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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 张张晓亮 燕燕达 王闯闯 陈权 夏夏建军 石石文星 李李先庭 江江亿 三菱重工株株式会社：入谷阳一一郎 上田田宪治摘要：在建建筑节能方方面，空调调系统的节节能至关重重要。除了了提高单台台设备的性性能参数，通过保温温等手段减减少室内负负荷外，合合理的设备备选型和适当的运行行管理也能能达到节能能的效果。本文主要研究不同的冷冻站设备选型及不同的冷冻站运行策略对冷冻站全年运行能耗的影响。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、运运行策略、全年运行能耗Reseaarch on EEquippmentt Sizzing of CCooliing PPlantt andd Inffluennce oof Coontrool Sttrateegy tto Opperattion Enerrgy PPerfoormannceYixinng CHHEN1), Xiaoolianng ZHHANG11), DDa YAAN1), CChuanng WAANG1), Quann CHEEN1), Jiannjun XIA11), Wenxiing SSHI1), Xiiantiing LLI1), YYi JIIANG11), Yochhiro IRITTANI22), KKenjii UEDDA2)1)(Tssinghhua UUniveersitty) 2) (Mittsubiishi Heavvy Inndusttriess, Lttd.)Abstrract: In oorderr to reduuce tthe bbuildding enerrgy cconsuumptiion oof air-ccondiitionn sysstem, impproving tthe pperfoormannce oof eqquipmmentss andd usinng alll kiinds of mmethoods tto reeducee thee buiildinng looad aare bboth effeectivve. On thhe otther handd, reeasonnablee dessign and manaagemeent aalso can playy an avaiilabiilityy rolle. TThis papeer iss maiinly to ssimullate somee effeect facttors of tthe aannuaal ennergyy connsumpptionn of air-ccondiitionning systeem. TThe ffactoors rreseaarcheed arre diifferrent typees off chiillerr commbinaationn andd difffereent ooperaationn strrateggies of cchilller, whicch maay leead ddiffeerentt eneergy conssumpttion. Thee sysstem combbinattion simuulatiion mmodell preesentted iin thhis ppaperr is mainnly tto siimulaate tthe aannuaal hoourlyy eneergy conssumpttion baseed onn thee buiildinng looad rresullt annd thhe weeatheer daata.Key wwordss: Chilller CCombiinatiion、OOperaationn Strattegy、Annual Energy Consumption1. 引言空调系统是是大型建筑筑的主要用用能系统，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，不不合适的冷冷机搭配与与粗糙的运运行管理使使得冷机经经常处于低低效运行状状态，大大大增加了建建筑能耗。目目前国家已已推出能效等等级标准来来提高冷水水机组的性性能参数，但但如果在冷冷冻站设计计中，考虑虑合理的冷冷机搭配选选型及其运行策策略，将有有助于提高高整个空调调系统的运运行效率，达达到降低能能耗目的。在目前的空空调系统设设计过程中中，冷机选型一一般只考虑虑满足最不利利工况下的的要求，也也就是选择择的冷机的的总制冷能能力大于或或等于最不不利工况下下的冷负荷即可可，然而由于于建筑物绝大部分分时间处于于部分负荷荷工况，因此此，针对最最不利工况况的设计存存在较大缺缺陷，在设设计过程中中，应当考考虑建筑的的全年运行行情况。