基于深圳市全年濕球溫度變化的冷水機(jī)組能耗優(yōu)化計(jì)算研究

香港華藝設(shè)計(jì)顧問(深圳)有限公司 陶嘉楠 高 龍 李雪松中建科技集團(tuán)華南有限公司 鄭文國(guó)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，集中空調(diào)系統(tǒng)在生活中得到廣泛應(yīng)用，空調(diào)能耗約占建筑能耗的40%以上[1]，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能已成為建筑節(jié)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

區(qū)域供冷系統(tǒng)因其可以有效地利用能源，使空調(diào)系統(tǒng)的能耗更低，同時(shí)可以降低污染物排放，逐漸成為我國(guó)城市建筑群供冷方式新的選擇。深圳前海深港現(xiàn)代服務(wù)業(yè)合作區(qū)、廣州珠江新城、北京麗澤商務(wù)區(qū)、重慶江北城CBD等均選擇區(qū)域集中供冷系統(tǒng)作為空調(diào)冷源[2-5]。

區(qū)域供冷系統(tǒng)一般由集中供冷站、輸配管網(wǎng)、用戶末端裝置等組成[6]。集中供冷站設(shè)備主要包括冷水機(jī)組、冷卻塔、水泵、板式換熱器、蓄冷裝置。其中冷水機(jī)組全年運(yùn)行能耗占整個(gè)供冷站能耗的75%左右，是供冷站節(jié)能及能耗計(jì)算的重點(diǎn)研究對(duì)象[7-8]。劉昶等人以運(yùn)行能效為優(yōu)化指標(biāo)，對(duì)比分析了不同負(fù)荷率及濕球溫度下不同冷卻水量和冷卻風(fēng)量時(shí)的冷卻水系統(tǒng)能效理論計(jì)算值，得到了最佳運(yùn)行風(fēng)水比[9]。李玉街等人提出了一種基于冷水機(jī)組能效比與機(jī)組負(fù)載率動(dòng)態(tài)匹配的控制節(jié)能技術(shù)，并通過項(xiàng)目驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組節(jié)能10%～30%的效果[10]。冷水機(jī)組能耗除了受負(fù)載率、冷水溫度影響外，冷卻水溫度也直接影響冷水機(jī)組能耗，而冷卻水溫度又受室外濕球溫度影響。區(qū)域供冷系統(tǒng)在工程設(shè)計(jì)階段進(jìn)行冷源能耗計(jì)算時(shí)，一般以100%、75%、50%和25%這4種典型工況的運(yùn)行策略和其持續(xù)時(shí)間作為計(jì)算依據(jù)。但是4種典型工況日和持續(xù)時(shí)間內(nèi)的濕球溫度不一致，這會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的偏差。

本文將通過實(shí)際工程設(shè)計(jì)案例，研究基于全年濕球溫度變化對(duì)冷水機(jī)組能耗計(jì)算的影響，以找到基于濕球溫度變化的典型工況分界點(diǎn)，從而較為準(zhǔn)確地計(jì)算區(qū)域供冷系統(tǒng)冷水機(jī)組的全年運(yùn)行能耗，并為其他工程項(xiàng)目提供參考。

1 冷水機(jī)組能耗影響因素分析

冷水機(jī)組的能耗受機(jī)組負(fù)載率、冷水溫度、冷卻水溫度等的影響，本章通過分析深圳地區(qū)全年濕球溫度、冷水機(jī)組隨負(fù)載率、冷卻水溫度(假定冷水溫度恒定)的變化情況，探究濕球溫度的變化對(duì)冷水機(jī)組能效及典型工況分界點(diǎn)的影響。

1.1 深圳市全年負(fù)荷及濕球溫度變化分析

調(diào)研對(duì)象為深圳某典型辦公商業(yè)綜合體建筑群，建筑面積約45萬m2(不含地下車庫(kù)等非空調(diào)區(qū)域)，主要業(yè)態(tài)為辦公和商業(yè)，辦公與商業(yè)面積比為9∶1,入住率接近100%，可以代表深圳市同類型建筑群滿負(fù)荷運(yùn)行情況下的冷負(fù)荷特性。冷源采用水蓄冷系統(tǒng)，獲得的原始運(yùn)行數(shù)據(jù)為2018年全年逐時(shí)冷負(fù)荷。

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)中實(shí)測(cè)的全年逐時(shí)干球溫度和相對(duì)濕度，可以計(jì)算出全年逐時(shí)濕球溫度及逐時(shí)負(fù)荷變化，如圖1～3所示。

