劉麗孺，呂崇花，王曉霞

(廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東廣州510006)

目前，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到:降低空調(diào)系統(tǒng)，尤其是中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗是降低建筑能耗的重要途徑之一.對(duì)影響中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的主要因素進(jìn)行分析是降低其能耗的前提條件.目前對(duì)系統(tǒng)能耗分析的方法有很多，主要包括空調(diào)系統(tǒng)單體設(shè)備能耗的定量分析、空調(diào)子系統(tǒng)能耗的定量分析以及系統(tǒng)設(shè)備能耗的仿真模擬研究［1-11］等.其中對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗的定量研究往往忽略了系統(tǒng)內(nèi)部各部分能耗之間的關(guān)聯(lián)性.中央空調(diào)系統(tǒng)的型式具有多樣性，本文選取具有代表性水冷冷水機(jī)組為冷源的中央空調(diào)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，通過(guò)建立從空調(diào)房間提取熱量到最終排放到環(huán)境中的整個(gè)能耗環(huán)路的能流分析模型，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制了典型工程應(yīng)用的能流圖.該模型既可以定量分析系統(tǒng)內(nèi)部各部分的能流變化規(guī)律及各能流之間的關(guān)聯(lián)性，又可以通過(guò)能流圖直觀地表達(dá)出系統(tǒng)各能流的方向及各部分能流的大小.

1 能流分析模型的建立

1.1 以水冷冷水機(jī)組為冷源的集中空調(diào)系統(tǒng)的能流鏈圖

以水冷冷水機(jī)組為冷源的集中空調(diào)系統(tǒng)，從空調(diào)房間提取熱量到最終排放到環(huán)境中，其完整的能流環(huán)路［12］如圖1所示.

圖1 以水冷冷水機(jī)組為冷源的集中空調(diào)系統(tǒng)能流鏈圖Fig.1 Energy flow chain chart of central air conditioning system with water-cooled chiller

從圖1中可以看出，該集中空調(diào)系統(tǒng)包含室內(nèi)空氣環(huán)路、冷凍水環(huán)路、制冷劑環(huán)路、冷卻水環(huán)路和室外排熱環(huán)路5個(gè)連續(xù)的子環(huán)路，每個(gè)子環(huán)路都由特定的換熱設(shè)備和耗能設(shè)備組成，各子環(huán)路之間分別以末端冷卻盤管、蒸發(fā)器、冷凝器和冷卻塔等4種換熱設(shè)備為能流聯(lián)系的橋梁，使得空調(diào)系統(tǒng)各子系統(tǒng)的能流緊密聯(lián)系在一起.

1.2 能流分析模型

本文分析的前提條件是各空調(diào)區(qū)域的空調(diào)效果滿足室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)要求，因此能流分析將按照?qǐng)D1從左到右的順序依次進(jìn)行分析.對(duì)于末端的室內(nèi)空氣環(huán)路，為了滿足空調(diào)區(qū)域的熱舒適性及室內(nèi)空氣品質(zhì)，末端的冷卻盤管提供的冷量，既要消除室內(nèi)的余熱和滿足新風(fēng)負(fù)荷及再熱負(fù)荷(若存在再熱系統(tǒng))，還要承擔(dān)冷風(fēng)輸送過(guò)程的傳熱和輸送設(shè)備－風(fēng)機(jī)的機(jī)械能所轉(zhuǎn)變的熱量.因此，對(duì)末端冷卻盤管列能量平衡方程有

式中，QPG，Q，QXF，QZR分別為冷卻盤管的冷負(fù)荷、房間的冷負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷和再熱負(fù)荷，kW;CFJ為風(fēng)機(jī)的耗功率，kW;LSS為送風(fēng)系統(tǒng)的冷損失，kW.其中，風(fēng)機(jī)的耗功率可直接測(cè)量出來(lái)，其他幾個(gè)負(fù)荷量需要測(cè)量相應(yīng)的風(fēng)量和焓值間接計(jì)算出來(lái)，它們的計(jì)算式分別為Q=mSF(hHF－h(huán)SF);QXF=mXF(hXF－h(huán)HF);QZR=mSF(hSF－h(huán)L);LSS=LSF+LXL;LSF=ΔmSF(hHF－h(huán)SF);LXL=ΔmXL(hXF－h(huán)SF).式中，mSF、mXF、△mSF、△mXL分別為送風(fēng)量、新風(fēng)量、送風(fēng)管道與房間的風(fēng)量?jī)粜孤读?，kg/s;hHF，hSF，hXF，hL分別為回風(fēng)、送風(fēng)、新風(fēng)和冷卻盤管機(jī)器露點(diǎn)的焓值，kJ/kg;LSF為風(fēng)管由于一定溫升而產(chǎn)生的冷損失，kW;LXL為通過(guò)風(fēng)管等不嚴(yán)密處所產(chǎn)生的泄露冷損失，kW.

