CN106123199A - 以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法。其中以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统包括有室内空气环路、冷冻水环路、制冷剂环路、冷却水环路和室外排热环路5个连续的子环路，每个子环路包括有换热设备和耗能设备，各子环路之间分别以末端冷却盘管、蒸发器、冷凝器和冷却塔4种换热设备为能流联系的桥梁，使得空调系统各子系统的能流紧密联系在一起，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。本发明为定量分析系统的节能潜力，提供了比较的基准，可以定量分析出各耗能、动力设备单位流量耗功率的变化及为提供单位冷量各环路流体流量的变化对能耗强度的影响量。

Description

以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法

技术领域

本发明是一种以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法，属于以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法的创新技术。

背景技术

降低集中空调系统(HVAC)的能耗是实现建筑节能的重要途径。定量分析集中空调系统运行能耗的节能潜力，是实现集中空调系统节能的前提和基础。

一个完整的集中空调系统是由很多个子系统或子环路组成的，各环路既互相独立，又密切相关。运行时，各环路的能耗不但是总能耗的组成部分，各环路间的能耗由于相互关联、相互影响，对总能耗又有着复杂的影响。要想定量分析集中空调系统运行能耗的节能潜力，就需要建立一个定量比较的基准。该基准，既要反映出集中空调系统各环路间内在的关联，又具有相对的稳定性，可定量确定出各环路的节能潜力。

国外技术情况:随着对集中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。业内学者Sakulpipatsin P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。另一位业内学者Cullen JM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。还有学者Luis Perez-Lombard提出了集中空调系统的SankeyDiagram(桑基图法)，用该法可绘制出整个集中空调的能流图。目前，还尚未检索到通过建立比较的基准来对集中空调系统节能潜力进行定量分析的文献。

国内技术情况: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》，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/T 17981-2007—《空气调节系统经济运行》，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，并规定了其节能的指标，作为计算节能潜力的依据，为我国空调系统运行能耗的监测、节能诊断提供了依据。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节能潜力的研究，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，对复杂的集中空调系统，有必要建立一种能耗基准分析法，在该方法中，既要将一个完成空调系统的各环路、各部件都包括进来，还要能提供一种比较的基准，可定量确定出各环路的节能潜力。从而可以从全局、整体的角度上来分析，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。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法。本发明为定量分析系统的节能潜力，提供了比较的基准，可以定量分析出各耗能、动力设备单位流量耗功率的变化及为提供单位冷量各环路流体流量的变化对能耗强度的影响量。

本发明的技术方案是：本发明的以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法，其中以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统包括有室内空气环路、冷冻水环路、制冷剂环路、冷却水环路和室外排热环路5个连续的子环路，每个子环路包括有换热设备和耗能设备，各子环路之间分别以末端冷却盘管、蒸发器、冷凝器和冷却塔4种换热设备为能流联系的桥梁，使得空调系统各子系统的能流紧密联系在一起，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，其特征在于基准能耗法包括有如下内容：

整个中央空调系统的耗能量C_HVAC，就是各个环路耗能量C_i之和，则有：

C_HVAC＝C_MF+C_LD+C_YS+C_LQ+C_TF (1)

其中，C_MF是末端空气环路风机的能耗；C_LD是冷冻水泵的能耗；C_YS、C_LQ、C_TF分别为压缩机、冷却水泵、冷却塔风机的能耗；

为空调区域提供单位冷量，整个空调系统所消耗的能源量,即能耗强度E(kw/kw冷量)为：

$\begin{array}{c}E=\frac{C_{HVAC}}{Q}=\frac{C_{MF}+C_{LD}+C_{YS}+C_{LQ}+C_{TF}}{Q}\\ =\frac{C_{MF}}{L_{MF}}\·\frac{L_{MF}}{Q}+\frac{C_{LD}}{L_{LD}}\·\frac{L_{LD}}{Q}+\frac{C_{YS}}{L_{YS}}\·\frac{L_{YS}}{Q}+\frac{C_{LQ}}{L_{LQ}}\·\frac{L_{LQ}}{Q}+\frac{C_{TF}}{L_{TF}}\·\frac{L_{TF}}{Q}\\ =\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left(e_i{p}_i\right)\end{array}---\left(2\right)$

其中，Q为空调区域的冷负荷，kw；L_i为各个环路流体流量，m³/h；e_i为环路i的主要耗能动力设备单位流体流量的耗功率，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/h)；p_i指为了为空调区域提供单位冷量，流经环路i的主要耗能动力设备的流体流量,m³/h；

由于实际工程中，流经压缩机的制冷剂流量不好实时监测，对制冷剂环路，人们更习惯用COP值来表示制冷机组的能耗水平，为此将公式(2)变形为：

$\begin{array}{c}E=\frac{C_{HVAC}}{Q}=\frac{C_{MF}+C_{LD}+C_{YS}+C_{LQ}+C_{TF}}{Q}\\ =\frac{C_{MF}}{L_{MF}}\·\frac{L_{MF}}{Q}+\frac{C_{LD}}{L_{LD}}\·\frac{L_{LD}}{Q}+\frac{C_{YS}}{Q_{ZF}}\·\frac{Q_{ZF}}{Q}+\frac{C_{LQ}}{L_{LQ}}\·\frac{L_{LQ}}{Q}+\frac{C_{TF}}{L_{TF}}\·\frac{L_{TF}}{Q}\\ =\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left(e_i{p}_i\right)\end{array}---\left(3\right)$

