（市政工程专业论文）区域空调水系统节能运行研究.pdf

区域空调水系统节能运行研究 摘要 随着我国社会经济水平的提高，人们对生活环境、工作环境要求越来越高， 中央空调系统的应用得到了飞速发展，与此同时，中央空调系统的能耗问题也 引起了人们的关注。 空调系统的特点是能耗大、部分负荷运行时间长。因此，通过水系统变流 量运行可以降低空调系统的能耗。变水量系统可以根据实际负荷的大小，改变 送到各用户处的冷水流量，水泵也可以根据系统实际所需流量调节其转速或运 行台数，从而可以实现空调水系统节能运行的目的。但由于变水量空调水系统 设计和运行较为复杂，目前还存在不少问题亟待研究。 本文主要从以下五个方面对区域供冷空调变水量系统进行研究：1 利用 d e s t h 软件模拟出区域空调全年逐时冷负荷，研究区域空调负荷特性；2 对交 水量系统的末端装置和二通调节阀进行了定量分析，研究用户负荷和流量之问 的关系；3 研究变水量系统管网控制策略，着重分析定压差控制法；4 对变水 量系统并联水泵运行与管网的匹配方式进行了研究；5 运用动态经济分析方法， 建立了空调变水量管网系统经济效益分析模型。结合具体工程实例进行研究， 结果表明：在管网系统中，采用两台变频水泵的控制策略，系统的经济效益最 好。 关键词：区域供冷，变水量技术，定压差，经济效益 r e s e a r c ho ne n e r g y - s a v i n go p e r a t i o no f a i r 。c o n d i t i o n i n g w a t e rs y s t e mi nl a r g ed i s t r i c t a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v c m c mo ft h es o c i a la n de c o n o m i cl e v e li nc h i n a , a n dt h ei n c r e a s e d d e m a n d so ft h ep e o p l e sl i v i n ge n v i r o n m e n ta n dw o r kp l a c e ，t h ec e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e mh a sm a d er a p i da p p l i c a t i o na tt h e $ a n a ct i m e ，s ot h ep e o p l ep a ya t t e n t i o nt ot h e c e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e me n e l l g yc o n s u m p t i o nn o w t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi st h a ti tr u n si nal o n gt i m ew h i c h t h cl o a di sp a r t i a l t h e r e f o r e i t 啪r c d u c 宅e n e r g yc o n s u m p t i o nt h r o u g hc h a n g i n gt h ef l o w i nt h ew a t e rs y s t e m t h ev a r i a b l ew a t e rs y s t e mc a nc h a n g et h ec o l df l o ww h i c hi s t r a n s p o r t e dt ot h eu s 盯a l s o ，t h ep u m pc a na d j u s ti t sr u n n i n g 鄙l e c do rn u m b e r ，a c c o r d i n gt o t h ea c t u a lf l o wi nt h ew a t e rs y s t e m b e c a u s ei t sc o m p l i c a t e di nt h ed e s i g na n d o p e r a t i o no f t h ev a r i a b l ew a t e rs y s t e m ，n o wt h e r ea r es t i l lm a n yi s s u e st h a ts h o u l db es t u d i e d t h i sp a p e rm a i n l ys t u d yt h er e g i o n a lv a r i a b l ew a t e ra i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mf x o mf i v e a s p e c t si