住宅楼集中供冷系统优化节能运行模式的探讨

集中空调供冷系统能耗分析及优化运行 姚晔1，连之伟1，侯志坚1，何英伟21.上海交通大学制冷研究所 上海 ； 2.中国人寿保险长沙分公司房产科 长沙 摘要：在集中空调供冷系统主要动力设备的能耗模型基础上，分析了运行参数对系统的能耗影响，建立了相应的优化节能运行工况模型，并对长沙某一住宅楼集中空调供冷系统的优化运行工况及优化节能效果进行了计算和分析，得到了一些有用的结论，为集中空调供冷系统的优化节能运行管理提供参考。关键词：集中空调，供冷系统，节能，优化，运行工况Analysis on the Energy Consumption of Central Cooling Plant and Its Optimal Running conditionsYao Ye1, Lian Zhiwei1,Hou Zhijian1, He Yingwei21.Institute of Refrigeration and Cryogenics of Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, ;2.China Life Insurance Company Changsha Branch, Changsha, Abstract: The main running parameters are analyzed to see how they impact the energy consumption of central cooling plant. An optimal model is established to make the plant save more energy. A case study is researched and some conclusions are drawn. These conclusions may be valuable to the energy-saving-operation of the central cooling plant.Keywords: Central air-conditioning, Cooling system, Energy saving, Optimize, Running condition 字符说明：冷凝器的传热面积，m2冷凝器传热系数，W/(m2.)机组冷冻水回水温度，蒸发器的传热面积，m2蒸发器传热系数，W/(m2.)机组冷冻水供水温度，冷却水质量比热，kJ/(kg.)冷却水的质量流量，kg/s机组冷却水进口温度，冷冻水质量比热，kJ/(kg.)冷冻水质量流量，kg/s机组冷却水出口温度，Ecp单位时间冷却水泵能耗，kW机组制冷负荷率室外湿球温度，Efp单位时间冷冻水泵能耗，kW蒸发器换热量(或机组制冷量)，kW水泵功率，kWEr单位时间冷水机组能耗，kW冷凝器换热量，kW制冷机组压缩机功率，kW水泵实际（额定）流量，m3/s蒸发温度，水的比重，kN/m3水泵实际(额定)扬程，mH2O冷凝温度，水泵电机工作（传动）效率1 前言随着建筑业的兴起，建筑物的能耗越来越大，欧美国家的建筑物能耗占到全国总能耗的30%左右，而在建筑物中，HVAC（供暖、通风和空调）约占65%左右1。随着我国城市建设的发展，越来越多的现代化建筑安装了集中空调系统，空调耗能占整个城市能源消耗的比例也在不断增加。城市每年的用电高峰在夏季，空调制冷用电也是在6、7、8、9几个月，并出现在每天的用电高峰期间，空调在此时间内的耗电要占总发电量的30%左右2，有的地区，如武汉地区高达50%60%3。因此，空调系统的系统节能对整个节能工作有着较大的影响。在我国，集中空调系统大多采用风机盘管空调系统，这种空调系统由两部分组成：1).供冷系统（主要包括：空调冷/热源和冷却（冻）水泵）；2).末端设备。其中，供冷系统能耗占总能耗的85%以上，是空调节能的主要内容。