圖1 根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算全年8 760 h濕球溫度及逐時(shí)負(fù)荷變化

圖1顯示了濕球溫度及逐時(shí)負(fù)荷變化趨勢(shì)，可以看出全年濕球溫度在5月中旬到9月中旬變化不大且變化規(guī)律相似，4、10、11月的變化規(guī)律也比較相似。圖2顯示了逐時(shí)濕球溫度由大到小變化及逐時(shí)負(fù)荷隨濕球溫度的變化(逐時(shí)濕球溫度由大到小變化過程中相對(duì)應(yīng)時(shí)刻逐時(shí)負(fù)荷的變化)，并根據(jù)濕球溫度的變化分段采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，可知在供冷季和非供冷季的大部分時(shí)間內(nèi)呈階段性線性變化，故可以近似認(rèn)為進(jìn)入冷水機(jī)組的冷卻水溫度全年呈線性變化。圖3顯示了逐時(shí)負(fù)荷由大到小變化及逐時(shí)濕球溫度隨逐時(shí)負(fù)荷的變化(逐時(shí)負(fù)荷由大到小變化過程中相對(duì)應(yīng)時(shí)刻逐時(shí)濕球溫度的變化)?？梢钥闯鲋饡r(shí)負(fù)荷的變化趨勢(shì)與相對(duì)應(yīng)的濕球溫度的變化并不一致，負(fù)荷較小時(shí)也會(huì)存在濕球溫度很高的情況，所以100%、75%、50%和25%這4種典型工況日和持續(xù)時(shí)間內(nèi)濕球溫度的變化并不完全一致，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的偏差。

圖2 根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算全年8 760 h濕球溫度及逐時(shí)負(fù)荷變化(逐時(shí)負(fù)荷隨濕球溫度變化)

圖3 根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算全年8 760 h濕球溫度及逐時(shí)負(fù)荷變化(濕球溫度隨逐時(shí)負(fù)荷變化)

1.2 變頻冷水機(jī)組運(yùn)行特性分析

冷水機(jī)組的能效受負(fù)載率、冷卻水溫度及冷水溫度的影響。圖4、5分別為根據(jù)某廠家8 440 kW(2 400 rt)變頻冷水機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)(冷水溫度恒定)所繪制的冷水機(jī)組COP隨負(fù)載率及冷卻水溫度的變化趨勢(shì)圖。

圖4 不同冷卻水進(jìn)水溫度下冷水機(jī)組COP隨負(fù)載率的變化趨勢(shì)

從圖4可以看出，隨著負(fù)載率的增加，冷水機(jī)組COP先升后降，而負(fù)載率在30%～90%區(qū)間內(nèi)時(shí)，冷水機(jī)組COP相對(duì)較高，偏離此區(qū)間，COP顯著下降。從圖5可以看出，冷水機(jī)組不同負(fù)載率下的COP隨冷卻水溫度的升高而降低，其中以冷卻水進(jìn)水溫度20 ℃為分界線，COP下降速度明顯不同。

圖5 不同負(fù)載率下冷水機(jī)組COP隨冷卻水溫度的變化趨勢(shì)

通過1.1節(jié)對(duì)濕球溫度的計(jì)算分析可知，深圳地區(qū)全年約80%以上的時(shí)間室外濕球溫度在16 ℃以上，所以深圳地區(qū)采用開式冷卻塔冷卻系統(tǒng)的冷卻水進(jìn)水溫度在80%時(shí)間段內(nèi)均維持在20 ℃以上(按4 ℃逼近度考慮)。圖6給出了冷卻水進(jìn)水溫度20 ℃以上工況下，冷水機(jī)組不同負(fù)載率下的COP隨冷卻水溫度變化的線性擬合結(jié)果。由圖可知，3種負(fù)載率下COP隨冷卻水溫度(濕球溫度)的變化趨勢(shì)近似呈線性，冷卻水進(jìn)水溫度在20 ℃以下及其余負(fù)載率下的COP均有相同線性變化趨勢(shì)，此處不再贅述。