公式(3)中的e_i,对水泵或风机，仍为单位流体流量的耗功率：

e_i＝C_i/L_i (4)

对压缩机，则为单位制冷量的耗功率：

$e_i=\frac{C_{YS}}{Q_{ZF}}=\frac{1}{COP}---\left(5\right)$

其中，Q_ZF为制冷机的制冷负荷，可通过热平衡，利用蒸发器冷冻水侧的冷量得出；

公式(3)中的p_i，对水泵或风机，仍是为空调区域提供单位冷量，流经水泵或风机的流体流量：

p_i＝L_i/Q (6)

对制冷剂环路，指为空调区域提供单位冷量，制冷机的制冷量，简称为冷机制冷负荷比：

$p_i=\frac{Q_{ZF}}{Q}---\left(7\right)$

(e_ip_i)指为空调区域提供单位冷量，环路i的耗能量，kw/kw；

若能确定出各环路的基准能耗，实际能耗与基准能耗对比，就可以确定出各环路节能的潜力，规定基准能耗中各物理量多加一下角标“0”以表示与实际能耗的区别；

各环路中，各耗能、动力设备的e、p的变化对能耗强度的影响量，计算公式为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}E=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(e_i{p}_i-e_{0i}{p}_{0i})=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(e_i{p}_i-e_{0i}{p}_i+e_{0i}{p}_i-e_{0i}{p}_{0i})\\ =\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{p}_i(e_i-e_{0i})+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{e}_{0i}(p_i-p_{0i})\end{array}---\left(8\right)$

式(8)右端第一项是各耗能、动力设备e的变化对能耗强度的影响量；第二项是p的变化对能耗强度的影响量。

本发明提出集中空调系统基准能耗的概念，根据该概念，既可以将整个空调系统的能耗都包括进来，又可以保证集中空调系统基准能耗的相对稳定性，从而能成为比较的基准。此外，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,根据基准能耗的概念，建立各环路及整个系统基准能耗的数学模型，为定量计算节能潜力，提供比较的基准。另外，本发明将实际能耗和基准能耗进行对比分析，既可以分析它们之间总的差距，又可以定量分析出各耗能、动力设备单位流量耗功率的变化及为提供单位冷量各环路流体流量的变化对能耗强度的影响量。为进一步深入挖掘节能潜力提供理论依据。本发明具有如下优点和效果：

1)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基准能耗分析法，为定量分析系统的节能潜力，提供了比较的基准。基准能耗不是凭空杜撰的，它是以实际能耗为基础，在满足基准能流链图定义中3个条件的基础上抽象出来的。它剔除了干扰因素，具有相对的稳定性。较适合对某一空调系统实际运行的节能潜力进行定量分析。以“为空调区域提供单位冷量所需要的能耗”为比较的基准，既可以将整个空调系统各个环路的能耗都包括进来，又能反映各环路间的关联。

2)本发明通过将实际能耗和基准能耗进行对比分析，既可以分析它们之间总的差距，又可以定量分析出各耗能、动力设备单位流量耗功率的变化及为提供单位冷量各环路流体流量的变化对能耗强度的影响量。为进一步深入挖掘节能潜力提供理论依据。

3)本发明具体应用时，只要能够获得目前常规的实际空调系统能耗检测中，必须要测的一些物理量。如各环路中流体的流量，动力设备的耗功率，换热设备的温差等等参数,就可用公式本方面中提到的基准能耗分析法进行定量分析，找出主要的节能潜力，方便实用。

本发明是一种方便实用的以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法。

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：

本发明的以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法，提出集中空调系统的基准能流的概念。根据HVAC系统本身的复杂性及能源转换多样性的特点,选取具有代表性且较复杂的以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统作为研究对象，构筑该系统的基准能流模型，为定量分析该系统的节能潜力提供一个比较的基准。

在制冷模式下，以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统的运行可以看作是从空调房间提取热量到最终排放到环境中的5个连续环路组成的能流链图,如图1所示。图中的每个圆环代表一个换热环路，分别有室内空气环路、冷冻水环路、制冷剂环路、冷却水环路和室外排热环路5个连续的子环路。每个子环路都由特定的换热设备和耗能设备组成，各子环路之间分别以末端冷却盘管、蒸发器、冷凝器和冷却塔等4种换热设备为能流联系的桥梁，使得空调系统各子系统的能流紧密联系在一起。可见，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C_HVAC(kw)，就是各个环路耗能量C_i(kw)之和，则有：

C_HVAC＝C_MF+C_LD+C_YS+C_LQ+C_TF (1)

其中，C_MF是末端空气环路风机的能耗；C_LD是冷冻水泵的能耗；C_YS、C_LQ、C_TF分别为压缩机、冷却水泵、冷却塔风机的能耗。

为空调区域提供单位冷量，整个空调系统所消耗的能源量,即能耗强度E(kw/kw冷量)为：

$\begin{array}{c}E=\frac{C_{HVAC}}{Q}=\frac{C_{MF}+C_{LD}+C_{YS}+C_{LQ}+C_{TF}}{Q}\\ =\frac{C_{MF}}{L_{MF}}\·\frac{L_{MF}}{Q}+\frac{C_{LD}}{L_{LD}}\·\frac{L_{LD}}{Q}+\frac{C_{YS}}{L_{YS}}\·\frac{L_{YS}}{Q}+\frac{C_{LQ}}{L_{LQ}}\·\frac{L_{LQ}}{Q}+\frac{C_{TF}}{L_{TF}}\·\frac{L_{TF}}{Q}\\ =\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left(e_i{p}_i\right)\end{array}---\left(2\right)$

