CN109000948A - 基于冷水机热力学模型的多台冷水机组节能空间评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于冷水机热力学模型的多台冷水机组节能空间评估方法，包括步骤1：计算每台支路冷水机的支路流量；步骤2：测量每台冷水机组中冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷却水进水温度；步骤3：建冷水机组的热力学模型；步骤4：以冷水机组可能的启动方式对多台冷水机组进行并联分组；步骤5：将测量数据和支路流量输入所述热力学模型计算得出以分组为基础的每组冷水机组的基准EER与负荷率的关联数据；步骤6：将多台冷水机组实际运行中的实际数据与基准数据对比分析，生成分析数据，评估多台冷水机组的节能空间。根据上述方法寻找多台冷水机组的节能空间，评估限行的冷水机组并联方案存在多大的改进空间。

Description

基于冷水机热力学模型的多台冷水机组节能空间评估方法

技术领域

本发明涉及暖通工程领域，具体为一种基于冷水机热力学模型的多台冷水机组节能空间评估方法。

背景技术

随着当前社会的快速发展，人对其所处环境的舒适性的要求在不断地提升，使得空调系统成为日常生活和工业生产过程中不可缺少的部分，据资料统计，进入21世纪后，大型公共建筑内部能耗在全国总能耗中所占比例越来越高，其中，冷水机组的能耗在大型公共建筑内部能耗也占了很大比例。因此，对冷水机组的优化节能，是为响应国家节能减排号召，实现现代化可持续发展所亟待解决的问题。

冷水机运行状况可用能效比EER来作为一个判断标准，现行的中央空调机组是以满足使用场所的最大冷热量来进行设计的，冷水机组亦是如此，而在实际应用中，消耗的冷热负荷是变化的，一般与最大设计供冷热量存在着很大的差异，系统设备运行约90％以上时间运行在非满载额定状态。现有大厦中的中央空调一般会具有多台冷水机组，多台不同的冷水机组组合形成了多种不同的并联运行方式，所以对单一冷水机组的评价方法并不适用于多台冷水机组，所以亟需一种能够评价多台冷水机组的多种不同并联方案之间的是否节能的方法，寻找多台冷水机组节能空间。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于冷水机热力学模型的多台冷水机组节能空间评估方法，根据上述方法寻找多台冷水机组的节能空间，评估限行的冷水机组并联方案存在多大的改进空间。

为了达到上述目的，本发明的技术方案有：

一种基于冷水机热力学模型的多台冷水机组节能空间评估方法，包括以下步骤：

支路流量计算步骤：计算每台支路冷水机的支路流量；

数据测量步骤：测量每台冷水机组中冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷却水进水温度；

构建冷水机组热力学模型步骤：通过冷水机组的蒸发器、冷凝器及压缩机的热力学性能构建冷水机组的热力学模型；

多台冷水机组分组步骤：以冷水机组可能的启动方式对多台冷水机组进行并联分组；

模型计算步骤：将冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷却水进水温度以及支路流量输入所述热力学模型计算得出以分组为基础的每组冷水机组的基准EER与负荷率的关联数据；

