大學(xué)圖書館中央空調(diào)的用電建模仿真與優(yōu)化

劉文戈 李旭東 張政偉 陳曉東 俞歡

W為總運行能耗;W1（i，t）為第i臺冷水機組在t時刻的運行能耗;W2（i，t）為第i臺冷水機組在t時刻的運行能耗;W3（i，t）為第i臺冷水機組在t時刻的運行能耗;W4（i，t）為第i臺冷水機組在t時刻的運行能耗;W5（i，t）為第i臺冷水機組在t時刻的運行能耗;W6（i，t）為第i臺冷水機組在t時刻的運行能耗;W7（i，t）為第i臺冷水機組在t時刻的運行能耗。

由于圖書館位置一般遠(yuǎn)離巨大體量的江河，且風(fēng)機盤管系統(tǒng)的能耗在中央空調(diào)系統(tǒng)的總能耗中占比較小，所以上式可略去W4 ，W5 ，W6 ，W7。故簡化得：

2.3冷水機組能耗的數(shù)學(xué)模型

基于冷凍水供水溫度、冷卻水回水溫度和機組負(fù)荷的能耗模型，指出冷水機組的能耗與冷凝溫度、蒸發(fā)溫度和機組負(fù)荷有關(guān)。同時，冷卻水的出水溫度可以用來表示冷水機組的冷凝溫度，冷凍水的進水溫度可以用來表示冷水機組的蒸發(fā)溫度 。可以建立用冷卻水出口水溫冷凍水進水溫度以及冷水機組負(fù)荷表示的冷水機組能耗模型。具體表達式如下：

其中：Tq2為冷卻水出口水溫（℃）;Td1為冷卻水進口水溫（℃）;Q為冷水機組負(fù)荷，kW;a0-a5為冷水機組能耗模型的系數(shù)。

2.4冷凍水泵能耗的數(shù)學(xué)模型

此處僅計算了循環(huán)系統(tǒng)和冷凍水泵的能耗，忽略了能量的附加損失。整個冷凍水系統(tǒng)的能耗由水泵在工作點的流量、揚程和效率來表示。

流量公式為：

上式中：QL為蒸發(fā)器冷負(fù)荷，kW;Td1為冷凍水進口水溫（℃）; ρ為冷凍水出口水溫（℃）;c為水的密度，kg/m3;c為冷凍水進出口溫度的平均比熱容，kJ/（kg×℃）。

由于QL與Q（冷水機組制冷量）的關(guān)系為：QL/Q=AL，式中AL是大于1的系數(shù)。AL取值1.2。

所以流量公式可寫為：

揚程計算公式如下：

其中：Hd為冷凍水泵揚程（kPa）;Hd0為水泵的名義揚程（kPa）;Gd為冷凍水流量（m3/s）; Gd0為水泵名義流量（m3/s）;

計算出流量和揚程后即可得冷凍水泵能耗的數(shù)學(xué)模型表達式：

其中：β1為流量儲備系數(shù);β2為揚程儲備系數(shù);為水泵效率。

2.5冷卻水系統(tǒng)能耗的數(shù)學(xué)模型

冷卻水系統(tǒng)與冷凍水泵能耗模型的數(shù)學(xué)表達式類似，冷卻水泵能耗的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：Gq為冷卻水流量（m3/s）;Hq為冷卻水泵揚程（kPa）;? ?為水泵在工作點的效率。

2.6制冷系統(tǒng)整體能耗的數(shù)學(xué)模型

結(jié)合以上的幾個表達式可得制冷系統(tǒng)的運行能耗為：

【摘? 要】在能源的消耗使用中，建筑業(yè)是大戶，其中又以空調(diào)用電最為明顯，探究空調(diào)用電能耗的節(jié)能方式一直是熱門的討論話題，所以學(xué)習(xí)了解建筑物的中央空調(diào)節(jié)能方式是一種很有效學(xué)習(xí)系列電氣相關(guān)知識的方式。本文討論了設(shè)計層面與運行層面兩個層面的節(jié)能方式，其中包括從裝置的安裝，系統(tǒng)的改進等角度的探討。