nt h ef o l l o w i n g ：1 u s eas o f t w a r e - d e s t - ht os i m u l a t er e g i o n a la i r - c o n d i t i o n i n g c o o l i n gl o a dh o u r l y , t h a tw ec a i ls t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ea i r - c o n d i t i o n i n gl o a d ；2 a n a l y s et h et e r m i n a ld e v i c e sa n dt h ec o n 订o lv a l v ei nt h ev a r i a b l ef l o w i n gs y s t e m ，s ot h a t w ec a nf i n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef l o wa n dt h el o a d ：3 s t u d yt h ec o n t r o ls t r a t e g yo f t h et h ev a r i a b l ew e t t e rp i p en e t w o r ks y s t e m , a n dp u tt h ee m p h a s i so nt h ea n a l y s i so ft h e c o n t r o ls t r a t e g yt h a tt h ec o n t r o lp r e s s u r ei sc o n s t a n t ；4 s t u d yh o wt om a t c ht h et h ep u m p w i t ht h ev a r i a b l ew a t e rp i p en e t w o r ks y s t e ma n da n a l y s et h eo p e r a t i o nc o n d i t i o no f d i f f e r e n tp u m p si nt h ep u m po p e r a t i o nm o d e ：5 u s ed y n a m i ce c o n o m i ca n a l y s i sm e t h o d s t 0s e t l l p ae c o n o m i ca n a l y s i sm o d e lo ft h e a i r - c o n d i t i o n i n gw a t e rp i p en e t w o r k s y s t e m c o m b i n i n gw i t ht h ea n a l y s i so fas p e c i f i cp r o j e c te x a m p l e s , w ec a l lk n o wt h a ti na p i p en e t w o r ks y s t e m ，u s i n gap u m pt h a ts p e e di sc o n t a n ta n dap u m pt h a tt h e 哪哦 di s c h a n g e a b l e t h ee c o n o m i cb e n e f i t si st h eb e s t k e y w o r d s ：c o o ds u p p l yi nl a r g ed i s t r i c t ；t h et e c h n o l o g yo ft h ev a r i a b l ef l o w i n g s y s t e m ；t h ec o n s t a n tp r e s s u r e ：t h ee c o n o m i cb e n e f i t s 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 - 6 图4 7 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 插图清单 一次泵变流量系统示意图6 二次泵交流量( 并联布置) 系统图7 二次泵变流量( 分开布置) 系统图7 三次泵变流量系统示意图8 水泵和管网特性曲线关系图l o d 5 群住宅建筑标准层平面图1 3 安徽省合肥市逐时气象参数1 4 某小区夏季供冷期温频图1 4 d 5 # 楼全年逐时空调冷负荷模拟图1 6 d 5 # 楼夏季供冷期逐时累计冷负荷值1 6 d 5 # 楼夏季供冷期冷负荷频率图1 7 某小区夏季冷负荷频率图1 7 风机盘管热力特性曲线图1 9 二通阀理想流量特性曲线图2 l 等百分比型二通调节阀特性曲线图2 1 实际工况下等百分比调节阀特性曲线图2 2 动态流量平衡阀的管网应用分析图2 