其中，Q为空调区域的冷负荷，kw；L_i为各个环路流体流量，m³/h；e_i为环路i的主要耗能动力设备单位流体流量的耗功率，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/h)；p_i指为了为空调区域提供单位冷量，流经环路i的主要耗能动力设备的流体流量,m³/h。

由于实际工程中，流经压缩机的制冷剂流量不好实时监测，对制冷剂环路，人们更习惯用COP值来表示制冷机组的能耗水平，为此将公式(2)变形为：

$\begin{array}{c}E=\frac{C_{HVAC}}{Q}=\frac{C_{MF}+C_{LD}+C_{YS}+C_{LQ}+C_{TF}}{Q}\\ =\frac{C_{MF}}{L_{MF}}\·\frac{L_{MF}}{Q}+\frac{C_{LD}}{L_{LD}}\·\frac{L_{LD}}{Q}+\frac{C_{YS}}{Q_{ZF}}\·\frac{Q_{ZF}}{Q}+\frac{C_{LQ}}{L_{LQ}}\·\frac{L_{LQ}}{Q}+\frac{C_{TF}}{L_{TF}}\·\frac{L_{TF}}{Q}\\ =\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left(e_i{p}_i\right)\end{array}---\left(3\right)$

公式(3)中的e_i,对水泵或风机，仍为单位流体流量的耗功率：

e_i＝C_i/L_i (4)

对压缩机，则为单位制冷量的耗功率：

$e_i=\frac{C_{YS}}{Q_{ZF}}=\frac{1}{COP}---\left(5\right)$

其中，Q_ZF为制冷机的制冷负荷，可通过热平衡，利用蒸发器冷冻水侧的冷量得出。

公式(3)中的p_i，对水泵或风机，仍是为空调区域提供单位冷量，流经水泵或风机的流体流量：

p_i＝L_i/Q (6)

对制冷剂环路，指为空调区域提供单位冷量，制冷机的制冷量，简称为冷机制冷负荷比：

$p_i=\frac{Q_{ZF}}{Q}---\left(7\right)$

(e_ip_i)指为空调区域提供单位冷量，环路i的耗能量，kw/kw。

若能确定出各环路的基准能耗，实际能耗与基准能耗对比，就可以确定出各环路节能的潜力。规定基准能耗中各物理量多加一下角标“0”以表示与实际能耗的区别。

各环路中，各耗能、动力设备的e、p的变化对能耗强度的影响量，计算公式为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}E=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(e_i{p}_i-e_{0i}{p}_{0i})=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(e_i{p}_i-e_{0i}{p}_i+e_{0i}{p}_i-e_{0i}{p}_{0i})\\ =\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{p}_i(e_i-e_{0i})+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{e}_{0i}(p_i-p_{0i})\end{array}---\left(8\right)$

式(8)右端第一项是各耗能、动力设备e的变化对能耗强度的影响量；第二项是p的变化对能耗强度的影响量。

(1)基准能耗的概念

整个空调系统中的耗能设备主要是风机、水泵和冷水机组。不同厂家生产的产品能效不同，此外这些设备实际的能耗还和具体的运行环境以及管路系统相关。如水、风输送系统的冷热损失；水泵、风机等的低效引起的能耗损失；冷热源处的能耗损失、换热设备换热效率的高低等等都会影响整个空调系统的能耗。为了有个统一的比较基准来定量分析整个空调系统的节能潜力，剔除干扰因素，构思了一张符合如下3个条件的能流图：(1)各环路各耗能设备的能效达到理想最优；(2)在各环路流体输送的过程中，除了耗能设备的能耗外，再没有其它能流的输入、输出；(3)连接各环路换热设备的换热效率达到理想最优；能同时满足以上3个条件，且以为了满足舒适条件，为空调区域提供单位服务量即1kw冷量的能流图，叫做以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统的基准能流图。基准能流图中各环路能耗之和即为基准能耗。

基准能流图不是凭空杜撰的，它是以实际能流图为基础，在满足基准能流链图定义中3个条件的基础上抽象出来的。

(2)各环路的基准能耗的模型

从图1看出，除了制冷剂环路中的耗能设备为压缩机外，其它环路的耗能设备为风机或水泵，它们的耗功率分别为公式(2)和(3)，这两个公式也是确定各环路风机或水泵基准能耗的基础。

风机的耗功率： $C_f=\frac{L\·P}{1000\×3600\×{\mathrm{\η}}_f}---\left(9\right)$

水泵的耗功率： $C_p=\frac{\mathrm{\γ}\·L\·H}{1000\×3600\×{\mathrm{\η}}_p}---\left(10\right)$

式中：C_f和C_p分别为风机和水泵的耗功率，kW；2个公式中L分别为风机的风量和水泵的流量，m³/h；P为风机的风压，Pa；H为水泵的杨程，m；η_f和η_p分别为风机和水泵的总效率，％；γ为水的容重，N/m³。

