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冷冻站设备选型及运行策略对运行能耗的影响分析清华大学：陈毅兴 张晓亮 燕达 王闯 陈权 夏建军 石文星 李先庭 江亿 三菱重工株式会社：入谷阳一郎 上田宪治摘要：在建筑节能方面，空调系统的节能至关重要。除了提高单台设备的性能参数，通过保温等手段减少室内负荷外，合理的设备选型和适当的运行管理也能达到节能的效果。本文主要研究不同的冷冻站设备选型及不同的冷冻站运行策略对冷冻站全年运行能耗的影响。其中主要采用模拟分析的方法，通过DeST模拟建筑全年逐时负荷，结合不同的冷冻站设备选型和不同的冷冻站运行策略，模拟计算各种情况下冷冻站的全年逐时运行能耗，并对比分析不同冷冻站设备选型和不同冷冻站控制策略对运行能耗的影响。关键词：设备选型、运行策略、全年运行能耗Research on Equipment Sizing of Cooling Plant and Influence of Control Strategy to Operation Energy PerformanceYixing CHEN1), Xiaoliang ZHANG1), Da YAN1), Chuang WANG1), Quan CHEN1), Jianjun XIA1), Wenxing SHI1), Xianting LI1), Yi JIANG1), Yochiro IRITANI2), Kenji UEDA2)1)(Tsinghua University) 2) (Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.)Abstract: In order to reduce the building energy consumption of air-condition system, improving the performance of equipments and using all kinds of methods to reduce the building load are both effective. On the other hand, reasonable design and management also can play an availability role. This paper is mainly to simulate some effect factors of the annual energy consumption of air-conditioning system. The factors researched are different types of chiller combination and different operation strategies of chiller, which may lead different energy consumption. The system combination simulation model presented in this paper is mainly to simulate the annual hourly energy consumption based on the building load result and the weather data.Key words: Chiller Combination、Operation Strategy、Annual Energy Consumption1. 引言空调系统是大型建筑的主要用能系统，在对广州9幢综合楼建筑的能耗调查中，空调系统的能耗占建筑总能耗的比值平均为38.68%1；而冷热源又是空调系统中的主要用能设备，约占空调系统总能耗的55%65%2，因此，提高冷热源的运行效率，对降低建筑运行能耗具有十分重要的意义。建筑能耗调查发现，不合适的冷机搭配与粗糙的运行管理使得冷机经常处于低效运行状态，大大增加了建筑能耗。目前国家已推出能效等级标准来提高冷水机组的性能参数，但如果在冷冻站设计中，考虑合理的冷机搭配选型及其运行策略，将有助于提高整个空调系统的运行效率，达到降低能耗目的。在目前的空调系统设计过程中，冷机选型一般只考虑满足最不利工况下的要求，也就是选择的冷机的总制冷能力大于或等于最不利工况下的冷负荷即可，然而由于建筑物绝大部分时间处于部分负荷工况，因此，针对最不利工况的设计存在较大缺陷，在设计过程中，应当考虑建筑的全年运行情况。