3 动态压差平衡阀的管网应用分析图2 4 管网水力平衡特性分析图2 4 温差控制系统图2 6 末端最不利环路定压差控制系统图2 7 末端压差控制曲线图2 9 总管恒定压差控制性能曲线图2 9 同型水泵并联运行特性曲线图3 2 合肥市某小区空调管路系统图3 5 北区机房空调水系统图一3 6 某住宅小区北区一管网简化图3 7 两台定速泵并联运行工况图3 8 一定一变水泵并联运行工况图3 9 两变速泵并联运行工况图4 2 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表3 7 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 表5 7 表5 8 表5 9 表5 1 0 表5 1 1 表5 1 2 表5 1 3 表6 1 表6 2 表6 3 表6 4 表6 5 表6 6 表6 7 表6 8 表6 9 表6 1 0 表6 1 l 表格清单 某居民住宅建筑围护结构情况1 3 客厅兼餐厅( 平时) 热扰情况1 5 客厅兼餐厅( 周末) 熙扰情况1 5 主卧室( 平时) 热扰情况1 5 主卧室( 周末) 热扰情况1 5 书房( 平时) 热扰情况1 5 书房( 周末) 热扰情况1 5 小区水力工况计算表。2 8 小区管网总管压差控制设定值表3 0 某小区某日冷冻机房冷冻水泵运行记录表3 1 电机容量安全系数3 3 在不同转速下电机和变频器运行效率3 4 各区设计水流量和水泵布置情况3 6 北区一空调冷冻水泵设计参数3 7 采用两定速泵并联方式。水泵运行参数3 8 一定一变运行方式，定速泵的运行技术参数4 0 一定一变运行方式，变速泵的运行技术参数4 l 一定一变运行方式，水泵运行统计资料一4 1 采用两变速泵并联方式，水泵运行参数一4 2 不同并联方式，水泵运行能耗表4 3 合肥市某居民小区水泵明细表：4 6 合肥市某居民小区北区各区域冷量和水量4 6 一次、二次泵系统的设备初投资费用4 7 安徽省电网峰谷分时电价表4 7 空调运行期( 6 月) 各负荷率下各时段水泵运行小时数4 7 空调运行期( 7 月、8 月、9 月) 各负荷率下各时段水泵运行小时数4 8 空调运行期( 6 月) 各负荷率下各时段水泵运行功率4 8 空调运行期( 7 月、8 月、9 月) 各荷率下各时段水泵运行功率4 9 空调运行期( 6 月) 水泵运行费用5 0 空调运行期( 7 月、8 月、9 月) 水泵运行费用5 0 不同运行方式下水泵运行费用5 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 盒a i 王堑态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材科。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作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：张楠签字日期：2 0 0 7 年1 2 月1 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金目b 王些太堂可 以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：张楠导师签名：祝健 签字日期：2 0 0 7 年1 2 月1 7 日签字日期：2 0 0 7 年1 2 月1 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话：1 3 7 2 1 0 4 0 5 9 3 邮编： 致谢 本学位论文是在我的导师祝健副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。她 严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励 着我。从课题的选择到项目的最终完成，祝老师都始终给予我细心的指导和不 懈的支持。两年多来，祝老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、 生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向祝老师致以诚挚的谢意和崇高的致 意。 在研究生学习阶段和论文选题的过程中，还得到了其他老师的精心指导和 帮助，感谢各位老师提出了许多建议和思路，使我的论文得以顺利完成，在此， 对他们表示诚挚的谢意! 同时，也向本论文的评阅人和答辩委员们表示衷心的 感谢，感谢各位专家和教授在百忙之中给予的指导和建议! 在此，我还要感谢在一起愉快的度过研究生生活的各位同学，正是由于你 们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本论文的顺利完成， 感谢高婧、廖春晖、孙胜广。