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中央空调系统的智能化节能运行研究

摘要:中央空调系统能耗在建筑能耗中占很大比例,目前大多数中央空调系统均按照建筑最大负荷进行设计,而系统在满负荷状态下运行的时间频数很小,因此有很大的节能空间。本文通过对中央空调各部件和中央空调系统进行节能运行特性研究,提出了智能化调控技术,为中央空调的节能优化运行提供了更多的思考和建议。
关键词:中央空调系统  节能运行  智能化调控
Research on Intelligent and Energy-saving Operation of Central Air-conditioning System
Abstract: The energy consumption of the central air-conditioning system accounts for a large proportion ofbuilding energy consumption. At present, most central air-conditioning systems are designed according to the maximum load of building and the time frequency of system running under full load is very small, so there is a lot of energy saving space. Theessay studies the energy-saving operation characteristics of central air-conditioning components and central air-conditioning systems, and proposes intelligent control technology, which provides more thoughts and suggestions for the energy-saving and optimized operation of central air-conditioning.
Keywords: Central Air-conditioning System, Energy-saving Operation, Intelligent Control
 
1 研究背景
能源是影响国民发展的重要因素,建筑节能是我国节能战略的重点。随着社会的发展和居民生活水平的不断提升,住宅建筑、商业建筑及大型公共建筑都安装了中央空调,提高人们生活舒适度的同时,也产生了大量的建筑能耗。在现代建筑中,中央空调消耗的能源大约占建筑能耗总量的二分之一,而在酒店、写字楼等大型商用建筑中,中央空调的能耗占比更是超过了60%。因此,对于中央空调的节能运行策略的研究意义重大。
2 各部件节能运行特性
对于中央空调各部件的节能运行研究,分别对冷却水、冷冻水的进水温度对机组效能的影响、多台水泵并联运行能耗、部分负荷下多台冷却塔并联运行能耗以及末端表冷器热工性能影响因素进行了模拟研究,以此来确定中央空调系统各部件的节能运行特性。
2.1冷却水进水温度对机组能效的影响
由图1(a)可知,在不同负荷率下,冷水机组能效均随冷却水进水温度的升高而降低,且负荷率越低,机组的能效的下降幅度越大。从图中还可以看出,当冷却水进水温度为29℃时,冷水机组化负荷率PLR=0.75和PLR=1时的能效相等,说明该冷水机组在化PLR=0.75~1之间取得能效的极大值。
由图1(b)可知,当冷冻水供水温度恒定为7℃,冷水机组在不同的冷却水进水温度条件下,其能效随负荷率的变化趋势均不同。当冷却水进水温度 ℃时,冷水机组能效比随负荷率的上升先增大后减小; ℃时,冷水机姐的COP随负荷率的增大而增大。从图中看出,当 ℃,30℃,32℃,34℃时,机组COP分别在化R=0.8,0.9,0.95,1时取得最大值。

冷却水进水温度/℃部分负荷率PLR
(a)机组COP随冷却水进水温度变化曲线    (b)机组COP随负荷率变化曲线
图1 冷水机组能效随冷却水进水温度及负荷率变化曲线
 
2.2冷冻水进水温度对机组能效的影响
由图2(a)的曲线变化规律可知,在不同机组负荷率下,冷水机组的能效均随冷冻水供水温度的升高而增大。当冷冻水供水温度由5℃增大到9℃时,冷水机组的能效在部分负荷率为1,0.75,0.5时分别增大18.8%,44.6%,131.5%,由此可见,负荷率越小,能效随冷冻水供水温度升高的增幅越大,节能效果也就越明显。因此,当机组运行在部分负荷下时,在满足室内末端除湿要求的前提下适当地提高冷冻水的供水温度,此举有利于冷水机组节能,但是否有利于整个中央空调系统的节能还有待进一步研究。
由图2(b)可以看出,当冷却水进水温度恒定在31℃,在不同的冷冻水供水温度下,冷水机组的能效随部分负荷率的变化趋势不完全相同。当冷冻水供水温度为5℃时,随着负荷率的增大,冷水机组的COP也不断上升,在PLR=1时取得最大值。当冷冻水供水温度分别为7℃和9℃,冷水机组的能效均随负荷率的增大先上升后下降,且均在PLR=0.9时取得最大值。