①空气环路的基准能耗模型

由于本文分析的前提条件是空调区域的空调效果满足要求,则对于空气环路，实际空调区域的冷负荷Q等于基准冷负荷Q₀，等于实际末端送风系统提供的冷量。实际运行时，通过实测系统的送风量

L_SF、L_XF，m³/h；(质量流量分别为m_SF、m_XF，kg/s)；以及室内回风焓值h_N、送风焓值h_SF、新风焓值h_XF和冷却盘管机器露点的焓值h_L，kJ/kg，可确定该系统实际运行时空调区域的冷负荷为：Q＝m_SF(h_N-h_SF)；新风负荷为：Q_XF＝m_XF(h_XF-h_N)；再热负荷(若存在再热系统)为：Q_ZR＝m_SF(h_SF-h_L)。实测的风机的风压P_TF,pa；能耗为C_TF，Kw，。

根据基准能耗的定义，在基准条件下，换热设备的换热效率系数为1，则经过末端冷却盘管的出风温度达到冷却盘管的供水温度t_w1。

根据换热效率系数的定义，则有m_SF·C·(t_N-t_SF)＝m_SF0·C(t_N-t_w1)则基准条件下的送风量L_SF0为：

$L_{SF0}=L_{SF}\·\frac{(t_N-t_{SF})}{(t_N-t_{w1})}---\left(11\right)$

基准条件下的末端风机的风压P_MF0为：

则基准条件下，风机的效率为1，则风机能耗为能耗C_TF0为：

$C_{MF0}=\frac{L_{MF0}\·P_{MF0}}{1000\×3600}---\left(12\right)$

由于基准条件下送风量发生变化，导致该条件下的基准新风负荷和再热负荷也按照成比例变化，分别为：

$Q_{XF0}=\frac{m_{SF0}}{m_{SF}}\·Q_{XF}=\frac{(t_N-t_{SF})}{(t_N-t_{w1})}\·m_{XF}(h_{XF}-h_N)---\left(13\right)$

$Q_{ZR0}=\frac{m_{SF0}}{m_{SF}}\·Q_{ZR}=\frac{(t_N-t_{SF})}{(t_N-t_{w1})}\·m_{SF}(h_{SF}-h_L)---\left(14\right)$

为了满足空调区域的热舒适性及室内空气品质，在基准条件下，末端的冷却盘管提供的冷量Q_P0，既要消除室内的余热和满足新风负荷及再热负荷(若存在再热系统)，还要承担输送设备-风机的机械能所转变的热量。基准条件下的能量平衡方程为：

Q_P0＝Q₀+Q_XF0+Q_ZR0+C_MF0 (15)

式中：Q_P0、Q₀、Q_XF0、C_MF0分别为基准条件下冷却盘管的冷负荷、房间的冷负荷、新风负荷和风机的耗功率，kW。

②冷冻水环路的基准能耗模型

基准条件下，冷冻水供回水温差△t_LD0一般取设计条件下的5℃，则基准条件下的冷冻水量为：

$L_{LD0}=\frac{3.6\·Q_{P0}}{C\·{\mathrm{\Δt}}_{LD0}}=\frac{3.6\×Q_{P0}}{4.18\×5}---\left(16\right)$

根据实测的冷冻水泵的流量L_LD和扬程H_LD，可算出基准条件下冷冻水泵的扬程的H_LD0:为：

$H_{LD0}=H_{LD}\·{\left(\frac{L_{LD0}}{L_{LD}}\right)}^2---\left(17\right)$

则基准条件下冷冻水泵的耗功率C_LD0为：

$C_{LD0}=\frac{\mathrm{\γ}\·L_{LD0}\·H_{LD0}}{1000\×3600}---\left(18\right)$

对冷冻水环路，在基准条件下列蒸发器的能量平衡方程有：

式中：Q_ZF0、Q_P0和C_LD0分别为基准条件下蒸发器的冷负荷、冷却盘管的冷负荷和冷冻水泵的耗功率，kW。其中Q_P0已由公式(15)得出。

③制冷剂环路的基准能耗模型

基准条件下机组的制冷按照最理想的工况运行，即机组的制冷原理遵循理想的逆卡诺循环，此时机组COP与工质的种类无关，工作于任何同一冷源和热源条件下的制冷系统，机组的COP均相同。则基准条件下的制冷系数COP₀有：

${\mathrm{COP}}_0=\frac{T_e}{T_c-T_e}---\left(20\right)$

式中：T_c、T_e分别为机组的冷凝温度和蒸发温度，℃。

又根据机组COP与机组压缩机的耗功率之间的关系有：

$COP=\frac{Q_{ZF}}{C_{YS}}---\left(21\right)$

式中：Q_ZF为机组蒸发器的冷负荷，kW；C_YS为机组压缩机的耗功率，kW。结合公式(20)、(21)并化简得到基准条件下压缩机的耗功率C_YS0为：

$C_{YS0}=\frac{Q_{ZF0}}{{\mathrm{COP}}_0}=\frac{Q_{ZF0}}{\frac{T_e}{T_c-T_e}}---\left(22\right)$