【關(guān)鍵詞】中央空調(diào)用電能耗;優(yōu)化策略;蓄冰空調(diào)

引言

在能源消費方面，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，歐美一些發(fā)達國家的建筑能耗約占我國能源消費的30%，建筑能耗所占比例遠(yuǎn)低于發(fā)達國家，但隨著建筑業(yè)的發(fā)展，隨著節(jié)能減排理念的推廣，這一比例將逐年提高，中央空調(diào)能耗問題的解決迫在眉睫，中央空調(diào)能耗占建筑能耗的40%～50%，作為全球最大的制冷空調(diào)設(shè)備生產(chǎn)商和第二大消費市場，我國空調(diào)低碳產(chǎn)業(yè)時代的到來，將帶動中央空調(diào)行業(yè)低碳節(jié)能建設(shè)的新浪潮，因此，推動技術(shù)發(fā)展是中央空調(diào)行業(yè)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展低碳經(jīng)濟的主要措施。

中央空調(diào)除了冷凍機組外，還包括：冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，冷卻塔，室內(nèi)交換機等。因此除了一些運行上的改進外，設(shè)備上的改進也可以起到從設(shè)計層面達到的節(jié)能效果。

1.優(yōu)化方案

1.1減少安裝層面造成的損耗

大學(xué)圖書館類型的建筑的體積面積都較一般的建筑要更大，且室內(nèi)單獨劃分的面積小，公共的區(qū)域面積大，因此冷卻液的輸送距離也一定會隨著冷卻液循環(huán)管網(wǎng)系統(tǒng)的分布廣度的增加而增加。因此，如果在設(shè)計層面就做出改進則就可以減少大量能量的損耗。

市面上許多中央空調(diào)系統(tǒng)在管材的選取上大多選取聚氨酯泡沫塑料保溫、高級橡塑保溫、酚醛泡沫塑料保溫等材料。這類材料有一個問題，管道的安裝都是在工廠內(nèi)提前確定并定型的，因此在安裝過程中，極易出現(xiàn)由于管道材料組合時貼合程度不足導(dǎo)致的縫隙加大的能耗增加的情況。所以，在安裝過程中，可使用聚氨酯發(fā)泡材料進行現(xiàn)場安裝，可減少上述由于縫隙增大方面的造成的損耗。該技術(shù)主要是利用聚安酯在空氣中的氧化作用，使流體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w后組合嚴(yán)密的特性，在管網(wǎng)系統(tǒng)較為密集的區(qū)域保溫效果的提升更為明顯。

1.2利用蓄冰空調(diào)系統(tǒng)

冰蓄冷就是將水制成冰的方式，利用冰的相變潛熱進行冷量的儲存。與水蓄冷相比，儲存同樣多的冷量，冰蓄冷所需的體積將比水蓄冷所需的體積小得多。其原理就是在用電價格低的夜間時，將制冷液降溫冷凍成固態(tài)冰，在白天用電高峰期再融化為液態(tài)，將冷量釋放出來使用。

冰蓄冷的優(yōu)勢有以下幾點：（1）夜間環(huán)境溫度較白天更低，更有利于制冷涉筆的散熱，并提高制冷機產(chǎn)冷量;（2）長期處于高效率工作狀態(tài);（3）減少裝機容量。

1.3冷凍機組技術(shù)的改進

溫度調(diào)節(jié)源，也指制冷時與冷凍液進行熱量交換的物質(zhì)，這是影響到能源消耗的關(guān)鍵部分。

根據(jù)廣州市軌道交通2號線海珠廣場地下水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用，研制了一種新型熱泵交換機。中央空調(diào)系統(tǒng)的冷卻塔系統(tǒng)被體積大溫度低的天然地表水所代替。天然地表水冷卻的導(dǎo)熱液體通過導(dǎo)熱系統(tǒng)輸送到管網(wǎng)中，具有較好的冷卻效果。在考慮這項技術(shù)的應(yīng)用時，需要調(diào)查水文條件，考慮生態(tài)環(huán)境等因素，最終估計其制冷效果和可能產(chǎn)生的生態(tài)影響，最后選擇是否采用和采用何種方案。