在此，本文主要针对全年运行情况，研究冷机的容量搭配对冷冻站全年运行能耗的影响，进而确定相对更优的冷机选型方案。另一方面，在实际运行中，大多是根据管理人员的经验进行控制，缺乏有效的运行管理策略，故亟需改进。然而由于影响空调系统优化控制的因素很多，如：何时需控制冷却水温度3、如何运行新风系统4等，故本文仅对多台冷机的运行策略进行研究，通过对比两种不同的运行策略对冷冻站全年能耗的影响，进而说明冷冻站运行策略对全年运行能耗的重要性。本文通过模拟分析方法，以某系列各型号的离心式冷水机组为冷机选型样本，分析同一建筑、不同的冷机选型及不同运行策略对建筑运行能耗的影响。2. 冷冻站设备选型及运行策略图1 冷机COP与冷却水进水温度、冷机负荷率的关系2.1 冷冻站设备选型本文以某系列各型号的离心式冷水机组为冷机选型样本，表1给出了该系列冷机的相关信息（包括冷机的额定制冷量、冷却水流量和冷冻水流量）。以冷冻水和冷却水系统均为一次泵定流量系统为例对水泵进行选型。在水泵选型时，通过冷机样本可以得到水泵流量，然后计算系统管道压降和相应设备的阻力可以得到水泵扬程；根据扬程和相应的流量，查找水泵数据库，选择各冷机在建筑中适用的冷冻水泵和冷却水泵。表1中给出的泵耗为相应冷机在北京某一办公楼的冷冻泵和冷却泵的总装机功率。每个型号的冷机均有如图1所示的性能曲线（冷冻水出水温度为7），以此建立冷机模型，以考察冷机在不同冷却水进水温度和不同负荷率条件下的逐时COP及全年运行能耗。表1 某系列各型号冷机的相关信息冷机编号额定制冷量（冷吨）冷却水流量（）冷冻水流量（）泵耗（）1400286.7241.331.42500355.2301.639.13600426.5362.046.94700496.7422.354.75800569.0482.662.661000710.9603.378.271200856.5724.094.181400994.8844.6109.5917001208.91025.6133.01019001345.41146.3148.31120001414.21206.6156.0当得到建筑冷负荷和冷机型号的信息后，就可以进行冷冻站设备选型。例如，北京某一办公楼的最大冷负荷为2233冷吨，表2列出了部分可选的冷机搭配。表2 冷冻站设备选型相关信息表冷冻站设备选型方案方案 11400冷吨1400冷吨方案2400冷吨400冷吨2000冷吨方案3400冷吨400冷吨400冷吨2000冷吨2.2 冷机运行策略当一栋建筑内的冷机选型确定后，在实际运行管理中，存在着多种多样的运行管理策略，本文仅对比分析“台阶式”运行方案和“理想化”运行方案两种运行策略对建筑全年运行能耗的影响。这两种方案中的共同假设为：当多台冷机同时开启时，各台冷机的负荷率相同，但其最低负荷率为10%。下面分别以一个案例对两种运行策略进行说明。2.2.1 “台阶式”运行方案某时刻建筑冷负荷Q某时刻应该运行的冷机Q50冷吨冷机不运行50Q500冷吨500冷吨500Q800冷吨800冷吨800Q1000冷吨1000冷吨1000Q1300冷吨500冷吨+800冷吨1300Q1500冷吨500冷吨+1000冷吨1500Q1800冷吨800冷吨+1000冷吨1800Q2300冷吨500冷吨+800冷吨+1000冷吨表3 “台阶式”运行方案控制策略“台阶式”运行方案，是指将冷机的各种搭配组合按照制冷能力的大小排序，在运行时，选取恰能满足需求的组合形式来开启冷机。例如，当建筑的最大冷负荷为2233冷吨，选择三台冷机，其装机容量分别为500冷吨、800冷吨和1000冷吨，则三台冷机的制冷能力共有7种组合：500冷吨、800冷吨、1000冷吨、1300冷吨（500冷吨+800冷吨）、1500冷吨(500冷吨+1000冷吨)、1800冷吨(800冷吨+1000冷吨)、2300冷吨(500冷吨+800冷吨+1000冷吨)。设Q为某时刻建筑的冷负荷，则“台阶式”运行方案控制策略如表3所示。2.2.2 “理想化”运行方案表4 冷机组合方式表组合方式冷机1冷机2最大制冷量最小制冷量600冷吨1200冷吨方式1开启关闭600冷吨60冷吨方式2关闭开启1200冷吨120冷吨方式3开启开启1800冷吨180冷吨“理想化”运行方案，是指当冷机选型确定后，根据建筑的逐时冷负荷、冷却水逐时进水温度和冷机的COP性能曲线，分别计算出满足要求的各种冷机组合的综合运行效率，选用效率最高的冷机组合方式为运行方式。