暖通空調(diào)水系統(tǒng)效率優(yōu)化策略研究

張迪

摘要：我國是世界的電力大國，據(jù)報道，截止到2003年我國電力裝機容量為3.53億千瓦，發(fā)電量是1.64萬億千瓦時，均居世界第2位。這其中建筑耗能約占到四分之一左右，尤以人型商業(yè)建筑為最。所謂的建筑能耗，實際上并不是直接消耗在建筑上，而是大部分直接消耗在暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)上。建筑節(jié)能的主要措施包括改進圍護結(jié)構(gòu)的性能、改進系統(tǒng)（如暖通空調(diào)水系統(tǒng)）形式、運行管理方式等。雖前者在建筑節(jié)能中起主要作用，但后者的影響也不容忽視。因此，有必要對暖通空調(diào)水系統(tǒng)進行節(jié)能優(yōu)化研究。

關(guān)鍵詞：暖通空調(diào)；水系統(tǒng)；效率優(yōu)化

中圖分類號：FB956 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3178（2018）20-0449-01

1 暖通空調(diào)水系統(tǒng)效率優(yōu)化的意義

1.1 暖通空調(diào)水系統(tǒng)的優(yōu)化運行不但能夠滿足人們舒適性要求，更能提高工作效率和生活品質(zhì)，對于精密儀器生產(chǎn)等相關(guān)行業(yè)，暖通空調(diào)水系統(tǒng)的優(yōu)化運行能夠滿足其對環(huán)境的苛刻要求。

1.2 暖通空調(diào)水系統(tǒng)作為建筑能耗中最為重要的耗能部分，其優(yōu)化運行可以節(jié)約能源，提高能源利用率，起到節(jié)能減排的作用。

1.3 隨著變頻技術(shù)以及直接數(shù)字控制器（DDC），特別是能源管理控制系統(tǒng)（FMCS）的研究應用日益廣泛，使得暖通空調(diào)水系統(tǒng)的優(yōu)化運行策略和控制相輔相成，節(jié)能優(yōu)化運行策略能夠更好的指導系統(tǒng)的控制。

1.4 暖通空調(diào)水系統(tǒng)在設(shè)計時沒有考慮季節(jié)、時問及房間朝向等問題引起的冷負荷變化，使得設(shè)計難免造成能源浪費。而暖通空調(diào)水系統(tǒng)的優(yōu)化運行可以彌補系統(tǒng)設(shè)計上的不足，也可以降低事故的發(fā)生率。

暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備選型時一般都按最大負荷計算，采用定工作點運行，但是暖通空調(diào)系統(tǒng)只有很少的時間在滿負荷下運行，大部分時間都工作在部分負荷下，同時由于外部環(huán)境溫濕度、陽光照度以及房間內(nèi)部負荷的變化等因素影響，如若采用定工作點運行，勢必造成系統(tǒng)效率低下，浪費能源。因此，暖通空調(diào)系統(tǒng)的效率優(yōu)化策略研究可以實時調(diào)整系統(tǒng)的運行工作點，提高系統(tǒng)運行效率，節(jié)約能源。

2 暖通空調(diào)水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理及特點

2.1水冷蒸汽壓縮式空調(diào)系統(tǒng)的制冷原理

水冷蒸汽壓縮式空調(diào)系統(tǒng)在制冷時，液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中汽化，吸收熱量使冷水溫度降低。低溫、低壓的氣態(tài)制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮變成高溫、高壓氣體，進入冷凝器中。制冷劑溫度高于冷卻水溫度，制冷劑便將熱量傳遞給冷卻水，而制冷劑經(jīng)冷凝變?yōu)楦邏阂后w。制冷劑高壓液體經(jīng)膨脹閥節(jié)流后又進入蒸發(fā)器，變?yōu)榈蛪阂后w制冷劑，再次汽化完成一個循環(huán)。在這個循環(huán)過程中，隨著制冷劑狀態(tài)的變化，實現(xiàn)了熱量從冷凍水側(cè)向冷卻水側(cè)轉(zhuǎn)移的過程。

2.2 吸收式空調(diào)系統(tǒng)制冷原理

離開蒸發(fā)器的蒸汽在吸收器中被稀溶液吸收，同時混合物放熱，然后制冷劑溶液由泵升高到發(fā)生器壓力下，在發(fā)生器中加熱溶液使制冷劑溢出，同時稀溶液由中間冷卻器回到吸收器。在水——溴化鋰吸收式冷水機組系統(tǒng)中，水是制冷劑而溴化鋰是吸收劑，通常呈固態(tài)的溴化鋰與水混合形成溶液。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點是溴化鋰的非揮發(fā)性，在發(fā)生器中只有水蒸汽產(chǎn)生，系統(tǒng)簡單，COP值高。缺點是蒸發(fā)溫度相對較高，系統(tǒng)壓力很低。通常應用于燃氣價格低而壓縮系統(tǒng)運行成本較高的場合。