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利 完成，有多少可敬的同学、朋友给予我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢 意i 最后，我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 作者：张楠 2 0 0 7 年1 1 月 第一章绪论 1 1 课题研究背景 在现代社会中，随着社会经济水平和人们对生活环境、工作环境要求的不 断提高，空调系统的使用越来越广泛，随之而来的问题是建筑能耗在社会总能 耗中所占的比例越来越高。据美国能源部统计，美国商业和住宅建筑的能耗约 占全美总能耗的3 6 【l 】。在我国，据建设部统计资料表明，我国的建筑能耗目 前也已经上升到社会总能耗的3 3 左右【2 】。在建筑物的使用能耗中，根据建筑 类型的不同，空调系统的能耗占到其总能耗的4 0 到6 0 【】“】。以合肥为例， 据相关资料显示，0 5 年合肥市夏季空调用电负荷约占到全年总用电负荷的3 9 ，0 6 年又进一步达到4 2 【5 “】。而在空调能耗中，空调输送系统的能耗是很 重要的组成部分，约占到整个空调系统能耗的2 5 以上【7 。j 。我国政府在第十 到第十一个。五年计划”中，就提出：实施“电机系统节能”计划。把电机系 统节能列为重中之重，提出“逐步实现电动机、泵类设备和系统的经济运行” 在空调水系统设计中，由于我国泵类产品的品种较少，不便选型，或设计和使 用单位选型不合理，造成泵在不合理的工况下运行，运行效率很低。在空调水 系统运行控制时，大多仍采用阀门进行节流调节将多余的压头消耗在节流阀 上，造成能源的浪费，同时缩短了泵和阀门的使用寿命p j 。因此开展泵作为动 力的流体输配系统的节能研究具有十分重大的意义 空调系统一般是按设计日最大负荷来选择冷水机组及水泵，并按最大负荷 设计水泵的大小。但实际上系统在设计负荷运行的时间只占总运行时间的极小 一部分，即空调系统绝大部分时间都在部分负荷下运行，据统计资料表明，空 调系统在5 0 负荷以下运行的时间超过7 0 【1 ”。当冷水系统为定水量系统，在 部分负荷运行时，系统会在大流量小温差的状态下运行，将白白地浪费大量的能 量。所以为了节省能耗，在维持室内热湿环境的舒适性要求的同时，整个系统 应随室外气候条件和室内热湿负荷变化及时做出调整，空调水系统选用变流量 运行，是目前降低建筑能耗的有效手段之一。变流量系统在运行过程中流量是 随着外界环境负荷的变化而变化的，因此这种系统是实时、灵敏、高效、节能 的，所以区域小区的供冷方式一般都采用变流量系统，从而使用户侧和机组冷 热量的时刻匹配起到节省能源的效果i ll 。 对于空调水系统变流量运行，还需要选择合适的控制方式如果选择不当， 不仅节能效果不明显，甚至还会影响空调系统的正常运行。如：( 1 ) 空调水系 统的控制系统不能够达到控制效果时，水系统实质是在定水量状态下运行，同时 在实际运行中，空调系统的部分负荷运行时间较长，水系统就会在大流量、小温 差的状态下运行。据一份实测数据得出，冷冻水系统供回水温差较好的为4 0 c 左右，较差的只有2 2 5 0 c ，而实际冷冻水量比设计水量大，1 5 倍以上【”】；( 2 ) 有些冷冻水系统控制响应特性较差，冷冻水量的调节输送未能及时跟上系统内 负荷侧的变化速度，造成系统内各控制参数的不稳定，严重时将影响空调系统 的正常使用。 1 2 区域供冷国内外的发展状况 区域供冷系统在世界范围内的发展已颇具规模。法国是采用电驱动制冷机 进行区域供冷最多的国家，这是因为法国在夏天有比较低的核电价格；而在美 国、日本和德国通常不采用独立的区域供冷系统，而是采用将其结合到热电冷 三联供的大系统中。 世界上最早的商业化的区域供冷工程始于1 9 6 1 年美国的哈特雷德，6 年之后 区域供冷在法国的l a d e f e n s e 登陆欧洲大陆，该系统现在发展成为全世界最大的 区域供冷系统之一。美国能源部近二十年来主要从建立高质量传输介质、新型 设备部件、系统分析评价等方面大力发展区域供冷供热技术。美国将区域供冷 和蓄冷技术相结合，取得了良好的效果。如在德州贝当的李氏学院区域供冷系 统( 蓄冷容量1 9 4 7 m w h ) 以及约翰霍普金斯大学在马州劳利的应用物理实验室 ( 蓄冷容量3 0 m w h ) ，其夜间制冰每年分别节省1 5 3 0 0 0 美元及2 5 0 0 0 0 美元，带来 了巨大的节能效益【”“”。 日本对区域供冷的研究要比欧美晚几十年，但普及的速度相当快，特别是 伴随着产业结构和都市构造的改变，区域供冷事业已成为新都市基础设施系统 中重要的一个环节。如日本新都区域实现用户建筑面积2 2 0 万平方米，制冷设 备总容量5 9 万冷吨，区域配管总长8 k m ，采用热电联产后节约能源达3 3 5 0 t ”1 l 6 l 。 瑞典则凭借其独一无二的海洋冷源优势，拥有着世界上最大的区域供冷工 程之一，其c o p 值达到了1 3 左右，使其无论从经济性还是环保性都成为区域 供冷的典范。