水冷冷水機組中央空調(diào)系統(tǒng)的能流模型分析

劉麗孺，呂崇花，王曉霞

(廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東廣州510006)

目前，人們已經(jīng)認識到:降低空調(diào)系統(tǒng)，尤其是中央空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗是降低建筑能耗的重要途徑之一.對影響中央空調(diào)系統(tǒng)運行能耗的主要因素進行分析是降低其能耗的前提條件.目前對系統(tǒng)能耗分析的方法有很多，主要包括空調(diào)系統(tǒng)單體設(shè)備能耗的定量分析、空調(diào)子系統(tǒng)能耗的定量分析以及系統(tǒng)設(shè)備能耗的仿真模擬研究［1-11］等.其中對空調(diào)系統(tǒng)能耗的定量研究往往忽略了系統(tǒng)內(nèi)部各部分能耗之間的關(guān)聯(lián)性.中央空調(diào)系統(tǒng)的型式具有多樣性，本文選取具有代表性水冷冷水機組為冷源的中央空調(diào)系統(tǒng)作為研究對象，通過建立從空調(diào)房間提取熱量到最終排放到環(huán)境中的整個能耗環(huán)路的能流分析模型，并通過實測數(shù)據(jù)繪制了典型工程應(yīng)用的能流圖.該模型既可以定量分析系統(tǒng)內(nèi)部各部分的能流變化規(guī)律及各能流之間的關(guān)聯(lián)性，又可以通過能流圖直觀地表達出系統(tǒng)各能流的方向及各部分能流的大小.

1 能流分析模型的建立

1.1 以水冷冷水機組為冷源的集中空調(diào)系統(tǒng)的能流鏈圖

以水冷冷水機組為冷源的集中空調(diào)系統(tǒng)，從空調(diào)房間提取熱量到最終排放到環(huán)境中，其完整的能流環(huán)路［12］如圖1所示.

圖1 以水冷冷水機組為冷源的集中空調(diào)系統(tǒng)能流鏈圖Fig.1 Energy flow chain chart of central air conditioning system with water-cooled chiller

從圖1中可以看出，該集中空調(diào)系統(tǒng)包含室內(nèi)空氣環(huán)路、冷凍水環(huán)路、制冷劑環(huán)路、冷卻水環(huán)路和室外排熱環(huán)路5個連續(xù)的子環(huán)路，每個子環(huán)路都由特定的換熱設(shè)備和耗能設(shè)備組成，各子環(huán)路之間分別以末端冷卻盤管、蒸發(fā)器、冷凝器和冷卻塔等4種換熱設(shè)備為能流聯(lián)系的橋梁，使得空調(diào)系統(tǒng)各子系統(tǒng)的能流緊密聯(lián)系在一起.

1.2 能流分析模型

本文分析的前提條件是各空調(diào)區(qū)域的空調(diào)效果滿足室內(nèi)設(shè)計參數(shù)要求，因此能流分析將按照圖1從左到右的順序依次進行分析.對于末端的室內(nèi)空氣環(huán)路，為了滿足空調(diào)區(qū)域的熱舒適性及室內(nèi)空氣品質(zhì)，末端的冷卻盤管提供的冷量，既要消除室內(nèi)的余熱和滿足新風(fēng)負荷及再熱負荷(若存在再熱系統(tǒng))，還要承擔(dān)冷風(fēng)輸送過程的傳熱和輸送設(shè)備－風(fēng)機的機械能所轉(zhuǎn)變的熱量.因此，對末端冷卻盤管列能量平衡方程有

式中，QPG，Q，QXF，QZR分別為冷卻盤管的冷負荷、房間的冷負荷、新風(fēng)負荷和再熱負荷，kW;CFJ為風(fēng)機的耗功率，kW;LSS為送風(fēng)系統(tǒng)的冷損失，kW.其中，風(fēng)機的耗功率可直接測量出來，其他幾個負荷量需要測量相應(yīng)的風(fēng)量和焓值間接計算出來，它們的計算式分別為Q=mSF(hHF－h(huán)SF);QXF=mXF(hXF－h(huán)HF);QZR=mSF(hSF－h(huán)L);LSS=LSF+LXL;LSF=ΔmSF(hHF－h(huán)SF);LXL=ΔmXL(hXF－h(huán)SF).式中，mSF、mXF、△mSF、△mXL分別為送風(fēng)量、新風(fēng)量、送風(fēng)管道與房間的風(fēng)量凈泄露量，kg/s;hHF，hSF，hXF，hL分別為回風(fēng)、送風(fēng)、新風(fēng)和冷卻盤管機器露點的焓值，kJ/kg;LSF為風(fēng)管由于一定溫升而產(chǎn)生的冷損失，kW;LXL為通過風(fēng)管等不嚴密處所產(chǎn)生的泄露冷損失，kW.

