集中空調(diào)系統(tǒng)水泵變頻調(diào)速運行模式節(jié)能設(shè)計

申建光，史小兵

(1.西安市建筑設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

城市化發(fā)展背景下，辦公樓、居住室內(nèi)等建筑利用空調(diào)系統(tǒng)，創(chuàng)造更加適宜辦公和居住的室內(nèi)空氣環(huán)境。而自21世紀以來，大多數(shù)國家都將能源資源利用、環(huán)境保護以及綠色生態(tài)等理念融合到發(fā)展中，而空調(diào)作為一項能源開銷較大的設(shè)備，需要通過更加節(jié)能的方案，優(yōu)化其整體實用性能[1]。因此傳統(tǒng)方法結(jié)合文獻[2]和文獻[3]的研究內(nèi)容，利用小波技術(shù)和PID控制技術(shù)，對水泵變頻調(diào)速運行模式進行節(jié)能設(shè)計。但隨著建筑面積的擴大，空調(diào)使用范圍的擴寬，該設(shè)計存在不足之處，因此提出全新的集中空調(diào)系統(tǒng)水泵變頻調(diào)速運行模式節(jié)能設(shè)計方法，再次對節(jié)能工作進一步優(yōu)化，滿足現(xiàn)代化發(fā)展進程中，對于節(jié)能工作的基本要求。

1 集中空調(diào)系統(tǒng)水泵變頻調(diào)速運行模式節(jié)能設(shè)計

1.1 冷凍水機組變流量對水泵的影響分析

水泵是整個空調(diào)系統(tǒng)的核心，通過提高循環(huán)系統(tǒng)中冷卻液的工作壓力，確保發(fā)動機相關(guān)部件的冷卻液循環(huán)狀態(tài)，將發(fā)動機的運行溫度控制在合理范圍內(nèi)[4]。當(dāng)冷凍水機組運行時，水泵的調(diào)速模式受到影響，因此假設(shè)制冷劑容量不變，也就是排氣量P的值不發(fā)生變化時，設(shè)置制冷量、功率、排除熱量分別為Q、G和R，上述參數(shù)與蒸發(fā)溫度和冷凝溫度之間存在相關(guān)性，因此通過下列方程組進行描述。

(1)

式中：c1為蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度，℃；c2為冷凝器的冷凝溫度，℃。在空調(diào)水系統(tǒng)的工作過程中，冷凍水流量變化時，進入冷水機組的冷凍水進水溫度，也會發(fā)生變化，直接影響冷卻水泵的工作狀態(tài)[5]。蒸發(fā)器作為空調(diào)系統(tǒng)中的核心設(shè)備，起到熱量傳遞的作用[6]。但當(dāng)冷凍水流量偏低時，水泵受冷水機組管路凍結(jié)的影響，出現(xiàn)運行困難的問題。因此通過式(2)計算冷水機組蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)：

(2)

式中：α1、α2分別為蒸發(fā)器的外表面、內(nèi)表面的換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Z1、Z2、Z3分別為油膜、管壁、污垢的阻熱系數(shù),k·m/W；S、S1、Si分別為外壁表面積、內(nèi)壁面積以及內(nèi)外壁的平均面積,m2。根據(jù)上述計算結(jié)果可知，影響傳熱系數(shù)的參數(shù)較多，當(dāng)冷凍水流量變化時，直接影響該傳熱系數(shù)。但通常情況下，傳熱系數(shù)的變化程度極小，所以結(jié)合式(2)的計算結(jié)果，通過下列公式，確定冷卻水泵的熱負荷：

W=C1·S·Δc

(3)

式中：W為熱負荷所求結(jié)果,W；Δc為制冷劑蒸發(fā)器與冷凍水進水溫度之間的溫差,℃。當(dāng)冷卻水泵處于部分負荷狀態(tài)時，則傳熱系數(shù)為

(4)

式中：β為額定工況下蒸發(fā)器傳熱系數(shù),W/(m2·K)；w為冷凍水流速,m/s；w′為部分負荷下的冷凍水流速，m/s。通過上述計算過程，分析冷凍水機組變流量對冷卻水泵的影響程度。

1.2 優(yōu)化配置冷水機組

根據(jù)上述影響分析結(jié)果，優(yōu)化配置冷水機組。已知空調(diào)系統(tǒng)中的冷水機組總能耗比率最大，而水泵和其他設(shè)備的使用型號，都是根據(jù)冷熱源負荷而選定的[7-8]，因此為了設(shè)計水泵變頻調(diào)速節(jié)能運行模式，根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》，要求冷水(熱泵)機組制冷性能系數(shù)，不低于表1中的條件。

表1 冷水(熱泵)機組制冷性能系數(shù)