近来，荷兰的阿姆斯特丹、加拿大的多伦多以及中东的沙特阿 拉伯成为了区域供冷发展的新的亮点，几个超大型的区域供冷项目正在建设 中或即将投入使用】。 在中国，区域供冷也已有十多年的历程，但由于种种原因，发展比较缓慢。 随着经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，特别是在近几年国内夏季电 力的不断紧缺及对建筑节能关注的推动下区域供冷技术在东部、南部地区已 经有了长足的发展。我国已建成的区域供冷区域有广州某高档住宅小区、广州 大学城、上海路易凯旋宫住宅小区、中关村西区、上海浦东国际机场区域供冷 系统、湖南长沙某住宅小区、清华大学区域供冷系统等【1 引。同时也有很多地方 在拟建区域供冷系统，将促进区域供冷系统的进一步发展。 1 3 变流量系统国内外的发展状况 空调水系统首要的目的是为空调末端提供消除余热或补偿热损耗所需的冷 2 水或热水，然后在满足这个要求的前提下尽可能的节能，即以最少的能耗提供 最好的服务。为达到以上要求，冷水系统经过了大约七十年的发展，并且还在 继续完善。这个发展过程总是老的问题刚刚解决，新的问题又接着产生，如系 统冷水温差过小的问题、水系统阻力损失过大的问题、水系统的平衡问题等等， 诸如此类的问题，使得系统越来越复杂，这种种的矛盾推动了变水量技术的发 展。变水量空调技术的发展，与控制技术和水泵变速技术的发展是紧密相联的， 可以说变水量技术是随着变速水泵的出现而开始发展的。随着控制技术和变速 驱动器技术的发展，变水量系统得到了大量的研究及充分的发展，并广泛应用 于各类建筑中的空调系统中。 2 0 世纪6 0 年代，变速水泵开始应用于空调冷水系统中【l9 1 。有文献认为，1 9 6 7 年在美国辛辛那提大学使用的变速水泵技术是变水量技术的首次成功应用。但 使用这一技术的初衷并不是为了降低冷水系统能耗，而只是用变速水泵来降低 大型空调冷水系统中过大的运行压力，并且变速驱动器的一次性投资过大，对 于大多数的供热、供冷或冷却水系统来说都不合适。在这个时期的工程中，变 速驱动器使用定速电机，通过使用可调的滑轮、离合器或装满液体的圆盘来改 变水泵的转速。通过机械振动膜，采用系统压力作为控制水泵的转速的信号。 这些装置在减速状态下的能耗比现在使用的变频器要高得多，同时系统虽然使 用了变速水泵，但冷水系统变流量设计的方法本身还是沿用定水量系统的设计 方法，即此时的变水量系统是通过装在末端装置的三通调节阀来改变通过空调 箱或盘管的水量，多余水量通过旁通管回到主机，通过主机的水量不变。末端 流量根据负荷变化，并不节约水泵的能耗。 七十年代，能源危机使人们对于节省能源有了更深刻的认识，变水量技术 开始受到广泛的关注和重视，然而由于使用的变速机械装置太复杂，大部分设 计师无法理解或接受机械装置变速的水泵，直到7 0 年代中期，模拟控制出现并 开始广泛代替机械控制。它相对于机械控制来说更容易调节，使用这种控制也 能获得较为精确的水泵转速。计算机技术的发展使水泵变频运行更容易实现， 同时末端装置也用二通调节阀取代了三通调节阀来改变流过盘管的水流量。但 此时人们仍局限于通过制冷机水流量不变的设计，把冷冻水系统分为冷冻水制 备和冷冻水输送两部分，系统分为两个循环，一次循环为冷量制备，流量恒定， 二次循环进行冷量输送，根据末端负荷要求改变二次循环水流量，达到了降低 水泵能耗的效果，这就是现在的二次泵变流量系统有些系统将所有二级泵并 联后进行变频控制，这样每台二级泵的扬程都必须大于额定工况下最不利环路 的阻力，近端或阻力较小用户只能靠增加阻力( 选小管径或关小阀门) 使系统阻 力平衡，造成不必要的能源浪费。经过摸索和实践发现，如果对各用户的二级 供水泵分开进行配置，将更有利于初投资的减少和节能运行。比如离冷冻站较 近的用户在满足流量的前提下配置扬程较小的二级泵，其功率也随之降低，而 较运用户配置扬程大的水泵。这样使资源的配置更加优化和合理，同时也降低 初投资和运行费用。 到了八十年代，由于变频器价格的降低，使得水泵控制系统的投资减少。 对于交流量系统的研究也越来越多，同时随着数字控制时代的到来，冷水变流 量系统出现了些明显的变化【2 0 】：( 1 ) 数字控制器扩大了压差变送器使用数 量，每个空调分区可设置多达l o 1 2 个压差变送器，虽然大多数冷水系统只需要 比例积分控制，但p i d 控制器开始应用于水泵控制中；( 2 ) 数字控制器与压差 变送器的快速通讯，提高了冷水系统的控制精度；( 3 ) 提出了水泵的控制方法。 这种方法最初只是着眼于提高水泵的运行效率，被称之为“最高效率控制法”， 它是采用流量计，并根据系统流量来选择水泵，尽可能使水泵工作在最高效率 点。虽然这种控制方法提高了运行效率，但并没有考虑水泵电机和变速驱动器 的效率后来提出的电路- 水路效率控制法，则在控制中不仅使用了流量计，还 使用了供冷变送器和压力变送器，研制出了能连续显示电路水路效率数字能量 的评估器。这时的水泵实际上是按系统高效率进行顺序控制的；( 4 ) 随着数字控 制器的发展，出现了一体化的整体型水泵系统。 