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暖通空调水系统效率优化研究

时间:2016-11-25 09:42:25; 来源:V客暖通网 作者:徐涛1 陆超平1 王轶虹2

1.江苏炎旭工程科技有限公司,江苏 南京 2100222.江苏省水利科学研究院,江苏 南京 210017

0  引言

暖通空调系统能耗是夏季建筑能耗的主要组成部分,就综合建筑而言,给整个水循环系统提供动力的循环水泵耗电量占空调系统耗电量的18%左右,即循环水泵耗电量占整个建筑总耗电量的11.7%左右,这是个非常可观的数字。因此,中央空调水系统的节能运行对建筑节能具有重要意义。本文将对暖通空调水系统效率优化措施进行探讨,以供参考。

1  变水量空调系统的原理及特点

空调系统的制冷方法一般分为蒸气压缩式、吸收式和热电式三种,其中最常用的方法是蒸气压缩式,其次是吸收式。

水冷蒸气压缩式空调系统在制冷时,液态制冷剂在蒸发器中汽化,吸收热量使冷水温度降低,低温、低压的气态制冷剂经压缩机压缩变成高温、高压气体,进入冷凝器中。制冷剂温度高于冷却水温度,制冷剂便将热量传递给冷却水,而制冷剂经冷凝变为高压液体。制冷剂高压液体经膨胀阀节流后又进入蒸发器,变为低压液体制冷剂,再次汽化完成一个循环。在这个循环过程中,随着制冷剂状态的变化,实现了热量从冷冻水侧向冷却水侧转移的过程。

吸收式空调系统制冷的原理可以这样来描述:假定吸收剂在发生器中不汽化,只有制冷剂流过冷凝器、膨胀阀和蒸发器,离开蒸发器的蒸汽在吸收器中被稀溶液吸收,同时混合物放热,然后在制冷剂溶液由泵升高到发生器压力下,在发生器中加入溶液使制冷剂溢出,同时稀溶液由中间冷却器回到吸收器。在水-溴化锂吸收式冷水机组系统中,水是制冷剂而溴化锂是吸收剂,通常呈固态的溴化锂与水混合形成溶液。该系统的最大优点是溴化锂的非挥发性,在发生器中只有水蒸气产生,系统简单,COP值高。缺点是蒸发温度相对比较高,系统压力很低,通常应用于蒸汽价格低而压缩系统运行成本较高的场合。

2  变水量空调优化调节

2.1  变水量空调系统循环泵优化研究

目前循环水泵一般在工频运行,无法随负荷变化而调整,造成极大的能量浪费,现今变频调速技术已经日趋成熟,被广泛应用在各个领域。相关文献中对变流量空调系统二次泵四种配置方式的年运行费用进行了分析,得出多泵并联变速运行最节能,同时给出四种配置方式的经济性分析,结果显示相对于单泵定速而言,多泵定速相对回收期较短,而多泵变速相对回收期较长。还有文献对定压系统和变压系统中变频水泵的能耗进行了分析,指出在变压系统中把压差控制点设在最不利环路的管道上能最大限度地降低水泵能耗。另外,通过分析变频泵及管网系统在变工况的特性曲线,得知影响水泵变频节能效果的主要因素和变频调速的适用范围。

通过分析冷冻水管路特性随空调负荷变化的特点,就可以得出计算空调冷冻水泵变频调速运行总能耗的一般关系式,还有的专家提出在DDC网络控制下,将传统二次泵系统改进为全变速一次/加压泵系统,取消一二次环路间的旁通管,使得节能效果更加明显。针对常规空调变流量一次/二次泵分布式冷水系统存在的小温差和低效率的问题及原因进行理论分析,提出改进设计方案即全变速一次/加压泵分布式冷水系统,并阐明改进后系统的技术可行性及其优点。

