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冷冻站设备选型及运行策略对运行能耗的影响分析清华大学：陈毅兴 张晓亮 燕达 王闯 陈权 夏建军 石文星 李先庭 江亿 三菱重工株株式会社社：入谷阳阳一郎 上田宪宪治摘要：在建建筑节能能方面，空空调系统统的节能能至关重重要。除除了提高高单台设设备的性性能参数数，通过保保温等手手段减少少室内负负荷外，合合理的设设备选型型和适当的的运行管管理也能能达到节节能的效效果。本本文主要要研究不同同的冷冻冻站设备备选型及及不同的的冷冻站站运行策策略对冷冷冻站全全年运行行能耗的的影响。其中主要采用模拟分析的方法，通过DeST模拟建筑全年逐时负荷，结合不同的冷冻站设备选型和不同的冷冻站运行策略，模拟计算各种情况下冷冻站的全年逐时运行能耗，并对比分析不同冷冻站设备选型和不同冷冻站控制策略对运行能耗的影响。关键词：设设备选型型、运行行策略、全年运行能耗Reseaarchh onn Eqquippmennt SSiziing of Cooolinng PPlannt aand Infflueencee off Coontrrol Strrateegy to Opeerattionn Ennerggy PPerfformmancceYixinng CCHENN1), Xiaaoliiangg ZHHANGG1), Da YANN1), Chuuangg WAANG11), Quaan CCHENN1), Jiaanjuun XXIA11), Wenxiing SHII1), Xiaantiing LI11), Yi JIAANG11), Yocchirro IIRITTANII2), Kennji UEDDA2)1)(Tssingghuaa Unniveersiity) 2) (Miitsuubisshi Heaavy Inddusttriees, Ltdd.)Abstrractt: In ordder to redducee thhe bbuilldinng eenerrgy connsummptiion of air-conndittionn syysteem, impprovvingg thhe pperfformmancce oof eequiipmeentss annd usiing alll kiindss off meethoods to redducee thhe bbuilldinng lloadd arre bbothh efffecctivve. On tthe othher hannd, reaasonnablle ddesiign andd maanaggemeent alsso ccan plaay aan aavaiilabbiliity rolle. Thiis ppapeer iis mmainnly to simmulaate somme eeffeect facctorrs oof tthe annnuall ennerggy cconssumpptioon oof aair-conndittionningg systtem. Thhe ffacttorss reeseaarchhed aree diiffeerennt ttypees oof cchilllerr coombiinattionn annd ddifffereent opeerattionn sttrattegiies of chiilleer, whiich mayy leead diffferrentt ennerggy cconssumpptioon. Thee syysteem ccombbinaatioon ssimuulattionn moodell prreseenteed iin tthiss paaperr iss maainlly tto ssimuulatte tthe annnuall hoourlly eenerrgy connsummptiion bassed on thee buuilddingg looad ressultt annd tthe weaatheer ddataa.Key wwordds: Chilllerr Combbinaatioon、OOperratiion Straateggy、AAnnuual Enerrgy Conssumpptioon1. 