基于周期负荷的室内空调最小制冷主机容量计算

基于周期负荷的室内空调最小制冷主机容量计算

0冰蓄冷设计方法随着社会的发展和人民生活水平的不断提高，我国的能源消耗水平逐年提高。以上海地区为例,用电高峰负荷每年几乎以10%的速度增长,而用电峰谷差也几乎以10%的速度增长。实际上全国用电情况基本和上海地区相似,由此可见,节能技术和平衡峰谷负荷技术的发展对我国经济发展具有重要意义。冰蓄冷技术作为一项重要的峰谷负荷平衡技术,近年来获得了很大发展。包括我国在内的许多国家都采取了各种措施以鼓励蓄能技术的发展和应用。传统的冰蓄冷系统设计均是基于设计日的逐时负荷。该方法的实质是假定最热季节每天的空调负荷与设计日的逐时负荷变化规律相同。而在实际建筑中,即使最热季节每天的气象条件完全一样,建筑内的人员、设备和照明情况也会有很大的差别,如普通写字楼工作日的负荷明显大于周末的负荷,商场工作日的负荷则明显小于节假日的负荷。因此,不同类型的建筑在最热季节每天的负荷并不一样,而是呈现一定的变化周期。由于某些天的负荷会明显不同于其他天的负荷,因此采用传统的冰蓄冷设计方法设计出的系统,可能存在着制冷机容量偏大、运行费用偏高的问题。本文在几类典型建筑负荷的基础上,提出了设计周期负荷的概念,用于统一各种建筑可能出现的负荷情况。在此基础上,建立了基于设计周期负荷的冰蓄冷系统设计方法,并用具体算例展示了该方法的有效性。1计算组合冰蓄冷系统设计时的效率计算方法传统的冰蓄冷系统设计方法分为全负荷蓄冰和部分负荷蓄冰两种方法。由于部分负荷蓄冰可以得到最小的制冷主机容量,在我国目前的电力政策下具有较好的经济性,部分负荷蓄冰方式在我国得到了广泛的应用。因此,这里仅介绍部分负荷蓄冰的设计方法。冰蓄冷空调系统的设计可按以下6步进行:1)确定典型设计日的空调冷负荷;2)确定蓄能系统的形式和运行策略;3)确定制冷主机和蓄能装置的容量;4)选择其他配套设备;5)编制蓄能周期逐时运行图;6)通过装置设备费与运行费的计算,求得与常规空调系统相比的投资回收期。在上述内容中,制冷主机和冰槽容量的确定是冰蓄冷系统设计中最重要的两项内容。由于其他方面的内容在相关文献中已有很多详细介绍,因此,本文仅重点介绍制冷主机和冰槽的容量计算方法。当采用部分负荷蓄冰方式时,制冷主机和冰槽的容量按式(1),(2)进行计算。式中qc为制冷主机装机容量,kW;Q为设计日负荷总量,kWh;n1为白天制冷主机在空调工况下的运行时间,h;H为夜间制冷主机在蓄冰工况下的运行时间,h;β为制冰工况下的性能衰减系数;CLn为设计日逐时负荷,kW;QT为蓄冰槽容量,kWh。从式(1),(2)可以看出,传统设计方法在计算过程中只运用了典型设计日的负荷逐时分布情况,而没有考虑其他时间的负荷分布情况,这样会出现设备闲置的问题,所选择的制冷主机容量也不是最小的。以教堂这样一个极端情况为例。一般来说,教堂只是在周日做礼拜的时候人数最多,空调负荷最大,而平时由于人员很少,空调负荷很小。如果以传统的典型设计日负荷来进行计算,将选取周日负荷作为典型设计日负荷来计算,这样计算得到的装机容量和蓄冰槽容量在平时将极大地闲置,如果可以将蓄冰负荷分摊到一周内的其他夜间,可以想象,装机容量会大大降低。因此,传统冰蓄冷系统设计方法适用于每天负荷变化基本一致的情况,如果每天的负荷不相同,则由传统的部分负荷蓄冰设计方法得到的制冷主机容量并不是最小。因此,需要研究每天负荷不一样时部分负荷蓄冰的设计计算方法。