對冷凍水環(huán)路，蒸發(fā)器的冷負荷包括冷卻盤管的冷負荷，冷凍水輸送過程的傳熱和輸送設(shè)備－水泵的機械能所轉(zhuǎn)變的熱量.因此，列蒸發(fā)器的能量平衡方程有

式中，QZF為蒸發(fā)器提供的冷量，kW;CLS為冷凍水泵的耗功率(可直接測量)，kW;LLS為冷水輸送管道與外界的熱交換而引起的冷負荷，kW;其計算式為LLS=CMΔT，C為水的熱kJ/(kg·℃);M為冷凍水水流量，t/h;ΔT為蒸發(fā)器出水溫度與末端換熱設(shè)備進水溫度的差值，℃.

對制冷劑環(huán)路，列冷凝器的能量平衡方程有

式中，QLN為冷凝器的熱負荷，kW;CYS為壓縮機的耗功率，kW.

同理，對冷卻水環(huán)路，列冷卻塔的能量平衡方程:

對最右邊的室外排熱環(huán)路，若沒有能量回收，則最終全部排放耗散到大氣中的能量L為

式中，QLT、CLQ為冷卻塔的換熱量和冷卻水泵的耗功率，kW;L為空調(diào)系統(tǒng)排放到室外大氣中的總能量，kW;CLT為冷卻塔風(fēng)機的耗功率，kW.

1.3 能流分析的可視化

能流圖，也叫?；芰科胶鈭D［13-15］，是將能流可視化的一種數(shù)據(jù)分析方法.圖中各分支的寬度對應(yīng)著各股能流的大小，箭頭代表能流流動方向.?；鶊D最明顯特征就是:所有主支寬度的總和應(yīng)與所有分出去的分支寬度的總和相等，始終保持能量平衡.

聯(lián)合式(1)～(5)可以看出，以水冷冷水機組為冷源的集中空調(diào)系統(tǒng)，各環(huán)路間的能流是通過各中間換熱設(shè)備緊密聯(lián)系在一起的.每個環(huán)路中的換熱設(shè)備，都存在著能量平衡關(guān)系.為了保證空調(diào)區(qū)域的空調(diào)效果，空調(diào)區(qū)域的冷負荷、新風(fēng)負荷、再熱負荷和冷風(fēng)輸送過程的傳熱及風(fēng)機的能耗所轉(zhuǎn)變的熱量，決定了末端冷卻盤管負荷的大小;該末端冷卻盤管負荷連同冷凍水輸送環(huán)路的能耗及傳熱損失，又變成了制冷機組蒸發(fā)器需負擔(dān)的負荷;蒸發(fā)器的冷負荷和壓縮機的耗功一起，又變成了冷凝器的熱負荷;冷凝器的熱負荷和冷卻水輸送過程中水泵、風(fēng)機的能耗一起，最終全部通過冷卻塔排放到室外大氣中.

可見，對于一個實際集中空調(diào)工程，只要能實測出式(1)～(5)中相應(yīng)的物理量，就可以繪制出該工程的能流圖，從而實現(xiàn)能流分析的可視化，并通過該圖很容易地看出整個系統(tǒng)能流的大小，各部分的能量平衡關(guān)系及能量損失，識別出主要的能流，為該系統(tǒng)的節(jié)能提供有用的信息.

2 能流圖分析實例

2.1 實際能流圖

下面將結(jié)合一具體的工程實例，來說明上述能流分析的具體應(yīng)用.該工程位于廣州市，是一棟23層辦公建筑;夏季空調(diào)總負荷為6 000 kW，選擇2臺2 400 kW的離心式冷水機組和1臺1 200 kW的螺桿式冷水機組;空調(diào)設(shè)計供回水溫度7/12℃，冷卻水供回水32/37℃，選用4臺冷凍水泵和冷卻水泵，5臺冷卻塔.空調(diào)系統(tǒng)采用一次回風(fēng)定風(fēng)量全空氣系統(tǒng).

2012年7月對該建筑的集中空調(diào)系統(tǒng)進行了連續(xù)1周的實測.根據(jù)實測的平均數(shù)據(jù)，通過公式(1)～(5)計算出各環(huán)路的各能流，并以辦公區(qū)的空調(diào)負荷為基準進行折算，最終繪制出為了消除辦公區(qū)1 kW余熱量，該空調(diào)系統(tǒng)的實際能流圖，如圖2所示.

可以清晰地看出，實際能流圖中各環(huán)路中主要有3種能流:(1)各換熱設(shè)備的負荷Q，(2)各耗能設(shè)備的能耗C;(3)由于和外界的熱交換及管道、設(shè)備等的不嚴密引起的泄漏能量損失L.