从九十年代开始，随着计算机及电子技术的高速发展，变流量技术得到更 大的发展。水泵、变频驱动器、控制器等设备性能的提高满足了冷水系统控制 的要求。d d c 控制技术的出现结束了机械控制的时代，提高了水泵系统运行的 效率。这个时期，开始使用计算机进行水系统的优化设计，同时也为水系统的 分析提供了新的工具。国井专家也提出了节能潜力更大的一次泵变流量系统。 该系统不设二级泵，对运行水泵直接变频，就是现在的一次泵变流量系统。一 次泵变流量系统因其众多的优势，从一开始就受到多方面的关注和研究，因为 机组流量调节的局限性，现在的实际应用并不广泛，并且在控制技术等方面还 存在诸多争议。随着变流量技术的成熟，国外甚至将变流量技术的应用作为标 准，对较大型的空调系统，必须要有一定的变流量运行能力 2 0 1 。 我国变频技术的应用起步较晚，直至上世纪9 0 年代中，由于变频控制器的 日益普及与降价、以及目前我国建筑能耗的居高不下，我国工程界的节能意识 的逐年提高，在空调水系统上我国工程师开始应用交频控制技术的尝试【2 1 1 。在 传统方式下，冷冻水泵一般只进行简单的台数控制，不能根据系统所需扬程和 流量变化进行连续调节，多余的扬程消耗在末端设备的控制阀上，末端设备工 作在大流量小温差的状态，部分负荷工况下运行即不经济。因此，如何控制变 水量系统，以使整个系统运行能耗最低已成为当今空调控制领域的研究热点。 变水量空调水系统有显著的节能效果，本课题通过某一具体的工程实例， 通过理论分析，提出切实可行的空调变水量系统的运行方案，力求达到更好的 节能效果，获得更大的经济效益和社会效益。 4 1 4 课题研究内容 本课题围绕某具体工程实例，着重从以下六个方面对变水量系统进行分析： 1 利用d c s t h 软件模拟出区域空调冷负荷，试图得出随室外温度变化各时段 负荷的分布情况 2 对变流量系统的末端装置和二通调节阀调节特性进行分析 3 分析研究变流量系统的节能机理 4 对并联水泵的几种控制策略进行研究 5 对变水量系统并联水泵运行与管网的匹配方式进行研究，分析不同水泵 运行方式下的水泵运行工况，结合某具体工程实例进行了分析 6 分析不同水泵运行方式下的经济效益，试图找出的最佳方案。 5 第二章变水量空调系统及水泵变频节能机理 2 1 变流量空调水系统 系统中的供、回水温度保持定值，负荷改变时，通过供水量的变化来适应 的系统，称为变流量系统【2 2 1 。通常所说的变流量系统是指在水系统的空调末端 使用二通控制阀的系统，是与空调末端使用三通控制阀的定流量系统相对而言 的。变流量系统的目的是要使由冷源输出流量所载的冷量与经常变化的末端所 需的冷量相匹配，在节约冷量的输送动力和冷源的运行费用同时，也可达到室 内区域的温湿度要求。 2 2 交流量空调水系统类型 目前变水量系统可以根据冷、热源侧和负荷侧使用水泵的情况分为一次泵 系统、二次泵系统和三次泵系统。 ( 1 ) 一次泵变流量系统 一次泵水系统是指冷、热源侧和负荷侧合用一组循环水泵，循环水泵安装 在冷、热源侧。一次泵变流量空调水系统具有系统简单、操作方便、投资少的 优点，在许多中小型空调工程中得到了广泛应用。图2 1 为采用压差旁通控制 的一次泵变流量系统，当满负荷运行时，负荷侧二通调节阀全开，旁通阀全闭。 随负荷的减少，末端设备电动二通调节阀关小，流经末端设备的水量减少，供 回水总管压差增大，压差控制器动作，使旁通调节阀逐渐打开，部分水流返回 冷水机组：当旁通调节阀全开而供回水管的压差达到规定的上限时，水泵和冷 水机组各停一台。反之当流经末端设备的水量增大时，供回水管的压差减少， 旁通调节阀的开度减少，直至旁通阀关闭，压差下降至下限值时，恢复一台水 泵和一台冷水机组的工作。 该变流量水系统方案适应于供、回水压差变化不大的系统，此时水泵消耗 的轴功率随水泵运行台数的增减而增减，但由于水泵运行台数与负荷要求不一 定相匹配，所以是呈阶跃式变化的，只能实现部分节能的目的。 控制一 平衡一 旦 压差旁最j l 圃 环水泵 r = i = = 一 图2 1 一次泵变流量系统示意图 6 ( 2 ) 二次泵变流量系统 二次泵系统在一次泵系统的基础上，在负荷侧增加一组循环水泵，将冷冻 水系统分为制备和输送两个部分，在负荷侧和冷源侧分别设置水泵，降低了各 自管路的承压根据二级泵布置的情况又可以分为：并联布置和分开布置两种 形式，如图2 2 和图2 3 。在二次环路中设置变速水泵。当负荷变化时，通过改 变二次泵转速来调节负荷侧二次环路的循环水量。这种配置方式，初投资较大， 白控要求高增加了维修费用外，机房占地面积也大。制冷机的冷冻水供回水 通过平衡管的混合也影响冷水机在部分负荷时的效率。并且实际运行时的高峰 负荷与设计时的最大负荷不相符和时，不能充分利用制冷机的满负荷运行。但 从节约能耗考虑它占有极大优势。 由于目前生产的冷水机组多数采用的是要求通过蒸发器的水流量为恒定流 量，相对于定流量系统而言，二次泵系统能够节约一定的能耗，并且二次侧环 路对不同的用户( 压力、远近不同) 有较大的适应性。