中央空调系统质调节运行方案模拟分析

邵宗义 韦梓春 马长明

北京建筑大学供热供燃气通风与空调工程北京市重点实验室

中央空调系统质调节运行方案模拟分析

邵宗义 韦梓春 马长明

北京建筑大学供热供燃气通风与空调工程北京市重点实验室

冷水机组作为空调系统中的主要耗能设备，实际运行中的绝大多时间是处于部分负荷。本文针对上海某公共建筑的空调系统进行了实例分析，提出了分阶段变冷水温度的运行方案。利用DeST-c软件对冷水机组进行了全工况模拟，预测了其节能效果。

冷水机组 冷冻水 质调节 DeST-c

在部分负荷下适当调节空调系统冷水机组的运行参数使设备出力与实际部分负荷相当，可在满足室内舒适度要求的情况下，为业主节省运行费用。适当提高供冷水温度，可提高冷水机组蒸发器的蒸发温度，提高冷水机组的能效比，从而节约其能耗[1]。本文针对某公共建筑根据其负荷特点制定了分阶段的质调节方案，并利用DeST-c模拟分析了预期的节能效果。主要对比定流量定冷水供水温度（7℃）的空调水系统，由分析和负荷变化情况得出该公共建筑的变水温运行方案，利用DeST-c模拟验证了变水温方案对室内舒适度的影响，和其可能达到的节能效果。

1 建筑及空调系统概况

1.1 建筑概况

本工程位于上海市。总建筑面积28000m2，地下一层为连体地下室，地上分为2栋建筑，一侧为科技馆，5500m2，地上5层，建筑高度20.4m；另一侧为活动中心，22500m2，地上6层，建筑高度23.7m。利用DeST-c软件建立其立体模型（图1）。

图1 建筑的DeST立体模型

建筑围护结构性能参数：外墙传热系数K=0.8W/ (m·2K)；屋顶传热系数K=0.6W/(m·2K)；外窗为普通双层6mm厚玻璃，中间色内窗帘/浅色活动百叶，传热系数K=3.01W/(m2·K)；内墙与楼板传热系数K= 1.57W/(m·2K)。

各房间室内计算温度18℃～28℃，相对湿度35%～65%，最低新风量17～30m3/人。不同功能房间具体状态参数，热扰，作息时间在DeST-c中设置。

1.2 空调系统概况

该建筑冷源为两台规格相同的电制冷离心式冷水机组。水系统形式为一次泵定流量系统，控制策略为“一机对一泵”。DeST-c系统示意图如图2所示。

图2 空调水系统示意图

各设备额定参数如下：

1）冷水机组：制冷量为1231kW；输入功率为228kW；蒸发器流量为212.4m3/h；蒸发器压力降为92.0kPa；冷凝器流量为252m3/h；冷凝器压力降为75kPa。

2）冷却塔：额定水流量为250m3/h；额定冷却量为1458kW；冷却塔压降为51kPa；额定风量160000m3/h；风机功率为7.5kW；补水量为12.5m3/h。

3）冷冻水泵：额定流量为209m3/h；额定扬程为380kPa；额定效率为81%。

4）冷却水泵：额定流量为254m3/h；额定扬程为286.2kPa；额定效率为70%。

2 负荷特性分析

利用DeST-c对该建筑全年8759个小时进行全年冷热负荷的动态计算，其全年逐时冷热负荷逐时曲线如图3所示。由图3可以看出，全年冷负荷时间较热负荷大很多，并且供冷时间较长，设置供冷时间为4月1日至11月31日。

图3 建筑全年逐时负荷

表1为空调冷负荷时间频数统计。

表1 空调冷负荷时间频数（%）

由表1可以看出：

1）全供冷季有92.2%的时间是在低于80%最大供冷量的工况下运行；

2）全供冷季只有极少时间（大约2.4%左右时间）是处于90%以上最大供冷量的工况运行。

综上，全年只有很少时间是处于最大供冷量的工况下运行的，这给提高供水温度运行提供了很大空间，尤其是在过渡季节。根据DeST-c模拟出的空调负荷统计结果和文献[2]中部分负荷率与冷水供水温度的关系公式，以及考虑管网冷量损失等不利因素得出分阶段冷冻水供水温度变化方案（表2）。

表2 分阶段冷冻水供水温度变化方案

3 典型房间室内状态参数分析

针对提高供水温度可能会降低表冷器的除湿能力这一点[2]，为了验证变供水方案后房间的室内状态参数是否满足舒适度的需求，选取了该建筑一层人员负荷较大的一个典型房间，对比两种方案过渡季节三个典型日的室内湿度状态变化。如图4～6分别表示4月15日，5月10日，9月18日室内湿度变化对比。