3 暖通空調(diào)水系統(tǒng)冷水機組效率優(yōu)化策略研究

通過分析可知冷水機組的制冷效果可由機組性能系數(shù)COP值的大小描述，COP值越大，制冷效果越好亦即冷水機組效率越高，反之則制冷效果差，機組效率低。而COP值又與機組部分負荷率PLR息息相關(guān)。因此，在擬合機組運行性能系數(shù)（COP）與部分負荷率（PLR）關(guān)系基礎(chǔ)上，建立冷水機組能耗優(yōu)化模型，優(yōu)化各冷水機組負荷分配及啟停狀態(tài)，保證機組高效運行，以此達到節(jié)能的目的。該運行策略與常規(guī)運行策略相比，節(jié)能效果明顯，并且易于實現(xiàn)。

3.1 多臺冷水機組系統(tǒng)運行性能系數(shù)分析

任何制冷系統(tǒng)的瞬時性能可用冷卻性能系數(shù)COP 來表達。COP值也通常被用來描述冷水機組的效率，值越大，冷水機組的效率就越高，反之則越低。冷水機組的作用就是提供冷量以保證室內(nèi)人員的舒適度。對于大型商業(yè)建筑而言，一般采用多臺冷水機組并聯(lián)運行，通過切換機組運行臺數(shù)，呈階梯狀提供冷量來滿足不同級別冷負荷的要求，可以減少系統(tǒng)啟動電流及部分負荷能耗；同時可以提高系統(tǒng)的靈活性，克服只一臺機組運行方式下，一旦機組發(fā)生故障，系統(tǒng)就只能停止運行的弊端。

工程師在設(shè)計冷水機組時，往往依據(jù)的是機組的全負荷性能，實際上，由于空調(diào)負荷受室外天氣情況以及室內(nèi)人員分布情況等影響很大，機組大多數(shù)情況是工作在部分負荷（PLR）下。對于多臺冷水機組系統(tǒng)，尤其對不同額定冷量的冷水機組系統(tǒng)，每臺冷水機組的部分負荷性能在不同部分負荷率下是不同的，則不同機組的COP-PLR關(guān)系是不同的。

3.2 多臺冷水機組系統(tǒng)效率優(yōu)化問題建模

冷水機組是建筑空調(diào)系統(tǒng)中耗能量最大的部分，那么如何降低冷水機組的能耗成為空調(diào)節(jié)能優(yōu)化研究的關(guān)鍵問題。近年來，不少學者研究多臺機組的負荷最優(yōu)分配問題，以使機組運行最高效，即最節(jié)能，但是沒有將機組啟停狀態(tài)作為一決策變量考慮其中。建立冷水機組能耗優(yōu)化模型，把各冷水機組負荷分配率及其啟停狀態(tài)共同作為決策變量，在保證機組高效運行（即機組整體的COP值最優(yōu)）的同時，使其實現(xiàn)節(jié)能。

3.2.1 冷水機組性能系數(shù)與部分負荷率關(guān)系的建立

影響冷水機組COP值的因素很多，例如，冷凍水供回水溫差、冷卻水供回水

溫差以及機組的部分負荷率等。同時，考慮這些因素很難定量確定COP的變化。但是，在冷凍水流量和冷卻水流量一定的情況下，冷凍水供回水溫差、冷卻水供回水溫差都是與機組部分負荷率相關(guān)聯(lián)的。因此，可以直接利用機組的部分負荷率PLR來表述機組運行性能系數(shù)COP的變化情況。

3.2.2 冷水機組系統(tǒng)效率優(yōu)化模型

獲取各臺機組的COP-PLR關(guān)系后，在此基礎(chǔ)上建立冷水機組效率優(yōu)化模型。該模型的目標函數(shù)為空調(diào)系統(tǒng)冷水機組總輸入功率，決策變量為各臺冷水機組的負荷分配率及其啟停狀態(tài)，即給出各個機組在分配多少的負荷下以及哪幾個機組開啟的情況下，系統(tǒng)冷水機組耗能最少。

4 結(jié)束語

總而言之，自2004年我國通過《能源中長期發(fā)展規(guī)劃綱要（2004-2020年）》，強調(diào)要堅持把節(jié)約能源放在首位，實施全面、嚴格的節(jié)能制度和措施，顯著提高能源利用效率以來，建筑節(jié)能已越來越受到關(guān)注。因此，有必要對暖通空調(diào)水系統(tǒng)進行節(jié)能優(yōu)化研究。

參考文獻

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