引言空调系统是是大型建建筑的主主要用能能系统，在对广州9幢综合楼建筑的能耗调查中，空调系统的能耗占建筑总能耗的比值平均为38.68%1；而冷热源又是空调系统中的主要用能设备，约占空调系统总能耗的55%65%2，因此，提高冷热源的运行效率，对降低建筑运行能耗具有十分重要的意义。建筑能耗调调查发现现，不合合适的冷冷机搭配配与粗糙糙的运行行管理使使得冷机机经常处处于低效效运行状状态，大大大增加加了建筑筑能耗。目目前国家家已推出能效效等级标标准来提提高冷水水机组的的性能参参数，但但如果在在冷冻站站设计中中，考虑虑合理的的冷机搭搭配选型型及其运行行策略，将有助于提高整个空调系统的运行效率，达到降低能耗目的。在目前的空空调系统统设计过过程中，冷机选型一般只考虑满足最不利工况下的要求，也就是选择的冷机的总制冷能力大于或等于最不利工况下的冷负荷即可，然而由于建筑物绝大部分时间处于部分负荷工况，因此，针对最不利工况的设计存在较大缺陷，在设计过程中，应当考虑建筑的全年运行情况。在此，本文主要针对全年运行情况，研究冷机的容量搭配对冷冻站全年运行能耗的影响，进而确定相对更优的冷机选型方案。另一方面，在在实际运运行中，大多是根据管理人员的经验进行控制，缺乏有效的运行管理策略，故亟需改进。然而由于影响空调系统优化控制的因素很多，如：何时需控制冷却水温度3、如何运行新风系统4等，故本文仅对多台冷机的运行策略进行研究，通过对比两种不同的运行策略对冷冻站全年能耗的影响，进而说明冷冻站运行策略对全年运行能耗的重要性。本文通过模模拟分析析方法，以以某系列各型号的的离心式式冷水机机组为冷冷机选型型样本，分析同一建筑、不同的冷机选型及不同运行策略对建筑运行能耗的影响。2. 冷冻站设备备选型及及运行策策略图1 冷机COP与冷却水进水温度、冷机负荷率的关系2.1 冷冷冻站设设备选型型本文以某系系列各型号的的离心式式冷水机机组为冷冷机选型型样本，表表1给出了了该系列列冷机的的相关信信息（包括冷机机的额定制制冷量、冷冷却水流流量和冷冻水水流量）。以冷冻水和和冷却水水系统均均为一次次泵定流流量系统统为例对对水泵进进行选型型。在水水泵选型型时，通通过冷机机样本可可以得到到水泵流流量，然然后计算算系统管管道压降降和相应应设备的的阻力可可以得到到水泵扬扬程；根据扬扬程和相相应的流流量，查查找水泵泵数据库库，选择择各冷机机在建筑筑中适用用的冷冻水水泵和冷冷却水泵泵。表11中给出的的泵耗为为相应冷冷机在北北京某一一办公楼楼的冷冻冻泵和冷冷却泵的的总装机机功率。每个型号的的冷机均均有如图1所示的的性能曲曲线（冷冷冻水出出水温度度为7），以此此建立冷冷机模型型，以考考察冷机机在不同同冷却水水进水温温度和不不同负荷荷率条件件下的逐逐时COOP及全全年运行行能耗。表1 某某系列各型号冷冷机的相相关信息息冷机编号额定制冷量量（冷吨吨）冷却水流量量（）冷冻水流量量（）泵耗（）1400286.77241.3331.42500355.22301.6639.13600426.55362.0046.94700496.77422.3354.75800569.00482.6662.661000710.99603.3378.271200856.55724.0094.181400994.88844.66109.55917001208.91025.6133.001019001345.41146.3148.331120001414.21206.6156.00当得到建筑筑冷负荷荷和冷机机型号的的信息后后，就可可以进行行冷冻站站设备选选型。例例如，北北京某一一办公楼楼的最大大冷负荷荷为22233冷冷吨，表表2列出了部部分可选选的冷机机搭配。表2 冷冷冻站设设备选型型相关信信息表冷冻站设备备选型方案方案 11400冷冷吨1400冷冷吨方案2400冷吨吨400冷吨吨2000冷冷吨方案3400冷吨吨400冷吨吨400冷吨吨2000冷冷吨2.2 冷冷机运行行策略当一栋建筑筑内的冷冷机选型型确定后后，在实实际运行行管理中中，存在在着多种种多样的的运行管理理策略，本本文仅对对比分析析“台阶阶式”运行方方案和“理想想化”运行方方案两种种运行策策略对建建筑全年年运行能能耗的影影响。