本文首先分析了各运行参数对集中空调供冷系统的能耗影响，并建立了系统优化节能运行模型，然后利用该模型对长沙某住宅楼集中空调供冷系统的节能运行参数和节能潜力进行分析，为该系统的节能运行管理提供参考。2 供冷系统设备能耗分析2.1. 水泵能耗水泵是集中供冷系统的主要耗能设备，包括冷却水泵和冷冻水泵。水泵的耗功率一般由（1）式计算得到： （1）众所周知，水流量对水泵的能耗影响很大。图1 4为某集中空调系统的水泵耗功率随流量的变化趋势。从图中的曲线可以看出，水泵的变流量运行是集中空调系统节能的重要途径。文献5图1 冷冻（却）水泵耗功率随流量的变化趋势对冷却水泵变速驱动的节能效果进行了分析，认为如采用微机控制技术和变频调速技术对冷却水系统进行控制，可使冷却水系统节能约为30%；而文献6则指出，仅在冷却水泵上加装变频器，虽然水泵获得了一定的节能，但对冷水机组的运行和寿命均会产生不良影响。实际上，只要在变流量控制程序中设定，保证通过冷水机组的最小冷却水量，就不会影响冷水机组的安全运行和使用寿命7，所以，水泵变频控制的节能技术对大多数空调系统是适用的。2.2. 冷源设备能耗冷源是集中供冷系统的核心设备，常用的有压缩式和吸收式两种。由于压缩式电制冷冷水机组在集中空调系统中使用较为普遍，所以，本文只对这种形式的冷源进行讨论。对于某给定的压缩式冷水机组来说，其压缩机的耗功率、制冷量、制冷系数以及需要在冷凝器排出的热量主要与蒸发温度（）、冷凝温度（）和制冷负荷率呈函数关系8，即 （2） （3） （4） （5） 图3. 压缩机的负载率、COP随冷负荷率的变化趋势图2. 压缩机耗功率、COP随蒸发温度、冷凝温度的变化情况 图2为长沙某空调住宅楼冷源设备（离心压缩式）在冷负荷率（实际制冷量与额定制冷量的比值）为60%情况下（实际制冷量为948kW），其压缩机的耗功率和制冷系数COP随蒸发温度、冷凝温度变化的曲线图。图3为该冷源设备在某一运行工况下（蒸发温度5，冷凝温度35），压缩机负载率（压缩机的实际耗功率与其额定功率的比值）和制冷系数COP随冷水机组冷负荷率的变化趋势。由图2知，在某一冷负荷率下，冷水机组压缩机的耗功率和制冷系数将受到蒸发温度和冷凝温度的影响，蒸发温度的升高或冷凝温度的降低都会使压缩机的耗功率减少，从而增加机组的制冷系数。由图3知，在某一运行工况下，冷水机组的制冷系数还与冷负荷率有关，在70%左右的负荷率下，制冷系数达到最大值。上述分析表明，为了提高离心式冷水机组的制冷效率，应尽可能提高机组的蒸发温度或降低冷凝温度，并使其在制冷系数较大的负荷率下运行。2.3. 冷源设备换热器的换热分析冷凝器和蒸发器是冷水机组与外部设备连接的主要部件，同属热交换设备，其换热效率的好坏直接影响冷水机组的制冷效率。对于冷凝器来说，其换热量为： （6） （7）联立式（6）、（7）并积分可得： （8）又： （9）联立式（8）（9），可得： （10）同样，蒸发器的换热量（理论上等于冷水机组的制冷量）可用下式描述： （11）由式（10）、（11）知，增大冷却（冻）水流量将增强冷凝器（蒸发器）的换热能力，有助于提高制冷机组的制冷效率，但这势必会增加冷却（冻）水泵的能耗。另外，机组冷却水进口温度和冷冻水回水温度对换热器换热能力的影响也很大。 3 系统优化节能运行模型3.1. 运行参数分析为了便于分析，将供冷系统的运行参数划分为控制参数和非控参数。控制参数中，机组冷却水流量、冷冻水流量和冷冻水供水温度是本文的优化变量；而非控参数中，机组冷却水进口温度和冷冻水回水温度是优化条件变量。冷却水流量一般由冷却水泵开启台数或冷却水泵转速进行调控，是通过对冷凝器换热性能的影响而对制冷机组的制冷效率产生影响（见式（4）、（5）和（10），但它基本不对冷却水塔的性能产生影响，文献9对某集中空调的冷却系统进行了实测和模拟，发现冷却塔出水温度（或机组冷凝器冷却水进口温度）主要受室外空气湿球温度的影响，而冷却水流量对它的影响很小，为使模型简化，可将机组冷却水进口温度近似表示为室外空气湿球的函数，即， （12）冷冻水流量和冷冻水供水温度是直接影响用户空调效果的两个参数。