基于Trnsys的水冷型中央空調系統建模與仿真

胡 瑋,陳立定

(華南理工大學自動化科學與工程學院,廣州510640)

0 引言

今年是 “十二五”規劃的開局之年,在國家制定的“十二五”規劃中,節能減排依然是重中之重。在整個能耗中,建筑能耗已經占到30%左右,而其中空調能耗約占建筑能耗60%左右[1],因此空調節能已成為節能減排的重要方面。中央空調作為空調能耗消耗的大戶,其大部分能耗屬于機組能耗,因而研究中央空調系統對節能有著重要的意義。

目前國內有很多學者致力于中央空調節能的研究,但是大部分局限于局部系統控制策略的研究,一般都脫離建筑,或者只加入計算得來的建筑能耗,而不是將中央空調系統置于所在的實際建筑中,而控制系統模擬卻是應該建立在建筑空調系統、建筑基礎上的整個系統模擬。針對此情況,本文采用Trnsys軟件,以廣州某大廈為例子,并由廣州市的氣象數據,及大廈建筑結構、內部電器能耗及人流情況建立仿真,模擬中央空調系統的運行情況及能耗,為中央空調仿真系統模型的建立提供了一些思路。

1 Trnsys軟件簡介[2]

Trnsys最早由美國Wisconsin-Madison大學的Solar Energy實驗室 (SEL)開發,并在歐洲一些研究所的共同努力下逐步完善,迄今為止最新版本為Ver.17。Trnsys全稱為Transient System Simulation Program,即瞬時系統模擬程序。

TRNSYS可以對太陽能 (太陽熱和光伏系統)、建筑及暖通空調、可再生能源、冷熱電聯產、燃料電池等系統的運行特性和控制特性進行仿真;此外,運行于WINDOWS環境中的TRNSYS可以在線描繪和監測100多個系統變量,可以直接調用EXCEL和MATLAB的有關數據圖形信息等。TRNSYS是模塊化的仿真軟件,源程序都用FORTRAN語言編寫,其最大優點是允許用戶根據各自的需要修改或編寫新的模型并添加到程序庫中去。

2 建筑模型的建立[3]

本文選用的虛擬建筑物模型是位于廣州市的一棟商務大廈,每層的面積約為2300m2,有兩個相同的AHU分別服務于南北半邊,每個AHU有8個不受送風靜壓影響的VAV末端,本文選取一個AHU及其服務的半層辦公樓作為研究對象,面積大約1360m2,如圖1所示。大廈的設計遵循共 《建筑節能設計標準廣東省實施細則》 (DBJ15-51-2007)[4]以及 《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準廣東省實施細則》 (DBJ15-50-2006)[5]中的辦公建筑規定選取。建筑朝向為南北向,各朝向的窗墻比為東西墻0.35、南北墻0.4,外窗的綜合遮陽系數均為0.4,整個區域模型平面圖如圖1。

圖1 多區域平面圖及仿真連線圖

3 氣象數據文件

本文的室外氣象數據取自廣州地區的氣象資料,根據仿真實驗要求以及 《公共建筑節能設計標準廣東省實施細則》(DBJ 15-51-2007)所規定的廣州地區每年空調開放時間,選取了廣州市4月1日 (2160h)到10月30日 (7295h)的氣象數據,其戶外干球溫度和濕度圖如圖2所示。

圖2 廣州市7月(4344h-5088h)份氣象數據(上圖為溫度,下圖所示為相對濕度)

4 冷水機組數學模型[6]

本文選取的冷水機組為螺桿型蒸汽壓縮式水冷型冷水機組。冷水機組的數學模型如下:

蒸發器:

冷凝器:

膨脹閥:

壓縮機:

參數:

Qci—制冷量 (kW)

PLR—制冷機部分負荷

mw—蒸發器水流量 (kg/s)

Cpw—水的定壓比熱 (kJ/kg℃)

Tchwr—冷凍水回水溫度 (℃)

Tchws—冷凍水供水溫度 (℃)

mr,tot—總的制冷劑流量 (kg/s)

qrf—制冷效果 (kJ/kg)

AU—總的傳熱面積數 (kW/℃)

Qcd—總的熱量 (kJ)

E—輸入功

Tcdal—離開冷凝器空氣溫度 (℃)

Tcdae—室外溫度 (℃)

win—壓縮機絕熱壓縮功耗 (kJ/kg)

ηisen—絕熱效率

ηcc—壓縮效率

ηv—容積效率

ni—多變指數

CR—壓縮比

P—制冷劑飽和壓力 (kPa)

Tevsh—過熱度 (℃)

下標:cc、cd、cf、ch、ev和tot分別代表壓縮機、冷凝器、冷凝器風扇、制冷機、蒸發器和總值(total)。

5 中央空調系統概述

本次模擬的中央空調系統含有2個AHU,分別位于核心區域的西北和東南角,西北角的AHU服務西邊的四個區域,東南角的AHU服務東邊的四個區域,AHU的啟停時間設定為8∶00～20∶00。新風量采用固定的新風比0.3,新風與回風混合后送入AHU。

采用建筑能耗軟件DOE-2分析建筑能耗后,采用2臺螺桿型蒸汽壓縮式水冷型冷水機組。水系統采用一次泵變流量系統,冷凍水泵采用兩臺變頻水泵,冷卻水系統采用2臺定頻水泵及兩臺閉式冷卻水塔,啟停時間與相應的冷機聯動,模型中進行了以下簡化:(1)在整個制冷機中流過的制冷劑流量相等;(2)忽略制冷機與外界環境的熱交熱,即冷凝器中的熱負荷等于制冷量加壓縮機所耗的電功;(3)忽略制冷劑在制冷劑管道中的壓降[7,8]。整個中央空調系統如圖3所示。