在在此，本文文主要针对对全年运行行情况，研研究冷机的的容量搭配对对冷冻站全年年运行能耗耗的影响，进进而确定相相对更优的冷机机选型方案案。另一方面，在在实际运行行中，大多多是根据管管理人员的的经验进行行控制，缺缺乏有效的的运行管理理策略，故亟需改进进。然而由于于影响空调调系统优化化控制的因因素很多，如：何时需需控制冷却却水温度3、如如何运行新新风系统4等，故本文仅对多台冷机的运运行策略进进行研究，通过对比两两种不同的的运行策略略对冷冻站站全年能耗耗的影响，进进而说明冷冷冻站运行行策略对全全年运行能能耗的重要要性。本文通过模模拟分析方方法，以某某系列各型号的离离心式冷水水机组为冷冷机选型样样本，分析析同一建筑筑、不同的冷冷机选型及及不同运行行策略对建建筑运行能能耗的影响响。2. 冷冻站设备备选型及运运行策略图1 冷机COP与冷却水进水温度、冷机负荷率的关系2.1 冷冷冻站设备备选型本文以某系系列各型号的离离心式冷水水机组为冷冷机选型样样本，表11给出了该该系列冷机的的相关信息息（包括冷机的额定制冷冷量、冷却却水流量和和冷冻水流流量）。以冷冻水和和冷却水系系统均为一一次泵定流流量系统为为例对水泵泵进行选型型。在水泵泵选型时，通通过冷机样样本可以得得到水泵流流量，然后后计算系统统管道压降降和相应设设备的阻力力可以得到到水泵扬程程；根据扬程程和相应的的流量，查查找水泵数数据库，选选择各冷机机在建筑中中适用的冷冻水泵泵和冷却水水泵。表11中给出的泵泵耗为相应应冷机在北北京某一办办公楼的冷冷冻泵和冷冷却泵的总总装机功率率。每个型号的的冷机均有有如图1所示的性性能曲线（冷冷冻水出水水温度为77），以此建立立冷机模型型，以考察察冷机在不不同冷却水水进水温度度和不同负负荷率条件件下的逐时时COP及及全年运行行能耗。表1 某某系列各型号冷机机的相关信息冷机编号额定制冷量量（冷吨）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和和冷机型号号的信息后，就可以以进行冷冻冻站设备选选型。例如如，北京某某一办公楼楼的最大冷冷负荷为22233冷冷吨，表22列出了部分分可选的冷冷机搭配。表2 冷冷冻站设备备选型相关关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 冷冷机运行策策略当一栋建筑筑内的冷机机选型确定定后，在实实际运行管管理中，存存在着多种种多样的运运行管理策略，本本文仅对比比分析“台阶式式”运行方案案和“理想化化”运行方案案两种运行行策略对建建筑全年运运行能耗的的影响。这两种方方案中的共同假设设为：当多台台冷机同时时开启时，各各台冷机的的负荷率相同同，但其最低负荷率为110%。下面分别以以一个案例例对两种运运行策略进进行说明。2.2.11 “台阶式”运行方案 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”运行方案案，是指将冷机的的各种搭配配组合按照照制冷能力力的大小排排序，在运运行时，选选取恰能满满足需求的的组合形式式来开启冷冷机。例如，当建建筑的最大大冷负荷为为22333冷吨，选选择三台冷冷机，其装机容量量分别为5500冷吨吨、800冷冷吨和10000冷吨，则三台冷冷机的制冷冷能力共有有7种组合合：5000冷吨、8000冷吨、10000冷吨吨、13000冷吨（5000冷吨+8000冷吨）、11500冷冷吨(5000冷吨+10000冷吨吨)、18800冷吨吨(8000冷吨+10000冷吨吨)、23300冷吨吨(5000冷吨+8000冷吨+10000冷吨吨)。设Q为为某时刻建建筑的冷负负荷，则“台阶式”运行方案案控制策略略如表3所示。2.2.22 “理想化”运行方案表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”运行方案案，是指当冷机机选型确定定后，根据据建筑的逐逐时冷负荷荷、冷却水逐时时进水温度度和冷机的COOP性能曲曲线，分别别计算出满满足要求的的各种冷机组合的的综合运行效效率，选用用效率最高高的冷机组组合方式为为运行方式式。例如：某一一建筑的最最大冷负荷荷为16000冷吨，并并且选择了了两台冷机机，装机容容量分别为为600冷冷吨和12200冷吨吨，如表4所示，两两台冷机共共有三种“理想化”组合方式式。图2 “理想化”运行方案原理示意图当冷却水进进水温度为为32时，各种种组合方式式下建筑冷冷负荷与冷冷冻站运行行电耗之间间的关系如如图2所示示。从图中中可以看出出，当建筑筑冷负荷大大于60冷冷吨且小于于600冷冷吨时，采采用方式11的运行能能耗最低；当建筑冷冷负荷大于于600冷冷吨且小于于11000冷吨时，采采用方式22的运行能能耗最低；当建筑冷冷负荷大于于11000冷吨时，则采用方式3运行。通过该方法，可以得到其他冷却水进水温度下的运行方案。3. 冷冻站能耗耗模拟计算算方法在空调系统统设计过程程中，设计计者可以选选择不同冷冷冻站设备备和不同的的运行策略略，不同的的选择将导导致不同的的能耗。