对制冷剂环路，列基准条件下冷凝器的能量平衡方程有：

$Q_{LN0}=Q_{ZF0}+C_{YS0}=Q_{ZF0}+\frac{Q_{ZF0}}{\frac{T_e}{T_c-T_e}}=Q_{ZF0}\·\frac{T_c}{T_e}---\left(23\right)$

④冷却水环路的基准能耗模型

基准条件下，冷却水供回水温差△t_LQ0一般取设计条件下的5℃，则基准条件下的冷却水量为：

$L_{LQ0}=\frac{3.6\×Q_{LN0}}{C\·{\mathrm{\Δt}}_{LQ0}}=\frac{3.6\×Q_{LN0}}{4.18\×5}---\left(24\right)$

根据实测的冷却水泵的水量L_LQ和扬程H_LQ，可算出基准条件下冷却水泵的扬程的H_LQ0:为：

$H_{LQ0}=H_{LQ}\·{\left(\frac{L_{LQ0}}{L_{LQ}}\right)}^2---\left(25\right)$

则基准条件下冷却水泵的耗功率C_LD0为：

$C_{LQ0}=\frac{\mathrm{\γ}\·L_{LQ0}\·H_{LQ0}}{1000\×3600}---\left(26\right)$

对冷却水环路，列基准条件下冷却塔的能量平衡方程有：

Q_CT0＝Q_LN0+C_LQ0 (27)

⑤室外排热环路的基准能耗模型

基准条件下，冷却塔内的风水进行充分的热交换，换热效率达到理想最优，即冷却塔的出水温度t_CW2达到当地的湿球温度t_S，冷却塔的出风温度t_a2达到冷却水进塔温度t_CW1 ^[10]。只要实测出当地进冷却塔的空气干球温度t_a1和冷却水进塔温度t_CW1，则基准条件下的冷却塔风机风量为：

$L_{TF0}=\frac{Q_{CT0}}{\mathrm{\ρ}\·C\·(t_{a2}-t_{a1})}=\frac{Q_{CT0}}{1.2\×1.01\·(t_{CW1}-t_{a1})}---\left(28\right)$

根据实测的冷却塔风机的风量L_TF(m³/h)、风压P_TF(Pa)，可以算出基准条件下冷却塔风机的风压P_TF0、耗功率C_TF0分别为：

$P_{TF0}=P_{TF}\·{\left(\frac{L_{TF0}}{L_{TF}}\right)}^2---\left(29\right)$

$C_{TF0}=\frac{L_{TF0}\·P_{TF0}}{1000\×3600}---\left(30\right)$

综合上面5个环路耗能设备的基准能耗，得出以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统整个环路的基准能耗为：

C_HVAC0＝C_MF0+C_LD0+C_YS0+C_LQ0+C_TF0 (31)

最后，根据公式(4-7)，可计算出实际条件和基准条件下，各环路e_i、p_i。并通过公式(8)计算出各耗能、动力设备e的变化对能耗强度的影响量和p的变化对能耗强度的影响量。

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。基准能耗分析法，就是以该图为基础，建立起来的。

具体实施方式：如果是一件结构产品，应阐述所提及的零件、部件、组件等及制造工艺方法的名称、安装步骤。如果是一种方法，应说明实施的方法、操作步骤、原材料规格、试验结果等，指出所涉及的必要参数。

具体应用时，只要能够获得目前常规的实际空调系统能耗检测中，必须要测的一些物理量。如各环路中流体的流量，动力设备的耗功率，换热设备的温差等等参数,就可用公式本方面中提到的基准能耗分析法进行定量分析，找出主要的节能潜力，方便实用。

实施实例：

下面将结合一具体的工程实例，来说明上述能流分析的具体应用。该工程位于广州市，是一栋26层办公建筑；总建筑面积达70700m²，空调面积35000m²，夏季空调总负荷为8236kW，选择3台2637kW的离心式冷水机组和1台1144kW的螺杆式冷水机组；冷水机组采用的冷媒为R134a，冷媒的蒸发和冷凝温度基本控制在5/40℃。空调设计供回水温度7/12℃，冷却水供回水32/37℃，选用5台冷冻水泵和冷却水泵,5台冷却塔。空调系统采用一次回风定风量全空气系统。

2012年7月对该建筑的集中空调系统进行了连续1周的实测。根据实测的平均数据，根据公式(3-31)，可计算出实际条件和基准条件下，各环路e_i、p_i，见表1。并通过公式(8)计算出各耗能、动力设备e的变化对能耗强度的影响量和p的变化对能耗强度的影响量，见表2。

表1某集中空调系统各子环路的单位流体流量的耗功率e和流体折合比p

表2某空调工程实际能耗和基准能耗的对比(基于单位能耗强度)

注：表中能耗的单位为KW/KW冷量

由表2可见，为空调区域提供1KW的冷量，该工程实际能耗比基准能耗高出0.4379KW。其中，因实际单位流体流量耗功率高于基准单位流体流量耗功率而引起的能耗增量为0.3508KW/KW冷量(包含了压缩机COP的差值引起的增量)，占增量的80.12％，且增量最大的是压缩机，占增量的48.42％；因折合比的差值而引起的能耗增量为0.0871KW/KW冷量(包含了蒸发器负荷比的差值引起的增量)，占增量的19.88％，其中蒸发器负荷比的差值引起的增量最大，占增量的83.32％。