圖3 中央空調系統仿真圖

6 仿真結果及分析

本次仿真采用兩種方式模擬中央空調系統全年能耗,一種為不加控制的基準模型,另一種則根據外界溫度及建筑區域實際需要的冷負荷對冷凍泵及風機進行控制。

6.1 基準模型

基準模型中,所有的分區采用均固定的送風量,區域換氣次數為每小時6次,AHU的風機不加控制,即相當于定頻風機。盤管設備模型采用Bypass Fraction Method模型,設定AHU的出風溫度為18,出風由70%的區域回風和30%的新風混合而成[9]。冷水機組的出水溫度設為7,冷凍水泵和冷卻水泵均各自采用相同參數的兩組水泵,根據盤管的進回水溫度和流量計算冷負荷,根據負荷區間確定冷水機組及冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔的啟停,模擬的步長設為0.1h。所得的溫度和能耗結果如圖4、圖5所示。

圖4中的時間為7月1日8∶00到20∶00(4352h～4364h),由圖4可以看到,各區域房間溫度基本維持在26左右比較理想。但是由圖5卻看出冷水機組、冷卻塔、水泵能耗幾乎成直線,這說明在中央空調運行過程中,如果不加控制,各設備均工作在額定功率狀態,而實際的冷量需求卻沒有那么大,這就造成了機組能耗浪費。

6.2 加控制的模型

在加控制的模型中,由盤管進出水溫度和流量計算建筑實時的冷負荷,并根據負荷區間確定冷水機組、冷卻塔、水泵的啟?？刂?而變頻冷凍水泵的冷凍水流量則根據負荷所需的水量來控制,其溫度根據室外的干球溫度重置。冷卻塔的風機為定頻風機,啟停時間跟相應的冷機聯動。AHU的風量則采用定靜壓控制,靜壓設定值為固定,模擬步長依然設為0.1h[10]。所得的各區域溫度圖和中央空調設備的能耗如圖6、7所示。

由圖6、7對比圖4、5可以看出,加控制后,各區域的溫度變化不大,基本維持在26比較理想的狀態,但是控制后的能耗卻大大降低,表1為全年設定時間段內 (4月1日到10月30日)各項設備加控制前和控制后的能耗對比。

表1 控制前后中央空調各設備全年(4月1日到10月30日)分項能耗和總能耗分布表

從上面的表中可以看出,加入了控制的優化模型的全年各分項能耗有了明顯降低,風機電耗下降了45.4%,制冷機電耗下降了40.1%,水泵總電耗下降了44.1%,冷卻塔電耗下降了41.6%,電耗總和下降了41.9%。

由兩種模型的能耗情況可以看出,中央空調系統具有很大的節能空間,可以通過其所需的實際冷負荷來調節水泵的流量及AHU風機的風量來實現節能控制,本文中由于使用了大量的Equation模塊,所以容易實現中央空調系統的控制,但是在實際運行過程中,沒法直接得出空調負荷,這就只能通過提前預測及智能模糊控制,從冷機進回水溫度差及風機靜壓差來控制中央空調水泵及風機來實現節能。

7 結論

本文結合實際建筑建立廣州市某大廈的水冷型中央空調仿真系統,并從不加控制和加控制兩種策略下對中央空調的能耗情況進行了仿真,由結果可以發現,中央空調系統存在很大的節能空間,這值得我們去研究中央空調的節能。同時,通過建模仿真,我們可以得到一些有效地仿真方法,為研究空調能耗具有重大的意義,同時也為接下來作者對中央空調控制策略的研究打下了基礎。Trnsys能夠很好地模擬中央空調功能和基本特性,是一個非常好的研究中央空調節能的軟件。

[1] 趙廷法,王瑞華,王普.VAV中央空調能耗建模與仿真研究[J].計算機仿真,2010,27(3):326-329

[2] Solar Energy Laboratory(SEL),2006,TRNSYS:A Transient System Simulation Program(Reference Manual),University of Wisconsin/Madison Press,Madison,WI.

[3] 任海剛.多區域VAV系統新風優化控制研究——基本預測的末端再熱控制策略[D],上海:上海交通大學,2003:49

[4] DBJ15-51-2007.建筑節能設計標準廣東省實施細則[S].

[5] DBJ15-50-2006.夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準廣東省實施細則[S].

[6] TR NSYS 2007 TRNSYS 16.1Manual:A Transient Simulation Program.University of Wisconsin,Madison,USA

[7] FW Yu,KT Chan.Advanced control of heat rejection airflow for improving the coefficient of performance of air-cooled chillers[J].Applied Thermal Engineering 26(2006)97-110

[8] F.W.Yu,KT Chan.Modeling of a condenser-fan control for an air-cooled centrifugal chiller[J].Applied Energy 84(2007)1117-1135

[9] 林興斌,潘毅群,黃治鐘.基于TRNSYS的HVAC控制系統的仿真 [J].建筑節能,2010,38(228):44-50

[10] 林興斌,潘毅群,黃治鐘.變風量空調系統不同控制策略下的能耗分析 [J].建筑熱能通風空調,2010,29(5):20-24