CN104676752B - 水冷冷水机组为冷源的集中空调系统运行能耗的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种水冷冷水机组为冷源的集中空调系统运行能耗的分析方法。本发明完整地包括了整个空调系统运行能耗的各环路、各环节,又将诸多的影响因素归结为两大类,即流经各主要耗能、动力设备单位流体流量的耗功率ei和其所输送的流体量pi。使整个空调系统运行能耗的分析,既全面,又抓住了问题的实质。
Description
技术领域
本发明是一种水冷冷水机组为冷源的集中空调系统运行能耗的分析方法,属于水冷冷水机组为冷源的集中空调系统运行能耗的分析方法的创新技术。
背景技术
我国的能源消费结构中,建筑能耗约占全社会总能耗30%,在建筑能耗中,空调系统能耗是最大的组成部分。据统计,公共建筑中集中空调系统能耗占建筑总能耗的40%~60%[1]。可见,降低集中空调系统(HVAC)的能耗是实现建筑节能的重要途径。对集中空调系统能耗运行能耗的调查分析,掌握各部分各环节的能耗状况,找出主要的节能潜力,是实现集中空调系统节能的前提和基础。
目前,集中空调系统能耗运行能耗的调查分析主要集中在单体设备的节能、设备的有效控制和仿真模拟等局部范围的研究上,还没有上升到从一个完整空调系统整体角度上的研究。有时,单体设备、局部范围的节能,并不意味着空调系统的整体节能。
欧洲2002年颁布的91号法令中,明确规定了对中央空调系统的监测、能耗性能及能耗认证应遵循的程序及满足的指标[2]。美国的标准ASHRAE Standard 189.1-2009[3]是一个高性能的绿色建筑的标准,在该标准中,规定了建筑的最低需求,通过对能源、水资源和其它可再生资源的有效利用,从而降低建筑对人类健康和自然环境的总的影响。在亚洲,日本是提高能源效率的先驱,早在1979年和1980年就分别颁布了两部适用于公共建筑和居住建筑的能源法规,规定对面积 超过2000m2的建筑,必须向当地的主管部门提交节能报告,说明采取了哪些措施来提高HVAC和其它建筑设备的能源效率[4]。随着对中央空调能耗的深入研究,研究者逐渐意识到,对复杂的中央空调系统,要大力提高其能源效率,要从全局整体出发,系统挖掘其节能潜力。Sakulpipatsin P[5]从空调的热力学参数出发,对整个空调系统进行了火用效率分析。Cullen JM[6-7]提出一种能耗全局、系统分析的思想,指出:对任何一个提供产品或服务的系统,对其能耗问题要从整体的角度来考虑,尤其是要深入研究各种和能耗相关的损失对整个系统能耗的影响。但目前,还尚未检索到对中央空调系统能耗进行全局的、深入系统研究的文献。
我国建筑行业近年来的节能环保意识也在逐步增强,2005年颁布的《公共建筑节能设计标准》[8],规定了从围护结构到HVAC和其它建筑设备应遵循的节能标准.2007年颁布的国家标准GB/T17981-2007—《空气调节系统经济运行》[9],规定了集中式空调系统经济运行的基本要求和评价方法,涉及到空调系统耗能系数、空调系统经济效益等评价指标,尤其是规定了空调系统能量输送效率评价指标,如空气输送系数、水输送系数等评价指标。为我国空调系统运行能耗的监测、诊断提供了依据。在此基础上张晓亮,常晟,魏庆芃,孟华,龙惟定等人[10-12]分别以中央空调系统的组成部件或子系统—冷水机组、冷水系统、空调机组、冷却塔等为研究对象,通过实测各设备及系统的运行能耗,找出存在的问题,并提出相应的节能改造措施,提高了中央空调系统的能源效率。
从上面的分析可以看出,目前国内外对集中空调系统能耗的研究,主要集中在单体设备的节能、设备的有效控制和仿真模拟等局部范围的研究上,还没上升到整体系统的分析上来。因此,对复杂的中 央空调系统,有必要建立一种能耗分析法,该方法既要完整地包括整个空调系统运行能耗的各环路、各环节,又不能过于复杂,应该能分析主要的影响因素。这样,可使整个空调系统运行能耗的分析,既全面,又抓住了问题的实质。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种水冷冷水机组为冷源的集中空调系统运行能耗的分析方法。本发明一种方便实用的水冷冷水机组为冷源的集中空调系统运行能耗的分析方法。