可见，对能耗影响最大的是制冷剂环路，应尽可能提高制冷机的COP，降低制冷剂的耗量。除此之外，越是末端的环路对能耗的影响也越大。影响由大到小依次是空气环路、冷冻水环路、冷却水环路和排热环路。从前面的计算可以看出，空气环路、冷冻水环路的能耗越高，蒸发器环路的负荷就越高，消耗的制冷剂量也越高。尽管排热环路所占的比例较小，但其对制冷剂环路的优化运行有重要的影响。从表2可以看出，冷水机组的能耗，在整个HVAC系统中占了将近一半。其中高能耗的原因之一就是冷凝温度较高。若能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，可以有效降低冷机能耗。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。，因此从整体上看，还是可以带来明显的节能效果。

Claims (10)

1.一种以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法,其中以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统包括有室内空气环路、冷冻水环路、制冷剂环路、冷却水环路和室外排热环路5个连续的子环路，每个子环路包括有换热设备和耗能设备，各子环路之间分别以末端冷却盘管、蒸发器、冷凝器和冷却塔4种换热设备为能流联系的桥梁，使得空调系统各子系统的能流紧密联系在一起，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，其特征在于基准能耗法包括有如下内容：

整个中央空调系统的耗能量C_HVAC，就是各个环路耗能量C_i之和，则有：

C_HVAC＝C_MF+C_LD+C_YS+C_LQ+C_TF (1)

其中，C_MF是末端空气环路风机的能耗；C_LD是冷冻水泵的能耗；C_YS、C_LQ、C_TF分别为压缩机、冷却水泵、冷却塔风机的能耗；

为空调区域提供单位冷量，整个空调系统所消耗的能源量,即能耗强度E(kw/kw冷量)为：

$\begin{array}{c}E=\frac{C_{HVAC}}{Q}=\frac{C_{MF}+C_{LD}+C_{YS}+C_{LQ}+C_{TF}}{Q}\\ =\frac{C_{MF}}{L_{MF}}\·\frac{L_{MF}}{Q}+\frac{C_{LD}}{L_{LD}}\·\frac{L_{LD}}{Q}+\frac{C_{YS}}{L_{YS}}\·\frac{L_{YS}}{Q}+\frac{C_{LQ}}{L_{LQ}}\·\frac{L_{LQ}}{Q}+\frac{C_{TF}}{L_{TF}}\·\frac{L_{TF}}{Q}\\ =\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left(e_i{p}_i\right)\end{array}---\left(2\right)$

其中，Q为空调区域的冷负荷，kw；L_i为各个环路流体流量，m³/h；e_i为环路i的主要耗能动力设备单位流体流量的耗功率，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/h)；p_i指为了为空调区域提供单位冷量，流经环路i的主要耗能动力设备的流体流量,m³/h；

由于实际工程中，流经压缩机的制冷剂流量不好实时监测，对制冷剂环路，人们更习惯用COP值来表示制冷机组的能耗水平，为此将公式(2)变形为：

$\begin{array}{c}E=\frac{C_{HVAC}}{Q}=\frac{C_{MF}+C_{LD}+C_{YS}+C_{LQ}+C_{TF}}{Q}\\ =\frac{C_{MF}}{L_{MF}}\·\frac{L_{MF}}{Q}+\frac{C_{LD}}{L_{LD}}\·\frac{L_{LD}}{Q}+\frac{C_{YS}}{Q_{ZF}}\·\frac{Q_{ZF}}{Q}+\frac{C_{LQ}}{L_{LQ}}\·\frac{L_{LQ}}{Q}+\frac{C_{TF}}{L_{TF}}\·\frac{L_{TF}}{Q}\\ =\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left(e_i{p}_i\right)\end{array}---\left(3\right)$

公式(3)中的e_i,对水泵或风机，仍为单位流体流量的耗功率：

e_i＝C_i/L_i (4)

对压缩机，则为单位制冷量的耗功率：

$e_i=\frac{C_{YS}}{Q_{ZF}}=\frac{1}{COP}---\left(5\right)$

其中，Q_ZF为制冷机的制冷负荷，可通过热平衡，利用蒸发器冷冻水侧的冷量得出；

公式(3)中的p_i，对水泵或风机，仍是为空调区域提供单位冷量，流经水泵或风机的流体流量：

p_i＝L_i/Q (6)

对制冷剂环路，指为空调区域提供单位冷量，制冷机的制冷量，简称为冷机制冷负荷比：

$p_i=\frac{Q_{ZF}}{Q}---\left(7\right)$

(e_ip_i)指为空调区域提供单位冷量，环路i的耗能量，kw/kw；

若能确定出各环路的基准能耗，实际能耗与基准能耗对比，就可以确定出各环路节能的潜力，规定基准能耗中各物理量多加一下角标“0”以表示与实际能耗的区别；

各环路中，各耗能、动力设备的e、p的变化对能耗强度的影响量，计算公式为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}E=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(e_i{p}_i-e_{0i}{p}_{0i})=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(e_i{p}_i-e_{0i}{p}_i+e_{0i}{p}_i-e_{0i}{p}_{0i})\\ =\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{p}_i(e_i-e_{0i})+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{e}_{0i}(p_i-p_{0i})\end{array}---\left(8\right)$

式(8)右端第一项是各耗能、动力设备e的变化对能耗强度的影响量；第二项是p的变化对能耗强度的影响量。

2.根据权利要求1所述的以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法,其特征在于基准能耗的概念是：