次级泵的台数可以大于 制冷机的台数，这可以适宜建筑物负荷的变化，并且适宜空调系统的改、扩建， 所以该系统目前在我国工程界采用的较多。 乒 卜 # 图2 - 2 二次泵变流量( 并联布置) 系统图 e 也坚i 7 ”1 ”7 一 控制一 删曲收卜一 二五一 二次囊 平衡管 一次象 广 一 图2 - 3 二次泵变流量( 分开布置) 系统图 ( 3 ) 三次泵交流量系统 7 在二次泵变流量系统的基础上，需要在个别区域里设置单独的水泵进行流 量调节，这个系统就被称作三次泵变流量系统，系统图如2 4 。三次泵系统将水 系统分隔为三个独立的回路：生产、输送和分配。各回路间水力工况相对独立， 各用户问水力耦合性小，无最不利用户存在，系统水力稳定性好。和二次泵变 流量系统相比较，三次泵变流量系统有更大的节能优势。三次泵变流量系统的 二次侧水泵只需要提供合适的扬程来满足最远程桥通路的流量需求，并不需要 提供扬程去满足最远用户的需求。这个设计降低了二次侧水泵的扬程。而在个 别的区域里，则由三次侧水泵负责将水打至各个配管，盘管和阀件。但是三次 泵系统只有应用到非常庞大的区域供冷系统中，才能体现出它的节能性，另外， 三次泵系统控制较为复杂。 el _ 1 卜匾亟h 8 “扛 厂匦耍w b 媳一 三次泵控制一 平衡一 9 二次泵 早暂臂 回 一次泵 厂= = = 一 图2 _ 4 三次泵变流量系统示意图 2 3 空调水系统变频节能的机理 2 3 i水泵的相似定律的适用性 根据水泵的相似定律2 3 1 ，在相似点处水泵的转速、流量、扬程和功率之间存 在以下关系： q l q = 啊 ( 2 一1 ) 马风= ( q ，l o ) 2 = ( q q ) 2 ( 2 2 ) m o = ( 啊n o ) 3 ( 2 - 3 ) 式中：嘞、幺、风、0 分别为水泵在额定工况下的转速、流量、扬程和功率 玛、q l 、q 、n o 分别为水泵在啊转速下的转速、流量、扬程和功率。 将公式( 2 1 ) 代入公式( 2 3 ) 可以得到 ino=(qlg)3(2-4) 8 式( 2 - 4 ) 表明，水泵的有效功率与流量的三次方成正比。很明显只有位于相似 工况曲线上的点才能满足上述关系。 2 3 2 水泵变频调节原理 变频水泵是通过变频器，改变电源频率，进而改变水泵的转速。转速n 与电 源频率之间的关系为： ， h ： ( 2 5 ) 。l p ( 1 吖) j 式中：s 一一转速差fs ：当= 11 ； ln - j n 1 为定子产生的磁场转速( r r a i n ) ； f l 供电电源频率，h z ； p 电机极对数。 因为在水泵运行中转差率基本上保持恒定，在电机极对数不变的情况下， 水泵转速与电源频率近似成正比。 空调水系统运行变频调节控制具有以下些优点：( 1 ) 具有更好的流量调 节性能和节能效果；( 2 ) 考虑到供冷、供热设计水量的差异，冬夏可以使用一 套循环水泵，并且保持运行工况合理；( 3 ) 水泵为软启动，安全、对电网冲击 小、有利于设备寿命；( 4 ) 可有效降低水泵及电机噪声。 基于二次泵系统可得到水泵与管网性能曲线的关系，如图2 5 。在设计工 况下，系统在设计压力和设计流量下运行，运行点就是图2 5 中水泵特性曲线与 管网特性曲线的交点1 。当水系统的电动二通阀关小，末端水量由q l 变至q 2 ， 系统阻力将增加，引起管网特性曲线的变化，由s 1 变化至s 2 ，如果此时水泵恒 速工作，要保证水泵流量为q 2 ，就必须关小泵后阀门，使系统阻力从h 2 增至h 3 ， 结果在小流量下反而造成进一步提高了水泵扬程。采用变频技术后，当空调 系统在部分负荷下运行时，理想的运行调节是根据当时的负荷率得出需要的供 水量，然后对水泵变频调节，使水泵的特性曲线由图2 ，5 中的i 变为，值得 注意的是此时是根据冷负荷的要求对水泵进行调节( 即系统运行稳定后各阀门 为全开状态) ，是水流量降到q 2 ，管网阻力特性曲线仍为s 1 。系统工作点将沿 着管网特性曲线s l 变化，为图2 5 中的2 点。然而实际运行状态，当系统流量发 生改变时并不是首先根据需求直接调节水泵，而是末端阀门调节水泵变频调 节相结合。此时管网特性实际上是发生变化了。这时候管网特性曲线将变为g ， 而水泵交频后特性曲线由i 变至，水泵流量由q i 变至q 2 。扬程变为膨，此时 工作点为图2 5 的2 f 点，由于阀门产生的动作，工作点就不会在最小阻力系数的 管网曲线上s i 运行。 9 h 3 h t h ； 也 q ：q 图2 - 5 水泵和管网特性曲线关系图 从图2 5 可知，2 点不在设计工况下的管网特性曲线上，所以1 点和2 ，点并 不能满足水泵相似定律，即水泵消耗的功率不与流量的三次方成正比，而是介 于一次方和三次方之间 2 4 1 。此外，水泵的实际功耗还应考虑部分负荷下水泵效 率、电机效率及变频器效率的下降2 ”。 1 0 第三章区域空调负荷特性研究 空调系统冷负荷是按照为满足室内热湿环境的最不利情况设计的，而实际 上空调负荷一直随室外气候和室内热湿负荷变化而变化的，所以在满足室内热 湿环境舒适性的前提下，就需要不断调整空调冷负荷。