中央空调系统冷负荷修正量计算与节能研究-

1、中央空调系统冷负荷修正量计算与节能研究李养贤1,孙秀伟2,曹岩3,孙鸿建4(1.沈阳黎源空调工程有限公司,沈阳110024;2.中国建筑东北设计研究院,沈阳110006;3.沈阳市城乡建筑设计研究院,沈阳110015;4.辽宁靖轩空调防排烟工程有限公司,沈阳110031摘要:针对传统中央空调冷负荷计算中的缺陷,提出了基于历史知识的案例分析的得热量增量计算方法,通过实例进行了仿真实验,能够实现较为合理的中央空调冷负荷的计算,具有自适应能力,能够应用于中央空调系统制冷量的计算和合理确定中央空调设备容量,具有广阔的应用前景和节能意义。关键词:中央空调节能;冷负荷;得热量增量;中央空调设备容量中图分类

2、号:TU831.2文献标志码:A文章编号:1673-7237(200805-0009-04Research on Calculation for Cooling Load Correctionand Energy Efficiency in Central Air-conditioning System sLI Yang-xian1,SUN Xiu-wei2,CAO Yan3,SUN Hong-jian4(1.Shenyang Liyuan Air Conditioning Engineering Co.,Ltd.,Shenyang110024,China;2.China Northeast

3、Architectural Design&Research Institute,Shenyang110006,China;3.Liaoning Urban and Rural Area Construction Design Institute,Shenyang110015,China;4.Liaoning Jingxuan Air-conditioning Smoke Prevention Engineering Co.,Ltd.,Shenyang110031,ChinaAbstract:In view of the problems during the traditional c

4、alculation on the cooling load for central air-conditionings(CACs,a comput-ing method for the increment of gained heat on basis of the historical knowledge-derived case based reasoning(CBRwas presented.A case of simulation test was carried out,which indicates that the proposed method can achieve rel

5、atively reasonable calculation on the cooling load for CACs.With self-adaption ability,this approach can be applied to calculate the cooling capacity,and properly determine the equipment capac-ity for CACs.Therefore,the proposed method has wide application prospect and significance of energy efficie

6、ncy.Key w ords:energy efficiency in central air-conditionings(CACs;cooling capacity;increment of gained heat;equipment capacity for CACs0引言空调系统的节能对于整幢建筑的能耗的影响是一个关键性因素。合理确定空调设备容量是空调系统节能的前提,空调设备容量的大小取决于冷负荷的大小。冷负荷计算是中央空调系统设计的基本依据。冷负荷的计算方法也从早期的当量温差法、谐波分解法、反应系数法、冷负荷系数法进入到目前常用的冷负荷模拟方法10。目前该计算主要由基本负荷叠加组成1,

7、而在空调系统运行的过程中,实际的冷负荷还同季节、气候、人文、使用者的心理状态等诸多难以量化的因素密切相关,这使得传统的计算方法很难适应复杂多变的应用场合2,3,5。本文针对各种不确定因素影响下的中央空调系统冷负荷的计算问题,在传统冷负荷系数法中央空调系统冷负荷计算的基础上提出了基于案例推理的方法的冷负荷修正量的计算,并对该方法进行了仿真研究,试验结果表明,本文的计算方法能够适应各种复杂的情况变化,为空调设计人员能够合理地确定空调建筑冷负荷以及中央空调系统的自适应控制等问题提供了可靠的依据,同时为人们普遍关注的中央空调的节能与自适应控制等课题提供了崭新的基础平台。1带有得热量增量的中央空调系统冷

8、负荷计算1.1基于冷负荷系数的传统冷负荷计算方法简介空调房间夏季计算得热量通常由以下几部分组成:室内外温差经围护结构传入的热量、太阳辐射热收稿日期:2008-02-29暖通与设备HEATING VENTILATION&EQUIPMENT 建筑节能2008年第5期(总第36卷第207期No.5in2008(Total No.207,Vol.369进入的热量以及人体、照明、工艺电气设备散发的热量。各项得热量形成的冷负荷(单位均为瓦的计算公式如下8:外墙和屋顶:Q 1=K F (t H +t d -t n (1外窗:Q 2=K F t W -t n (2太阳辐射:Q 3=a q ft F C

9、 s C n(3人体:Q 4=q n n'(4白炽灯:Q 5=P (5荧光灯:Q 6=nP (6工艺设备:Q 7=P 1(7式中:K 为围护结构的传热系数,W/(m 2K;F 为面积,m 2;t H 为逐时冷负荷计算温度,;t d 为计算温度关于地区的修正值,;t W 为空调室内计算温度,;a 为室外气温,;q f 为冷负荷计算系数;C s 为计算时刻通过单层3mm 厚普通玻璃进入室内的太阳辐射热,W/m 2;C n 为玻璃类型修正系数和遮阳系数;q ,n ,n'分别为成年人散热量(W室内总人员和群集系数;P 为电灯功率,W ;n 为镇流器耗功系数;P 1为工艺设备功率,W 。

