建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化研究

莊培堯

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,北京 102600)

0 引言

暖通空調(diào)在建筑行業(yè)中應(yīng)用廣泛,可調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、濕度,提升人們的生活品質(zhì),但高能耗及低效率問題是急需解決的技術(shù)難題[1]。需從其工作原理出發(fā),深度分析制冷部件、風(fēng)機(jī)及水泵等構(gòu)件的運(yùn)行模式及運(yùn)行效率,采取積極措施,實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能增效[2]。本研究從建筑暖通空調(diào)節(jié)能優(yōu)化原則入手,結(jié)合實(shí)例,分析了優(yōu)化要點(diǎn)。

某工程于2022年完工,總共有地上14層和地下3層。地上和地下部分的建筑面積分別為126 604 m2、63 221 m2,總建筑面積189 825 m2。建筑總高度42 m,地下室埋深17 m。采用剪力墻結(jié)構(gòu)作為主要結(jié)構(gòu)系統(tǒng),幕墻作為外立面裝飾。所在地的室外氣象參數(shù)如表1所示。

表1 室外氣象參數(shù)Tab.1 Outdoor meteorological parameter

1 暖通空調(diào)系統(tǒng)

1.1 熱源系統(tǒng)

熱源系統(tǒng)由2組熱回收機(jī)組+2臺燃?xì)鉄崴仩t構(gòu)成。為滿足采暖季及過渡季的熱源需求,分別對供水溫度及回水溫度進(jìn)行設(shè)計。采暖季供水溫度為60 ℃,回水溫度為45 ℃;過渡季供水溫度為60 ℃,回水溫度為50 ℃。

1.2 冷源系統(tǒng)

暖通空調(diào)的冷源系統(tǒng)由夏季冷源子系統(tǒng)與冬季冷源子系統(tǒng)兩部分組成。為滿足夏季建筑物冷負(fù)荷19 343 kW的需求,將制冷機(jī)房與冷卻塔分別安裝于不同位置,制冷機(jī)房安裝于負(fù)2層,其中有4組普通離心式冷水機(jī)組和2組熱回收離心式冷水機(jī)組;冷卻塔安裝于地上3層的屋頂。冬季冷負(fù)荷需求為8400 kW,為滿足冬季冷源供應(yīng)目標(biāo),冬季冷源系統(tǒng)由4臺板式換熱器+4組普通離心式冷水機(jī)組采用并聯(lián)方式組成。

1.3 風(fēng)系統(tǒng)

該項(xiàng)目對暖通空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)做了合理化布局,如對大廳等面積較大的位置采用頂送+側(cè)送的送風(fēng)形式,強(qiáng)化回風(fēng)效果。對普通室內(nèi)采取頂送送風(fēng)形式。為應(yīng)對季節(jié)變化,在風(fēng)系統(tǒng)中安裝了溫度實(shí)時監(jiān)測及送風(fēng)自動調(diào)節(jié)裝置,根據(jù)季節(jié)溫度變化對送風(fēng)溫度進(jìn)行自動調(diào)整。在過渡季節(jié),系統(tǒng)會自動切換到新風(fēng)運(yùn)行模式,以滿足季節(jié)變化的需要。

1.4 水系統(tǒng)

將暖通空調(diào)的冷熱水系統(tǒng)安裝于建筑頂樓。在空調(diào)回水總管道中安有流量控制器,實(shí)現(xiàn)對冷水及熱水供應(yīng)的自動控制。為確保供熱量及建筑物運(yùn)行所需熱量保持一致,在鍋爐上安裝智能化控制器,實(shí)時監(jiān)測建筑熱負(fù)荷需求情況及鍋爐燃燒效率等參數(shù),實(shí)現(xiàn)供熱量的智能化調(diào)節(jié)及控制。

2 暖通空調(diào)節(jié)能優(yōu)化措施

為確保暖通空調(diào)節(jié)能優(yōu)化的精確性及科學(xué)性,根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成對風(fēng)機(jī)、冷凍水泵、制冷機(jī)、冷卻塔及表冷器等核心設(shè)備建立分析模型,通過Lingo對節(jié)能優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)計算,具體如下。