为为对比分析析不同设计计之间的优优劣，下面将建立一个个全年逐时时能耗模拟拟模型，以以分析冷机机、冷冻泵泵和冷却泵泵的全年能能耗。3.1 全全年能耗模模拟模型简简述通过DeSST模拟软软件，可以以得到建筑筑的全年逐逐时冷负荷，以以及建筑所所在城市的的气候数据据，在此基基础上，建建立建筑全全年能耗模模拟模型，以分析不同冷机选型及不同运行策略下冷冻站的全年能耗。图3给出了全年能耗模拟的框图。根据冷机性能曲线建立冷机模型、并应用上述冷机运行策略和下面所述环节进行冷冻站全年能耗模拟。3.2 建建筑全年逐逐时冷负荷荷建筑全年逐逐时冷负荷荷可以通过过DeSTT模拟得到到，其中包包括建筑全全年逐时冷冷负荷以及及建筑最大大冷负荷。图图4给出了了北京某一一办公楼的的建筑逐时时冷负荷，该该建筑最大大冷负荷为为78544kW，相相当于22233RTT。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 全年年能耗模拟拟模型框图图3.3 冷冷却水进水水温度通过DeSST模拟，可以以得到北京京地区室外外逐时湿球温温度，如图图5所示。冷却却塔采用同同步变频控控制，控制制冷却水出出水温度。根据冷却却塔风量和和冷却水水水量可以得得到冷却塔塔效率，再再通过冷却却塔和冷机机迭代计算算（主要考虑虑热平衡），可以计计算得到冷冷却塔风机机频率、冷冷却水进水水温度（冷冷机冷却水水出水温度度）和冷却却水出水温温度（冷机机冷却水进进水温度）。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选选型及运行行策略对其其运行能耗耗的影响，笔者进行多组模拟实验。由于篇幅所限，这里仅列出北京某一办公楼的模拟结果。北京某一办办公楼的全全年逐时冷冷负荷如图图4所示，其其最大冷负负荷为22233冷吨吨，冷机选选型如表22所示，共共选择了三三种冷机搭搭配方式进进行模拟分分析。北京京市室外逐逐时湿球温温度如图55所示，通通过室外湿湿球温度可可以得到冷冷却水进水水温度。根根据全年能能耗模拟模模型，可以以得到三种种组合方案案、两种运运行模式下下的六种全全年运行能能耗，模拟拟结果如表表5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，可以以看出：（1）冷机机运行策略略对冷冻站站运行能耗耗的影响当选用相同同型号冷机且且冷机台数数较少时（如表2设备选型型方案1），不不同的冷机机运行策略略对冷冻站站全年运行行能耗影响响很小。也也就是说，冷冷机的台数数越少，冷冷机的型号号越接近，则则冷机运行行方式对全全年运行能能耗的影响响越小。当选用的冷冷机台数较较多且型号号多样时（如如表2设备选型型方案2和和3），不不同的冷机机运行策略略对冷冻站站全年运行行能耗影响响很大。如如表5，方方案2中“理想化”运行方式式的能耗是是“台阶式”运行方式式的84.1%，方方案3中是82.9%。 （2）冷冻冻站设备选选型对冷冻冻站运行能能耗的影响响当系统采用用简单的“台阶式”运行方案案进行管理理时，不同同的冷冻站站设备选型型对冷冻站站全年运行行能耗的影影响很小，且且没有明显显的规律性性。如表55，方案22的运行能能耗是方案案1的1.06倍，方方案3的运运行能耗是是方案1的的1.044倍。当系统采用用“理想化”运行方案案进行管理理时，不同同的冷冻站站设备选型型对冷冻站站全年运行行能耗影响响很大。如如表5，方方案2的运运行能耗是是方案1的的89.00%，方案案3的运行行能耗是方方案1的886.3%。也就是是说，当采采用“理想化”运行方案案时，冷机机型号多样样且数量较较多的选型方方案的能耗耗会明显低低于冷机型型号单一且且数量较少少的选型方方案。（3）空调调系统节能能在空调系统统节能方面面，除了提提高单台冷冷机的性能能之外，合合理的冷冻冻站设备选选型及高效效的冷机运运行管理方方案也是节节约能源的的重要手段段，而且是是更快捷更更“绿色”的方法。参考文献：1 陈陈伟青, 周孝清, 冀兆良良, 等. 广州市综综合楼建筑筑能耗调查查与节能潜潜力分析J. 制冷空调调与电力机机械: 22007, 28(118): 888-91.2 赵赵哲身. 公共建筑筑空调能耗耗分析与节节能J. 建设设科技(建建设部): 20007, 77: 18-19.3 王王伟军. 中央空调调系统的节节能运行策策略研究J. 制冷与空空调: 22006, 6(22): 44-47.4 王王历, 李念平平, 龙舜心心. 新风系系统经济运运行控制策策略的分析析与研究J. 暖通空调调: 20003, 33(22): 1129-1132.第一作者相相关信息：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筑筑节能研究究中心邮编：1000884联系电话：1381113427797传真：(010)6277705444电子邮箱：Chenyyixinng04maills.tssinghhua.eedu.ccn9