基于建筑负荷变化的冷水机组节能运行研究

李文柱

中核第七研究设计院有限公司 山西太原 030012

本文以某办公建筑的空调冷水机组为例，以保证冷水机组的最佳工作效率为目标，结合建筑全年的动态负荷变化，探讨冷水机组的节能运行方案。

1 研究对象与方法

1.1 研究建筑的基本情况

该建筑于2016年12月正式启用，地上建筑17层，地下2层，总面积为23546m2，主要用途以办公为主，个别楼层设有休息区及观景阳台。

1.2 数据采集与处理方法

本文数据来源于空调系统各类传感器采集并由中央控制系统自动记录生成，但由于测试仪器及冷水机组运行环境等因素可能引起误差，因此对于采集的数据采用3σ准则剔除异常数据。

2 冷水机组的运行现状分析与优化

2.1 冷水机组的运行特性分析

经测试发现，在本系统中的两台冷水机组有单独运行1#冷水机组、单独运行2#冷水机组和1#、2#两台机组联合运行三种运行模式，现分别就这三种模式冷水机组的综合效率进行分析[2]。张旭豪等人的研究指出，冷水机组在部分负荷下COP与负荷率R呈二次函数关系，而水泵与冷却塔风机的功率通常情况下都变化不大，故可将冷水机组COP、冷源系统COP与负荷率R的数学模型近似表示为：COP=AR2+BR+C。利用3σ准则剔除异常数据后，采用数据拟合的最小二乘法分别对上述两种运行模式进行数据拟合，结果如下：单独运行1#机组时，其机组COP和系统COP的拟合公式如下：

单独运行2#机组时，其机组COP和系统COP的拟合公式如下：

根据上式可知，在1台机组单独运行时，1#机组的机组COP最大值出现在R=0.5时，其平均值为7.48；而系统COP最大值出现在R=0.6时，其平均值为5.4。2#机组的机组COP最大值出现在R=0.5时，其平均值为6.66；系统COP最大值出现在R=0.6时，其平均值为5.11。

比较两台机组的COP最大值之后可以发现，1#机组在最佳运行条件下的运行性能会优于2#机组，1#机组在负荷率R小于0.6时，其运行性能较优；负荷率超过0.6之后，其COP有下降的趋势。

1#、2#两台机组联合运行时，同样采用最小二乘法对其进行数据拟合可以获得1#机组的COP和系统COP拟合公式如下。

2#机组COP和系统COP拟合公式如下。

两台机组联合运行时，1#机组的COP最大值和系统COP最大值都出现在R1=0.4时，其平均值分别为6.50、4.75；2#机组的COP最大值和系统COP最大值都出现在R2=0.5时，其平均值分别为6.60、4.70。不难看出，两台机组联合运行时，两台机组的供冷负荷分配大多集中在0.4＜R＜0.6区间内，也就是说，在通常情况下冷负荷大于单台机组的额定供冷量的80%才会启动两台机组，并且大多数情况下供冷负荷都是平均分配给两台冷水机，但随着负荷率的增加，两台机组都出现了工作效率下降的情况，但是相对而言，2#机组下降的幅度较小，因此在两台机组联合运行时，供冷负荷应该更多分配给2#机组[3]。

2.2 冷水机组的节能运行

总结各运行模式下机组对应的最佳负荷率及最大综合效率平均值时，在单独运行一台机组时，1#机组在低负荷率下（R＜0.6）的运行性能优于2#机组，但是在负荷率增加时，运行性能有较为明显的下降；2#机组的运行性能在0.5＜R＜1范围都能保持比较稳定的综合效率。因此，在一台机组单独运行的模式下，低负荷率下应尽量开启1#机组，高负荷率下应开启2#机组。在两台机组联合运行时，两台机组的综合效率较单独运行时有小幅下降，所以在建筑负荷需求未达到单台冷水机组的额定制冷量时，都应该优先采用一台机组单独运行的模式；在联合运行时的负荷分配不应采取平均分配，当单台冷水机组的负荷率大于0.5时，应该将增加的供冷负荷更多地分配到2#机组。

2.3 模型验证

2.3.1 验证方法

本研究通过继续监测该空调系统2017年10月的运行数据，以负荷率变化0.1为刻度，多次记录各运行模式下的冷水机组COP与冷源系统COP的变化情况，对0.1＜R＜1（0.1、0.2、0.3…）范围的多次测量数据进行3σ准则处理后取其均值，并与模拟结果对比。

2.3.2 验证结果

各运行模式下实验与模拟结果对比得出两台冷水机组在全负荷率下的运行情况，同时通过利用该空调系统10月份的运行数据与模拟结果对比可发现模型误差均在10%以内，表明模拟比较准确可信。

3 建筑全年负荷模拟计算

3.1 建筑模型的搭建及模拟参数设定

设定模拟参数即输入模拟计算的边界条件，确定模拟的计算环境。影响建筑空调系统冷热负荷的主要因素有：

（1）当地气候条件。该地区全年气象数据来源于中国标准气象数据（CSWD），可直接从软件提取导入。

（2）建筑体量及室内房间分区，即建立的建筑物理模型。

（3）围护结构的热工性能。因缺少建筑的完整设计参数，围护结构的相关参数设定参照《公共建筑节能设计标准》（GB50189—2015）[4]和软件系统推荐，这里不再赘述。

3.2 模拟结果分析

对于本研究建筑，模拟结果显示几乎在全年范围内都有冷负荷需求，最大值出现在7月中旬的某天下午，其值为2606kW，已经大于该大楼空调系统设计的额定供冷量1817kW。实际上在冷负荷需求最大的6、7、8、9月份都有出现空调制冷未满足建筑需求的情况，全年上班时间（8:00-18:00）制冷未满足的小时数大约为227h。而建筑的热负荷需求主要分布在12、1、2月，最大值出现在1月底某天下午，其值为520kW，而在其他时刻，对空调热负荷的需求很低，整栋建筑热负荷从几十到两三百千瓦不等。

4 结语

（1）针对冷水机组在不同负荷率下的运行性能，合理地改进其运行模式，可以有效提升冷水机组的工作效率，降低空调系统能耗。在本文研究的系统中，在低负荷率下应该运行1#机组，高负荷率下应该运行2#机组。在两台机组联合运行时，1#、2#机组的综合效率都低于单独运行模式，所以在建筑负荷需求未达到单台冷水机组的额定制冷量时，都应该优先采用一台机组单独运行的模式；而当负荷率大于0.5时，供冷负荷应该更多地分配到2#机组。

（2）通过对建筑的全年负荷模拟计算，可以知道两台冷水机组基本能够满足建筑全年的冷负荷需求，但模拟结果显示的冷负荷峰值已经大于冷水机组的额定设计供冷量，全年上班时间（8:00-18:00）制冷未满足的小时数大约为227h。由于夏季冷负荷高峰时段不长，可以适当降低舒适性，减少机组功率，避免“小马拉大车”，以得到较好的运行效率，甚至在必要时需要考虑系统改造增设机组，更好地与建筑负荷相匹配。结合建筑的动态负荷变化得出的节能运行方案对该系统的运行有较好的指导意义，同时对冷水机组运行评价方面的研究也有一定的借鉴作用。