行 新风量测试值恒定为 2 8 3 7 m 3 h 表 1 给出了实验与模拟结果 包括用户侧供 回水温度和 A H U送风温度的对比 可见模拟值与实验 值的相对误差较小 可保持在 1 0 以内 从而验证了上 文所述模型的正确性 3表冷器热工性能及系统热力特性的模拟研 究 在该系统中 影响末端换热效果的因素有 3 个 1 一次水供水温度 2 进风温度 3 用户侧水流量 下面 分别根据模拟程序研究 3个因素对换热量的影响规 律 首先 当用户侧流量恒定时 研究一次水供水温度 对 A H U换热量的影响 当一次水供水温度在 3 8 5 4 图 1 土壤热泵空调系统实验台示意图 计算机应用与 IT 技术 FCU6 FCU5 FCU4 FCU3 FCU2 FCU1 一 楼 环 路 二 楼 环 路AHU 集水器分水器 板式换热器 来自热泵机 组的一次水 V1V2V3 37 No 4 2010 总第134期 第31卷 制冷空调 与电力机械 Refrigeration Air Conditioning Electric Power Machinery 换热量 kW 水流量 m3 h 图 6 用户侧流量调节对系统换热量的影响 表 1 实验值与模拟值的比较 范围内变化时 选取 A H U进风温度分别在 7 9 1 1 1 3 和 1 5 五个工况 对各工况下的用户侧供 回水温差进行模拟计算 结果如图 2 所示 其次 当用 户侧流量恒定时 研究 A H U进风温度对系统换热量的 影响 当 A H U进风温度在 7 1 5 范围内变化时 选取 一次水进水温度分别在 3 8 4 2 4 6 5 0 和 5 4 五个温度工况 对各工况的换热量进行模拟 结果如图 3 所示 从两图可见 A H U换热量随一次侧供水温度 的增加而线性增加 随 A H U进风温度的增加而线性 减少 最后 当 A H U进风温度和一次水供水温度恒定 时 研究用户侧流量变化对系统热力特 性的影响 设置进风温度为 1 0 一次水 供水温度为 4 8 此时调节用户侧环路 阀门的开度 使通过 A H U的水流量在 1 5 7 5 m 3 h 范围内变化 用户侧供回水 温度 温差和换热量的模拟结果如图 4 图 6 所示 各图中的曲线代表拟合的函 数曲线 由图 4 可见 随着流量的增加 用户 侧供回水温差以负指数曲线关系下降 变化的幅度也越来越小 由图 5 可见 在 整个流量变化过程中 供水温度会有所 下降 但变化幅度较小 回水温度上升 供 回水随流量变化的趋势均可用指数曲线近似拟合 由图 6 可见 在一次水供水温度不变的前提下 随 实验 次数 10 9 1 2 3 用户侧回水温度 37 327 实验值 37 273 36 826 38 313 39 302 438 875 538 615 638 495 738 419 837 644 模拟值 36 751 38 055 39 083 38 849 38 478 38 830 38 859 39 038 39 096 38 439 AHU送风温度 误差 实验值模拟值 误差 0 2132 66733 3862 20 0 6734 60834 387 0 64 0 5635 80935 233 1 61 0 1135 80734 779 2 87 0 6335 86434 718 3 20 1 4135 98534 773 3 37 1 7636 12934 571 4 31 2 1135 84733 585 6 31 4 2335 76933 773 5 58 3 0835 98934 263 4 80 用户侧供水温度 52 612 实验值 51 759 43 501 46 130 47 881 48 564 49 153 49 868 50 694 51 023 模拟值 误差 42 935 1 30 45 526 1 31 47 229 1 36 47 895 1 38 48 527 1 27 49 297 1 15 50 160 1 05 50 518 0 99 51 258 0 97 52 253 0 68 用户侧供回水温差 换热量 kW 一次水进水温度 图 2 一次侧供水温度对用户侧供回水温差的影响 AHU进风温度 图 3 AHU 进风温度对系统换热量的影响 供回水温差 温度 水流量 m3 h 图 5 用户侧流量调节对供回水温度的影响 水流量 m3 h 图 4 用户侧流量调节对供回水温差的影响 y 17 759x 0 8639 y 48 03x 0 027 y 35 659x 0 0918 计算机应用与 IT 技术 9 13 7 11 15 AHU进风温度 9 8 7 6 5 4 384042444648505254 38 42 46 50 54 一次水进 水温度 30 27 24 21 18 157 89101112131415 10 9 8 7 6 5 4 3 1 52 53 54 55 56 57 5 1 52 53 54 55 56 57 5 48 46 44 42 40 38 36 回水 供水 1 52 53 54 55 56 57 5 28 27 26 25 24 23 22 21 38 No 4 2010 总第134期 第31卷 制冷空调 与电力机械 Refrigeration Air Conditioning Electric Power Machinery Mathematical Model and Experimental Analysis of Chilled