本发明的技术方案是:本发明的水冷冷水机组为冷源的集中空调系统运行能耗的分析方法,以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统包括有从空调房间除热到向环境排热的5个连续环路组成,5个连续环路分别是室内空气环路、冷冻水环路、制冷剂环路、冷却水环路和室外排热环路,其中,
室内空气环路:经冷却盘管处理后的冷空气,通过风机驱动送入空调区域消除该区域的余热余湿,该环路将空调区域的热量通过冷却盘管转移给冷冻水;
冷冻水环路:在冷却盘管处通过与空调区域内的空气换热而被加热的冷冻水,由冷冻水泵驱动,返回到制冷机的蒸发器中被冷却;
制冷剂环路:通过蒸汽压缩式制冷循环,制冷剂将蒸发器中冷冻水中的热量提取出来并转移到冷凝器内的冷却水里;
冷却水环路:由冷却水泵驱动,冷凝器内的冷却水被输送到冷却塔冷却后,再返回冷凝器;
室外排热环路:由风机驱动,室外空气流过冷却塔,将热量排放到大气环境中;
水冷冷水机组为冷源的集中空调系统运行能耗的分析方法包括如下步骤:
1)计算整个中央空调系统的耗能量EHVAC,整个中央空调系统的耗能量EHVAC就是各个环路耗能量Ei之和,则有:
其中,EF是空气环路风机的能耗,包括送风机、回风机、排风机,ECHP是冷冻水泵的能耗,包括一、二次冷冻水泵;ECOM、ECDP、ETF分别为压缩机、冷却水泵、冷却塔风机的能耗;
2)计算整个中央空调系统的能耗强度EI,整个中央空调系统的能耗强度EI指的是为提供单位冷量所消耗的能源量,表示为:
其中,EI为统计期内中央空调系统的能耗强度,kw/kw;EHVAC是统计期内整个中央空调系统的耗能量,kw;Ei为统计期内各个环路的耗能量,kw;Q为统计期内空调系统制备的总冷量,kw;Pi为统计期内流经各个环路的流体量,m3或kg;ei,对于压缩机、风机、水泵,分别指单位制冷剂流量、单位风量和单位水量的耗功率,kw/m3或kg,ei的计算式为:
ei=Ei/Pi (3)
令pi=Pi/Q (4)
pi,对于压缩机、风机、水泵,分别指为提供单位冷量,流经压缩机的制冷剂流量,kg(或m3)/kw和各风机或水泵所输送的流体量,m3/kw;
则有:
其中,(piei)指为提供单位冷量,环路i的耗能量,kw/kw;
由公式(5)看,影响水冷冷水机组为冷源的集中空调系统能耗的直接因素有两大类,即流经各主要耗能、动力设备单位流体流量的耗功率ei和其所输送的流体量pi;为了降低该中央空调系统的能耗,要同时从两方面着手:一要降低各环路中,各耗能、动力设备单位流体流量的耗功率,二是在不影响系统正常运行的条件下,降低各耗能、动力设备所输送的流体量;
3)计算整个中央空调系统中,各耗能、动力设备单位流体流量的耗功率和其所输送的流体量的变化对能耗强度的影响量,计算公式为:
式中:ei’、ei”分别为统计期始、末第i环路中的耗能、动力设备单位流体流量的耗功率pi’、pi”分别为统计期始、末第i环路中的耗能、动力设备所输送的流体量;
式(6)右端第一项是各耗能、动力设备单位流体流量耗功率的变化对能耗强度的影响量;第二项是所输送的流体量变化对能耗强度的影响量;
在进行空调系统运行能耗的研究时,同时分析各环路单位流体流量耗功率ei和所输送的流体量pi这两类因素的方法,称作空调系统运行能耗的e-p分析法。
上述步骤2)-3)降低各耗能、动力设备所输送的流体量要 具体问题具体分析,要从整体上来把握,对于空气环路、冷冻水和冷却水环路,根据换热量公式Q=Cm△t,Q一定时,采用大温差送风和加大水系统供回水温差,均能有效降低所输送的流体量pi,从而降低风机和水泵的能耗,对于排热环路,在室外气象条件一定的条件下,应充分利用冷却塔的换热面积,优化冷却塔的运行条件,提高其换热效率,降低冷却塔的出水温度,为制冷机组具有较高的制冷量及较低的能耗量创造良好的外部条件;从排热环路来看,由于加大了冷却塔的风量,该环路的能耗增加,但其可为冷水机组的优化运行创造条件,从而大大降低冷水机组的能耗,而冷水机组的能耗,在整个HVAC系统中占了一半以上,因此从整体上看,能带来明显的节能效果。
上述各环路既互相独立,又通过中间的换热设备联系起来,每个环路都需要消耗能量来独立运行。