冷冻水供水温度是通过调节蒸发器的蒸发温度进行控制的，由式（11）知，若冷冻水流量和冷冻水回水温度不变，蒸发温度的变化将会引起冷冻水供水温度的变化。蒸发温度越高，机组的制冷效率就越高，但当蒸发温度升高，蒸发器的换热量就下降，意味着系统供冷量下降，以至于影响用户的空调效果。增大冷冻水流量可以增强蒸发器的换热效果，提高机组的制冷效率，但是以增加冷冻水泵的能耗为代价。在一定的供冷量情况下，冷冻水流量和冷冻水供水温度是相互制约的，从系统节能的角度出发，二者应该存在最优组合值.冷冻水回水温度与用户的冷量需求有着密切的关系，当冷冻水流量和冷冻水供水温度不变的情况下，回水温度的升高意味着用户冷量需求增加，此时，供冷系统应该增大冷量的供应量。3.2. 优化节能运行工况模型本文所述的供冷系统优化节能运行工况指的是：在不对系统设备产生任何负面影响的情况下，使整个系统运行最节能的控制参数优化值。假定一个供冷系统由a台制冷机组、b台冷却水泵和c台冷冻水泵组成，则在某一需求冷负荷CLD和室外湿球温度条件下，供冷系统的优化节能工况模型等价于求解如下的最优化问题： (13)约束条件： (13a) (13b) (13c) (13d)其中，为第i台制冷机组的供冷量；或1，0表示设备处于停机状态，1表示设备处于开启状态。通过对上述模型的求解可以得到供冷系统在不同的室外湿球温度和空调冷负荷需求条件下的最佳冷却水流量值、冷冻水流量值和冷冻水供水温度值，由此确定系统最优的节能运行方案。4 实例分析4.1. 实例概况长沙市某住宅大楼集中空调系统负责412套住房（住房总建筑面积约35,512m2）的室内空调，其供冷系统的主要设备情况见表1，图4为该集中空调供冷系统的示意图。空调末端设备均采用风机盘管形式。在用冷高峰期时，开启两台制冷机组、两台冷冻水泵和两台冷却水泵；在用冷低谷时，只开启一台制冷机组、一台冷冻水泵和一台冷却水泵。水泵没有变频调速控制，一旦开启，基本上在额定功率下运行。由于冷却塔能耗在供冷系统能耗中所占的份额很小，所以，本文不予考虑。表1 住宅楼集中空调供冷系统主要设备名 称型号规格数量生产厂家冷水机组离心机19XL-CQ额定制冷量：450冷吨(1580kW)；额定功率：292kW3台（一般开启其中的两台）开利冷冻水泵卧式离心泵KQW200-400（I）额定流量：280m3/h；额定功率：75kW；扬程：54m；4台（一般开启其中的两台）上海凯泉冷却水泵卧式离心泵KQW200-400（I）额定流量：374m3/h；额定功率：75kW；扬程：44m4台（一般开启其中的两台）上海凯泉 图4 长沙某住宅楼集中空调供冷系统示意图4.2. 实测情况笔者于2003年夏季（7月8月）对上述住宅大楼集中空调的供冷系统的运行状况进行了测试，测试内容包括：(!)室外空气干、湿球温度；(2)机组冷却水进、出口温度及质量流量；(3)机组冷冻水供、回水温度及质量流量；(4)机组冷凝器内制冷剂的冷凝温度；(5)机组蒸发器内制冷剂的蒸发温度；(6)机组的电流和电压；(7)冷却水泵、冷冻水泵的电流和电压。由于该系统备有实时自动监控系统，所以给测试带来了极大的方便。笔者每隔20分钟对以上所测试的参数进行了详细地记录，记录时间为每日的8：0024：00。为了使测试数据更可靠，笔者还特意对某些重要参数进行了标定，如流量参数，笔者采用了DW600型高精度超声波流量计（精度：0.01kg/s）对监控系统所以用的电磁流量计进行了校正。测试数据目的一方面是考察该系统实际运行时的能耗状况，另一方面是为了获得该系统某些非控参数与控制参数之间的关系，如机组冷却水进水温度、冷却水流量与冷凝温度之间的具体关系等，在这些关系的基础上，就可利用本文的优化模型，得到该空调供冷系统在不同情况下的优化节能运行工况。 4.3. 优化节能运行工况下的节能效果分析现以该住宅楼供冷系统某一运行日（2003年7月30日）为例，分析其在优化节能运行工况下的节能效果。