10、因此,空调的冷负荷量:Q =7i =1!Q i(8进行逐时计算时,此式变为:Q k =7i =1!Q ik(9式中:k 为计算时刻序数。1.2得热量的修正量计算方法从(1(2两式可知,外墙屋顶和外窗的得热量均为温度的函数。而温度的测量具有滞后性,加上温度本身是时变的,根据此二式计算的得热量进行空调冷负荷的设计必然会导致空气调整量滞后,难以满足空气调节的实时要求。而(3(5式中的参数也涉及相应的未知动态时变特性,这些都是中央空调冷负荷计算和在线调节过程需要考虑的问题。于是(9式可写成基础量与修正量相加的形式,即:Q k '=Q k +Q k (10其中,Q k 为得热量基础量;Q k 为

11、得热量修正量。得热量修正量Q k 的计算是本文主要讨论的问题。从上述讨论的结果可知,影响Q k 的因素众多且包含不确定因素,很难利用数学公式描述Q k 。于是我们将空调在运行过程中存在大量的风量调整实例作为计算的Q k 知识。案例分析技术就是利用先前相似问题的解去匹配新问题的解决方案。案例推理方法广泛应用于支持利用相关案例进行人为推理的咨询系统,或在某一领域内存在相当数量的、相当于领域知识的可用案例9。因此,本文以空调制冷工作中大量的历史数据为基础,运用案例推理方法计算(10式中的得热量修正量Q k 。首先根据对得热量调整量有影响的因素建立得热量修正量案例库,并以数据库的形式存储于计算机中,每

12、一个数据库由若干条案例记录组成,记为C n ,n=1,2,见表1所示。每条案例主要有包括由室外温度、室外湿度、室内温度、室内湿度、天气情况、室内人数以及室内人员活动量构成的案例描述和由风量调整量和得热量调整量构成的案例的解,为了进行案例匹配和案例重用等工作,每条案例还包括其相似度、时间和计算时刻。在表1的案例描述中x 1-x 4为实际测量值,即为连续变量而x 5-x 8为离散变量。其中,x 5=1,2,3,分别表示天气情况为“好”、“中”、“差”;x 6=0,1,2,表示室内的人数;x 7=0,1,2,表示室内散热设备的台数;x 8=1,2,3,4,5,表示室内人员活动量为“大”、“偏大”、“

13、中”、“偏小”、“小”;得热量修正量:y =F Q max /F max (11其中,F 为在案例描述的情况下的送风量调整量,Q max 为最大得热量,F max 为最大送风量。表1得热量修正量案例C n得热量修正量计算条件描述(案例描述案例解室外温度室外湿度室内温度室内湿度天气情况室内人数散热设备台数室内人员活动量得热量修正量nkx 1x 2x 3x 4x 5x 6x 7x 8y相似度计算时刻10表1中相似度的计算方法为:设k 时刻的得热量修正量计算条件为X i ,i=1,8。则它与C n 中每一个对应案例描述的相似度为:sim(X i ,x i =1-X i -x iMax (X ix ,

14、x i i=1,8(12则X i 同每条案例C n 的相似度为:x =SIM(X i ,C n =8i =1!i sim(X i ,x ij ,j=1,2, (13其中,x ij 表示案例C n 中的数据记录,i 表示得热量修正量计算条件的加权系数,由实际经验或实验仿真得出。下面开始利用得热量修正量案例库进行计算:首先根据实验得出一个01之间接近于1的数字作为相似度的阈值SIM V ,并从案例库中检索出所有相似度>SIM V 的案例记录,并记录案例的解,以用于下一步的处理。一般情况下案例库中不存在与当前工况描述完全匹配的案例,因而检索出的匹配工况的解并不能直接作为当前工况的解,这就需要对

15、检索得到的相似案例进行重用。具体方法如下:设具有相同最大相似度的案例有l ,(l >1,l Z 个,假设这些案例C i ,i =1l 按“相似度”属性值降序排列为:C 1,C 2C l ,Y 1,Y 2Y l 为其相应的解,那么当前工况描述的解Y 为:Y =li =1!i Y i /li =1!i(14其中,i 为本次案例重用的时间加权系数,满足12l ,可根据具体情况或经验确定。案例重用的结果可以再根据实际情况进行修正,作为最终得热量计算结果。然后将此次计算所得的案例描述和案例解作为一条新的案例存储于计算机中。随着时间的推移,案例数量必然增加。需要对案例进行维护。根据案例记录的时间,删

16、除一些很早的案例记录,以减少运算量。2仿真实验案例1以沈阳市某写字楼的某空调房间2005年的某一日的冷负荷计算为例,设计条件为:屋面:内粉刷,由内向外为70mm 厚现浇钢筋混凝土板、隔气层、25mm 厚加气混凝土保温层、水泥砂浆找平层、卷材防水层、通风层、25mm 厚预制细石混凝土板,面积40m 2;南墙:370mm 厚红砖墙,内粉刷,22m 2,内墙不计;南窗:双层全玻璃、钢窗,挂浅色内窗帘,16m 2,内侧对流;传热系数8.7W/(m 2K;室内设计温度27,有8人,8:0018:00在室内工作;人进入室内工作的起止时间:8:00,18:00;室内计算温度:26。该地区处于北纬41