对比评估步骤：将多台冷水机组实际运行中的实际EER与负荷率关联数据与基准EER与负荷率的关联数据对比分析，生成分析数据，评估多台冷水机组的节能空间。

进一步的，所述步骤还包括：

绘制曲线图步骤：绘制每组冷水机的基准EER与负荷率的关联数据曲线图。

再进一步的，所述对比评估步骤替换为：将实际EER与负荷率关联数据代入所述基准EER与负荷率的关联数据曲线图对比分析，生成分析数据，评估多台冷水机组的节能空间。

再进一步的，所述对比评估步骤还包括：

截取基准EER与负荷率的关联数据中相同负荷率下最优和最次EER绘制形成最优基准数据曲线和最次基准数据曲线，再与实际EER与负荷率关联数据对比分析。

再进一步的，所述对比评估步骤还包括：

截取基准EER与负荷率的关联数据中相同负荷率下最优和最次EER形成最优基准数据和最次基准数据，再与实际EER与负荷率关联数据对比分析。

再进一步的，所述冷水机组热力学模型计算流程如下：

流程1：获取冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷却水进水温度以及支路冷水机的支路流量；

流程2：假设压缩机进行等熵压缩时的出口温度；

流程3：计算冷凝器进口参数、冷凝器出口参数及蒸发器参数；

流程4：假设冷却水出水温度；

流程5：假设蒸发器的换热量；

流程6：计算蒸发器制冷剂侧换热量；

流程7：判断蒸发器制冷剂侧换热量与蒸发器的换热量是否相等；是，则执行流程8；否，则执行流程5；

流程8：计算冷却水侧换热量；

流程9：判断冷却水侧换热量与制冷剂侧换热量是否相等；是，则执行流程10，否，则执行流程4；

流程10：计算冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量；

流程11：判断冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量是否相等；是，则执行流程12；否，则执行流程2；

流程12：计算压缩机功耗。

再进一步的，所述冷水机组热力学模型计算公式如下：

蒸发器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷冻水侧换热系数：

蒸发器总换热过程：

冷凝器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷却水侧换热系数：

冷凝器内总换热过程；

再进一步的，所述冷水机支路满足以下关系：

Δp＝Δp₁+Δp₂

根据本发明的一种基于冷水机热力学模型的多台冷水机组节能空间评估方法，通过建立冷水机组的热力学模型，得出冷水机组EER基准用于评估多台冷水机组的节能空间，包括对多台冷水机组的并联运行方式进行分组，得出不同分组下的基准EER和负荷率的关联数据，当然每组中包含一台、多台或全部的冷水机组，并形成了负荷率由最低至满负荷的一组数据，用于与实现相同负荷率下冷水机组的EER数据进行对比，分析当前负荷率下冷水机组的节能空间；优选的，将这组数据绘制成曲线图，再将实际数据也绘制进曲线图中通过计算曲线在相同负荷率下曲线之间的距离，即EER之间的差距，来进一步评价该冷水机组的运行，为其冷水机组的运行基础提供理论支撑。

附图说明

图1为最优基准数据和最次基准数据与实际运行数据的对比曲线图；

图2为多台冷水机组的之路流量计算流程图；

图3为压缩机功耗计算流程图；

图4为基准EER和负荷率关联数据曲线图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的一种基于冷水机热力学模型的多台冷水机组节能空间评估方法。

对于本发明而言，第一步是建立冷水机组的热力学模型，根据热力学第一定律，能量在转换过程中，其总值保持不变。对于一台冷水机组，则在构成冷水水机组的三大部件蒸发器、冷凝器及压缩机之间，能量传递的总值是守恒的；而且对于冷水机组的制冷剂循环，冷水机组的在运行过程中整体系统是封闭的，封闭系统的物料也是守恒，即制冷剂的量是守恒的。

以市面上常见的冷水机组作为研究对象，很容易获知其自身的额定参数及其使用的制冷剂型号，通过查询也能轻易获知制冷剂的热力学参数。

首先对冷水机组的各个支路流量进行计算，所述冷水机支路满足以下关系：

Δp＝Δp₁+Δp₂

式中，L_o、D_i、Z、n_o为蒸发器有效换热管长、管内径、冷冻水流程，v_o为冷冻水流速；△P₁、△P₁、△P为冷冻水通过蒸发器时摩擦阻力、局部阻力与总阻力；G_o为流过蒸发器流量。

还需要通过传感器等常用测量工具测量冷水机组中冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷却水进水温度以作为已知的量。

构建冷水机组热力学模型，需要对冷水机组的蒸发器、冷凝器及压缩机进行热力学分析。

对于蒸发器：

蒸发器内的传热过程包括：制冷剂侧的沸腾传热、冷冻水侧对流换热以及通过换热管壁与污垢层的导热。通过制冷剂侧的对流换热系数、制冷量、冷冻水的定性流速、冷冻水侧的对流化热系数等9个控制变量耦合方程，可以得到蒸发温度与制冷量、冷冻水流量、冷冻水出水温度、冷冻水进水温度的函数关系。