整个空调系统中的耗能设备主要是风机、水泵和冷水机组，不同厂家生产的产品能效不同，此外这些设备实际的能耗还和具体的运行环境以及管路系统相关，为了有个统一的比较基准来定量分析整个空调系统的节能潜力，剔除干扰因素，构思了一张符合如下3个条件的能流图：(1)各环路各耗能设备的能效达到理想最优；(2)在各环路流体输送的过程中，除了耗能设备的能耗外，再没有其它能流的输入、输出；(3)连接各环路换热设备的换热效率达到理想最优；能同时满足以上3个条件，且以为了满足舒适条件，为空调区域提供单位服务量即1kw冷量的能流图，叫做以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统的基准能流图，基准能流图中各环路能耗之和即为基准能耗；

基准能流图不是凭空杜撰的，它是以实际能流图为基础，在满足基准能流链图定义中3个条件的基础上抽象出来的，除了制冷剂环路中的耗能设备为压缩机外，其它环路的耗能设备为风机或水泵，它们的耗功率分别为公式(2)和(3)，这两个公式也是确定各环路风机或水泵基准能耗的基础；

风机的耗功率： $C_f=\frac{L\·P}{1000\×3600\×{\mathrm{\η}}_f}---\left(9\right)$

水泵的耗功率： $C_p=\frac{\mathrm{\γ}\·L\·H}{1000\×3600\×{\mathrm{\η}}_p}---\left(10\right)$

式中：C_f和C_p分别为风机和水泵的耗功率，kW；2个公式中的L分别为风机的风量和水泵的流量，m³/h；P为风机的风压，Pa；H为水泵的杨程，m；η_f和η_p分别为风机和水泵的总效率，％；γ为水的容重，N/m³。

3.根据权利要求2所述的以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法,其特征在于设备实际的能耗和具体的运行环境以及管路系统相关，包括水、风输送系统的冷热损失；水泵、风机的低效引起的能耗损失；冷热源处的能耗损失、换热设备换热效率的高低都会影响整个空调系统的能耗。

4.根据权利要求1所述的以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法,其特征在于上述空气环路的基准能耗模型为：

分析的前提条件是空调区域的空调效果满足要求,则对于空气环路，实际空调区域的冷负荷Q等于基准冷负荷Q₀，等于实际末端送风系统提供的冷量；实际运行时，通过实测系统的送风量L_SF、L_XF，m³/h；质量流量分别为m_SF、m_XF，kg/s；以及室内回风焓值h_N、送风焓值h_SF、新风焓值h_XF和冷却盘管机器露点的焓值h_L，kJ/kg，可确定该系统实际运行时空调区域的冷负荷为：Q＝m_SF(h_N-h_SF)；新风负荷为：Q_XF＝m_XF(h_XF-h_N)；再热负荷(若存在再热系统)为：Q_ZR＝m_SF(h_SF-h_L)，实测的风机的风压P_TF,pa；能耗为C_TF，Kw；

根据基准能耗的定义，在基准条件下，换热设备的换热效率系数为1，则经过末端冷却盘管的出风温度达到冷却盘管的供水温度t_w1；

根据换热效率系数的定义[11]，则有m_SF·C·(t_N-t_SF)＝m_SF0·C(t_N-t_w1)

则基准条件下的送风量L_SF0为： $L_{SF0}=L_{SF}\·\frac{(t_N-t_{SF})}{(t_N-t_{w1})}---\left(11\right)$

基准条件下的末端风机的风压P_MF0为：

则基准条件下，风机的效率为1，则风机能耗为能耗C_TF0为：

$C_{MF0}=\frac{L_{MF0}\·P_{MF0}}{1000\×3600}---\left(12\right)$

由于基准条件下送风量发生变化，导致该条件下的基准新风负荷和再热负荷也按照成比例变化，分别为：

$Q_{XF0}=\frac{m_{SF0}}{m_{SF}}\·Q_{XF}=\frac{(t_N-t_{SF})}{(t_N-t_{w1})}\·m_{XF}(h_{XF}-h_N)---\left(13\right)$

$Q_{ZR0}=\frac{m_{SF0}}{m_{SF}}\·Q_{ZR}=\frac{(t_N-t_{SF})}{(t_N-t_{w1})}\·m_{SF}(h_{SF}-h_L)---\left(14\right).$

5.根据权利要求1所述的以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法,其特征在于上述基准条件下的末端的冷却盘管的能量平衡方程为：

Q_P0＝Q₀+Q_XF0+Q_ZR0+C_MF0 (15)

式中：Q_P0、Q₀、Q_XF0、C_MF0分别为基准条件下冷却盘管的冷负荷、房间的冷负荷、新风负荷和风机的耗功率，kW。

6.根据权利要求1所述的以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法,其特征在于上述冷冻水环路的基准能耗模型为：

基准条件下，冷冻水供回水温差△t_LD0一般取设计条件下的5℃，则基准条件下的冷冻水量为： $L_{LD0}=\frac{3.6\·Q_{P0}}{C\·{\mathrm{\Δt}}_{LD0}}=\frac{3.6\×Q_{P0}}{4.18\×5}---\left(16\right)$ 根据实测的冷冻水泵的流量L_LD和扬程H_LD，可算出基准条件下冷冻水泵的扬程的H_LD0:为：