2.2  变水量空调系统冷水机组优化研究

在整个空调系统的耗能中,冷水机组的耗能量是最大的,约占空调总耗能的60%以上,因此,研究优化冷水机组的运行具有重要意义和应用价值。

在现有的建筑暖通空调系统中,普遍采用的是多台冷水机组并联运行,有利于提高系统的灵活性,同时可以减少系统启动电流及部分负荷能耗。20世纪80年代末,国外专家就指出,多台冷水机组并联运行,每台运行机组的冷冻水出水温度相同,即相同机组系统中,每台运行机组提供相同的制冷量,这种控制方式是接近最优的。而评价冷水机组运行效率的一个有效的指标就是机组运行系统COP,COP值越大,机组运行效率越高,相应的就越节能。另外,对于单台冷水机组而言,其最大COP值出现在机组满负荷下,可以将制冷剂的COP值作为目标函数,使用拉格朗日法求解最优制冷机负荷,这种方法与传统方法相比能耗低且精确度高。不过随着计算机等相关技术的发展,研究人员开始使用遗传算法求解OCL问题,克服了拉格朗日法在低需求时系统可能不收敛的缺点。而这些并不是唯一的将COP值作为目标函数的方法,使用B&B方法求解最优制冷机启停次序问题。随着研究的不断深入,通过模拟退火方法来解决OCL问题,其充分考虑了负荷平衡约束及制冷机运行限制,可以很好地应用于空调系统的运行,而使用进化策略来完成OCL求解的方法,不仅能够解决拉格朗日法及遗传算法的问题且精确度高并能很好地应用于空调系统的实际运行中。

另外,相关文献提出基于神经网络的制冷机能耗模型,基于对所有在线制冷机具有相同冷冻水温度和冷却水温度这类系统的特性分析,来解决OCS问题。另外,F.W.Yu在文献中说明了冷水机组如何设计方能使其尽可能多地在最大负荷下运行,使得能够更好的节能,也为工程师如何选择不同型号的冷水机组提供了指导。更有相关文献研究了多台冷水机组并联运行的机组负荷分配率问题,使得机组总的COP值最优,方法新颖。

冷水机组的优化运行能够节约机组能耗,延长机组使用寿命。尤其对冷容量大的建筑,优化冷水机组的负荷分配及机组启停次序对于降低机组能耗效果非常显著。

2.3  暖通空调系统“两低一高”现象的研究

针对暖通空调系统“两低一高”的现象,许多学者进行了优化节能研究,提出了各种优化运行策略。在冷、热源设备的节能方面,对冷、热源设备进行优选及优化配置。所谓设备的优选和优化配置,是指相对于工程所在地区能源结构、系统负荷特性等具体条件下,最适合机组的选型和配置,设备选型及配置的优化主要依靠冷水机组或热泵机组的性能系统。在水系统输送节能方面,降低水系统输送能耗主要依靠优选水泵,提高水泵的运行效率;加大供回水温差,无论是对冷水系统,或是对冷却水系统,一般都是取5 ℃,但如今为了减少系统流量,降低水泵能耗,出现了逐步加大供、回水温差,由5 ℃加大到8~10 ℃的趋向;降低水泵扬程,水流流速不宜太高,应采用经济流速,以控制系统的阻力,避免静压损失,水系统的设计应优先考虑采用闭式系统,另外,夜间通风和蓄能技术也被应用在暖通空调系统中,成为适应电力需求响应、实现电力削峰填谷的新型节能措施。

2.4  暖通空调系统优化控制研究

暖通空调系统的运行离不开监测与控制,系统需要监测的量一般包含温度、湿度、静压差、流量以及变频器的输出频率等。需要调节的量一般包括空调对象的温度和相对湿度的调节,送风量、湿度的调节,冷却水泵和冷冻水泵的转速调节,冷却塔风扇以及风机转速的调节,工况转换监测和控制,变送风流量调节及变水量流量调节等。这些量可以作为空调系统控制的被控量,也可作为系统要优化的量。暖通空调系统的优化控制研究在使人们的工作、生活环境越来越舒适的同时,更节约了能源,也能满足精密仪器生产等相关行业对于环境的苛刻要求。

3  结语

本文通过对暖通空调水系统效率优化的探讨,了解了当前提高暖通空调水系统效率的前沿解决途径,为在实际工作中提升系统效率提供了较好的方法论和研究方向。

[参考文献]

[1] 马景良.暖通空调[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2] 顾洁.暖通空调设计与计算方法[M].北京:化学工业出版社,2013.

[3] 黄翔.空调工程[M].北京:机械工业出版社,2010.

收稿日期:2016-10-15

作者简介:徐涛(1985—),男,安徽凤阳人,工程师,主要从事暖通空调设计施工。



关键字:暖通空调,水系统,效率优化
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