蒸发器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷冻水侧换热系数：

蒸发器总换热过程：

对于冷凝器：

冷凝器的传热过程包括：制冷剂的冷凝换热，金属壁、垢层的导热以及冷却水的吸热过程。一般的壳管式冷凝器管内侧为制冷剂，管外侧为冷冻水。通过传热过程的总热阻、制冷机的物性参数等11个控制变量耦合方程，可以得到蒸发温度与制冷量、支路流量、冷却水进水温度的函数关系。

冷凝器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷却水侧换热系数：

冷凝器内总换热过程；

对于压缩机：

通过压缩机的总功耗、压缩机的轴功率、压缩机的理论功耗等10个控制变量耦合方程，可以得到能量守恒的关系式。最后通过对冷凝温度的多次迭代，计算给定工况下的单台机运行功耗。

根据以上关系建立冷水机组的热力学模型，计算流程如图2所示包括：

流程1：获取冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷冻水流量、冷却水进水温度以及支路流量；

流程2：假设压缩机进行等熵压缩时的出口温度；

流程3：计算冷凝器进口参数、冷凝器出口参数及蒸发器参数；

流程4：假设冷却水出水温度；

流程5：假设蒸发器的换热量；

流程6：计算蒸发器制冷剂侧换热量；

流程7：判断蒸发器制冷剂侧换热量与蒸发器的换热量是否相等；是，则执行流程8；否，则执行流程5；

流程8：计算冷却水侧换热量；

流程9：判断冷却水侧换热量与制冷剂侧换热量是否相等；是，则执行流程10，否，则执行流程4；

流程10：计算冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量；

流程11：判断冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量是否相等；是，则执行流程12；否，则执行流程2；

流程12：计算压缩机功耗。

通过所述压缩机功耗计算该冷水机组的EER，EER＝制冷量/压缩机功耗。

本发明所称负荷率＝制冷量/额定制冷量。

取某一冷水机组群作为实施例：

以市面上三台不同容量的冷水机组为例，制冷剂均为R134a，计算工况条件与机组结构参数分别下：

机组群工况条件：

机组结构参数：

根据上述并联特性模型计算机组群冷冻水流量分配(由于机组群总负荷确定，故冷冻水总管流量G_total已知)，计算过程如下：

假设已知机组群冷冻水总管压降△p，由于各冷水机组压降等于总管压降，则对于1号主机，假设已知1号的冷冻水流速v_o，由冷冻水进出水温查询物性参数表可以得到冷冻水的运动粘度ν，并联式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)可计算冷冻水流过蒸发器时的实际流速v_{o_act}，其中，系数C取0.457，m取0.2111。

ξ＝C Re^-m (2)

Δp＝Δp₁+Δp₂ (5)

比较v_o与v_{o_act}大小，当偏差幅度大于0.001时，重新假设v_o，进行迭代，直到计算偏差小于0.001。由式(6)可以计算1号机所分配到的冷冻水流量G_o。

同理，可以计算出2号、3号机所分配到的冷冻水流量，将三台机的冷冻水流量相加并与G_total进行对比，当偏差幅度大于0.001时，重新假设△p，进行迭代，直到计算偏差小于0.001。此时机组群冷冻水流量分配已计算完毕，将各冷水机组所分配到的冷冻水流量作为单台机热力特性模型的计算边界条件，即可计算出各冷水机组的功耗，将其相加并除以机组群总制冷量，即可以得到当前并联方式下机组群的能效比EER。

其中，利用单台机热力特性模型计算冷水机组的功耗，计算过程如下

1、蒸发器工况模拟

蒸发器内的传热过程包括制冷剂侧的沸腾换热、冷冻水侧对流换热以及通过换热管壁与污垢层的导热。污垢热阻R_fo取0.00011m²·K/W，故换热过程的总换热系数为：