對(duì)冷凍水環(huán)路，蒸發(fā)器的冷負(fù)荷包括冷卻盤管的冷負(fù)荷，冷凍水輸送過(guò)程的傳熱和輸送設(shè)備－水泵的機(jī)械能所轉(zhuǎn)變的熱量.因此，列蒸發(fā)器的能量平衡方程有

式中，QZF為蒸發(fā)器提供的冷量，kW;CLS為冷凍水泵的耗功率(可直接測(cè)量)，kW;LLS為冷水輸送管道與外界的熱交換而引起的冷負(fù)荷，kW;其計(jì)算式為L(zhǎng)LS=CMΔT，C為水的熱kJ/(kg·℃);M為冷凍水水流量，t/h;ΔT為蒸發(fā)器出水溫度與末端換熱設(shè)備進(jìn)水溫度的差值，℃.

對(duì)制冷劑環(huán)路，列冷凝器的能量平衡方程有

式中，QLN為冷凝器的熱負(fù)荷，kW;CYS為壓縮機(jī)的耗功率，kW.

同理，對(duì)冷卻水環(huán)路，列冷卻塔的能量平衡方程:

對(duì)最右邊的室外排熱環(huán)路，若沒(méi)有能量回收，則最終全部排放耗散到大氣中的能量L為

式中，QLT、CLQ為冷卻塔的換熱量和冷卻水泵的耗功率，kW;L為空調(diào)系統(tǒng)排放到室外大氣中的總能量，kW;CLT為冷卻塔風(fēng)機(jī)的耗功率，kW.

1.3 能流分析的可視化

能流圖，也叫?；芰科胶鈭D［13-15］，是將能流可視化的一種數(shù)據(jù)分析方法.圖中各分支的寬度對(duì)應(yīng)著各股能流的大小，箭頭代表能流流動(dòng)方向.?；鶊D最明顯特征就是:所有主支寬度的總和應(yīng)與所有分出去的分支寬度的總和相等，始終保持能量平衡.

聯(lián)合式(1)～(5)可以看出，以水冷冷水機(jī)組為冷源的集中空調(diào)系統(tǒng)，各環(huán)路間的能流是通過(guò)各中間換熱設(shè)備緊密聯(lián)系在一起的.每個(gè)環(huán)路中的換熱設(shè)備，都存在著能量平衡關(guān)系.為了保證空調(diào)區(qū)域的空調(diào)效果，空調(diào)區(qū)域的冷負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷、再熱負(fù)荷和冷風(fēng)輸送過(guò)程的傳熱及風(fēng)機(jī)的能耗所轉(zhuǎn)變的熱量，決定了末端冷卻盤管負(fù)荷的大小;該末端冷卻盤管負(fù)荷連同冷凍水輸送環(huán)路的能耗及傳熱損失，又變成了制冷機(jī)組蒸發(fā)器需負(fù)擔(dān)的負(fù)荷;蒸發(fā)器的冷負(fù)荷和壓縮機(jī)的耗功一起，又變成了冷凝器的熱負(fù)荷;冷凝器的熱負(fù)荷和冷卻水輸送過(guò)程中水泵、風(fēng)機(jī)的能耗一起，最終全部通過(guò)冷卻塔排放到室外大氣中.