图4 4月15日典型房间湿度对比

图5 5月10日典型房间湿度对比

图6 9月18日典型房间湿度对比

由图4～6可以看出在过渡季节，空调冷水温度提高确实使得空调除湿能力有所下降，室内相对湿度几乎都比恒定7℃供水时要高，其中前两个典型日的相对湿度变化较为平稳，而9月18日的湿度变化幅度相对较大，但可以看出室内最大湿负荷几乎不会超过65%，而由模拟得出的室内温度几乎都在22～26℃之间，所以说室内状态点基本还是处于舒适区范围内的。该方案对室内的舒适度几乎不会有太大影响。

4 能耗分析

该空调季总供冷量为4726827.66kWh（图7），两种方案冷水机组提供的制冷量几乎相同，可以看出在七八月份最热的季节，冷水机组供冷量比较恒定，几乎可以满负荷运行，而在其他月份冷水机组制冷量波动较大，所以仅在最热月份冷水出水温度设置为7℃或者更低6℃，其余月份分阶段变供水温度运行。图8统计了冷水机组在两种运行方案下逐月的电耗对比，可以看出在满足制冷量要求的情况下，在5、6、9、10、11月变水温运行方案的节电量较为明显，节能率超过12%，变水量调节方案的供冷季节总累计电耗为840345.3kWh，COP平均为5.62。全年恒定供水温度的累计电耗为955129.49kWh，COP平均为4.94，节能率约为12%。由此可见在不需要额外投入的情况下，只需要在不同季节根据室外温度变化合理改变冷水供水温度，就可以节约相当可观的电耗。

图7 冷机总制冷量逐时变化

图8 冷水机组在两种运行方案下逐月的电耗对比

5 结论

提高冷水机组的冷水出水温度可以提高其制冷循环的蒸发温度，有效地提高了冷水机组的运行效率，降低了冷水机组这部分的运行能耗。表冷器的供水温度会降低表冷器的降温除湿能力，主要降低了除湿能力使得空调房间湿度增加。但由于人体在温度降低的情况下可以在较大的湿度范围内感到舒适，提高供冷水温度对于一般的舒适性空调不会影响其工作性能。利用能耗模拟软件DeST-c对上海地区某公共建筑进行了工况的模拟分析，通过建筑负荷模拟的结果可以看出在全部供冷季，建筑绝大多数时间都处在部分负荷下，尤其是在过渡季节，这给变供水温度运行提供了可能。通过空气处理设备的模拟可以发现在过渡季节水温变化后房间的逐时相对湿度确实有所增大，但综合室温因素室内状态点仍在人体感觉的舒适范围内。通过对冷机的模拟验证了变水温运行方案节能性，在过渡季节节能效果明显，全年空调的节能率约为12%左右。此外考虑到还可以与水泵变频技术结合起来，同时进行空调水系统的质调节，量调节将节约更多的能量。

[1]范圆圆,王旭.空调水系统质调节研究[J].制冷与空调,2006, (1):20-23

[2]张雅锐,袁东立.建筑空调冷水系统变水温运行的节能分析[J].暖通空调,1991,21(5):12-15

[3]燕达,张野,江亿.建筑环境设计模拟软件DeST第7讲-空气处理设备方案模拟[J].暖通空调,2005,35(1):49-58

[4]燕达,夏建军,刘烨,等.建筑环境设计模拟软件DeST第9讲-冷热源与水系统模拟分析(下)[J].暖通空调,2005,35,(4):42-53

[5]陆琼文,刘传聚,曹静.浦东国际机场变空调供水温度节能运行方案分析[J].暖通空调,2003,33(2):123-125

The Sim ula tion a nd Ana lys is a bout Cons ta nt Flow Control Ope ra tion of Ce ntra l Air-c onditioning

SHAO Zong-yi1,WEI Zi-chun2,MA Chang-ming3
HVAC Key Laboratory in Beijing,Beijing University of Civil Engineering and Architecture

Chiller as the major energy-consuming equipment in central air-conditioning system,the majority of its actual operating time is in part load.This paper gives the operating scheme about changing the chilled water temperature in different time for the central air-conditioning system of a public building in Shanghai.Finally a simulation about the chillers in its whole operating time is made to verify our scheme’s energy saving effect.

chiller,chilled water,flow control operation,DeST-c

1003-0344（2015）01-055-3

2013-10-8

邵宗义（1961～），男，硕士，设备总工；北京市西城区展览馆路1号北京建筑大学3号楼526室（100044）；E-mail:shaozongyi@126.com