17、6;48,属于北区,夏季大气压99816hPa ,空调室外计算温度32,湿球温度24,风速9m/s ,冬季空调室外计算温度-12,风速8m/s 。为了能够保证运算速度、增强数据搜索能力,本文采用人机交互功能强大、界面的编辑、运行简洁可靠的VB 软件作为本算法的软件开发平台,链接数据库采用Access 开发。对于给定地点和条件建立初始案例库后,按照设计地点和条件进行冷负荷计算。首先利用(1(8式计算冷负荷的基础量,计算结果见表2所示。再按照本文提出的方法根据每一时刻的得热量修正量计算条件修正得热量。假设在8:00得热量修表2得热量基础值计算时刻8:009:0010:0011:0012:0013:

18、0014:0015:0016:0017:0018:00得热量基础量/W22982260225422622302234523662375235223132302正量计算条件描述见表3所示。按照(13式计算的与案例库中全部案例匹配的相似度为0.76。经过案例检索和案例重用之后,根据(14式计算出得热量修正量为8.5。即8:00总得热量为2306.5W 。将此次计算结果作为新的案例保存在案例库中。按照同样的方法计算出其他时刻的得热量,见图1所示。从图1中可以发现,修正后的得热量与基础得热量的变化趋势很接近,说明本文的算法具有较好图1得热量比较图室外温度/室外湿度/%室内温度/室内湿度/%天气情况室内

19、人数散热设备台数室内人员活动量1734243511081表3空调间8:00得热量修正量计算条件描述11的稳定性。在8:00,12:00,13:00修正后得热量较基础得热量有所增加,根据案例库进行分析,这主要由室内人员的活动量较大、计算时刻处于人需要较大的冷量的阶段等原因造成,这些都是传统的得热量计算难以完成的不确定量。经过一段时间的运行,本文的案例库中的案例数量将会增加,更多的调整得热量的知识将被存贮和利用,计算结果将会趋于更加合理,因此,具有自学习和自适应的功能和特点,非常适合中央空调系统制冷量的设计和在线实时调整。3结论本文针对传统中央空调冷负荷计算中的缺陷,提出了基于历史知识的案例分析的

20、得热量增量计算方法,通过实例进行了仿真实验,结果表明本文的方法能够实现较为合理的中央空调冷负荷的计算,具有自适应能力,能够应用于中央空调系统制冷量的计算和合理确定空调设备容量,从而使空调系统达到节能的目的。参考文献:1阎复志.空调系统设计中几个冷负荷问题的探讨J.煤炭工程, 2005(3:21-23.2张燕,丁云飞.夏季热湿地区新风冷负荷特点及新风湿负荷的处理J.制冷,2005(S1:30-33.3LIN Zhong-ping,DENG Shi-ming.A Study on the Characteristics of Nighttime Bedroom Cooling Load in Tr

21、opics and SubtropicsJ.Building and Environment,2004,39(6:1101-1114.4Omar MA,AL-Rabghi,Khalid M,AL-Johani.Utilizing Transfer Func-tion Method for Hourly Cooling Load CalculationsJ.Energy Conversion and Management,1997,38(4:319-332.5Danny HW Li,SL Wong,Joseph C Lam.Climatic Effects on Cooling Load Det

22、ermination in Subtropical RegionsJ.Energy Conversion and Management,2003,44(5:1831-1843.6Abdullatif E Ben-Nakhi,Mohamed A Mahmoud.Cooling Load Predic-tion for Buildings Using General Regression Neural NetworksJ.Energy Conversion and Management,2004,45(6:2127-2141.7GC Bakos,E.Tsioliaridou,NF Tsagas.E

23、xperimental Investigation of A Low Energy Consumption Air Conditioning System Based on Conventional Central Heating InstallationJ.Energy and Buildings,2006,38(6:45-52.8郑爱平.空气调节工程M.北京:科学出版社,2002.9David B Leake,Andrew K,David W.Case-Based CBR:Capturing and Reusing Reasoning about Case AdaptationJ.Inte

24、rnational Journal of Ex-pert System,2000,10(2:191-213.10罗智特,杜雁霞,贾代勇.空调动态负荷计算方法及比较J.制冷与空调,2005,5(2:57-61.作者简介:李养贤(1974,男,甘肃人,沈阳黎源空调工程有限公司,工程师,暖通空调工程专业,研究方向为暖通空调工程施工与节能(wfh_neu。行业动态与资讯热烈祝贺建筑节能期刊被美国剑桥科学文摘(CSA收录由中国建筑东北设计研究院有限公司主办的建筑节能期刊,近日通过美国剑桥科学文摘:工程技术(CSA的严格评估,于2008年4月被正式收录为该检索系统21种数据库来源期刊。这是建筑节能期刊继美国化学文摘(CA收录后又新加入的一个国际检索系统,使建筑节能期刊在国内已颇具盛誉的基础上,在国际影响力方面又上了一个新的台阶。建筑节能期刊成功入编美国剑桥科学文摘(CSA,既是其办刊质量、学术水平得到国际认可的证明,同时也是中国建筑节能行业开展国际学术交流的了又一扇窗口,