2.1 核心設(shè)備建模

2.1.1 風(fēng)機(jī)建模

風(fēng)機(jī)是影響整個暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵設(shè)備,主要影響因素包括風(fēng)機(jī)送風(fēng)流量、功率[3]。故風(fēng)機(jī)建模分析以這兩個參數(shù)分析為主。

送風(fēng)流量計算模型如下：

(1)

式中,mair為風(fēng)機(jī)的實(shí)際輸出風(fēng)量,kg/s;Qs為室內(nèi)實(shí)際的熱冷負(fù)荷量,kW;tN為室內(nèi)空氣設(shè)計干球溫度,℃;ts為室內(nèi)送風(fēng)溫度,℃;1.01是干燥空氣的定壓比熱值,kj/(kg·℃)。

基于風(fēng)機(jī)送風(fēng)流量計算模型可得其功率計算模型,如下：

(2)

(3)

(4)

式(2)、式(3)、式(4)中,fair為風(fēng)機(jī)的流量比;mair為風(fēng)機(jī)的實(shí)際輸出風(fēng)量,kg/s;mairdesign為風(fēng)機(jī)的設(shè)計風(fēng)量,kg/s;fpi為風(fēng)機(jī)負(fù)荷的因數(shù);cfi為風(fēng)機(jī)特性系數(shù),i={1,2,3,4,5};Pfan為風(fēng)機(jī)功率,kW;ΔP為風(fēng)機(jī)的設(shè)計壓力,Pa;efan為風(fēng)機(jī)的總效率;ρa(bǔ)ir為空氣密度值,kg/m3。

通過上述兩個模型可計算出風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率及送風(fēng)流量,為后續(xù)計算奠定基礎(chǔ)。

2.1.2 冷水泵建模

水流量及功率是影響冷水泵能耗的主要因素,針對這兩個因素構(gòu)建模型進(jìn)行分析。冷水泵的水流量計算模型[4]如下：

(5)

式中,mwater為冷水泵的實(shí)際水流量,kg/s;Qcoif為表冷器的換熱負(fù)荷,kW;Δtwater為冷水泵供水溫度與回水溫度的差值,℃;t1為表冷器的進(jìn)風(fēng)口溫度,℃;t2為表冷器出風(fēng)口溫度,℃;cp為水的比熱,kj/(kg·℃)。

基于冷水泵水流量計算模型得出其功率計算模型,如下：

(6)

(7)

(8)

Ppump=fflp×Ppumpdesign

(9)

式(6)、式(7)、式(8)、式(9)中,vwater為冷水泵的實(shí)際水流速度,m3/s;ρwater為冷水泵的水流密度,kg/m3;PLRpump為冷水泵的負(fù)荷率;vwaterdesign為冷水泵的設(shè)計水流速度,m3/s;fflp為冷水泵功率占滿負(fù)荷功率的比值;cpi為水泵的特性系數(shù),其中i={1,2,3,4};Ppump為水泵的實(shí)際功率,kW;Ppumpdesign為水泵的設(shè)計功率,kW。

通過上述計算模型可準(zhǔn)確計算出冷水泵的實(shí)際水流量及功率,為后續(xù)計算表冷器水溫提供依據(jù)。

2.1.3 制冷機(jī)建模

制冷機(jī)的進(jìn)出水溫度及功率是判斷制冷機(jī)能耗的主要因素,建立制冷機(jī)功率計算模型[5],具體如下：

Qavail=Qref×ChillerCapFTemp

(10)

Qevap=cp×mwater×(Δtwater+Δtpumpwater)

(11)

(12)

×ChillerEIRFPLR

(13)

式(10)、式(11)、式(12)、式(13)中,Qavail為制冷機(jī)的實(shí)際制冷量,kW;Qref為制冷機(jī)的名義制冷量,kW;Qevap為制冷機(jī)的冷負(fù)荷,kW;cp為水的比熱,kj/(kg·℃);Pchiller為制冷機(jī)的功率,kW;COPref為制冷機(jī)的名義COP值。

構(gòu)建制冷機(jī)進(jìn)出水溫計算模型如下：

Qcond=Pchiller×echillerotor+Qevap

(14)

(15)

式(14)、式(15)中,Qcond為冷卻水的回路負(fù)荷,kW;echillerotor為壓縮機(jī)的功率;tcondl為冷卻水的出水溫度,℃;tconde為冷卻水進(jìn)水溫度,℃;cp為水的比熱,kj/(kg·℃);mcond為冷卻水的流量。

