基于变水温和变水量的空调节能优化控制策略

基于变水温和变水量的空调节能优化控制策略

1变水温调节的可行性和经济性电力是经济发展的动力，节约能源是经济和社会可持续发展战略的必要条件。近年来,由于我国经济的飞速发展,在全国很多城市都出现了供电紧缺的现象,而空调用电却逐年上升,空调节能运行势在必行。随着电价不断上涨,不少业主对空调系统进行了节能改造,其主要手段是通过加装变频器实现循环水泵的变频运行。冷水系统的调节主要分量调节与质调节,水泵变频属于量调节,变水温属于质调节。实现空调的变水温调节,就是在部分负荷的情况下,适当地升高空调主机冷冻水的出口温度,提高主机的运行效率,从而实现空调节能运行的目的。变水温调节的可行性和经济性,在文献中已经进行了分析论证。将两种手段有机的结合起来则可以得到更佳的节能效果,因此本文提出了变水温和变水量协调优化控制策略,并通过具体的建模计算说明其调节过程和节能效果。2空调负荷率确定方法空调负荷的变化情况是空调系统节能运行的主要依据。只有准确掌握各空调房间的负荷变化规律,才能既保证空调房间的舒适性,又可深入发掘系统的节能空间。本文根据文献介绍的传递函数法对广州某综合大楼几个典型房间的全年逐时空调负荷进行模拟计算,计算过程中气象参数来源于文献提供的广州地区典型气象年数据库,人员和设备等按定值计算。根据空调设计每年50h不保证的设计标准,乘以1.1的安全系数,对每个房间进行设备选型。即任意时刻任意房间的负荷率可以表示为:负荷率=该房间实时负荷1.1×50h不保证负荷负荷率=该房间实时负荷1.1×50h不保证负荷为了保证优化调节过程能使每个典型房间都能满足舒适性要求,在优化计算过程中以空调负荷率最大的房间的负荷率为计算输入,简称最不利负荷,其确定方法如图1所示。房间1和最不利空调负荷时间频数如表1所示,统计时间为空调运行时间,即3～12月,早上8∶00～18∶00。3调整和优化全年变水和变水流量的模拟计算3.1空气/水水质调节模型依据最不利负荷率以及相应的气象参数,采用计算热交换效率ε1和接触系数ε2的计算方法,对JW104型6排表冷器按图2所示的流程进行计算,得到全年逐时冷冻水流量、出口温度及室内相对湿度。该计算模型针对的是一次回风空调系统,其设计工况如下,室外参数为广州空调设计的干球温度tW=33.5℃,相对湿度φW=64.8%;室内参数为干球温度tN=25℃,相对湿度φN=50%;冷冻水进口温度tw1=7℃,出口温度tw2=12℃;水流速w=1.4m/s;新风比m=20%。在计算过程中保持室内干球温度tN、风量G、新风比m,并假设室内的热湿比ε不变。在计算空气参数的过程中调用了由清华同方开发的湿空气焓湿图组件(IDGraphControl)。送风干球温度t2=ts2+(t1-ts1)/(1-ε2)。实际热湿比ε′=1000×(iN-i2)/(dN-d2)。表冷器性能参数:析湿系数ξ=i1-i2cp(t1-t2)ξ=i1−i2cp(t1−t2);传热系数Κ=[141.5V0.52yξ1.02+1325.6w0.8]-1;传热单元数β=ΚFξGcp;水当量比γ=ξGcpWc,表冷器的换热效率ε1=1-e-β(1-γ)1-γe-β(1-γ);冷冻水出口温度tw1=t1-(t1-t2)/ε1。空调主机的额定功率PC=268kW,冷冻水泵和冷却水泵的额定功率PP=35kW。文献、等提供的冷水机组性能数据均显示冷冻水出口温度平均每升高1℃,节能率就提高2%～3%。本文采取冷冻水温每升高1℃,主机节能2.5%,对该变水温调节过程进行节能估算。不考虑空调主机随负荷变化所发生的效率变化,即空调主机的节能率可以表示为:θC=2.5%×(Q/Q0)×(tw1-7)式中,Q/Q0为空调负荷率。在满足水力学相似律的前提下,水泵能耗与流量的三次方成正比,水泵的节能率可以表示为:θΡ=n×[1-(W/W0)3]式中,n为与管网特性有关的修正系数,本文取0.8,W/W0为水量百分比。对于冷却水系统,设定水温差恒定,即可得冷却水量百分比等于空调负荷率。为了保证系统运行的安全性,冷冻水、冷却水的最低流量设定在设计流量的60%,对应的水泵频率为30Hz。冷冻水进水温度下限为7℃、上限为15℃,是国家空调设备监督检验中心对表冷器性能进行检验时采用的两个冷冻水温度。3.2冷冻水出口温度对广州某综合大楼进行实例计算,其部分计算结果如图3～8所示。结果显示从3～7月随着空调负荷逐渐增大,冷冻水流量逐渐增加,冷冻水出口温度也逐渐降低;在8∶00～18∶00的空调运行时间内,空调负荷率一般是中间高两头低,冷冻水流量与之相同,冷冻水出口温度则相反,但也有一些特别情况,如3月20日,这主要是因为当天的室外温度逐渐降低导致了空调负荷逐渐减少。值得注意的是当负荷较小的时候,冷却水流量都处于下限状态,可见只采用水泵变频的局限性。同时需要指出,空调负荷率的大小是决定水量和水温的主要因素,但不是唯一因素,室外干球温度和相对湿度也会对其造成一定的影响。冷冻水温度的提高会使表冷器的除湿能力降低,造成室内相对湿度增大,水温过高会影响空调运行房间的舒适性。根据文献提供的舒适性空调设计标准,舒适性空调的室内设计相对湿度可以在40%～65%变化。室内设计相对湿度如图8所示,全年最大值不超过65%,同时模拟计算过程将室内干球温度设定为25℃,因此该优化控制过程能够满足空调的舒适性要求。4平均节能率对模拟计算的结果进行统计,可得到如图9所示的节能效果图。由图可知:平均空调负荷越小的月份,节能效果越明显;平均节能率最大值出现在12月,高达36.7%,最小值则出现在7月,仅有14.5%;全年平均节能率为22.4%。本文就只有水泵变频的情况在相同条件下的运行工况进行了模拟分析,其节能效果见图10,全年平均节能率为17.5%。可见变水量和变水温的协调优化控制策略更能挖掘空调系统的节能空间。5优化控制过程中空调负荷的变化与仅依靠水泵变频进行变水量调节相比,基于变水温和变水量协调优化策略的中央空调系统优化调节方法可以取得更佳的节能效果。对广州某综合大楼全年调节过程的模拟计算表明,前者全年平均节能率为17.5%,而后者可