為了強化水泵變頻調(diào)速運行模式的節(jié)能效果，基于詳細的空調(diào)所用區(qū)域的動態(tài)負荷，按照上一節(jié)的分析結(jié)果，選擇適用于不同區(qū)域中的使用設(shè)備[9-10]。由表1中的參數(shù)可知，可供選擇的方案是非常多的，但并不是選擇所有功效最好的設(shè)備，就能實現(xiàn)最大程度的運行節(jié)能要求，因此根據(jù)制冷水機組、冷卻塔、冷凍水泵、以及冷卻水泵的基本參數(shù)，建立一個冷水機組模擬系統(tǒng)，通過計算整個空調(diào)系統(tǒng)的全年運行能耗，分析水泵的變頻調(diào)速運行模式存在的優(yōu)勢和不足，為調(diào)整水泵變頻速率、強化運行模式節(jié)能效果，提供更加可靠的節(jié)能方案[11]。假設(shè)系統(tǒng)全年運行總能耗為H，則該值的計算公式為

H=H1+H2+H3+H4

(5)

式中：H1、H2、H3、H4分別為制冷機組、冷卻塔、冷凍水泵和冷卻水泵的全年運行總能耗,J。將運行負荷率劃分為無數(shù)個區(qū)間，使用擬合函數(shù)確定各個硬件的耗功率，并統(tǒng)計各負荷區(qū)間的頻數(shù)[12]。默認集中空調(diào)系統(tǒng)包含k種機組型號，每組型號的數(shù)量均為N，則節(jié)能設(shè)計下要求的全年運行能耗為

H=nk,s(gk,stk,s+gk,2tk,2+gk,3tk,3+gk,4tk,4)

(6)

式中：s為典型工況下的負荷率,%；nk,s為運行臺數(shù)；gk,s、gk,2、gk,3和gk,4均為額定功率,W；tk,s、tk,2、tk,3以及tk,4分別為運行時間統(tǒng)計結(jié)果，h。按照上述過程，對冷水機組進行優(yōu)化配置。

1.3 調(diào)整水泵變頻速率強化運行模式節(jié)能效果

完成前兩節(jié)的準備工作后，調(diào)整水泵變頻速率，強化運行模式節(jié)能效果。集中空調(diào)的節(jié)能設(shè)計的最終目的，是滿足用戶制冷、制熱需求，同時最大限度地節(jié)約用電量，因此在節(jié)能設(shè)計水泵變頻速運行模式時，需要遵循如下原則：第一，要滿足節(jié)能要求，避免存在“大流量小溫差”的情況；第二，要保證水泵與其他設(shè)備之間的匹配程度，滿足一定的負荷分配方式；第三，要滿足一定的穩(wěn)定性，確?？照{(diào)系統(tǒng)可以長期運行；第四，要求水泵變頻調(diào)速運行模式，具有較高的智能化水平，可以根據(jù)使用環(huán)境的基本特征，及時調(diào)整水泵變頻速率[13]。因此參考水泵基本結(jié)構(gòu)及特點，遵循熱力學(xué)第一定律，強化運行模式，該定律的一般表達式為

F=L×γ×Δc′

(7)

式中：L為水流量,t/h；γ為水的比熱容,J/(kg·K)；Δc′為空調(diào)的供回水溫差,℃；L為水泵在變頻調(diào)速過程中的負荷,W。根據(jù)上述結(jié)果，利用定子繞組供電的頻率調(diào)整水泵的電機轉(zhuǎn)速。因此采用一種新式的變頻技術(shù)，根據(jù)L的實際計算結(jié)果，調(diào)節(jié)水泵變頻速率，保護水泵工作狀態(tài)的同時減少能源浪費。根據(jù)水泵相似律，設(shè)置水泵流量、揚程、軸功率以及電機轉(zhuǎn)速分別為B、D、V和f，則四組參數(shù)之間的關(guān)系，可以通過下列公式進行描述：

(8)

根據(jù)式(8)可以看出，水泵的揚程與流量之間存在二次方正比；水泵的軸功率與流量之間存在三次方正比；而水泵的流量與轉(zhuǎn)速之間成正比關(guān)系[14]。由此可知，轉(zhuǎn)速的值影響水泵電機的耗電量，因此計算電機磁場的轉(zhuǎn)速為

(9)

式中：r為三相交流電源頻率,Hz；J為電機磁極對數(shù),f/h。根據(jù)上述計算可知，J值越大，f0的值就會越小，因此根據(jù)轉(zhuǎn)差率λ，計算交流異步電動機轉(zhuǎn)速：

(10)

根據(jù)上述計算可知，當(dāng)J值越小時，轉(zhuǎn)速f0與頻率r成正比關(guān)系，通過平滑調(diào)整頻率r，穩(wěn)定調(diào)節(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速，達到強化水泵變頻調(diào)速運行模式節(jié)能效果這一目的，至此實現(xiàn)對集中空調(diào)系統(tǒng)水泵變頻調(diào)速運行模式的節(jié)能設(shè)計[15]。

