建筑暖通空調系統節能優化研究

莊培堯

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

0 引言

暖通空調在建筑行業中應用廣泛,可調節室內溫度、濕度,提升人們的生活品質,但高能耗及低效率問題是急需解決的技術難題[1]。需從其工作原理出發,深度分析制冷部件、風機及水泵等構件的運行模式及運行效率,采取積極措施,實現暖通空調系統的節能增效[2]。本研究從建筑暖通空調節能優化原則入手,結合實例,分析了優化要點。

某工程于2022年完工,總共有地上14層和地下3層。地上和地下部分的建筑面積分別為126 604 m2、63 221 m2,總建筑面積189 825 m2。建筑總高度42 m,地下室埋深17 m。采用剪力墻結構作為主要結構系統,幕墻作為外立面裝飾。所在地的室外氣象參數如表1所示。

表1 室外氣象參數Tab.1 Outdoor meteorological parameter

1 暖通空調系統

1.1 熱源系統

熱源系統由2組熱回收機組+2臺燃氣熱水鍋爐構成。為滿足采暖季及過渡季的熱源需求,分別對供水溫度及回水溫度進行設計。采暖季供水溫度為60 ℃,回水溫度為45 ℃;過渡季供水溫度為60 ℃,回水溫度為50 ℃。

1.2 冷源系統

暖通空調的冷源系統由夏季冷源子系統與冬季冷源子系統兩部分組成。為滿足夏季建筑物冷負荷19 343 kW的需求,將制冷機房與冷卻塔分別安裝于不同位置,制冷機房安裝于負2層,其中有4組普通離心式冷水機組和2組熱回收離心式冷水機組;冷卻塔安裝于地上3層的屋頂。冬季冷負荷需求為8400 kW,為滿足冬季冷源供應目標,冬季冷源系統由4臺板式換熱器+4組普通離心式冷水機組采用并聯方式組成。

1.3 風系統

該項目對暖通空調送風系統做了合理化布局,如對大廳等面積較大的位置采用頂送+側送的送風形式,強化回風效果。對普通室內采取頂送送風形式。為應對季節變化,在風系統中安裝了溫度實時監測及送風自動調節裝置,根據季節溫度變化對送風溫度進行自動調整。在過渡季節,系統會自動切換到新風運行模式,以滿足季節變化的需要。

1.4 水系統

將暖通空調的冷熱水系統安裝于建筑頂樓。在空調回水總管道中安有流量控制器,實現對冷水及熱水供應的自動控制。為確保供熱量及建筑物運行所需熱量保持一致,在鍋爐上安裝智能化控制器,實時監測建筑熱負荷需求情況及鍋爐燃燒效率等參數,實現供熱量的智能化調節及控制。

2 暖通空調節能優化措施

為確保暖通空調節能優化的精確性及科學性,根據系統構成對風機、冷凍水泵、制冷機、冷卻塔及表冷器等核心設備建立分析模型,通過Lingo對節能優化參數進行精準計算,具體如下。

2.1 核心設備建模

2.1.1 風機建模

風機是影響整個暖通空調系統能耗的關鍵設備,主要影響因素包括風機送風流量、功率[3]。故風機建模分析以這兩個參數分析為主。

送風流量計算模型如下：

(1)

式中,mair為風機的實際輸出風量,kg/s;Qs為室內實際的熱冷負荷量,kW;tN為室內空氣設計干球溫度,℃;ts為室內送風溫度,℃;1.01是干燥空氣的定壓比熱值,kj/(kg·℃)。

基于風機送風流量計算模型可得其功率計算模型,如下：

(2)

(3)

(4)

式(2)、式(3)、式(4)中,fair為風機的流量比;mair為風機的實際輸出風量,kg/s;mairdesign為風機的設計風量,kg/s;fpi為風機負荷的因數;cfi為風機特性系數,i={1,2,3,4,5};Pfan為風機功率,kW;ΔP為風機的設計壓力,Pa;efan為風機的總效率;ρair為空氣密度值,kg/m3。

通過上述兩個模型可計算出風機運行功率及送風流量,為后續計算奠定基礎。

2.1.2 冷水泵建模

水流量及功率是影響冷水泵能耗的主要因素,針對這兩個因素構建模型進行分析。冷水泵的水流量計算模型[4]如下：

(5)

式中,mwater為冷水泵的實際水流量,kg/s;Qcoif為表冷器的換熱負荷,kW;Δtwater為冷水泵供水溫度與回水溫度的差值,℃;t1為表冷器的進風口溫度,℃;t2為表冷器出風口溫度,℃;cp為水的比熱,kj/(kg·℃)。

基于冷水泵水流量計算模型得出其功率計算模型,如下：

(6)

(7)

(8)

Ppump=fflp×Ppumpdesign

(9)