(a)机组COP随冷冻水供水温度变化曲线 (b)机组COP随负荷率变化曲线
图2 冷水机组能效随冷冻水供水温度及负荷率变化曲线图
 
2.3 多台冷却塔并联运行能效分析
在冷却塔效率相同的情况下,对两台冷却塔同步变频运行和三台冷却塔同步变频运行这两种运行模式下的冷却水泵和冷却塔风机功耗之和进行模拟计算。在冷却水总流量相同的情况下,采用冷却塔出水温度控制法进行研究,通过调节各台冷却塔风机的频率来控制冷却塔出水温度在31℃,这样就能保证两种运行方式下的冷却塔效率相同,冷却塔组在不同运行方式下的总能耗如图3所示。


图3 不同湿球温度及不同运行模式下冷却水泵和冷却塔组总功耗
在不同的室外湿球温度和冷却水总流量情况下,要想达到同样的冷却效果,三台冷却塔变频运行时的冷却水泵和冷却塔组总功耗要比两台冷却塔变频运行时低。因此,当中央空调系统处于部分负荷下运行时,开启三台冷却塔同步变频运行能够更好的起到冷却塔节能的目的,且室外湿球温度越高,三台冷却塔同步变频运行的节能优势更明显。
 
2.4变风量表冷器热工性能影响
当空调箱的新风量维持在15120m3/h,水流量维持在38.31m3/h室内空气的干球温度和湿球温度分别取25℃、19.5℃,室外空气的干球温度和湿球温度分别取35℃、28℃时,通过仿真计算得出表冷器在不同送风量和冷冻水进水温度下的热工性能曲线,如图4所示。

(c)表冷器除湿量随送风量变化图  (d)表冷器除湿量随冷冻水进水温度变化图
图4 表冷器在不同送风量和冷冻水供水温度下的热工性能变化曲线
根据图4(a)和图4(b)的曲线变化趋势分析得出:表冷器的制冷量与送风量近似呈线性关系,当送风量由100%减少到50%时,表冷器的制冷量在进水温度为6、7、8、9℃条件下分别降到额定风量下的67.2%、67.4%、68.2%、69.6%。变风量条件下表冷器的制冷量也随冷冻水供水温度的升高而逐渐减小,送风量越大,冷冻水进水温度每升高1℃时表冷器的制冷量变化率越大。
从图4(c)和图4(d)的曲线变化规律分析可得:表冷器的除湿量随送风量的减少而降低,当送风量由100%减少到50%时,在进水温度分别为6、7、8、9℃条件下,表冷器的除湿量分别降低为额定风量下的62.1%、62.7%、64.3%、67.2%。
 
3 中央空调系统智能优化运行
中央空调是一个错综复杂的系统工程,各部件之间互相制约、相互联系,要实现中央空调系统的智能优化运行,除了考虑各个部件、各个子系统的节能特性之外,还要考虑各个设备之间的协调运行和相互约束关系,避免出现能耗抵消,要从全局出发统一考虑,从而实现整个系统的最优化运行。
 
3.1全局能耗优化运行研究
中央空调系统优化的目标是使系统总运行能耗最小。中央空调系统总能耗主要由冷水机组能耗、冷冻水泵能耗、末端组合式空调机组能耗、冷却水泵能耗、冷却塔风机能耗组成。
通过建立各设备能耗的数学模型,可以确定中央空调系统优化目标函数为:

式中,P为系统运行总能耗,kWh;PWRch,i(t)为第i台冷水机组在t时刻的功率,kW;Peh,i(t)为第i台冷冻水泵在t时刻的功率,kW;Pcb,i(t)为第i台冷却水泵在t时刻的功率,kW;PWRf,i(t)为第i台冷却塔风机在t时刻的功率,kW;Pk,i(t)为第i台组合式空调机组在t时刻的运行功率,kW;N为各设备的台数;T为系统运行时间,h。
其中,以负荷率、冷水机组进出水温、冷冻水流量和冷却水流量、冷却塔风机和空调机组风机风量、冷水机组换热量、冷却塔换热量、空调机组换热等作为约束条件。由于需要求解的目标函数和约束条件中包含有非线性函数的问题,目前还没有适用于各种非线性规划问题的一般算法,各种方法都有其自身的适用范围,因此非线性规划问题的求解要比线性规划问题复杂许多。MATLAB优化工具箱提供了大量优化方面的函数,可以求解无约束条件的非线性极小值、约束条件下的非线性极小值以及二次规划、线性规划和混合整型线性规划问题。由于中央空调系统是典型的非线性和强耦合性系统,因此可利用非线性有约束的多元函数fmincon函数来求解中央空调系统的优化问题。
通过选取两个夏季典型制冷日的中央空调系统运行参数进行优化,结果表明,与定流量运行方式和变冷冻水流量运行方式相比,系统优化运行后具有显著的节能效果,输配系统侧是整个中央空调系统中节能潜力最大的部分,整个系统的节能率大致随负荷率的减小而增大。
3.2中央空调系统群控策略
中央空调系统群控是指针对中央空调系统的各个部件和环节统一考虑,对整个系统全面协调控制,确保系统始终运行在最佳工作点上,其群控策略如图5所示。

