大学图书馆中央空调的用电建模仿真与优化

2020-06-15刘文戈李旭东张政伟陈晓东俞欢

理论与创新 2020年8期

刘文戈李旭东张政伟陈晓东俞欢

W为总运行能耗;W1（i，t）为第i台冷水机组在t时刻的运行能耗;W2（i，t）为第i台冷水机组在t时刻的运行能耗;W3（i，t）为第i台冷水机组在t时刻的运行能耗;W4（i，t）为第i台冷水机组在t时刻的运行能耗;W5（i，t）为第i台冷水机组在t时刻的运行能耗;W6（i，t）为第i台冷水机组在t时刻的运行能耗;W7（i，t）为第i台冷水机组在t时刻的运行能耗。

由于图书馆位置一般远离巨大体量的江河，且风机盘管系统的能耗在中央空调系统的总能耗中占比较小，所以上式可略去W4 ，W5 ，W6 ，W7。故简化得：

2.3冷水机组能耗的数学模型

基于冷冻水供水温度、冷却水回水温度和机组负荷的能耗模型，指出冷水机组的能耗与冷凝温度、蒸发温度和机组负荷有关。同时，冷却水的出水温度可以用来表示冷水机组的冷凝温度，冷冻水的进水温度可以用来表示冷水机组的蒸发温度。可以建立用冷却水出口水温冷冻水进水温度以及冷水机组负荷表示的冷水机组能耗模型。具体表达式如下：

其中：Tq2为冷却水出口水温（℃）;Td1为冷却水进口水温（℃）;Q为冷水机组负荷，kW;a0-a5为冷水机组能耗模型的系数。

2.4冷冻水泵能耗的数学模型

此处仅计算了循环系统和冷冻水泵的能耗，忽略了能量的附加损失。整个冷冻水系统的能耗由水泵在工作点的流量、扬程和效率来表示。

流量公式为：

上式中：QL为蒸发器冷负荷，kW;Td1为冷冻水进口水温（℃）; ρ为冷冻水出口水温（℃）;c为水的密度，kg/m3;c为冷冻水进出口温度的平均比热容，kJ/（kg×℃）。

由于QL与Q（冷水机组制冷量）的关系为：QL/Q=AL，式中AL是大于1的系数。AL取值1.2。

所以流量公式可写为：

扬程计算公式如下：

其中：Hd为冷冻水泵扬程（kPa）;Hd0为水泵的名义扬程（kPa）;Gd为冷冻水流量（m3/s）; Gd0为水泵名义流量（m3/s）;

计算出流量和扬程后即可得冷冻水泵能耗的数学模型表达式：

其中：β1为流量储备系数;β2为扬程储备系数;为水泵效率。

2.5冷却水系统能耗的数学模型

冷却水系统与冷冻水泵能耗模型的数学表达式类似，冷却水泵能耗的数学模型如下：

式中：Gq为冷却水流量（m3/s）;Hq为冷却水泵扬程（kPa）; 为水泵在工作点的效率。

2.6制冷系统整体能耗的数学模型

结合以上的几个表达式可得制冷系统的运行能耗为：

【摘要】在能源的消耗使用中，建筑业是大户，其中又以空调用电最为明显，探究空调用电能耗的节能方式一直是热门的讨论话题，所以学习了解建筑物的中央空调节能方式是一种很有效学习系列电气相关知识的方式。本文讨论了设计层面与运行层面两个层面的节能方式，其中包括从装置的安装，系统的改进等角度的探讨。

【关键词】中央空调用电能耗;优化策略;蓄冰空调

引言

在能源消费方面，据相关数据显示，欧美一些发达国家的建筑能耗约占我国能源消费的30%，建筑能耗所占比例远低于发达国家，但随着建筑业的发展，随着节能减排理念的推广，这一比例将逐年提高，中央空调能耗问题的解决迫在眉睫，中央空调能耗占建筑能耗的40%～50%，作为全球最大的制冷空调设备生产商和第二大消费市场，我国空调低碳产业时代的到来，将带动中央空调行业低碳节能建设的新浪潮，因此，推动技术发展是中央空调行业节能减排和可持续发展低碳经济的主要措施。

中央空调除了冷冻机组外，还包括：冷却水循环系统，冷却塔，室内交换机等。因此除了一些运行上的改进外，设备上的改进也可以起到从设计层面达到的节能效果。

1.优化方案

1.1减少安装层面造成的损耗

大学图书馆类型的建筑的体积面积都较一般的建筑要更大，且室内单独划分的面积小，公共的区域面积大，因此冷却液的输送距离也一定会随着冷却液循环管网系统的分布广度的增加而增加。因此，如果在设计层面就做出改进则就可以减少大量能量的损耗。