2设计周期负荷和设计日负荷对于确定的建筑而言,其空调负荷主要受两方面的因素影响:气象条件和使用情况。由于气象条件随机变化,通常采用设计日气象条件计算设计日逐时负荷,以使所设计的空调系统能够满足气象条件变化时空调效果的不保证率。为此,在设计日气象条件下,室内的使用情况通常按最大负荷考虑,从而得到设计日逐时负荷。但在大量的实际建筑中,即使在设计日气象条件下,室内的使用情况也并不总是处于最大负荷下,而是呈现出一定的变化规律。比如,写字楼周一到周五的工作日负荷较大,周末则很小;商场则是周一到周五负荷较小,周末负荷较大。这种变化规律在很多建筑中是确定的,而不是随机的。因此,如果采用设计日的气象条件,内部使用情况按已知的变化规律进行考虑,所得到的负荷完全可以满足气象条件变化时空调效果的不保证率。将设计日气象条件下室内使用情况按照一个典型周期变化而形成的逐时负荷称为设计周期负荷。笔者应用DeST负荷计算软件计算得到几类典型建筑的设计周期负荷。有关DeST的详细情况可参阅文献。在计算设计周期负荷时,气象参数不再是代表年逐时气象参数,而是代表日气象参数反复作用。实际计算时,当初始值影响消除后的周期变化负荷即为设计周期负荷。如果一直保持室内使用状况处于最大发热量的情况,则所得负荷即为设计日逐时负荷。由于写字楼、商场、宾馆建筑在集中空调建筑中占有相当比例,笔者仅分析这三类典型建筑的设计周期负荷和设计日负荷。为简化计算起见,作如下设定。1)三类建筑的平面结构相同,使用条件如下:写字楼中人员工作时间为每周一至周五,早上8:00至晚上8:00,周六和周日休息,其他设备工作时间相同;商场营业时间为早上8:00至晚上8:00,周一至周五的人员数量为周六和周日的50%,其他设备工作时间相同;宾馆中人员24h在房间内,周一至周五的人员数量为周六和周日的50%,其他设备工作时间相同。2)写字楼和宾馆的建筑共20层,其中每层建筑结构都相同,每层面积为2000m2,一层共有20个房间,每个房间面积为80m2,走廊面积为400m2;商场为开放式商场,共5层,每层面积为20002m。3)这些建筑均位于北京。4)其他参数采用DeST默认参数值。2.1设计周期负荷分布将DeST数据库中每一天的气象参数都改成设计日的逐时气象参数,内部使用状况保持不变,可以计算出典型设计日的负荷分布情况,共23927kWh,如图1所示。在上述室外条件下,将内部使用状况改为周期性使用状况后可以计算出设计周期负荷分布情况,如图2所示。取初始值影响消除后的一个周期,以矩阵形式可以给出这个周期中每天的逐时负荷,如式(3)所示。2.2设计周期负荷同理,可以给出宾馆的设计日负荷(共计17524kWh)和设计周期负荷,分别如图3和图4所示,设计周期每天逐时负荷的矩阵表达式见式(4)。2.3设计周期负荷同理,可以给出商场的设计日负荷(共计20180kWh)和设计周期负荷,分别如图5和图6所示,设计周期每天逐时负荷的矩阵表达式见式(5)。3冷量平衡方程为简化计算过程,与传统设计方法一样,作如下假设:1)冰槽在任何时刻都具有足够大的释冷能力;2)蓄冷时无空调负荷(如有,则另设基载主机承担)》3)不考虑冰槽的漏热。设一个设计周期为N天,周期内第i天的逐时空调负荷为CLn(i)(kW);第i天蓄冷开始前,蓄冰槽内残余冰的容量为Qi(kWh);第i天蓄冷结束后,蓄冰槽内冰的容量为QiT(kWh);第i天逐时负荷CLn(i)中高于qc部分的与相应时间乘积的总和为Qgci。