假设一个蒸发温度t_o，蒸发器管外翅片肋化系数取1.5，并联式(8)、式(9)可得制冷剂侧换热系数h_R134a。

并联式(10)、(11)、(12)、(13)可得冷冻水侧换热系数h_o。

并联式(14)、(15)可得实际蒸发温度t_{o_act}。

Q_o＝A_oK_oΔt (14)

比较t_o与t_{o_act}大小，当偏差幅度大于0.001时，重新假设t_o，进行迭代，直到计算偏差小于0.001，(当偏差幅度小于0,001时，则认为t_o与t_{o_act}实质是相等)。

2、冷凝器与压缩机工况模拟

冷凝器内的传热过程包括制冷剂侧的沸腾换热、冷冻水侧对流换热以及通过换热管壁与污垢层的导热，污垢热阻R_fk取0.00015m²·K/W，换热过程的总热阻为：

假设一个压缩机的出口压力p_out，查物性参数表可得冷凝器的冷凝温度t_k，假设一个冷却水出水温度t_{cool_ex}，由式(17)可计算冷凝器的对数传热温差△t_k：

假设一个冷凝器换热量Q_k，并联式(18)、(19)、(20)可得冷凝器内制冷剂侧换热系数h_{R134a_k}，其中制冷剂的导热系数λ_R134a、密度ρ_R134a、动力粘度ν_R134a可通过冷凝温度t_k查询物性参数表获得。

冷却水侧的换热系数计算方式同蒸发器的冷冻水侧计算方式，由此可得冷却水侧换热系数h_k。由式(21)可计算冷凝器实际换热量Q_{k_act}。

Q_{k_act}＝A_kK_kΔt (21)

比较Q_{k_act}与Q_k大小，当偏差幅度大于0.001时，重新假设Q_k，进行迭代，直到计算偏差小于0.001。由式(22)可计算实际冷却水出水温度t_{cool_ex_act}。

比较t_{cool_ex_act}与t_{cool_ex}大小，当偏差幅度大于0.001时，重新假设t_{cool_ex}，进行迭代，直到计算偏差小于0.001。通过p_out查询物性参数表可得蒸发器进口焓值h_{eva_in}，由1.中计算出的蒸发温度t_{o_act}查询物性参数表可得蒸发器出口焓值h_{eva_out}，由式(23)可计算蒸发器制冷剂流量q_{ma_o}。

通过p_out与t_{o_act}查询物性参数表可得压缩机出口焓值h_{com_out_act}与压缩机进口焓值h_{com_in}，并联式(24)、(25)可得压缩机实际功耗。

η_s＝0.28168+1.14249·(φ-0.2)

-0.59051·(φ-0.2)²-0.69255·(φ-0.2)³

+1.42011·(φ-0.2)⁴-0.83229·(φ-0.2)⁵ (25)

由式(26)可得等熵压缩下压缩的出口焓值h_{com_out}，即冷凝器的进口焓值。

h_{com_out}＝W-h_{com_in} (26)

由式(27)可得冷凝器制冷剂流量q_{ma_k}。

比较q_{ma_o}与q_{ma_kx}大小，当偏差幅度大于0.001时，重新假设p_out，进行迭代，直到计算偏差小于0.001。此时模型闭合，计算收敛。压缩机功耗可由下式计算：

P_e＝q_{ma_k}·(h_{com_out}-h_{com_in}) (28)

通过压缩机功耗计算冷水机组的能效比EER。

对冷水机组进行排列组合，可得冷水机组的所有并联方式如下所示：

按照上述计算方式对上述所有并联方式进行计算，可得冷水机组所有并联方式在全负荷下的EER如下所示(单元格为空表示在当前负荷率下采用该并联方式会导致冷水机组报警停机)。