该日室外空气温度以及机组冷冻水供水温度变化情况如图5所示；住宅楼逐时空调冷负荷情况如图6所示；系统其它运行参数的实测数据（包括冷冻水流量、冷却水流量、机组蒸发温度以及冷冻水供水温度）如图7所示，根据实测数据，机组供水温度保持在80.2，机组蒸发温度在4.86.2范围波动，冷冻水流量在单台冷冻水泵开启时为72.01.0kg/s，在两台冷冻水泵开启时为123.01.0kg/s，冷却水泵在单台冷却水泵开启时为92.01.0kg/s，在两台冷却水泵开启时为1681.0kg/s；大约在10：40时刻，制冷机组、冷冻水泵和冷却水泵均分别从1台增加至2台。利用本文的优化模型并根据图5和图6中的数据，可得到该日供冷系统各时刻的优化节能运行参数，如图8、图9所示，从图8可知，机组优化蒸发温度的变化范围明显增大（约在3.48.4之间波动），这是由于优化供水温度变化范围（约在711.3之间波动）增大所致；而大约在11：40左右，优化蒸发温度变化很大（约有2的增幅），这是因为优化运行工况下制冷机组、冷冻水泵和冷却水泵均分别从1台增加至2台（如图10所示），单台制冷机组的冷负荷率突然下降，从而导致机组蒸发温度较大的上升。从冷冻水流量和冷却水流量的优化结果（图9）可知，当1台制冷机组运行时，它们将随冷负荷的增大而增大，当冷负荷增加到需要开启2台制冷机组时，优化冷却水流量就增加到约104.5kg/s后并保持不变了，而优化冷冻水流量也基本保持在78.8kg/s左右，这说明了，当供冷系统在低负荷运行时，冷却（冻）水流量需要随时变化才能保证系统的节能运行，而当冷负荷达到一定值后，只需要将冷冻（却）水流量调节到一个最优值就能基本上实现系统的节能运行。另外，优化运行工况下，供冷系统设备运行台数的变化时刻比实际中的大约滞后1小时左右（如图10所示），这将进一步降低供冷系统的能耗。图11、图12分别为该日供冷系统在优化工况与实际工况下运行时各设备的逐时功率和总能耗比较。由图易知，优化工况下冷却（冻）水泵的功率要远远小于实际工况下的功率，在上述运行日（2003年7月30日）里，冷冻水泵和冷却水泵将分别节省603.4kWh和651.4kWh的能耗；但制冷机组的能耗情况却恰恰相反，不但没有节能，反而增加了399kWh的能耗。这是因为，本文的优化目标是在一定供冷量情况下，水泵和制冷机组的总能耗最小，而不是制冷机组的能耗最小，所以，优化结果并不能保证制冷机组的节能运行。而就整个系统而言，优化工况下的总能耗将比实际工况下的减少855.8kWh，其节能率约为9.2%。这说明了冷冻水泵和冷却水泵应该是该供冷系统的节能重点。图5 2003年7月30日室外气温与机组冷却水进口温度的变化曲线图6 2003年7月30日住宅楼逐时空调冷负荷变化曲线曲线图8 供冷系统优化蒸发温度及供水温度变化曲线图7 供冷系统2003年7月30日的实际运行工况图10 优化工况与实际工况下系统各设备开启台数的变化图9 供冷系统优化冷冻（却）水流量变化曲线图11 优化工况与实际工况下的供冷系统设备耗功率比较5 结论在集中供冷系统主要动力设备的能耗模型基础上，分析了主要几个运行参数对系统能耗的影响，并建立了相应的优化节能运行工况模型。利用该模型对长沙某一住宅楼集中空调供冷系统的优化运行工况及优化节能效果进行了计算和分析，结论如下：（1）冷却水流量和冷冻水流量是影响集中空调供冷系统能耗的主要因素，系统的节能工作重点应该放在冷却水泵和冷冻水泵的合理调控上，采用当前成熟的变频技术是可行的；图12 优化工况与实际工况下的供冷系统设备能耗比较（2）在供冷系统低负荷运行情况下，水系统的流量是系统节能运行的主要调节参数，而当供冷系统处于高负荷运行时，水系统流量可以固定在某一优化值，机组的冷冻水供水温度则是节能运行的主要调节参数。（3）供冷系统设备运行台数的优化控制也是系统节能的一个主要途径，由于冷冻水回水温度直接反映了用户的用冷量大小，所以，