圖6 不同負(fù)載率下冷水機(jī)組COP隨冷卻水溫度的變化線性擬合曲線

1.3 基于濕球溫度變化的典型工況分界點(diǎn)分析

通過上述分析可知，全年冷量變化、全年濕球溫度變化及冷水機(jī)組COP隨冷卻水溫度變化在20%～100%負(fù)荷率持續(xù)時(shí)間內(nèi)均呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，因此可以認(rèn)為以典型工況日和典型工況日持續(xù)時(shí)間來進(jìn)行全年能耗的計(jì)算是合理的，不必進(jìn)行全年8 760 h的逐時(shí)計(jì)算。20%以下工況在非供冷季，雖然濕球溫度變化出現(xiàn)了非線性情況，但是由于總體負(fù)荷較小，且持續(xù)時(shí)間較短，對(duì)全年的影響可以忽略。

通過圖4、5可知，典型工況的劃分應(yīng)充分結(jié)合冷水機(jī)組COP隨冷卻水溫度及機(jī)組負(fù)載率的變化，并且為使整個(gè)系統(tǒng)高效運(yùn)行，制定主機(jī)運(yùn)行策略如下：1) 除過渡季負(fù)荷較小時(shí)(約15%負(fù)載率以下)，其他負(fù)荷時(shí)間段使單臺(tái)主機(jī)負(fù)載率處于30%～90%的高效區(qū)間內(nèi)；2) 每2種相鄰典型工況相應(yīng)負(fù)荷時(shí)段內(nèi)單臺(tái)主機(jī)的負(fù)載率不能出現(xiàn)10%以上幅度的跨越，以保證在此負(fù)荷區(qū)間持續(xù)時(shí)間段內(nèi)冷水機(jī)組COP隨冷卻水溫度(濕球溫度)變化呈現(xiàn)較好的線性變化，減小由于采用典型工況持續(xù)時(shí)間計(jì)算能耗帶來的誤差。

遵循以上原則進(jìn)行典型工況劃分后，需要對(duì)各典型工況持續(xù)時(shí)間內(nèi)逐時(shí)濕球溫度進(jìn)行處理，處理后的逐時(shí)濕球溫度(以下簡(jiǎn)稱為“特征濕球溫度”)作為典型工況日室外氣象輸入條件。由于上述進(jìn)行典型工況分界時(shí)充分考慮了典型工況持續(xù)時(shí)間內(nèi)冷水機(jī)組COP隨濕球溫度線性變化特性，下面利用此特性推導(dǎo)特征濕球溫度。

由1.2節(jié)分析可知，冷水機(jī)組不同負(fù)載率下的COP隨濕球溫度呈線性變化，可用式(1)表達(dá)此特性：

COPij=a+btij

(1)

式中 COPij為典型工況時(shí)間段內(nèi)第j天第i時(shí)刻的COP;tij為典型工況時(shí)間段內(nèi)第j天第i時(shí)刻的計(jì)算(或?qū)崪y(cè))濕球溫度;a、b為線性擬合常數(shù)。

由于典型工況日的逐時(shí)負(fù)荷取值近似為典型工況持續(xù)時(shí)間內(nèi)的平均值，所以典型工況日第i時(shí)刻的COP可用每日第i時(shí)刻的平均COP代替，表達(dá)式見(2)。

將式(1)代入式(2)可得式(3)。

式中 n為某典型工況持續(xù)天數(shù);c、d為線性擬合常數(shù)。

則典型工況日第i時(shí)刻的COP可用式(5)表達(dá)：

對(duì)深圳某辦公商業(yè)綜合體的全年冷負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，分離出10%～100%負(fù)載率工況的全年具體天數(shù)，結(jié)果如圖7所示。全年能耗計(jì)算時(shí)可將圖7所示不同負(fù)載率工況天數(shù)及此負(fù)載率(即典型工況)下計(jì)算得到的特征濕球溫度輸入冷源能耗計(jì)算模型中進(jìn)行全年能耗計(jì)算。

圖7 全年10%～100%負(fù)載率工況天數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2 案例分析

2.1 工程概況

深圳某區(qū)域集中供冷項(xiàng)目總建筑面積約123.18萬m2，區(qū)域內(nèi)建筑功能主要為辦公、商業(yè)、酒店、學(xué)校及部分市政設(shè)施，本項(xiàng)目總冷負(fù)荷為92 363 kW(2.63萬rt)。根據(jù)深圳地區(qū)峰平谷電價(jià)政策，該項(xiàng)目采用“電制冷+冰蓄冷”系統(tǒng)，不同時(shí)刻制冷站供回水溫度如表1所示。

