朱光勇
摘 要:冷卻水系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)中的主要耗能設(shè)備,對(duì)其節(jié)能控制策略展開探討具有十分重要的意義。分析了中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的組成和作用,介紹了冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能控制策略,并結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該策略的節(jié)能控制效果。
關(guān)鍵詞:中央空調(diào);冷卻水系統(tǒng);節(jié)能控制;仿真實(shí)驗(yàn)
中圖分類號(hào):TU831.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.051
隨著生活水平的日益提高,人們對(duì)建筑的使用性能提出了更高的要求,而中央空調(diào)能夠調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度及濕度、改善室內(nèi)環(huán)境,在建筑中得到廣泛的應(yīng)用。但是,在建筑體系中,中央空調(diào)系統(tǒng)是能耗大戶,其能耗占據(jù)建筑總能耗的40%~70%.因此,中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能問題成為了建筑節(jié)能的重點(diǎn),其中,冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能是重中之重。
1 冷卻水系統(tǒng)的組成和作用
如圖1所示,冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔及冷凝器等設(shè)備共同組成中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)。冷卻水泵主要為冷卻水提供動(dòng)力;冷卻塔是冷卻水散熱的場(chǎng)所,是冷卻水系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備,因此也是節(jié)能研究的重點(diǎn)。
中央空調(diào)冷機(jī)的能效受冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的影響十分明顯,冷卻水泵變頻調(diào)速可以達(dá)到冷卻水泵節(jié)能的目的,進(jìn)而調(diào)節(jié)冷卻水流量。然而,冷卻水流量并不是越小越好,如果冷卻水流量過低,必將影響到中央空調(diào)冷機(jī)的散熱效果,進(jìn)而勢(shì)必影響到冷凍機(jī)組的能效,致使中央空調(diào)冷凍機(jī)組能耗上升。
冷卻塔的節(jié)能主要通過對(duì)冷卻塔風(fēng)扇變頻或改變冷卻塔運(yùn)行臺(tái)數(shù)實(shí)現(xiàn),冷卻塔的冷卻效果與冷卻水的流量、室外空氣的溫濕度有密切的關(guān)系。在冷卻水流量一致的情況下,冷卻塔冷卻效果的不同會(huì)導(dǎo)致冷卻水出水溫度的不同,最終也會(huì)影響冷凍機(jī)組的能效。因此,應(yīng)該考慮在某一冷機(jī)負(fù)荷和濕球溫度下,冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)應(yīng)該在多大的頻率下運(yùn)行,才使冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)與冷機(jī)的總能耗最低。
2 冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制目標(biāo)及調(diào)節(jié)的量
冷凍機(jī)組的熱量主要由冷卻水系統(tǒng)帶走,所以冷卻水系統(tǒng)對(duì)冷凍機(jī)組能效影響明顯。而中央空調(diào)系統(tǒng)其他部分能效受冷卻水系統(tǒng)的影響非常微小,因此,冷卻水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)應(yīng)該考慮冷卻水系統(tǒng)與冷機(jī)的能耗,其控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)冷卻水泵和冷卻塔能耗值和最小,PCOP最大。PCOP按下式計(jì)算:
(1)
式(1)中:PCOP為能效比;Q為冷機(jī)的制冷量;PL為冷卻塔的輸入功率;PB為冷卻水水泵的輸入功率。
由于冷卻水系統(tǒng)不存在水力平衡問題,使用閥門調(diào)節(jié)能達(dá)到的流量改變效果,完全可以用調(diào)節(jié)冷卻水泵來替代,如果關(guān)小閥門,反而會(huì)造成能耗增加。因此,冷卻塔風(fēng)機(jī)和冷卻水泵頻率或轉(zhuǎn)速是能夠有效調(diào)節(jié)的量。
3 冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制策略
中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)受室外溫度、濕度和自身運(yùn)行工況的共同影響,系統(tǒng)復(fù)雜。我們首先確定分析方法,就是在不同的室外氣象條件下分析比較各個(gè)風(fēng)機(jī)、水泵的運(yùn)行頻率,確定水泵、風(fēng)機(jī)在何種頻率時(shí)整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能效果最優(yōu)。
先假定一個(gè)冷卻塔進(jìn)口水溫Tcw,按流程計(jì)算,可以得到一個(gè)冷卻塔出口水溫Tcw1,前面和后面2個(gè)冷卻塔出口水溫值大小相等,則計(jì)算過程完成,可得到冷凍機(jī)組、水泵、風(fēng)機(jī)的能耗與它們的能耗之和。由于冷卻水管路上的閥門不發(fā)生位置和大小的變化,冷卻水管的阻力特性相應(yīng)地也不會(huì)發(fā)生改變,因此水泵功率與頻率為三次方的關(guān)系,相應(yīng)的風(fēng)機(jī)功率與風(fēng)機(jī)頻率也為三次方關(guān)系。因此,可以通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到風(fēng)機(jī)和水泵的頻率,函數(shù)Wpump=f5(Ppump)與Wfan=f6(Pfan)的形式就能被確定下來。
冷卻塔出水溫度Tout為:
Tout=f3(Ppump,Pfan,Twb,Tin). (2)
冷卻水系統(tǒng)的冷卻塔實(shí)際上就是一個(gè)換熱器,換熱效率Et與風(fēng)的流量、冷卻水的流量都有關(guān),獲得換熱的效率就能夠根據(jù)室外濕球溫度、冷卻水進(jìn)口溫度來計(jì)算并得出冷卻塔出水溫度。因此,問題轉(zhuǎn)變成如何獲得換熱效率。換熱效率Et的表達(dá)式如下:
(3)
Et=Et(Ppump,Pfan). (4)
在式(3)(4)中,Tin,Tout,Twb,Ppump和Pfan都很容易在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,根據(jù)這些我們可以計(jì)算出冷卻塔的換熱效率Et.