$H_{LD0}=H_{LD}\·{\left(\frac{L_{LD0}}{L_{LD}}\right)}^2---\left(17\right)$

则基准条件下冷冻水泵的耗功率C_LD0为：

$C_{LD0}=\frac{\mathrm{\γ}\·L_{LD0}\·H_{LD0}}{1000\×3600}---\left(18\right)$

对冷冻水环路，在基准条件下列蒸发器的能量平衡方程有：

$Q_{{\mathrm{ZF}}_0}=Q_{P_0}+C_{{\mathrm{LD}}_0}---\left(19\right)$

式中：Q_ZF0、Q_P0和C_LD0分别为基准条件下蒸发器的冷负荷、冷却盘管的冷负荷和冷冻水泵的耗功率，kW；其中Q_P0已由公式(15)得出。

7.根据权利要求1所述的以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法,其特征在于上述制冷剂环路的基准能耗模型为：

基准条件下机组的制冷按照最理想的工况运行，即机组的制冷原理遵循理想的逆卡诺循环，此时机组COP与工质的种类无关，工作于任何同一冷源和热源条件下的制冷系统，机组的COP均相同，则基准条件下的制冷系数COP₀有：

${\mathrm{COP}}_0=\frac{T_e}{T_c-T_e}---\left(20\right)$

式中：T_c、T_e分别为机组的冷凝温度和蒸发温度，℃；

又根据机组COP与机组压缩机的耗功率之间的关系有：

$COP=\frac{Q_{ZF}}{C_{YS}}---\left(21\right)$

式中：Q_ZF为机组蒸发器的冷负荷，kW；C_YS为机组压缩机的耗功率，kW；结合公式(20)、(21)并化简得到基准条件下压缩机的耗功率C_YS0为：

$C_{YS0}=\frac{Q_{ZF0}}{{\mathrm{COP}}_0}=\frac{Q_{ZF0}}{\frac{T_e}{T_c-T_e}}---\left(22\right)$

对制冷剂环路，列基准条件下冷凝器的能量平衡方程有：

$Q_{LN0}=Q_{ZF0}+C_{YS0}=Q_{ZF0}+\frac{Q_{ZF0}}{\frac{T_e}{T_c-T_e}}=Q_{ZF0}\·\frac{T_c}{T_e}---\left(23\right).$

8.根据权利要求1所述的以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法,其特征在于上述冷却水环路的基准能耗模型为：

基准条件下，冷却水供回水温差△t_LQ0一般取设计条件下的5℃，则基准条件下的冷却水量为：

$L_{LQ0}=\frac{3.6\×Q_{LN0}}{C\·{\mathrm{\Δt}}_{LQ0}}=\frac{3.6\×Q_{LN0}}{4.18\×5}---\left(24\right)$

根据实测的冷却水泵的水量L_LQ和扬程H_LQ，可算出基准条件下冷却水泵的扬程的H_LQ0:为：

$H_{LQ0}=H_{LQ}\·{\left(\frac{L_{LQ0}}{L_{LQ}}\right)}^2---\left(25\right)$

则基准条件下冷却水泵的耗功率C_LD0为：

$C_{LQ0}=\frac{\mathrm{\γ}\·L_{LQ0}\·H_{LQ0}}{1000\×3600}---\left(26\right)$

对冷却水环路，列基准条件下冷却塔的能量平衡方程有：

Q_CT0＝Q_LN0+C_LQ0 (27)。

9.根据权利要求1所述的以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法,其特征在于上述室外排热环路的基准能耗模型为：

基准条件下，冷却塔内的风水进行充分的热交换，换热效率达到理想最优，即冷却塔的出水温度t_CW2达到当地的湿球温度t_S，冷却塔的出风温度t_a2达到冷却水进塔温度t_CW1 ^[10]；只要实测出当地进冷却塔的空气干球温度t_a1和冷却水进塔温度t_CW1，则基准条件下的冷却塔风机风量为：

$L_{TF0}=\frac{Q_{CT0}}{\mathrm{\ρ}\·C\·(t_{a2}-t_{a1})}=\frac{Q_{CT0}}{1.2\×1.01\·(t_{CW1}-t_{a1})}---\left(28\right)$

根据实测的冷却塔风机的风量L_TF(m3/h)、风压P_TF(Pa)，可以算出基准条件下冷却塔风机的风压P_TF0、耗功率C_TF0分别为：

$P_{TF0}=P_{TF}\·{\left(\frac{L_{TF0}}{L_{TF}}\right)}^2---\left(29\right)$

$C_{TF0}=\frac{L_{TF0}\·P_{TF0}}{1000\×3600}---\left(30\right).$

10.根据权利要求1所述的以水冷式机组为冷源的空调系统运行能耗的基准能耗法,其特征在于综合上面5个环路耗能设备的基准能耗，得出以水冷冷水机组为冷源的集中空调系统整个环路的基准能耗为：

C_HVAC0＝C_MF0+C_LD0+C_YS0+C_LQ0+C_TF0 (31)

最后，根据公式(4-7)，可计算出实际条件和基准条件下，各环路e_i、p_i；并通过公式(8)计算出各耗能、动力设备e的变化对能耗强度的影响量和p的变化对能耗强度的影响量。