设计周期内蓄冰系统的工作过程如图7所示。考虑第i天的夜间蓄冷过程和白天供冷过程的冷量平衡,可以得到第i天夜间蓄冷结束时冰槽内冰的容量为考虑到设计周期第一天和最后一天的周而复始的关系,可得到整个设计周期的冷量平衡方程组如式(8)所示。每天蓄冷结束时冰槽内冰的数量如式(9)所示。整理式(8)可得式(10)仅包含未知数qc,可利用迭代方法方便求出。本文利用Matlab软件,采用牛顿下山法,对式(10)进行数值求解,得到qc。将由式(10)中解得的qc代入式(8)中,由于在解qc过程中已经运用过一次求和,故将qc代入式(8)后,独立的方程将减少一个,为N—1个方程。这样,在此方程组中,共有N—1个方程以及N个未知数,所以此方程组为不定方程组。可以检验得出此方程组系数的秩和增广矩阵的秩都等于N—1,说明方程有解,并且在通解中含有一个基向量。从方程组的形式可以看出,如果某组Qi是方程组的解,则所有Qi增加同一个常数后的值也是方程组的解。其物理意义如下:如果每天蓄冷开始前存储的冰量能满足整个周期的使用,则将冰槽中每天冰的数量增大一相同值,仍能用相同的制冷机满足整个设计周期的供冷要求,只是冰槽的容量增大而已。要获得最小的冰槽容量,则必须在满足供冷要求的前提下,在整个周期中保证冰槽中的冰至少有一次用完。因此,满足上述方程组的(Q1,Q2,…,QN)的所有通解中最小值等于0的那组解就是在当前制冷机容量条件下满足供冷要求的冰槽最小容量,即所要寻找的解。将满足上述条件的Qi代入式(9)中,可以得到每天蓄冷结束后冰槽中的冰量QiT,其中最大值即为所需要的冰槽容量QT。4基于设计周期方法的冰蓄冷方案设计结果以上分析了设计周期情况下的设计方法,下面将通过上述三类典型建筑示例来具体说明基于设计周期负荷的方法与传统方法的区别。在此,只考虑两种设计方法的差异部分,对于水泵、冷却塔等其他部件的初投资和运行费用不作详细对比研究。由于冰蓄冷系统的运行费用计算过程较为复杂,且有众多文献对此进行了详细的阐述,本文参照文献中所使用的方法,同时再作如下假设:1)初投资中制冷机与蓄冰槽的价格均按单位容量估算,制冷机按450元/kW,蓄冰槽按114元/(kWh)计算;2)运行费用按北京市电价差异情况简单计算,峰谷时段为:峰段8h(10:00～15:00;18:00～21:00),平段8h(7:00～10:00;15:00～18:00;21:00～23:00),谷段8h(23:00～7:00)。商业用电价格分别为1.12,0.76,0.30元/(kWh);3)使用寿命为20a。通过计算可得到如表1所示的三类建筑冰蓄冷方案设计结果。从表1可以看出,采用设计周期方法后,主机容量比设计日方法降低了30%～50%,而冰槽容量则有所增加;同时可以看出,当系统设计周期内存在全天无负荷的情况时,以设计周期法设计的系统蓄冰槽容量明显增大,而当系统的设计周期中不存在全天无负荷的情况时,蓄冰槽容量增加不明显甚至可能降低。由于篇幅原因,关于基于设计周期负荷的冰蓄冷系统设计方法与传统设计方法经济性比较的详细研究,笔者将撰写另文介绍。5设计周期设计方法本文针对商用建筑的使用情况具有明显的周期性这一特点,提出由设计日气象条件和典型使用周期结合所形成的设计周期负荷的概念。基于设计周期的负荷,给出了制冷机容量最小时的冰蓄冷系统制冷机和冰槽容量的设计计算方法,并通过具体例子对基于设计周期负荷