4 冷卻水系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)
4.1 離散事件的基本要素
離散事件的要素包括實(shí)體、屬性、事件、活動(dòng)和進(jìn)程等。冷卻水系統(tǒng)是復(fù)雜、隨機(jī)、離散型的系統(tǒng),比如影響冷卻塔出水溫度室外溫度和濕球溫度都具有隨機(jī)性,冷卻塔的風(fēng)機(jī)和冷卻水泵的頻率都能夠按照設(shè)定的規(guī)則運(yùn)轉(zhuǎn),它們之間構(gòu)成一種動(dòng)態(tài)關(guān)系。室外溫度、濕球溫度與冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷卻水泵的頻
率有著對(duì)應(yīng)關(guān)系,冷卻水系統(tǒng)滿足動(dòng)態(tài)平衡。這種關(guān)系的最優(yōu)狀態(tài)是既滿足冷機(jī)要求,又達(dá)到PCOP最大。
4.2 冷卻水系統(tǒng)模型的搭建與運(yùn)行
在Anylogic軟件上建立冷卻水系統(tǒng)模型,模型中包括冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī),還有室外濕球溫度、冷卻塔的進(jìn)水溫度、冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率和冷卻水泵頻率等。
在某時(shí)刻給定的冷卻塔進(jìn)水溫度、室外的濕球溫度是確定的,然后控制器就會(huì)根據(jù)該室外濕球溫度、冷卻塔進(jìn)水溫度的狀況來控制冷卻塔風(fēng)機(jī)的頻率和冷卻水泵的頻率,采用不同的控制信號(hào)使冷卻塔出水溫度達(dá)到預(yù)定的值。當(dāng)然,得到冷卻塔出水溫度預(yù)定值的方法有很多種,比如可加大冷卻塔風(fēng)機(jī)的頻率,更多地帶走冷卻水中的熱量。通過最終的數(shù)據(jù)分析,從眾多方法中分析找出既滿足冷機(jī)負(fù)荷要求,又使冷卻水系統(tǒng)和冷機(jī)能耗最小的控制方法。
5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及控制效果對(duì)比
為了驗(yàn)證控制策略的控制、節(jié)能效果,在現(xiàn)場(chǎng)采集大量室外濕球溫度、冷卻塔進(jìn)水溫度、冷卻塔出水溫度以及對(duì)應(yīng)情況下冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率和冷卻水泵頻率的數(shù)據(jù)。把現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)在Anylogic冷卻水系統(tǒng)模型中進(jìn)行仿真模擬運(yùn)行,在節(jié)能控制系統(tǒng)調(diào)試、仿真工作完成后,對(duì)在某室外濕球溫度、冷卻塔進(jìn)水溫度下,采用模擬得到的最佳冷卻水泵頻率和冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。最后對(duì)模擬運(yùn)行狀態(tài)與傳統(tǒng)粗放控制方法進(jìn)行對(duì)比,分析、比較控制效果及能耗比變化,驗(yàn)證節(jié)能控制結(jié)果。仿真結(jié)果曲線如圖2所示。
通過對(duì)仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知,冷卻水系統(tǒng)采用Anylogic軟件仿真,根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得出最佳的冷卻水泵、冷卻塔運(yùn)行工況去控制冷卻水變流量的控制策略,控制效果優(yōu)良、節(jié)能效果明顯。
6 結(jié)束語
綜上所述,冷卻水系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)中的重要組成部分,其能耗占據(jù)中央空調(diào)總能耗的15%~20%.因此,冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能是中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要問題,同時(shí)也是建筑節(jié)能的重點(diǎn)。本文對(duì)中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制策略進(jìn)行了介紹,經(jīng)驗(yàn)證,該節(jié)能控制策略效果顯著,對(duì)中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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〔編輯:劉曉芳〕