可見(jiàn)，對(duì)于一個(gè)實(shí)際集中空調(diào)工程，只要能實(shí)測(cè)出式(1)～(5)中相應(yīng)的物理量，就可以繪制出該工程的能流圖，從而實(shí)現(xiàn)能流分析的可視化，并通過(guò)該圖很容易地看出整個(gè)系統(tǒng)能流的大小，各部分的能量平衡關(guān)系及能量損失，識(shí)別出主要的能流，為該系統(tǒng)的節(jié)能提供有用的信息.

2 能流圖分析實(shí)例

2.1 實(shí)際能流圖

下面將結(jié)合一具體的工程實(shí)例，來(lái)說(shuō)明上述能流分析的具體應(yīng)用.該工程位于廣州市，是一棟23層辦公建筑;夏季空調(diào)總負(fù)荷為6 000 kW，選擇2臺(tái)2 400 kW的離心式冷水機(jī)組和1臺(tái)1 200 kW的螺桿式冷水機(jī)組;空調(diào)設(shè)計(jì)供回水溫度7/12℃，冷卻水供回水32/37℃，選用4臺(tái)冷凍水泵和冷卻水泵，5臺(tái)冷卻塔.空調(diào)系統(tǒng)采用一次回風(fēng)定風(fēng)量全空氣系統(tǒng).

2012年7月對(duì)該建筑的集中空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了連續(xù)1周的實(shí)測(cè).根據(jù)實(shí)測(cè)的平均數(shù)據(jù)，通過(guò)公式(1)～(5)計(jì)算出各環(huán)路的各能流，并以辦公區(qū)的空調(diào)負(fù)荷為基準(zhǔn)進(jìn)行折算，最終繪制出為了消除辦公區(qū)1 kW余熱量，該空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際能流圖，如圖2所示.

可以清晰地看出，實(shí)際能流圖中各環(huán)路中主要有3種能流:(1)各換熱設(shè)備的負(fù)荷Q，(2)各耗能設(shè)備的能耗C;(3)由于和外界的熱交換及管道、設(shè)備等的不嚴(yán)密引起的泄漏能量損失L.

2.2 實(shí)際能流分析

從圖2可以看出，為了消除辦公區(qū)1 kW余熱量，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)最終需要向環(huán)境排放1.787 kW的熱量.其中，在消除辦公區(qū)余熱量的同時(shí)，需要消除的新風(fēng)負(fù)荷也較顯著(占空調(diào)區(qū)域冷負(fù)荷的16%).此外，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)耗能設(shè)備的能耗所占比例比較顯著，占空調(diào)區(qū)域負(fù)荷的比例高達(dá)59.3%(將圖2中各耗能設(shè)備的能耗相加得出).其中水冷機(jī)組的能耗占很大一部分，達(dá)到38%，水冷機(jī)組的能耗依舊是節(jié)能的重點(diǎn);盡管各動(dòng)力設(shè)備風(fēng)機(jī)和水泵的耗電比例不大，但它們的能耗總和也達(dá)到了制冷機(jī)組能耗一半的比例，達(dá)21.3%，該部分能耗應(yīng)該受到重視.輸送過(guò)程中的各種損失所占的比例較小，總共3.4%左右，說(shuō)明管路的保溫和嚴(yán)密性做得相對(duì)較好.

圖2 水冷式冷水機(jī)組一次回風(fēng)定風(fēng)量全空氣系統(tǒng)夏季實(shí)際工況能流圖Fig.2 On-site energy flow diagram for air conditioning system of constant air volume with water-cooled chiller

2.3 節(jié)能措施分析

通過(guò)上述能流分析，影響整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗的主要因素是:新風(fēng)負(fù)荷、制冷機(jī)組的能耗和輸配系統(tǒng)的能耗.應(yīng)主要針對(duì)這幾個(gè)方面提出相應(yīng)的節(jié)能措施:

(1)新風(fēng)負(fù)荷的正負(fù)取決于室外新風(fēng)焓值hXF與室內(nèi)空氣焓值hHF的相對(duì)大小.當(dāng)hXF＞hHF時(shí)，新風(fēng)負(fù)荷為正，增加了末端冷卻盤管負(fù)荷.此時(shí)，在滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)的條件下，盡可能地采用最小的新風(fēng)量.當(dāng)hXF＜hHF時(shí)，新風(fēng)負(fù)荷為負(fù)值，在能流圖中表示新風(fēng)負(fù)荷的箭頭和空調(diào)區(qū)域負(fù)荷的箭頭方向相反，這意味著新風(fēng)在抵消部分或全部室內(nèi)負(fù)荷.因此，此時(shí)應(yīng)加大新風(fēng)量或全新風(fēng)運(yùn)行，充分利用這種免費(fèi)供冷來(lái)有效降低空調(diào)系統(tǒng)的總能耗.