这两种种方案中中的共同假假设为：当多多台冷机机同时开开启时，各各台冷机机的负荷荷率相同同，但其其最低负荷荷率为110%。下面分别以以一个案案例对两两种运行行策略进进行说明明。2.2.11 “台阶式式”运行方案案 某时刻建筑冷负荷Q某时刻应该运行的冷机Q50冷吨冷机不运行50<Q500冷吨500冷吨500<Q800冷吨800冷吨800<Q1000冷吨1000冷吨1000<Q1300冷吨500冷吨+800冷吨1300<Q1500冷吨500冷吨+1000冷吨1500<Q1800冷吨800冷吨+1000冷吨1800<Q2300冷吨500冷吨+800冷吨+1000冷吨表3 “台阶式”运行方案控制策略“台阶式”运行方方案，是是指将冷机机的各种种搭配组组合按照照制冷能能力的大大小排序序，在运运行时，选选取恰能能满足需需求的组组合形式式来开启启冷机。例如，当建建筑的最最大冷负负荷为222333冷吨，选选择三台台冷机，其装机容容量分别别为5000冷吨吨、8000冷吨和和10000冷吨吨，则三台台冷机的的制冷能能力共有有7种组组合：5500冷冷吨、8800冷冷吨、110000冷吨、113000冷吨（5500冷冷吨+8800冷冷吨）、115000冷吨(5500冷冷吨+110000冷吨)、118000冷吨(8800冷冷吨+110000冷吨)、223000冷吨(5500冷冷吨+8800冷冷吨+110000冷吨)。设QQ为某时时刻建筑筑的冷负负荷，则则“台阶式式”运行方方案控制制策略如如表3所示。2.2.22 “理想化化”运行方案案表4 冷机组合方式表组合方式冷机1冷机2最大制冷量最小制冷量600冷吨1200冷吨方式1开启关闭600冷吨60冷吨方式2关闭开启1200冷吨120冷吨方式3开启开启1800冷吨180冷吨“理想化”运行方方案，是是指当冷冷机选型型确定后后，根据据建筑的的逐时冷负负荷、冷却水水逐时进水水温度和和冷机的的COPP性能曲曲线，分分别计算算出满足足要求的的各种冷机机组合的的综合运行行效率，选选用效率率最高的的冷机组组合方式式为运行行方式。例如：某一一建筑的的最大冷冷负荷为为16000冷吨吨，并且且选择了了两台冷冷机，装装机容量量分别为为6000冷吨和和12000冷吨吨，如表表4所示，两两台冷机机共有三三种“理想化化”组合方方式。图2 “理想化”运行方案原理示意图当冷却水进进水温度度为322时，各各种组合合方式下下建筑冷冷负荷与与冷冻站站运行电电耗之间间的关系系如图22所示。从从图中可可以看出出，当建建筑冷负负荷大于于60冷冷吨且小小于6000冷吨吨时，采采用方式式1的运运行能耗耗最低；当建筑筑冷负荷荷大于6600冷冷吨且小小于11100冷冷吨时，采采用方式式2的运运行能耗耗最低；当建筑筑冷负荷荷大于111000冷吨时时，则采用方方式3运运行。通通过该方法，可可以得到到其他冷冷却水进进水温度度下的运运行方案案。3. 冷冻站能耗耗模拟计计算方法法在空调系统统设计过过程中，设设计者可可以选择择不同冷冷冻站设设备和不不同的运运行策略略，不同同的选择择将导致致不同的的能耗。为为对比分分析不同同设计之之间的优优劣，下面将建立一一个全年年逐时能耗耗模拟模模型，以以分析冷冷机、冷冷冻泵和和冷却泵泵的全年年能耗。3.1 全全年能耗耗模拟模模型简述述通过DeSST模拟拟软件，可可以得到到建筑的的全年逐逐时冷负荷，以以及建筑筑所在城城市的气气候数据据，在此此基础上上，建立立建筑全全年能耗耗模拟模模型，以以分析不不同冷机机选型及及不同运运行策略略下冷冻冻站的全全年能耗耗。图3给出出了全年年能耗模模拟的框框图。根据冷冷机性能能曲线建建立冷机机模型、并应用用上述冷冷机运行行策略和和下面所所述环节节进行冷冷冻站全全年能耗耗模拟。3.2 建建筑全年年逐时冷冷负荷建筑全年逐逐时冷负负荷可以以通过DDeSTT模拟得得到，其其中包括括建筑全全年逐时时冷负荷荷以及建建筑最大大冷负荷荷。图44给出了了北京某某一办公公楼的建建筑逐时时冷负荷荷，该建建筑最大大冷负荷荷为78854kkW，相相当于222333RT。冷机运行策略建筑全年逐时冷负荷室外气候冷却水进水温度 冷机模型DeST模拟系统综合模拟模型冷冻站设备选型建筑全年总能耗图3 全年年能耗模模拟模型型框图3.3 冷冷却水进进水温度度通过DeSST模拟拟，可以以得到北北京地区区室外逐时时湿球温温度，如如图5所示。