Water System in Air Conditioning Z H A N GC h e n g y i S U NJ i n p e n g Z H UQ i z h e n S U ND e f e n g Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Ltd Jinan 250013 China Abstract I n c o r p o r a t i n gt h et h e o r yo f s t e a d ys t a t ef l u i dn e t w o r k s t h i s p a p e r d e v e l o p e dm a t h e m a t i c a l m o d e l s f o r f i n a n d t u b e h e a t e x c h a n g e r s a n dp l a t ee x c h a n g e r s A n dt h ec o m p u t e r p r o g r a mw a s d e s i g n e db a s e do nF O R T R A N B y c o m p a r i n g w i t h t h e e x p e r i m e n t a l d a t a o f t h e a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e mi n t h e l a b o r a t o r y i t s v e r i f i e d t h a t t h e e r r o r o f s i m u l a t i o n d a t a w a s l e s s t h a n 1 0 i n t h e h e a t i n g c o n d i t i o n N u m e r i c a l s i m u l a t i o n u n d e r v a r i o u s o p e r a t i n g m o d e s r e f l e c t e d t h e i m p a c t o f s u p p l y w a t e r t e m p e r a t u r e o n t h e p r i m a r y s i d e i n l e t a i r t e m p e r a t u r e o f a i r h a n d l i n g u n i t A H U a n d t h e f l o wr a t e o n t h e h e a t t r a n s f e r r a t e T h e s e c o n c l u s i o n s a r e e x p e c t e d t o o f f e r g u i d a n c e f o r t h e c o n t r o l s t r a t e g i e s o f a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m s Key words a i r c o n d i t i o n i n g n e t w o r k s i m u l a t i o n c h i l l e d w a t e r s y s t e m 作者简介 张成义 1970 男 高级工程师 从事暖通空调设计工作 着用户侧水流量的增加 用户侧换热量近似以指数曲 线关系上升 流量增大到一定程度时换热量已趋于稳 定值 这一结果深刻地提示了供暖空调系统运行过程 中 大流量小温差 的现象 增大用户侧流量 只能在一 定范围内使换热量提高 且换热量的提高与水流量的 增加并不呈线性关系 不利于节能 4结语 1 建立了空调冷水系统的仿真模型 在冬季工况 下进行模拟计算 并与实验进行对比 误差保持在 1 0 以内 从而验证了该仿真模型的正确性 2 表冷器换热量随热源侧供水温度的增加而线 性增加 随进风温度的增加而线性减少 3 在热源侧供水温度不变的前提下 提高用户侧 水流量 会使供水温度有所下降 回水温度上升 流量 提高至一定程度两者变化趋于平缓 供 回水温度和温 差及换热量随流量变化的趋势均可用指数函数近似拟 合 参考文献 1 王树刚 孙多斌 稳态流体管网理论 M 北京 煤炭工业出版社 2007 2 于丹 陆亚俊 冷水大温差对表冷器及风机盘管性能的影响 J 暖通 空调 2004 34 3 77 79 3 刘建 魏文建 丁国良 等 翅片管式换热器换热与压降特性的实验研 究进展 关联式 J 制冷学报 2003 4 21 27 4 孟华 集中空调水系统的仿真及上位机控制器的实时优化控制研究 D 博士学位论文 上海 同济大学 2004 5 倪晓华 夏清 萧渊 板式换热器的换热与压降计算 J 流体机械 2002 30 3 22 25 32 6 HAALAND SE Simple and explicit formulas for the friction factor in turbulent flow J Trans ASME J Fluids Engng 1983 105 1 89 90 7 ROHSENOW WM Handbook of Heat Transfer M 3rd Edition New York McGraw