本发明以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统运行能耗的E-P分解分析法,既完整地包括了整个空调系统运行能耗的各环路、各环节,又将诸多的影响因素归结为两大类,即流经各主要耗能、动力设备单位流体流量的耗功率ei和其所输送的流体量pi。使整个空调系统运行能耗的分析,既全面,又抓住了问题的实质。在该方法中,既将一个完成空调系统的各环路、各部件都包括进来,还能提供一种比较的基准,用来定量分析各能流对总能耗的影响。从而可以从全局、整体的角度上来分析,全面地分析整个空调系统的能源效率,系统地挖掘节能潜力,为中央空调的节能降耗工作提供坚实的理论支撑。本发明具有如下优点:
(1)本发明根据中央空调系统本身的复杂性及能源转换多样性的特点,选取大型工程中常用的、以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统为研究对象,寻求一种全局的集中空调系统能耗指标,该指标将一 个完整空调系统的各环路、各耗能部件都包括进来。
(2)本发明探求该全局能耗指标的影响因素,提出以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统运行能耗的E-P分解分析法,该方法既完整地包括了整个空调系统运行能耗的各环路、各环节,又将诸多的影响因素归结为两大类,即流经各主要耗能、动力设备单位流体流量的耗功率ei和其所输送的流体量pi。使整个空调系统运行能耗的分析,既全面,又抓住了问题的实质。
本发明是一种方便实用的水冷冷水机组为冷源的集中空调系统运行能耗的分析方法。
附图说明
图1为本发明以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统能流链图。
具体实施方式
实施例:
本发明以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统能流链图如图1所示,本发明的实施例中,以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统为研究对象来进行分析。在制冷模式下,该空调系统的运行可以看作是从空调房间除热到向环境排热的5个连续环路组成的能流链图,5个连续环路分别是室内空气环路、冷冻水环路、制冷剂环路、冷却水环路和室外排热环路,其中,
室内空气环路:经冷却盘管处理后的冷空气,通过风机驱动送入空调区域消除该区域的余热余湿,该环路将空调区域的热量通过冷却盘管转移给冷冻水;
冷冻水环路:在冷却盘管处通过与空调区域内的空气换热而被加热的冷冻水,由冷冻水泵驱动,返回到制冷机的蒸发器中被冷却;
制冷剂环路:通过蒸汽压缩式制冷循环,制冷剂将蒸发器中冷冻水中的热量提取出来并转移到冷凝器内的冷却水里;
冷却水环路:由冷却水泵驱动,冷凝器内的冷却水被输送到冷却塔冷却后,再返回冷凝器;
室外排热环路:由风机驱动,室外空气流过冷却塔,将热量排放到大气环境中;图中的每个圆环代表一个换热环路,各环路既互相独立,又通过中间的换热设备联系起来。每个环路都需要消耗能量来独立运行。整个中央空调系统的耗能量EHVAC,就是各个环路耗能量Ei之和,则有:
其中,EF是空气环路风机(包括送风机、回风机、排风机)的能耗;ECHP是冷冻水泵(包括一、二次冷冻水泵)的能耗;ECOM、ECDP、ETF分别为压缩机、冷却水泵、冷却塔风机的能耗。
由于公式(1)所反映的中央空调系统运行能耗的计算式很简单,很多复杂因素没有包括在内,所以从中不易见到各个环节、各种因素对它的影响。实际上,中央空调系统运行能耗,既与各主要的耗能、动力设备自身的运行效率有关,还与流经这些设备的流体量密切相关。为此,借鉴能耗强度的概念[13],提出中央空调系统能耗强度EI的定义为:统计期内(可以是年、季度、月、日或小时)的中央空调系统消耗的能源总量,除以同期内提供的服务量。舒适性空调系统的主要目的是提供一定的舒适室内环境,实现的手段是为室内提供冷量或/和热量。以水冷冷水机组为冷源的中央空调系统,是为室内提供一定的冷量来消除室内的余热、余湿。因此,该系统的能耗强度EI指的是,为提供单位冷量所消耗的能源量。可以表示为:
其中,EI为统计期内中央空调系统的能耗强度,kw/kw;EHVAC 是统计期内整个中央空调系统的耗能量,kw;Ei为统计期内各个环路的耗能量,kw;Q为统计期内空调系统制备的总冷量,kw;Pi为统计期内流经各个环路的流体量,m3或kg;ei,对于压缩机、风机、水泵,分别指单位制冷剂流量、单位风量和单位水量的耗功率,kw/m3(或kg)。ei的计算式为:
ei=Ei/Pi (3)
令pi=Pi/Q (4)
pi,对于压缩机、风机、水泵,分别指为提供单位冷量,流经压缩机的制冷剂流量,kg(或m3)/kw和各风机或水泵所输送的流体量,m3/kw。
则有:
其中,(piei)指为提供单位冷量,环路i的耗能量,kw/kw。
由公式(5)可见,影响水冷冷水机组为冷源的集中空调系统能耗的直接因素有两大类,即流经各主要耗能、动力设备单位流体流量的耗功率ei和其所输送的流体量pi。为了降低该中央空调系统的能耗,要同时从两方面着手:一要降低各环路中,各耗能、动力设备单位流体流量的耗功率,二是在不影响系统正常运行的条件下,降低各耗能、动力设备所输送的流体量。值得说明的是,降低各耗能、动力设备所输送的流体量要具体问题具体分析。要从整体上来把握。如对于空气环路、冷冻水和冷却水环路,根据换热量公式Q=Cm△t可知,Q一定时,可以采用大温差送风和加大水系统供回水温差,均能有效降低所输送的流体量pi,从而风机和水泵的能耗。但对于排热环路,在室外气象条件一定的条件下,应充分利用冷却塔的换热面积,优化冷却塔的运行条件,提高其换热效率,降低冷却塔的出水温度,为水冷机组具有较高的制冷量及较低的能耗量创造条件。此时,排热环路来看,由于加大了冷却塔的风量,该环路的能耗增加,但其可为冷水机组的优化运行创造条件,从而大大降低冷水机组的能耗。而冷水机组的能 耗,在整个HVAC系统中占了一半以上,因此从整体上看,还是可以带来明显的节能效果。
各环路中,各耗能、动力设备单位流体流量的耗功率和其所输送的流体量的变化对能耗强度的影响量,计算公式为:
式中:ei’、ei”分别为统计期始、末第i环路中的耗能、动力设备单位流体流量的耗功率pi’、pi”分别为统计期始、末第i环路中的耗能、动力设备所输送的流体量。
式(6)右端第一项是各耗能、动力设备单位流体流量耗功率的变化对能耗强度的影响量;第二项是所输送的流体量变化对能耗强度的影响量。
上述式(6)是在上面公式的基础上,计算统计期始、末,各耗能、动力设备单位流体流量的耗功率和其所输送的流体量的变化对能耗强度的影响量。比如,根据2013年和2014年夏季统计出来的能耗数据差异,就可根据式(6)计算出这两年的能耗强度的差异中,各耗能、动力设备单位流体流量的耗功率和其所输送的流体量的变化对能耗强度的影响量。
在进行空调系统运行能耗的研究时,同时分析各环路单位流体流量耗功率和所输送的流体量这两类因素的方法,称作空调系统运行能耗的e-p分析法。
实际上,单位流体流量的耗功率是评价流体机械设备输送效率较好的指标,它整合了设备的效率及输送过程的阻力损失,但又很容易 从实测数据获得,见公式(3)。目前,该指标在国外空调系统运行的能耗评价中已有取代输送系数(如冷冻水、冷却水输送系数)的趋势,国内也已引起了重视,如在《公共建筑节能设计标准》中提到的单位风机风量耗功率。此外,该方法也用“为提供单位冷量服务,流体机械所输送的流体量pi”,将以前人们所关注的流体机械所输送的流体量的多少对输送能耗的影响,包括了进来。
由于在实际运行时,为了满足室内的舒适度条件,空调系统是随着室内空调负荷的逐时变化而改变运行调节的,因此不同季节、不同年月以及一天当中的不同时段空调系统的能耗是不同的;但e-p分析法比较的基准是提供单位服务(如单位冷量),空调系统的耗能量,因此,对同一空调系统,也可以用该法比较在不同的运行条件下其能耗的差别,找出节能的潜力。
具体应用时,只要实测出不同时期,图1中各环路各耗能设备的耗能量,以及各环路中所流过的不同流体介质的流量。就可用公式(1)-(6)进行能耗的E-P分析,找出主要的节能潜力,方便实用。
Claims (3)
1.一种水冷冷水机组为冷源的集中空调系统运行能耗的分析方法,其特征在于以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统包括有从空调房间除热到向环境排热的5个连续环路组成,5个连续环路分别是室内空气环路、冷冻水环路、制冷剂环路、冷却水环路和室外排热环路,其中,