例如：某一建筑的最大冷负荷为1600冷吨，并且选择了两台冷机，装机容量分别为600冷吨和1200冷吨，如表4所示，两台冷机共有三种“理想化”组合方式。图2 “理想化”运行方案原理示意图当冷却水进水温度为32时，各种组合方式下建筑冷负荷与冷冻站运行电耗之间的关系如图2所示。从图中可以看出，当建筑冷负荷大于60冷吨且小于600冷吨时，采用方式1的运行能耗最低；当建筑冷负荷大于600冷吨且小于1100冷吨时，采用方式2的运行能耗最低；当建筑冷负荷大于1100冷吨时，则采用方式3运行。通过该方法，可以得到其他冷却水进水温度下的运行方案。3. 冷冻站能耗模拟计算方法在空调系统设计过程中，设计者可以选择不同冷冻站设备和不同的运行策略，不同的选择将导致不同的能耗。为对比分析不同设计之间的优劣，下面将建立一个全年逐时能耗模拟模型，以分析冷机、冷冻泵和冷却泵的全年能耗。3.1 全年能耗模拟模型简述通过DeST模拟软件，可以得到建筑的全年逐时冷负荷，以及建筑所在城市的气候数据，在此基础上，建立建筑全年能耗模拟模型，以分析不同冷机选型及不同运行策略下冷冻站的全年能耗。图3给出了全年能耗模拟的框图。根据冷机性能曲线建立冷机模型、并应用上述冷机运行策略和下面所述环节进行冷冻站全年能耗模拟。3.2 建筑全年逐时冷负荷建筑全年逐时冷负荷可以通过DeST模拟得到，其中包括建筑全年逐时冷负荷以及建筑最大冷负荷。图4给出了北京某一办公楼的建筑逐时冷负荷，该建筑最大冷负荷为7854kW，相当于2233RT。冷机运行策略建筑全年逐时冷负荷室外气候冷却水进水温度 冷机模型DeST模拟系统综合模拟模型冷冻站设备选型建筑全年总能耗图3 全年能耗模拟模型框图3.3 冷却水进水温度通过DeST模拟，可以得到北京地区室外逐时湿球温度，如图5所示。冷却塔采用同步变频控制，控制冷却水出水温度。根据冷却塔风量和冷却水水量可以得到冷却塔效率，再通过冷却塔和冷机迭代计算（主要考虑热平衡），可以计算得到冷却塔风机频率、冷却水进水温度（冷机冷却水出水温度）和冷却水出水温度（冷机冷却水进水温度）。图4 北京某一办公楼全年逐时冷负荷图5 北京室外全年逐时湿球温度（4月10月）4. 计算结果为说明冷冻站设备选型及运行策略对其运行能耗的影响，笔者进行多组模拟实验。由于篇幅所限，这里仅列出北京某一办公楼的模拟结果。北京某一办公楼的全年逐时冷负荷如图4所示，其最大冷负荷为2233冷吨，冷机选型如表2所示，共选择了三种冷机搭配方式进行模拟分析。北京市室外逐时湿球温度如图5所示，通过室外湿球温度可以得到冷却水进水温度。根据全年能耗模拟模型，可以得到三种组合方案、两种运行模式下的六种全年运行能耗，模拟结果如表5和图6所示。5. 分析与总结表5 不同设备选型及运行策略下的冷冻站全年运行能耗表冷冻站设备选型冷冻站全年运行能耗(MWh)“台阶式”运行方案“理想化”运行方案方案 1619619方案 2655551方案 3644534图6 不同设备选型及运行策略下的冷冻站全年运行能耗根据模拟结果，可以看出：（1）冷机运行策略对冷冻站运行能耗的影响当选用相同型号冷机且冷机台数较少时（如表2设备选型方案1），不同的冷机运行策略对冷冻站全年运行能耗影响很小。也就是说，冷机的台数越少，冷机的型号越接近，则冷机运行方式对全年运行能耗的影响越小。当选用的冷机台数较多且型号多样时（如表2设备选型方案2和3），不同的冷机运行策略对冷冻站全年运行能耗影响很大。如表5，方案2中“理想化”运行方式的能耗是“台阶式”运行方式的84.1%，方案3中是82.9%。 （2）冷冻站设备选型对冷冻站运行能耗的影响当系统采用简单的“台阶式”运行方案进行管理时，不同的冷冻站设备选型对冷冻站全年运行能耗的影响很小，且没有明显的规律性。如表5，方案2的运行能耗是方案1的1.06倍，方案3的运行能耗是方案1的1.04倍。当系统采用“理想化”运行方案进行管理时，不同的冷冻站设备选型对冷冻站全年运行能耗影响很大。如表5，方案2的运行能耗是方案1的89.0%，方案3的运行能耗是方案1的86.3%。也就是说，当采用“理想化”运行方案时，冷机型号多样且数量较多的选型方案的能耗会明显低于冷机型号单一且数量较少的选型方案。（3）空调系统节能在空调系统节能方面，除了提高单台冷机的性能之外，合理的冷冻站设备选型及高效的冷机运行管理方案也是节约能源的重要手段，而且是更快捷更“绿色”的方法。参考文献：1 陈伟青, 周孝清, 冀兆良, 等. 广州市综合楼建筑能耗调查与节能潜力分析J. 制冷空调与电力机械: 2007, 28(118): 88-91.2 赵哲身.