2.2 實際能流分析

從圖2可以看出，為了消除辦公區(qū)1 kW余熱量，整個空調(diào)系統(tǒng)最終需要向環(huán)境排放1.787 kW的熱量.其中，在消除辦公區(qū)余熱量的同時，需要消除的新風(fēng)負荷也較顯著(占空調(diào)區(qū)域冷負荷的16%).此外，整個空調(diào)系統(tǒng)耗能設(shè)備的能耗所占比例比較顯著，占空調(diào)區(qū)域負荷的比例高達59.3%(將圖2中各耗能設(shè)備的能耗相加得出).其中水冷機組的能耗占很大一部分，達到38%，水冷機組的能耗依舊是節(jié)能的重點;盡管各動力設(shè)備風(fēng)機和水泵的耗電比例不大，但它們的能耗總和也達到了制冷機組能耗一半的比例，達21.3%，該部分能耗應(yīng)該受到重視.輸送過程中的各種損失所占的比例較小，總共3.4%左右，說明管路的保溫和嚴密性做得相對較好.

圖2 水冷式冷水機組一次回風(fēng)定風(fēng)量全空氣系統(tǒng)夏季實際工況能流圖Fig.2 On-site energy flow diagram for air conditioning system of constant air volume with water-cooled chiller

2.3 節(jié)能措施分析

通過上述能流分析，影響整個空調(diào)系統(tǒng)能耗的主要因素是:新風(fēng)負荷、制冷機組的能耗和輸配系統(tǒng)的能耗.應(yīng)主要針對這幾個方面提出相應(yīng)的節(jié)能措施:

(1)新風(fēng)負荷的正負取決于室外新風(fēng)焓值hXF與室內(nèi)空氣焓值hHF的相對大小.當(dāng)hXF＞hHF時，新風(fēng)負荷為正，增加了末端冷卻盤管負荷.此時，在滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)的條件下，盡可能地采用最小的新風(fēng)量.當(dāng)hXF＜hHF時，新風(fēng)負荷為負值，在能流圖中表示新風(fēng)負荷的箭頭和空調(diào)區(qū)域負荷的箭頭方向相反，這意味著新風(fēng)在抵消部分或全部室內(nèi)負荷.因此，此時應(yīng)加大新風(fēng)量或全新風(fēng)運行，充分利用這種免費供冷來有效降低空調(diào)系統(tǒng)的總能耗.

(2)該系統(tǒng)中水冷機組在設(shè)計條件下的COP值為5.1，但實測值僅為3.61.經(jīng)實測發(fā)現(xiàn)，機組的冷卻水進水溫度達到33.6℃，比設(shè)計的32℃高出了1.6℃，從而使機組的制冷量下降，COP降低.應(yīng)充分利用冷卻塔的換熱面積，優(yōu)化冷卻塔的運行條件，提高其換熱效率，降低冷卻塔的出水溫度，為水冷機組具有較高的制冷量創(chuàng)造條件.

(3)根據(jù)換熱量公式Q=CMΔT可知，Q一定時，可以采用大溫差送風(fēng)和加大水系統(tǒng)供回水溫差，均能有效降低風(fēng)機和水泵的能耗.該系統(tǒng)中送風(fēng)系統(tǒng)、冷水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)設(shè)計溫差分別為13℃、5℃、5℃，實際運行溫差分別為10℃、4.2℃、4℃，這是由于風(fēng)機水泵選型、調(diào)節(jié)不當(dāng)，導(dǎo)致大流量、小溫差運行，應(yīng)加強設(shè)備選型及運行調(diào)節(jié)方面的管理，來有效降低動力設(shè)備風(fēng)機和水泵的能耗，最終達到降低系統(tǒng)總能耗的目的.

3 結(jié)論

(1)建立了以水冷冷水機組為冷源的集中空調(diào)系統(tǒng)整個環(huán)路的能流分析模型，并通過能流圖直觀地表現(xiàn)出來整個空調(diào)系統(tǒng)各部分的能流及能流之間的聯(lián)系.

(2)能流圖分析法是分析一個完整空調(diào)系統(tǒng)能流情況的有效工具.

(3)作為應(yīng)用實例，用能流圖分析法分析了某辦公樓一次回風(fēng)定風(fēng)量全空氣集中空調(diào)系統(tǒng)的能流情況，識別出影響整個空調(diào)系統(tǒng)能耗的主要因素是:新風(fēng)負荷、制冷機組的能耗和輸配系統(tǒng)的能耗，并主要針對這幾個方面提出了相應(yīng)的節(jié)能措施.

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