冷冷却塔采采用同步步变频控控制，控控制冷却却水出水水温度。根据冷冷却塔风风量和冷冷却水水水量可以以得到冷冷却塔效效率，再再通过冷冷却塔和和冷机迭迭代计算算（主要考考虑热平平衡），可以以计算得得到冷却却塔风机机频率、冷冷却水进进水温度度（冷机机冷却水水出水温温度）和和冷却水水出水温温度（冷冷机冷却却水进水水温度）。图4 北京某一办公楼全年逐时冷负荷图5 北京室外全年逐时湿球温度（4月10月）4. 计算结果为说明冷冻冻站设备备选型及及运行策策略对其其运行能能耗的影影响，笔笔者进行行多组模模拟实验验。由于篇篇幅所限限，这里里仅列出出北京某某一办公公楼的模模拟结果果。北京某一办办公楼的的全年逐逐时冷负负荷如图图4所示，其其最大冷冷负荷为为22333冷吨吨，冷机机选型如如表2所示，共共选择了了三种冷冷机搭配配方式进进行模拟拟分析。北北京市室室外逐时时湿球温温度如图图5所示，通通过室外外湿球温温度可以以得到冷冷却水进进水温度度。根据据全年能能耗模拟拟模型，可可以得到到三种组组合方案案、两种种运行模模式下的的六种全全年运行行能耗，模模拟结果果如表55和图6所示。5. 分析与总结结表5 不同设备选型及运行策略下的冷冻站全年运行能耗表冷冻站设备选型冷冻站全年运行能耗(MWh)“台阶式”运行方案“理想化”运行方案方案 1619619方案 2655551方案 3644534图6 不同设备选型及运行策略下的冷冻站全年运行能耗根据模拟结结果，可可以看出出：（1）冷机机运行策策略对冷冷冻站运运行能耗耗的影响响当选用相同同型号冷机机且冷机机台数较较少时（如表2设备选选型方案案1），不不同的冷冷机运行行策略对对冷冻站站全年运运行能耗耗影响很很小。也也就是说说，冷机机的台数数越少，冷冷机的型型号越接接近，则则冷机运运行方式式对全年年运行能能耗的影影响越小小。当选用的冷冷机台数数较多且且型号多多样时（如如表2设备选选型方案案2和33），不不同的冷冷机运行行策略对对冷冻站站全年运运行能耗耗影响很很大。如如表5，方方案2中中“理想化化”运行方方式的能能耗是“台阶式式”运行方方式的884.11%，方方案3中中是822.9%。 （2）冷冻冻站设备备选型对对冷冻站站运行能能耗的影影响当系统采用用简单的的“台阶式式”运行方方案进行行管理时时，不同同的冷冻冻站设备备选型对对冷冻站站全年运运行能耗耗的影响响很小，且且没有明明显的规规律性。如如表5，方案2的运行能耗是方案1的1.06倍，方案3的运行能耗是方案1的1.04倍。当系统采用用“理想化化”运行方方案进行行管理时时，不同同的冷冻冻站设备备选型对对冷冻站站全年运运行能耗耗影响很很大。如如表5，方案2的运行能耗是方案1的89.0%，方案3的运行能耗是方案1的86.3%。也就是说，当采用“理想化”运行方案时，冷机型号多样且数量较多的选型方案的能耗会明显低于冷机型号单一且数量较少的选型方案。（3）空调调系统节节能在空调系统统节能方方面，除除了提高高单台冷冷机的性性能之外外，合理理的冷冻冻站设备备选型及及高效的的冷机运运行管理理方案也也是节约约能源的的重要手手段，而而且是更更快捷更更“绿色”的方法法。参考文献：1 陈陈伟青, 周孝孝清, 冀兆良良, 等等. 广州市市综合楼楼建筑能能耗调查查与节能能潜力分分析JJ. 制冷空空调与电电力机械械: 220077, 228(1118): 888-991.2 赵赵哲身. 公共建建筑空调调能耗分分析与节节能JJ. 建设科科技(建建设部): 20007, 7: 188-199.3 王王伟军. 中央央空调系系统的节节能运行行策略研研究JJ. 制冷与与空调: 20006, 6(2): 444-477.4 王王历, 李念平平, 龙舜舜心. 新风风系统经经济运行行控制策策略的分分析与研研究JJ. 暖通空空调: 20003, 33(2): 1229-1132.第一作者相相关信息息：姓名：陈毅兴性别：男出生年月：1984年年12月技术职称：清华大学本本科生通讯地址：北京市清华华大学建建筑节能能研究中中心邮编：1000884联系电话：13811134227977传真：(010)6277705544电子邮箱：Chenyyixiing00412