綜上所述，在除了運行策略方面的優(yōu)化外，不論是設(shè)備安裝的改良、冷卻源的選擇，還是系統(tǒng)機制的改進，都可以提高節(jié)能的效果。

2.系統(tǒng)運行層面的優(yōu)化方案

2.1中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的組成及工作原理

名稱 工作原理

制冷系統(tǒng) 一般制冷機的制冷原理是壓縮機把壓力較低的蒸汽壓縮成壓力較高的蒸汽，使蒸汽的體積減小，壓力升高。壓縮機吸入從蒸發(fā)器出來的較低壓力的工質(zhì)蒸汽，使之壓力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成壓力較高的液體，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后，成為壓力較低的液體后，送入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)而成為壓力較低的蒸汽，再送入壓縮機的入口，從而完成制冷循環(huán)。

冷凍水系統(tǒng) 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)是中央空調(diào)設(shè)備的冷凍水回水經(jīng)集水器、除污器、循環(huán)水泵進入冷水機組蒸發(fā)器內(nèi)，吸收了制冷劑蒸發(fā)的冷量，使其溫度降低成為冷水，進入分水器后再送入空調(diào)設(shè)備的表冷器或冷卻盤管內(nèi)，與被處理的空氣進行熱交換后，再回到冷水機組內(nèi)進行循環(huán)再處理。

冷卻水循環(huán)系統(tǒng) 從冷卻塔來的較低溫度的冷卻水，經(jīng)冷卻泵加壓后送入冷水機組，帶走冷凝器的熱量后，溫度便升高了，然后被送到冷卻塔上進行噴淋，由于冷卻塔風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動，使冷卻水在噴淋下落過程中，不斷與室外空氣發(fā)生熱濕交換而冷卻，冷卻后的水落入冷卻塔積水盤中，然后再次被冷卻泵加壓后進入下一個循環(huán)。

風(fēng)機盤管式系統(tǒng) 風(fēng)機盤管機組由風(fēng)機、盤管和過濾器組成，它作為空調(diào)系統(tǒng)的末端裝置，分散地裝設(shè)在各個空調(diào)房間內(nèi)，可獨立地對空氣進行處理，而空氣處理所需的冷熱水則由空調(diào)機房集中制備，通過供水系統(tǒng)提供給各個風(fēng)機盤管機組。

冷卻塔風(fēng)機系統(tǒng) 將制冷機組中升溫后循環(huán)來的冷卻水進行冷卻

2.2制冷系統(tǒng)能耗的數(shù)學(xué)模型

中央空調(diào)制冷系統(tǒng)運行能耗的方程式可表示為：

3.研究意義

“節(jié)能就是應(yīng)用技術(shù)上現(xiàn)實可靠、經(jīng)濟上可行合理、環(huán)境和社會都可以接受的方法，有效地利用能源，提高用能設(shè)備或工藝的能量利用效率。建筑節(jié)能可促進能源資源節(jié)約和合理使用，這不僅減輕了資源消耗的負(fù)擔(dān)，還有利于各式經(jīng)濟的發(fā)展，是貫徹了科學(xué)發(fā)展觀的重要舉措。

4.結(jié)束語

本篇論文總共討論了中央空調(diào)節(jié)能策略的多種方式，有設(shè)計層面的管道安裝選材，有系統(tǒng)機制的蓄冰空調(diào)，也有控制策略層面的數(shù)學(xué)模型。較遺憾的是沒有去收集數(shù)據(jù)并進一步嘗試自己代入數(shù)據(jù)得到運行層面的最優(yōu)解。

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項目信息：河海大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目“大學(xué)圖書館中央空調(diào)的用電建模仿真與優(yōu)化”成果（2019102941127）

作者簡介：劉文戈（1999.10--），男，漢族，湖北黃岡人，河海大學(xué)本科在讀，研究方向為電氣工程及其自動化。