图5 中央空调系统群持策略示意图
通过计算空调系统的总冷量。确定冷水机组的需来台数共自动控制其加减载。为水机组的加减机组控制逻辑如下:开启1台冷水机组,随着负荷的增大。达到当负荷较小,在10%~30%时,开启在60%~100%时,30%~60%时,加载一台机组,变为两台机组联合运行,当负荷较大,机组联合运行加载两台机组,变为三台机组全部运行,且多台额定制冷量相等的冷水联合运行时,使机组间的负荷平均分配。卸载逻辑与之相反,在执行冷水机组加减机操作时均需满足相应的加减机延时时间。
利用自适应模糊PID控制器对冷冻水循环系统的控制过程如下:通过温度传感器检测分、集水器总管的冷冻水供回水温差,将此差值送入自适应模糊PID控制器进行模糊推理和模糊运算,输出冷冻水泵的频率,调节水泵转速,从而实现对冷冻水流量的调节。自适应模糊PID控制器通过对运行参数进行实时检测和调节,使得冷冻水流量与空调负荷相匹配,大幅减少水泵的能耗。
利用自适应模糊PID控制器调节冷却水流量的过程如下:通过温度传感器检测冷却水总管的出水温度,然后由自适应模糊PID控制器根据该温度来调节冷却水泵的电机频率,使冷却水总管出水温度重新恢复到设定值,从而实现冷却水循环系统的变流量运行。为了保证系统安全运行,冷却水泵变频器运行频率的下限值设定为30Hz。根据前面对夏季典型制冷日中央空调系统运行工况的优化结果可知,在系统全局能耗最优工况下,冷却水总管出水温度基本维持在33℃~35℃之间,因此可将夏季冷却水出水温度的设定值设为35℃,过渡季节的冷却水出水温度可设为32℃。
 
4 结语
目前中央空调系统的使用越来越广泛,在当前资源匮乏的现状下,其智能化节能方案与措施的合理性至关重要。由于中央空调是一个复杂的系统工程,必须针对系统的各个部件和环节统一考虑,对整个系统全面协调控制,才能实现最佳节能效果。分别对多台冷水机组并联运行能效的影响因素、多台水泵并联运行能耗、部分负荷下多台冷却塔并联运行能耗及末端表冷器热工性能影响因素进行智能优化研究,并从全局能耗优化运行和中央空调系统群控策略进行系统的整体智能优化。同时应该注意,由于空调系统优化运行的目的在于服务于工程实际,中央空调系统的优化运行将向可靠性,适宜性及节能性方向发展。
 
 
参考文献:
[1] 王建伟.大型公共建筑中央空调系统节能运行管理[J].城市建筑, 2017(8):126-126
[2]张青. 中央空调系统节能运行控制方法研究[D].2016
[3] 王天琦.地源变频多联机(VRV)空调系统的性能模拟与优化运行[D].2016
[4]柳泊城.中央空调系统运行的数据分析与优化策略研究[J].居舍, 2019(02):179
[5] 王伟军.中央空调系统的节能运行策略研究[J].制冷与空调(北京), 2006, 6(002):44-47
[6] 张海波.中央空调节能措施研究[J].中国房地产业:理论版, 2012, 000(006):415-415
[7] 李欢欢,金梦,王文晓.中央空调节能技术综述[J].河南科技, 2014(7):81-83
[8] 吴伟伟,范东叶,朱文平,等.中央空调系统优化运行研究综述[J].建筑热能通风空调, 2019, 038(007):37-41,19
 
 
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