通过空调负荷模拟，可 以分析和研究空调运行期各时段末端用户的空调冷负荷分布情况，便于下一步 分析在各空调负荷下，交流量空调水系统的控制策略。 3 1计算空调负荷常用的方法 空调负荷变化是一个复杂的问题，受到外界天气、房间结构、人员状况、 设备运行等多种因素的影响，属于典型的非线性问题。从总的概念来说，空调 负荷通常可以分为两大类：一种是供设计时决定空调系统设备容量大小用的设 计负荷，即设计工况下的负荷，它关系到工程的一次投资；另一种是用于计算 全年所需冷热量大小的运行负荷，即用来确定全年能耗的空调负荷，直接关系 到系统的运行费用。目前，传统的空调系统设计，即对设计负荷的计算，一般 会采用手工计算负荷的方法，简化为逐时稳态的传热过程来计算负荷，即认为 负荷在l 小时内稳定，各小时之间是变化的。室外参数选取夏季空调室外空气计 算参数，从而使系统和设备可以满足全年最大冷负荷要求。负荷计算时照明常 要按全天开启设计，室内人数按最大数量计算。 在空调的实际运行控制中，空调的设计负荷并不能作为空调水泵运行的依 据，空调系统的运行必须以负荷的实时变化为基础才能达到优化的结果。对于 住宅建筑空调系统来说，系统的设备容量是根据设计负荷来选定的，但设计负 荷在一年中出现的时间非常少，大多数时间系统都处于部分负荷条件下。因此， 仅仅计算设计工况下的负荷是不够的，还需要计算此空调系统全年的动态负荷， 用于对空调系统的水泵进行控制。空调系统全年动态负荷的计算，一般有以下 几种方法o j ： 1 ) 度日法( d e g r e e d a y m e t h o d ) 2 ) 负荷频率法( b i nm e t h o d ) 3 ) 计算机模拟计算法 度日法和负荷频率法均为传统的计算动态负荷的方法，和它们相比较，计 算机模拟计算方法是建立在动态负荷计算基础上的一种较为精确的方法。根据 精确的数学模型对建筑热过程进行计算机模拟，计算出任意变化的气象条件下 的逐时负荷，然后进行全年分析。比较著名的标准电算程序有：日本空气调节 和卫生工学会提出的h a s p ，美国国家能源局提出的d o e 2 等，这些电算程序均 根据精确的数学模型对建筑热过程进行模拟，计算出任意变化气象条件下的逐 时负荷，然后进行全年叠加 为了获得准确的负荷分布规律及能耗状况，本文采用清华大学开发的d e s t h 欺件，进行住宅建筑模拟计算，得出一年中空调系统的动态负荷，然后分析得 出空调运行期内各个时段管网系统的流量，然后以此为依据对管网系统的水泵 进行研究。 3 1 1d e s t 软件简介 d e s t 是d e s i g n e r ss i m u l a t i o nt o o l k i t 的简称，是清华大学建筑环境与设 备研究所开发出用于建筑热环境设计模拟分析的软件，分为用于商业建筑模拟 分析的d e s t _ c 和可用于居民建筑模拟分析的d e s t h 。 d e s t 主要用于建筑热特性的影响因素分析、建筑热特性指标的计算、建筑的 全年动态负荷计算、室温计算、末端设备系统经济性分析等领域它可以对建筑的 热环境、设备的性能等进行全年逐时的动态模拟分析，与其他传统的模拟系统 不同，d e s t 充分考虑了设计的阶段性，根据设计的不同阶段：建筑设计阶段、系 统方案设计阶段、设备选择阶段、输配系统设计阶段，采用不同的模拟方法， 通过对不同方案的模拟校核计算，可以比较选择出较为理想的设计方案。同时， 它还综合考虑了遮阳、通风、天空背景等因素，使得建筑的模拟计算更符合实 际情况，反映了被模拟建筑的真实能耗状况。 目前，d e s t 软件应用于多个领域，对于空调系统主要应用于以下领域【2 h ： ( 1 ) 空调系统方案设计 空调系统形式及分区方案的设计是空调系统设计里至关重要的一环，该设 计的优劣在极大程度上影响建筑使用时的冷热状况及空调系统能否满足人员热 舒适的要求。目前的空调系统形式及分区方案设计还大多停留在依赖经验和简 单手工计算基础上，而建筑的复杂性使得这种设计往往不能满足舒适性和经济 性的要求 在对建筑热状况进行全年逐时模拟的基础上，根据设计人员提出的不同设 计方案，d e s t 可以模拟出各房间全年的温度状况、不满意率及要求的空调设备 出力，并做进一步的经济性分析，使设计人员可从可行性和经济性两个方面对 不同的设计方案进行比较。 ( 2 ) 空气处理设备校核 确定空调系统形式及分区方案后，设计者可以从d e s t 的设备数据库中选取 一种设备组合，如热回收器+ 表冷器+ 加湿器。d e s t 在方案设计模拟结果的基础 上，对选取的设备类型及容量进行全年逐时的校核计算，给出不能够满足系统 要求的时刻，同时根据选取的空气处理设备，d e s t 还可以做出更为准确的经济 性预测，对不同的空气处理方案能耗，可以为用户选择节能的空气方案提供依 据。 设计者利用d e s t 进行模拟分析，可以在设计阶段就能清楚地了解到各种空 气处理设备的工作情况，大大