市面上许多中央空调系统在管材的选取上大多选取聚氨酯泡沫塑料保温、高级橡塑保温、酚醛泡沫塑料保温等材料。这类材料有一个问题，管道的安装都是在工厂内提前确定并定型的，因此在安装过程中，极易出现由于管道材料组合时贴合程度不足导致的缝隙加大的能耗增加的情况。所以，在安装过程中，可使用聚氨酯发泡材料进行现场安装，可减少上述由于缝隙增大方面的造成的损耗。该技术主要是利用聚安酯在空气中的氧化作用，使流体转变为固体后组合严密的特性，在管网系统较为密集的区域保温效果的提升更为明显。

1.2利用蓄冰空调系统

冰蓄冷就是将水制成冰的方式，利用冰的相变潜热进行冷量的储存。与水蓄冷相比，储存同样多的冷量，冰蓄冷所需的体积将比水蓄冷所需的体积小得多。其原理就是在用电价格低的夜间时，将制冷液降温冷冻成固态冰，在白天用电高峰期再融化为液态，将冷量释放出来使用。

冰蓄冷的优势有以下几点：（1）夜间环境温度较白天更低，更有利于制冷涉笔的散热，并提高制冷机产冷量;（2）长期处于高效率工作状态;（3）减少装机容量。

1.3冷冻机组技术的改进

温度调节源，也指制冷时与冷冻液进行热量交换的物质，这是影响到能源消耗的关键部分。

根据广州市轨道交通2号线海珠广场地下水源热泵系统的应用，研制了一种新型热泵交换机。中央空调系统的冷却塔系统被體积大温度低的天然地表水所代替。天然地表水冷却的导热液体通过导热系统输送到管网中，具有较好的冷却效果。在考虑这项技术的应用时，需要调查水文条件，考虑生态环境等因素，最终估计其制冷效果和可能产生的生态影响，最后选择是否采用和采用何种方案。

综上所述，在除了运行策略方面的优化外，不论是设备安装的改良、冷却源的选择，还是系统机制的改进，都可以提高节能的效果。

2.系统运行层面的优化方案

2.1中央空调制冷系统的组成及工作原理

名称工作原理

制冷系统一般制冷机的制冷原理是压缩机把压力较低的蒸汽压缩成压力较高的蒸汽，使蒸汽的体积减小，压力升高。压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽，使之压力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流后，成为压力较低的液体后，送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽，再送入压缩机的入口，从而完成制冷循环。

冷冻水系统冷冻水循环系统是中央空调设备的冷冻水回水经集水器、除污器、循环水泵进入冷水机组蒸发器内，吸收了制冷剂蒸发的冷量，使其温度降低成为冷水，进入分水器后再送入空调设备的表冷器或冷却盘管内，与被处理的空气进行热交换后，再回到冷水机组内进行循环再处理。

冷却水循环系统从冷却塔来的较低温度的冷却水，经冷却泵加压后送入冷水机组，带走冷凝器的热量后，温度便升高了，然后被送到冷却塔上进行喷淋，由于冷却塔风扇的转动，使冷却水在喷淋下落过程中，不断与室外空气发生热湿交换而冷却，冷却后的水落入冷却塔积水盘中，然后再次被冷却泵加压后进入下一个循环。

风机盘管式系统风机盘管机组由风机、盘管和过滤器组成，它作为空调系统的末端装置，分散地装设在各个空调房间内，可独立地对空气进行处理，而空气处理所需的冷热水则由空调机房集中制备，通过供水系统提供给各个风机盘管机组。

冷却塔风机系统将制冷机组中升温后循环来的冷却水进行冷却

2.2制冷系统能耗的数学模型

中央空调制冷系统运行能耗的方程式可表示为：

3.研究意义

“节能就是应用技术上现实可靠、经济上可行合理、环境和社会都可以接受的方法，有效地利用能源，提高用能设备或工艺的能量利用效率。建筑节能可促进能源资源节约和合理使用，这不仅减轻了资源消耗的负担，还有利于各式经济的发展，是贯彻了科学发展观的重要举措。

4.结束语

本篇论文总共讨论了中央空调节能策略的多种方式，有设计层面的管道安装选材，有系统机制的蓄冰空调，也有控制策略层面的数学模型。较遗憾的是没有去收集数据并进一步尝试自己代入数据得到运行层面的最优解。

参考文献

[1]侯志坚，连之伟，蔡志军，等. 某大型空调系统能耗分析[J]. 建筑节能， 2007， 035（004）：43-45.