基于建筑負(fù)荷變化的冷水機(jī)組節(jié)能運(yùn)行研究

李文柱

中核第七研究設(shè)計(jì)院有限公司 山西太原 030012

本文以某辦公建筑的空調(diào)冷水機(jī)組為例，以保證冷水機(jī)組的最佳工作效率為目標(biāo)，結(jié)合建筑全年的動態(tài)負(fù)荷變化，探討冷水機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行方案。

1 研究對象與方法

1.1 研究建筑的基本情況

該建筑于2016年12月正式啟用，地上建筑17層，地下2層，總面積為23546m2，主要用途以辦公為主，個別樓層設(shè)有休息區(qū)及觀景陽臺。

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理方法

本文數(shù)據(jù)來源于空調(diào)系統(tǒng)各類傳感器采集并由中央控制系統(tǒng)自動記錄生成，但由于測試儀器及冷水機(jī)組運(yùn)行環(huán)境等因素可能引起誤差，因此對于采集的數(shù)據(jù)采用3σ準(zhǔn)則剔除異常數(shù)據(jù)。

2 冷水機(jī)組的運(yùn)行現(xiàn)狀分析與優(yōu)化

2.1 冷水機(jī)組的運(yùn)行特性分析

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，在本系統(tǒng)中的兩臺冷水機(jī)組有單獨(dú)運(yùn)行1#冷水機(jī)組、單獨(dú)運(yùn)行2#冷水機(jī)組和1#、2#兩臺機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行三種運(yùn)行模式，現(xiàn)分別就這三種模式冷水機(jī)組的綜合效率進(jìn)行分析[2]。張旭豪等人的研究指出，冷水機(jī)組在部分負(fù)荷下COP與負(fù)荷率R呈二次函數(shù)關(guān)系，而水泵與冷卻塔風(fēng)機(jī)的功率通常情況下都變化不大，故可將冷水機(jī)組COP、冷源系統(tǒng)COP與負(fù)荷率R的數(shù)學(xué)模型近似表示為：COP=AR2+BR+C。利用3σ準(zhǔn)則剔除異常數(shù)據(jù)后，采用數(shù)據(jù)擬合的最小二乘法分別對上述兩種運(yùn)行模式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如下：單獨(dú)運(yùn)行1#機(jī)組時，其機(jī)組COP和系統(tǒng)COP的擬合公式如下：

單獨(dú)運(yùn)行2#機(jī)組時，其機(jī)組COP和系統(tǒng)COP的擬合公式如下：

根據(jù)上式可知，在1臺機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行時，1#機(jī)組的機(jī)組COP最大值出現(xiàn)在R=0.5時，其平均值為7.48；而系統(tǒng)COP最大值出現(xiàn)在R=0.6時，其平均值為5.4。2#機(jī)組的機(jī)組COP最大值出現(xiàn)在R=0.5時，其平均值為6.66；系統(tǒng)COP最大值出現(xiàn)在R=0.6時，其平均值為5.11。

比較兩臺機(jī)組的COP最大值之后可以發(fā)現(xiàn)，1#機(jī)組在最佳運(yùn)行條件下的運(yùn)行性能會優(yōu)于2#機(jī)組，1#機(jī)組在負(fù)荷率R小于0.6時，其運(yùn)行性能較優(yōu)；負(fù)荷率超過0.6之后，其COP有下降的趨勢。

1#、2#兩臺機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時，同樣采用最小二乘法對其進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合可以獲得1#機(jī)組的COP和系統(tǒng)COP擬合公式如下。

2#機(jī)組COP和系統(tǒng)COP擬合公式如下。

兩臺機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時，1#機(jī)組的COP最大值和系統(tǒng)COP最大值都出現(xiàn)在R1=0.4時，其平均值分別為6.50、4.75；2#機(jī)組的COP最大值和系統(tǒng)COP最大值都出現(xiàn)在R2=0.5時，其平均值分別為6.60、4.70。不難看出，兩臺機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時，兩臺機(jī)組的供冷負(fù)荷分配大多集中在0.4＜R＜0.6區(qū)間內(nèi)，也就是說，在通常情況下冷負(fù)荷大于單臺機(jī)組的額定供冷量的80%才會啟動兩臺機(jī)組，并且大多數(shù)情況下供冷負(fù)荷都是平均分配給兩臺冷水機(jī)，但隨著負(fù)荷率的增加，兩臺機(jī)組都出現(xiàn)了工作效率下降的情況，但是相對而言，2#機(jī)組下降的幅度較小，因此在兩臺機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時，供冷負(fù)荷應(yīng)該更多分配給2#機(jī)組[3]。