2 實驗與分析

2.1 設(shè)置節(jié)能配置方案

選用兩組冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵等設(shè)備，按照此次提出的設(shè)計方法，制備兩組不同的節(jié)能方案，配置冷水機組，選擇其中更加合理的配置結(jié)構(gòu)。此次設(shè)置以某一辦公建筑為應(yīng)用背景，給出兩組冷水機組配置方案，如表2和表3所示。

表2 第一組冷水機組配置方案

表3 第二組冷水機組配置方案

根據(jù)上述設(shè)置內(nèi)容可知，方案一的總投資費用為522.6萬元，方案二的投資費用為541.6萬元?？芍獌山M方案的總費用之間沒有過大的投入差異。因此根據(jù)此次研究的節(jié)能方法，計算兩組方案的平均負載率，設(shè)定實驗測試所需的運行策略，結(jié)果如表4所示。

表4 兩組方案的運行策略

按照表4內(nèi)容，運行不同方案下的集中空調(diào)系統(tǒng)，通過比較不同的水泵變頻調(diào)速運行模式，測試兩組方案的節(jié)能效果。

2.2 計算系統(tǒng)總能耗、比較全年運行電耗值

根據(jù)廠家提供的負荷數(shù)據(jù)，計算制冷機組在各個負荷段的實際功率，通過擬合的形式得到制冷機組部分性能的二次多項式，結(jié)果如圖1所示。

圖1 制冷機組部分性能的負荷性能曲線

根據(jù)圖1中得到的擬合公式，計算不同負荷需求下，水泵在變頻調(diào)速狀態(tài)下的實際功率，結(jié)果如表5所示。

表5 不同負荷需求下的實際功率

結(jié)合表2、表3以及表5中的數(shù)據(jù)，計算冷水機組全年運行能耗。當(dāng)實驗中的空調(diào)系統(tǒng)負荷率為90%、運行時間為65 h時，制冷機組、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵運行能耗分別為84 825、4 290、10 901、11 856 kW。根據(jù)式(5)和式(6)，得到運行總能耗為111 872 kW。保證基礎(chǔ)測試條件不變，分析方案二應(yīng)用下，兩組制冷機組部分性能的二次多項式，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 600RT離心機組的負荷性能曲線

圖3 900RT離心機組的負荷性能曲線

以同樣的方式計算不同負荷需求下，水泵在變頻調(diào)速狀態(tài)下的實際功率。而后利用式(5)和式(6)，計算系統(tǒng)運行狀態(tài)下，所需要的總能耗。根據(jù)上述兩種方案的應(yīng)用效果，得到不同的能耗數(shù)據(jù)，以此計算兩種方案全年運行的電耗，比較結(jié)果如表6所示。

表6 兩組方案全年運行電耗比較

根據(jù)上述測試結(jié)果可知，方案二的節(jié)能配置方案更加滿足節(jié)能設(shè)計要求。因此按照方案二，優(yōu)化設(shè)計集中空調(diào)系統(tǒng)水泵變頻調(diào)速的節(jié)約運行模式。

2.3 節(jié)能效果測試

為了比較不同設(shè)計方法之間的差異性，將此次提出的節(jié)能設(shè)計方法作為實驗組，將兩種傳統(tǒng)節(jié)能設(shè)計方法作為對照組，比較不同冷負荷需求下，三組方法的電耗情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同應(yīng)用空間內(nèi)的電耗測試結(jié)果

根據(jù)圖4中的三組測試結(jié)果可知，面對建筑面積較小的測試區(qū)域時，三種設(shè)計方法下的水泵變頻調(diào)速運行模式，智能化效果更佳，電耗被控制在一個較為穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)。當(dāng)測試區(qū)域的面積增大時，面對不同程度的冷負荷需求，實驗組的電耗值增加，但與對照組相比其值最低。當(dāng)測試區(qū)域的建筑面積達到最大時，實驗組的電耗值雖然有大幅度提升，但遠遠低于各個冷負荷需求階段下，對照組的電耗?？梢姶舜喂?jié)能設(shè)計下的空調(diào)系統(tǒng)，很好地加強了水泵變頻調(diào)速運行模式的智能化工作方式，將電耗值控制在最低。

3 結(jié) 語

通過實驗論證了此次提出的方法，具有較好的節(jié)能效果，滿足基本設(shè)計要求。但此次提出節(jié)能設(shè)計方

法的自適應(yīng)能力還需加強，因此在今后的研究工作中，可以將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、森林算法等融合到設(shè)計中，進一步設(shè)計水泵的節(jié)能運行模式，為不同地區(qū)、不同季節(jié)的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用效果，提供更加完善的節(jié)能技術(shù)。