式(6)、式(7)、式(8)、式(9)中,vwater為冷水泵的實際水流速度,m3/s;ρwater為冷水泵的水流密度,kg/m3;PLRpump為冷水泵的負荷率;vwaterdesign為冷水泵的設計水流速度,m3/s;fflp為冷水泵功率占滿負荷功率的比值;cpi為水泵的特性系數,其中i={1,2,3,4};Ppump為水泵的實際功率,kW;Ppumpdesign為水泵的設計功率,kW。

通過上述計算模型可準確計算出冷水泵的實際水流量及功率,為后續計算表冷器水溫提供依據。

2.1.3 制冷機建模

制冷機的進出水溫度及功率是判斷制冷機能耗的主要因素,建立制冷機功率計算模型[5],具體如下：

Qavail=Qref×ChillerCapFTemp

(10)

Qevap=cp×mwater×(Δtwater+Δtpumpwater)

(11)

(12)

×ChillerEIRFPLR

(13)

式(10)、式(11)、式(12)、式(13)中,Qavail為制冷機的實際制冷量,kW;Qref為制冷機的名義制冷量,kW;Qevap為制冷機的冷負荷,kW;cp為水的比熱,kj/(kg·℃);Pchiller為制冷機的功率,kW;COPref為制冷機的名義COP值。

構建制冷機進出水溫計算模型如下：

Qcond=Pchiller×echillerotor+Qevap

(14)

(15)

式(14)、式(15)中,Qcond為冷卻水的回路負荷,kW;echillerotor為壓縮機的功率;tcondl為冷卻水的出水溫度,℃;tconde為冷卻水進水溫度,℃;cp為水的比熱,kj/(kg·℃);mcond為冷卻水的流量。

2.1.4 冷卻塔建模

冷卻塔是暖通空調系統的核心設備,主要用于提供冷卻水,根據其冷卻形式可分為風冷型與水冷型兩個類型,其中風冷型冷卻塔應用最為廣泛[6]。故以風冷型冷卻塔為例進行建模分析,建模對象以冷卻塔的出水溫度及工作頻率為主。冷卻塔出水溫度計算模型如下：

(16)

式中,tctset為冷卻塔出水溫度,℃;tctwe為冷卻塔進水溫度,℃;Qtotal,off為冷卻塔流體排熱總量,kW/h;Cw為冷卻塔容量,kW/h。

冷卻塔的工作頻率計算模型如下：

Pcoolingtower=ω×Pctfan

(17)

式中,Pcoolingtower為冷卻塔的工作頻率;ω為冷卻塔的開啟頻率;Petfan為冷卻塔的風機額定功率。

實際應用中,需注意冷卻塔的溫差控制在3 ℃～6 ℃。

2.1.5 表冷器建模

表冷器是用于連接空氣回路及冷凍水回路的裝置,負責熱交換[7]。其建模分析主要針對熱交換效率進行研究,計算模型如下：

(18)

式中,Eg為表冷器的熱交換效率,%;t1為進水的溫度,℃;t2為出水的溫度,℃;twl為表冷器的額定出水溫度,℃。

2.2 暖通空調系統節能優化建模分析

基于風機、冷凍水泵、制冷機、冷卻塔及表冷器的計算模型,采用Lingo系統構建系統節能優化模型,以精確計算各機構節能優化參數。

2.2.1 建立節能優化模型

將暖通空調系統的風機、冷凍水泵、制冷機、冷卻塔及表冷器均假設為1臺,得出節能優化模型,具體如下：

minPtotal=Pfan+Ppump+Pchiller+Pcondpump

+Pcoolingtower

(19)

式中,Ptotal為暖通空調系統的總功率,Pfan為風機功率,Ppump為水泵功率,Pchiller為制冷機功率,Pcondpump為冷卻塔功率,Pcoolingtower為表冷器功率。

2.2.2 參數優化

在Lingo系統中輸入空調系統的運行參數及氣候參數,核心設備參數均按其名牌參數進行設置,Lingo系統仿真會自動計算分析出最優的節能優化結果[7],具體如表2所示。

表2 基于Lingo系統的節能優化結果Tab.2 Results of energy saving optimization based on Lingo system

2.2.3 節能效果對比

為驗證節能優化效果,選擇兩組相同的暖通空調系統,一組按節能優化前的參數進行設置,另一組按節能優化模型計算結果進行設置,對比兩組暖通空調系統的能耗情況,結果如圖1所示。

圖1 節能優化前后暖通空調能耗對比結果Fig.1 Comparison results of HVAC energy consumption before and after energy-saving optimization

從圖1可以看出,暖通空調系統節能優化后效果顯著。節能優化前,總能耗約為1650 kWh/d;節能優 化后,總能耗約為1430 kWh/d,一天可降低能耗約13%。

3 結束語

暖通空調的廣泛應用改善了人們的居住環境,但急需解決其能耗問題。需積極推廣應用低碳技術、環保技術、節能技術,不斷提高暖通空調節能技術水平,有效降低能源消耗,推動建筑行業的可持續發展,實現綠色發展目標。