基于建筑負荷變化的冷水機組節能運行研究

李文柱

中核第七研究設計院有限公司 山西太原 030012

本文以某辦公建筑的空調冷水機組為例，以保證冷水機組的最佳工作效率為目標，結合建筑全年的動態負荷變化，探討冷水機組的節能運行方案。

1 研究對象與方法

1.1 研究建筑的基本情況

該建筑于2016年12月正式啟用，地上建筑17層，地下2層，總面積為23546m2，主要用途以辦公為主，個別樓層設有休息區及觀景陽臺。

1.2 數據采集與處理方法

本文數據來源于空調系統各類傳感器采集并由中央控制系統自動記錄生成，但由于測試儀器及冷水機組運行環境等因素可能引起誤差，因此對于采集的數據采用3σ準則剔除異常數據。

2 冷水機組的運行現狀分析與優化

2.1 冷水機組的運行特性分析

經測試發現，在本系統中的兩臺冷水機組有單獨運行1#冷水機組、單獨運行2#冷水機組和1#、2#兩臺機組聯合運行三種運行模式，現分別就這三種模式冷水機組的綜合效率進行分析[2]。張旭豪等人的研究指出，冷水機組在部分負荷下COP與負荷率R呈二次函數關系，而水泵與冷卻塔風機的功率通常情況下都變化不大，故可將冷水機組COP、冷源系統COP與負荷率R的數學模型近似表示為：COP=AR2+BR+C。利用3σ準則剔除異常數據后，采用數據擬合的最小二乘法分別對上述兩種運行模式進行數據擬合，結果如下：單獨運行1#機組時，其機組COP和系統COP的擬合公式如下：

單獨運行2#機組時，其機組COP和系統COP的擬合公式如下：

根據上式可知，在1臺機組單獨運行時，1#機組的機組COP最大值出現在R=0.5時，其平均值為7.48；而系統COP最大值出現在R=0.6時，其平均值為5.4。2#機組的機組COP最大值出現在R=0.5時，其平均值為6.66；系統COP最大值出現在R=0.6時，其平均值為5.11。

比較兩臺機組的COP最大值之后可以發現，1#機組在最佳運行條件下的運行性能會優于2#機組，1#機組在負荷率R小于0.6時，其運行性能較優；負荷率超過0.6之后，其COP有下降的趨勢。

1#、2#兩臺機組聯合運行時，同樣采用最小二乘法對其進行數據擬合可以獲得1#機組的COP和系統COP擬合公式如下。

2#機組COP和系統COP擬合公式如下。

兩臺機組聯合運行時，1#機組的COP最大值和系統COP最大值都出現在R1=0.4時，其平均值分別為6.50、4.75；2#機組的COP最大值和系統COP最大值都出現在R2=0.5時，其平均值分別為6.60、4.70。不難看出，兩臺機組聯合運行時，兩臺機組的供冷負荷分配大多集中在0.4＜R＜0.6區間內，也就是說，在通常情況下冷負荷大于單臺機組的額定供冷量的80%才會啟動兩臺機組，并且大多數情況下供冷負荷都是平均分配給兩臺冷水機，但隨著負荷率的增加，兩臺機組都出現了工作效率下降的情況，但是相對而言，2#機組下降的幅度較小，因此在兩臺機組聯合運行時，供冷負荷應該更多分配給2#機組[3]。

2.2 冷水機組的節能運行

總結各運行模式下機組對應的最佳負荷率及最大綜合效率平均值時，在單獨運行一臺機組時，1#機組在低負荷率下（R＜0.6）的運行性能優于2#機組，但是在負荷率增加時，運行性能有較為明顯的下降；2#機組的運行性能在0.5＜R＜1范圍都能保持比較穩定的綜合效率。因此，在一臺機組單獨運行的模式下，低負荷率下應盡量開啟1#機組，高負荷率下應開啟2#機組。在兩臺機組聯合運行時，兩臺機組的綜合效率較單獨運行時有小幅下降，所以在建筑負荷需求未達到單臺冷水機組的額定制冷量時，都應該優先采用一臺機組單獨運行的模式；在聯合運行時的負荷分配不應采取平均分配，當單臺冷水機組的負荷率大于0.5時，應該將增加的供冷負荷更多地分配到2#機組。

2.3 模型驗證

2.3.1 驗證方法

本研究通過繼續監測該空調系統2017年10月的運行數據，以負荷率變化0.1為刻度，多次記錄各運行模式下的冷水機組COP與冷源系統COP的變化情況，對0.1＜R＜1（0.1、0.2、0.3…）范圍的多次測量數據進行3σ準則處理后取其均值，并與模擬結果對比。

2.3.2 驗證結果

各運行模式下實驗與模擬結果對比得出兩臺冷水機組在全負荷率下的運行情況，同時通過利用該空調系統10月份的運行數據與模擬結果對比可發現模型誤差均在10%以內，表明模擬比較準確可信。

3 建筑全年負荷模擬計算

3.1 建筑模型的搭建及模擬參數設定

設定模擬參數即輸入模擬計算的邊界條件，確定模擬的計算環境。影響建筑空調系統冷熱負荷的主要因素有：

（1）當地氣候條件。該地區全年氣象數據來源于中國標準氣象數據（CSWD），可直接從軟件提取導入。

（2）建筑體量及室內房間分區，即建立的建筑物理模型。

（3）圍護結構的熱工性能。因缺少建筑的完整設計參數，圍護結構的相關參數設定參照《公共建筑節能設計標準》（GB50189—2015）[4]和軟件系統推薦，這里不再贅述。

3.2 模擬結果分析

對于本研究建筑，模擬結果顯示幾乎在全年范圍內都有冷負荷需求，最大值出現在7月中旬的某天下午，其值為2606kW，已經大于該大樓空調系統設計的額定供冷量1817kW。實際上在冷負荷需求最大的6、7、8、9月份都有出現空調制冷未滿足建筑需求的情況，全年上班時間（8:00-18:00）制冷未滿足的小時數大約為227h。而建筑的熱負荷需求主要分布在12、1、2月，最大值出現在1月底某天下午，其值為520kW，而在其他時刻，對空調熱負荷的需求很低，整棟建筑熱負荷從幾十到兩三百千瓦不等。

4 結語

（1）針對冷水機組在不同負荷率下的運行性能，合理地改進其運行模式，可以有效提升冷水機組的工作效率，降低空調系統能耗。在本文研究的系統中，在低負荷率下應該運行1#機組，高負荷率下應該運行2#機組。在兩臺機組聯合運行時，1#、2#機組的綜合效率都低于單獨運行模式，所以在建筑負荷需求未達到單臺冷水機組的額定制冷量時，都應該優先采用一臺機組單獨運行的模式；而當負荷率大于0.5時，供冷負荷應該更多地分配到2#機組。

（2）通過對建筑的全年負荷模擬計算，可以知道兩臺冷水機組基本能夠滿足建筑全年的冷負荷需求，但模擬結果顯示的冷負荷峰值已經大于冷水機組的額定設計供冷量，全年上班時間（8:00-18:00）制冷未滿足的小時數大約為227h。由于夏季冷負荷高峰時段不長，可以適當降低舒適性，減少機組功率，避免“小馬拉大車”，以得到較好的運行效率，甚至在必要時需要考慮系統改造增設機組，更好地與建筑負荷相匹配。結合建筑的動態負荷變化得出的節能運行方案對該系統的運行有較好的指導意義，同時對冷水機組運行評價方面的研究也有一定的借鑒作用。