表1 制冷站供回水溫度

該項(xiàng)目采用主機(jī)上游串聯(lián)的外融冰開式系統(tǒng)。采用附建式制冷站，機(jī)房位于地下室內(nèi)，主機(jī)房?jī)舾?.3 m，冰池凈高8.6 m，分別布置冷水機(jī)組、板式換熱器、蓄冰盤管及相應(yīng)水泵，主機(jī)配置如表2所示,系統(tǒng)流程如圖8所示。

表2 主機(jī)配置及蓄冰率

圖8 系統(tǒng)流程示意圖

2.2 能耗計(jì)算

采用1.3節(jié)所述典型工況劃分原則，按圖7所示共劃分9種典型工況。典型工況負(fù)荷取為各典型工況負(fù)荷區(qū)間內(nèi)的中間值，各典型工況天數(shù)見圖7。0～15%負(fù)載率雖然有63 d，但是其冷負(fù)荷均較低，且?guī)缀蹙诜枪├浼緝?nèi)，故不計(jì)算在內(nèi)。根據(jù)式(4)及深圳典型年全年8 760 h的濕球溫度數(shù)據(jù)計(jì)算得到9種典型工況的特征濕球溫度如圖9所示。以100%負(fù)荷工況為例，逐時(shí)運(yùn)行策略如圖10所示，根據(jù)深圳市峰平谷電價(jià)政策，23:00 至次日07:00為低谷電價(jià)時(shí)段，雙工況主機(jī)運(yùn)行蓄冰工況，其他時(shí)段雙工況主機(jī)運(yùn)行空調(diào)工況。

圖9 特征濕球溫度統(tǒng)計(jì)圖

圖10 100%工況運(yùn)行策略

各工況基載主機(jī)及雙工況主機(jī)逐時(shí)負(fù)載率變化如圖11、12所示。

圖11 不同工況下單臺(tái)基載主機(jī)逐時(shí)負(fù)載率變化

從圖11單臺(tái)基載主機(jī)逐時(shí)負(fù)載率變化可以看出，00:00—07:00每小時(shí)9種工況中存在6種不同負(fù)載率的分布，且負(fù)載率相差10%左右。其中100%和50%工況、80%和40%工況及60%和30%工況單臺(tái)負(fù)載率相同，但運(yùn)行臺(tái)數(shù)不一樣，08:00—23:00也存在類似的趨勢(shì)，所以9種運(yùn)行工況基本可以代表不同的基載主機(jī)運(yùn)行特性。由圖12可以看出，夜間23：00至次日07:00雙工況主機(jī)滿負(fù)荷蓄冰運(yùn)行，08：00—23：00之間9種工況中最多也存在8種不同的負(fù)載率，且負(fù)載率相差在10%以內(nèi)。其中20%及30%工況白天基本采用融冰供冷，雙工況主機(jī)負(fù)載率均為0，所以9種運(yùn)行工況基本可以代表不同的雙工況主機(jī)運(yùn)行特性。由上述分析可知，該項(xiàng)目所分9種運(yùn)行工況基本均在COP線性變化范圍內(nèi)。

圖12 不同工況下單臺(tái)雙工況主機(jī)逐時(shí)負(fù)載率變化

通過對(duì)以上9種工況運(yùn)行能耗統(tǒng)計(jì)計(jì)算可得到該項(xiàng)目全年運(yùn)行能耗，見表3，全年主機(jī)總能耗2 820萬kW·h，全年總冷量15 403萬kW·h，主機(jī)全年綜合COP為5.46。

表3 全年能耗統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

1) 從濕球溫度的變化趨勢(shì)來看，在供冷季和非供冷季的大部分時(shí)間內(nèi)呈階段性線性變化，故可以近似認(rèn)為進(jìn)入冷水機(jī)組的冷卻水溫度全年呈線性變化。

2) 冷水機(jī)組不同負(fù)載率下的COP隨冷卻水溫度的變化也基本呈線性變化；不同冷卻水溫度下，冷水機(jī)組COP隨著負(fù)載率的增加先升后降，負(fù)載率在30%～90%區(qū)間內(nèi)時(shí)，冷水機(jī)組COP相對(duì)較高。

3) 通過統(tǒng)計(jì)深圳地區(qū)濕球溫度全年的變化規(guī)律及冷水機(jī)組運(yùn)行特性，給出了基于濕球溫度變化的典型工況分界點(diǎn)的原則及特征濕球溫度的計(jì)算方法，從而可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出區(qū)域供冷站的全年運(yùn)行能耗，為其他工程項(xiàng)目提供參考。