室内空气环路:经冷却盘管处理后的冷空气,通过风机驱动送入空调区域消除该区域的余热余湿,该环路将空调区域的热量通过冷却盘管转移给冷冻水;
冷冻水环路:在冷却盘管处通过与空调区域内的空气换热而被加热的冷冻水,由冷冻水泵驱动,返回到制冷机的蒸发器中被冷却;
制冷剂环路:通过蒸汽压缩式制冷循环,制冷剂将蒸发器中冷冻水中的热量提取出来并转移到冷凝器内的冷却水里;
冷却水环路:由冷却水泵驱动,冷凝器内的冷却水被输送到冷却塔冷却后,再返回冷凝器;
室外排热环路:由风机驱动,室外空气流过冷却塔,将热量排放到大气环境中;
水冷冷水机组为冷源的集中空调系统运行能耗的分析方法包括如下步骤:
1)计算整个中央空调系统的耗能量EHVAC,整个中央空调系统的耗能量EHVAC就是各个环路耗能量Ei之和,则有:
其中,EF是空气环路风机的能耗,包括送风机、回风机、排风机,ECHP是冷冻水泵的能耗,包括一、二次冷冻水泵;ECOM、ECDP、ETF分别为压缩机、冷却水泵、冷却塔风机的能耗;
2)计算整个中央空调系统的能耗强度EI,整个中央空调系统的能耗强度EI指的是为提供单位冷量所消耗的能源量,表示为:
其中,EI为统计期内中央空调系统的能耗强度,kw/kw;EHVAC是统计期内整个中央空调系统的耗能量,kw;Ei为统计期内各个环路的耗能量,kw;Q为统计期内空调系统制备的总冷量,kw;Pi为统计期内流经各个环路的流体量,m3或kg;ei,对于压缩机、风机、水泵,分别指单位制冷剂流量、单位风量和单位水量的耗功率,kw/m3或kg,ei的计算式为:
ei=Ei/Pi (3)
令pi=Pi/Q (4)
pi,对于压缩机、风机、水泵,分别指为提供单位冷量,流经压缩机的制冷剂流量,kg(或m3)/kw和各风机或水泵所输送的流体量,m3/kw;
则有:
其中,(piei)指为提供单位冷量,环路i的耗能量,kw/kw;
由公式(5)看,影响水冷冷水机组为冷源的集中空调系统能耗的直接因素有两大类,即流经各主要耗能、动力设备单位流体流量的耗功率ei和其所输送的流体量pi;为了降低该中央空调系统的能耗,要同时从两方面着手:一要降低各环路中,各耗能、动力设备单位流体流量的耗功率,二是在不影响系统正常运行的条件下,降低各耗能、动力设备所输送的流体量;
3)计算整个中央空调系统中,各耗能、动力设备单位流体流量的耗功率和其所输送的流体量的变化对能耗强度的影响量,计算公式为:
式中:ei’、ei”分别为统计期始、末第i环路中的耗能、动力设备单位流体流量的耗功率;pi’、pi”分别为统计期始、末第i环路中的耗能、动力设备所输送的流体量;
式(6)右端第一项是各耗能、动力设备单位流体流量耗功率的变化对能耗强度的影响量;第二项是所输送的流体量变化对能耗强度的影响量;
在进行空调系统运行能耗的研究时,同时分析各环路单位流体流量耗功率ei和所输送的流体量pi这两类因素的方法,称作空调系统运行能耗的e-p分析法。
2.根据权利要求1所述的水冷冷水机组为冷源的集中空调系统运行能耗的分析方法,其特征在于上述步骤2)-3)降低各耗能、动力设备所输送的流体量要具体问题具体分析,要从整体上来把握,对于空气环路、冷冻水和冷却水环路,根据换热量公式Q=Cm△t,Q一定时,采用大温差送风和加大水系统供回水温差,均能有效降低所输送的流体量pi,从而降低风机和水泵的能耗,对于排热环路,在室外气象条件一定的条件下,应充分利用冷却塔的换热面积,优化冷却塔的运行条件,提高其换热效率,降低冷却塔的出水温度,为制冷机组具有较高的制冷量及较低的能耗量创造良好的外部条件;从排热环路来看,由于加大了冷却塔的风量,该环路的能耗增加,但其可为冷水机组的优化运行创造条件,从而大大降低冷水机组的能耗,而冷水机组的能耗,在整个HVAC系统中占了一半以上,因此从整体上看,能带来明显的节能效果。
3.根据权利要求1所述的水冷冷水机组为冷源的集中空调系统运行能耗的分析方法,其特征在于上述各环路既互相独立,又通过中间的换热设备联系起来,每个环路都需要消耗能量来独立运行。
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