2.1.4 冷卻塔建模

冷卻塔是暖通空調(diào)系統(tǒng)的核心設(shè)備,主要用于提供冷卻水,根據(jù)其冷卻形式可分為風(fēng)冷型與水冷型兩個類型,其中風(fēng)冷型冷卻塔應(yīng)用最為廣泛[6]。故以風(fēng)冷型冷卻塔為例進(jìn)行建模分析,建模對象以冷卻塔的出水溫度及工作頻率為主。冷卻塔出水溫度計算模型如下：

(16)

式中,tctset為冷卻塔出水溫度,℃;tctwe為冷卻塔進(jìn)水溫度,℃;Qtotal,off為冷卻塔流體排熱總量,kW/h;Cw為冷卻塔容量,kW/h。

冷卻塔的工作頻率計算模型如下：

Pcoolingtower=ω×Pctfan

(17)

式中,Pcoolingtower為冷卻塔的工作頻率;ω為冷卻塔的開啟頻率;Petfan為冷卻塔的風(fēng)機(jī)額定功率。

實(shí)際應(yīng)用中,需注意冷卻塔的溫差控制在3 ℃～6 ℃。

2.1.5 表冷器建模

表冷器是用于連接空氣回路及冷凍水回路的裝置,負(fù)責(zé)熱交換[7]。其建模分析主要針對熱交換效率進(jìn)行研究,計算模型如下：

(18)

式中,Eg為表冷器的熱交換效率,%;t1為進(jìn)水的溫度,℃;t2為出水的溫度,℃;twl為表冷器的額定出水溫度,℃。

2.2 暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化建模分析

基于風(fēng)機(jī)、冷凍水泵、制冷機(jī)、冷卻塔及表冷器的計算模型,采用Lingo系統(tǒng)構(gòu)建系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化模型,以精確計算各機(jī)構(gòu)節(jié)能優(yōu)化參數(shù)。

2.2.1 建立節(jié)能優(yōu)化模型

將暖通空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、冷凍水泵、制冷機(jī)、冷卻塔及表冷器均假設(shè)為1臺,得出節(jié)能優(yōu)化模型,具體如下：

minPtotal=Pfan+Ppump+Pchiller+Pcondpump

+Pcoolingtower

(19)

式中,Ptotal為暖通空調(diào)系統(tǒng)的總功率,Pfan為風(fēng)機(jī)功率,Ppump為水泵功率,Pchiller為制冷機(jī)功率,Pcondpump為冷卻塔功率,Pcoolingtower為表冷器功率。

2.2.2 參數(shù)優(yōu)化

在Lingo系統(tǒng)中輸入空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)及氣候參數(shù),核心設(shè)備參數(shù)均按其名牌參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,Lingo系統(tǒng)仿真會自動計算分析出最優(yōu)的節(jié)能優(yōu)化結(jié)果[7],具體如表2所示。

表2 基于Lingo系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化結(jié)果Tab.2 Results of energy saving optimization based on Lingo system

2.2.3 節(jié)能效果對比

為驗(yàn)證節(jié)能優(yōu)化效果,選擇兩組相同的暖通空調(diào)系統(tǒng),一組按節(jié)能優(yōu)化前的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,另一組按節(jié)能優(yōu)化模型計算結(jié)果進(jìn)行設(shè)置,對比兩組暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況,結(jié)果如圖1所示。

圖1 節(jié)能優(yōu)化前后暖通空調(diào)能耗對比結(jié)果Fig.1 Comparison results of HVAC energy consumption before and after energy-saving optimization

從圖1可以看出,暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化后效果顯著。節(jié)能優(yōu)化前,總能耗約為1650 kWh/d;節(jié)能優(yōu) 化后,總能耗約為1430 kWh/d,一天可降低能耗約13%。

3 結(jié)束語

暖通空調(diào)的廣泛應(yīng)用改善了人們的居住環(huán)境,但急需解決其能耗問題。需積極推廣應(yīng)用低碳技術(shù)、環(huán)保技術(shù)、節(jié)能技術(shù),不斷提高暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)水平,有效降低能源消耗,推動建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展目標(biāo)。