绘制EER-总负荷率曲线图如图4所示。

取图4中EER-总负荷率曲线中的最优数据和最差数据，并形成新的数据绘制成如图1所示的曲线图，通过与现行大楼内部的冷水机组运行的实际EER-总负荷率曲线关系对比分析，得出冷水机组EER基准用于评估多台冷水机组的节能空间，包括对多台冷水机组的并联运行方式进行分组，得出不同分组下的基准EER和负荷率的关联数据，当然每组中包含一台、多台或全部的冷水机组，并形成了负荷率由最低至满负荷的一组数据，用于与实现相同负荷率下冷水机组的EER数据进行对比，分析当前负荷率下冷水机组的节能空间；优选的，将这组数据绘制成曲线图，再将实际数据也绘制进曲线图中通过计算曲线在相同负荷率下曲线之间的距离，即EER之间的差距，来进一步评价该冷水机组的运行，为其冷水机组的运行基础提供理论支撑。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1.一种基于冷水机热力学模型的多台冷水机组节能空间评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

支路流量计算步骤：计算每台支路冷水机的支路流量；

数据测量步骤：测量每台冷水机组中冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷却水进水温度；

构建冷水机组热力学模型步骤：通过冷水机组的蒸发器、冷凝器及压缩机的热力学性能构建冷水机组的热力学模型；

多台冷水机组分组步骤：以冷水机组可能的启动方式对多台冷水机组进行并联分组；

模型计算步骤：将冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷却水进水温度以及支路流量输入所述热力学模型计算得出以分组为基础的每组冷水机组的基准EER与负荷率的关联数据；

对比评估步骤：将多台冷水机组实际运行中的实际EER与负荷率关联数据与基准EER与负荷率的关联数据对比分析，生成分析数据，评估多台冷水机组的节能空间。

2.根据权利要求1所述的冷水机组评估方法，其特征在于，所述步骤还包括：

绘制曲线图步骤：绘制每组冷水机的基准EER与负荷率的关联数据曲线图。

3.根据权利要求2所述的冷水机组评估方法，其特征在于，所述对比评估步骤替换为：将实际EER与负荷率关联数据代入所述基准EER与负荷率的关联数据曲线图对比分析，生成分析数据，评估多台冷水机组的节能空间。

4.根据权利要求3所述的冷水机组评估方法，其特征在于，所述对比评估步骤还包括：

截取基准EER与负荷率的关联数据中相同负荷率下最优和最次EER绘制形成最优基准数据曲线和最次基准数据曲线，再与实际EER与负荷率关联数据对比分析。

5.根据权利要求1所述的冷水机组评估方法，其特征在于，所述对比评估步骤还包括：

截取基准EER与负荷率的关联数据中相同负荷率下最优和最次EER形成最优基准数据和最次基准数据，再与实际EER与负荷率关联数据对比分析。

6.根据权利要求1所述的冷水机组评估方法，其特征在于，所述冷水机组热力学模型计算流程如下：

流程1：获取冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷却水进水温度以及支路冷水机的支路流量；

流程2：假设压缩机进行等熵压缩时的出口温度；

流程3：计算冷凝器进口参数、冷凝器出口参数及蒸发器参数；

流程4：假设冷却水出水温度；

流程5：假设蒸发器的换热量；

流程6：计算蒸发器制冷剂侧换热量；

流程7：判断蒸发器制冷剂侧换热量与蒸发器的换热量是否相等；是，则执行流程8；否，则执行流程5；

流程8：计算冷却水侧换热量；

流程9：判断冷却水侧换热量与制冷剂侧换热量是否相等；是，则执行流程10，否，则执行流程4；

流程10：计算冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量；

流程11：判断冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量是否相等；是，则执行流程12；否，则执行流程2；

流程12：计算压缩机功耗。

7.根据权利要求6所述的冷水机组评估方法，其特征在于，所述冷水机组热力学模型计算公式如下：

蒸发器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷冻水侧换热系数：

蒸发器总换热过程：

冷凝器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷却水侧换热系数：

冷凝器内总换热过程；

8.根据权利要求1所述的冷水机组评估方法，其特征在于，所述冷水机支路满足以下关系：

Δp＝Δp₁+Δp₂