2.2 冷水機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行

總結(jié)各運(yùn)行模式下機(jī)組對應(yīng)的最佳負(fù)荷率及最大綜合效率平均值時，在單獨(dú)運(yùn)行一臺機(jī)組時，1#機(jī)組在低負(fù)荷率下（R＜0.6）的運(yùn)行性能優(yōu)于2#機(jī)組，但是在負(fù)荷率增加時，運(yùn)行性能有較為明顯的下降；2#機(jī)組的運(yùn)行性能在0.5＜R＜1范圍都能保持比較穩(wěn)定的綜合效率。因此，在一臺機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行的模式下，低負(fù)荷率下應(yīng)盡量開啟1#機(jī)組，高負(fù)荷率下應(yīng)開啟2#機(jī)組。在兩臺機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時，兩臺機(jī)組的綜合效率較單獨(dú)運(yùn)行時有小幅下降，所以在建筑負(fù)荷需求未達(dá)到單臺冷水機(jī)組的額定制冷量時，都應(yīng)該優(yōu)先采用一臺機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行的模式；在聯(lián)合運(yùn)行時的負(fù)荷分配不應(yīng)采取平均分配，當(dāng)單臺冷水機(jī)組的負(fù)荷率大于0.5時，應(yīng)該將增加的供冷負(fù)荷更多地分配到2#機(jī)組。

2.3 模型驗(yàn)證

2.3.1 驗(yàn)證方法

本研究通過繼續(xù)監(jiān)測該空調(diào)系統(tǒng)2017年10月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以負(fù)荷率變化0.1為刻度，多次記錄各運(yùn)行模式下的冷水機(jī)組COP與冷源系統(tǒng)COP的變化情況，對0.1＜R＜1（0.1、0.2、0.3…）范圍的多次測量數(shù)據(jù)進(jìn)行3σ準(zhǔn)則處理后取其均值，并與模擬結(jié)果對比。

2.3.2 驗(yàn)證結(jié)果

各運(yùn)行模式下實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對比得出兩臺冷水機(jī)組在全負(fù)荷率下的運(yùn)行情況，同時通過利用該空調(diào)系統(tǒng)10月份的運(yùn)行數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比可發(fā)現(xiàn)模型誤差均在10%以內(nèi)，表明模擬比較準(zhǔn)確可信。

3 建筑全年負(fù)荷模擬計(jì)算

3.1 建筑模型的搭建及模擬參數(shù)設(shè)定

設(shè)定模擬參數(shù)即輸入模擬計(jì)算的邊界條件，確定模擬的計(jì)算環(huán)境。影響建筑空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷的主要因素有：

（1）當(dāng)?shù)貧夂驐l件。該地區(qū)全年氣象數(shù)據(jù)來源于中國標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)（CSWD），可直接從軟件提取導(dǎo)入。

（2）建筑體量及室內(nèi)房間分區(qū)，即建立的建筑物理模型。

（3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。因缺少建筑的完整設(shè)計(jì)參數(shù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)設(shè)定參照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189—2015）[4]和軟件系統(tǒng)推薦，這里不再贅述。

3.2 模擬結(jié)果分析

對于本研究建筑，模擬結(jié)果顯示幾乎在全年范圍內(nèi)都有冷負(fù)荷需求，最大值出現(xiàn)在7月中旬的某天下午，其值為2606kW，已經(jīng)大于該大樓空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的額定供冷量1817kW。實(shí)際上在冷負(fù)荷需求最大的6、7、8、9月份都有出現(xiàn)空調(diào)制冷未滿足建筑需求的情況，全年上班時間（8:00-18:00）制冷未滿足的小時數(shù)大約為227h。而建筑的熱負(fù)荷需求主要分布在12、1、2月，最大值出現(xiàn)在1月底某天下午，其值為520kW，而在其他時刻，對空調(diào)熱負(fù)荷的需求很低，整棟建筑熱負(fù)荷從幾十到兩三百千瓦不等。

4 結(jié)語

（1）針對冷水機(jī)組在不同負(fù)荷率下的運(yùn)行性能，合理地改進(jìn)其運(yùn)行模式，可以有效提升冷水機(jī)組的工作效率，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。在本文研究的系統(tǒng)中，在低負(fù)荷率下應(yīng)該運(yùn)行1#機(jī)組，高負(fù)荷率下應(yīng)該運(yùn)行2#機(jī)組。在兩臺機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時，1#、2#機(jī)組的綜合效率都低于單獨(dú)運(yùn)行模式，所以在建筑負(fù)荷需求未達(dá)到單臺冷水機(jī)組的額定制冷量時，都應(yīng)該優(yōu)先采用一臺機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行的模式；而當(dāng)負(fù)荷率大于0.5時，供冷負(fù)荷應(yīng)該更多地分配到2#機(jī)組。

（2）通過對建筑的全年負(fù)荷模擬計(jì)算，可以知道兩臺冷水機(jī)組基本能夠滿足建筑全年的冷負(fù)荷需求，但模擬結(jié)果顯示的冷負(fù)荷峰值已經(jīng)大于冷水機(jī)組的額定設(shè)計(jì)供冷量，全年上班時間（8:00-18:00）制冷未滿足的小時數(shù)大約為227h。由于夏季冷負(fù)荷高峰時段不長，可以適當(dāng)降低舒適性，減少機(jī)組功率，避免“小馬拉大車”，以得到較好的運(yùn)行效率，甚至在必要時需要考慮系統(tǒng)改造增設(shè)機(jī)組，更好地與建筑負(fù)荷相匹配。結(jié)合建筑的動態(tài)負(fù)荷變化得出的節(jié)能運(yùn)行方案對該系統(tǒng)的運(yùn)行有較好的指導(dǎo)意義，同時對冷水機(jī)組運(yùn)行評價(jià)方面的研究也有一定的借鑒作用。