(2)該系統(tǒng)中水冷機(jī)組在設(shè)計(jì)條件下的COP值為5.1，但實(shí)測(cè)值僅為3.61.經(jīng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，機(jī)組的冷卻水進(jìn)水溫度達(dá)到33.6℃，比設(shè)計(jì)的32℃高出了1.6℃，從而使機(jī)組的制冷量下降，COP降低.應(yīng)充分利用冷卻塔的換熱面積，優(yōu)化冷卻塔的運(yùn)行條件，提高其換熱效率，降低冷卻塔的出水溫度，為水冷機(jī)組具有較高的制冷量創(chuàng)造條件.

(3)根據(jù)換熱量公式Q=CMΔT可知，Q一定時(shí)，可以采用大溫差送風(fēng)和加大水系統(tǒng)供回水溫差，均能有效降低風(fēng)機(jī)和水泵的能耗.該系統(tǒng)中送風(fēng)系統(tǒng)、冷水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫差分別為13℃、5℃、5℃，實(shí)際運(yùn)行溫差分別為10℃、4.2℃、4℃，這是由于風(fēng)機(jī)水泵選型、調(diào)節(jié)不當(dāng)，導(dǎo)致大流量、小溫差運(yùn)行，應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備選型及運(yùn)行調(diào)節(jié)方面的管理，來(lái)有效降低動(dòng)力設(shè)備風(fēng)機(jī)和水泵的能耗，最終達(dá)到降低系統(tǒng)總能耗的目的.

3 結(jié)論

(1)建立了以水冷冷水機(jī)組為冷源的集中空調(diào)系統(tǒng)整個(gè)環(huán)路的能流分析模型，并通過(guò)能流圖直觀地表現(xiàn)出來(lái)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)各部分的能流及能流之間的聯(lián)系.

(2)能流圖分析法是分析一個(gè)完整空調(diào)系統(tǒng)能流情況的有效工具.

(3)作為應(yīng)用實(shí)例，用能流圖分析法分析了某辦公樓一次回風(fēng)定風(fēng)量全空氣集中空調(diào)系統(tǒng)的能流情況，識(shí)別出影響整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗的主要因素是:新風(fēng)負(fù)荷、制冷機(jī)組的能耗和輸配系統(tǒng)的能耗，并主要針對(duì)這幾個(gè)方面提出了相應(yīng)的節(jié)能措施.

［1］胡瑋，陳立定.基于Trnsys的水冷型中央空調(diào)系統(tǒng)建模與仿真［J］.系統(tǒng)仿真技術(shù)，2011，7(3):218-222.Hu W，Chen L D.Modeling and simulation of a watercooled central Air conditioning system based on trnsys［J］.System Simulation Technology，2011，7(3):218-222.

［2］尹余生.管內(nèi)插件在臥式中央熱水機(jī)組中強(qiáng)化傳熱的應(yīng)用［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24(1):47-49.Yin Y S.Application of inserts to horizontal-type central Hot water supplier for heat transfer enhancement［J］.Journal of Guangdong University of Technology，2007，24(1):47-49.

［3］呂琪銘，王長(zhǎng)宏，黃璞潔.亞熱帶地區(qū)校園建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29(2):63-67.Lv Q M，Wang C H，Huang P J.Analysis of application of energy saving technology to air conditioning systems on the subtropical campus［J］.Journal of Guangdong University of Technology，2012，29(2):63-67.

［4］孟華，龍惟定，王盛衛(wèi).適于系統(tǒng)仿真的冷卻塔模型及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［J］.暖通空調(diào)，2004，34(7):1-5.Meng H，Long W D，Wang S W.Cooling tower model for system simulation and experiment validation［J］.HV＆AC，2004，34(7):1-5.

［5］Andrew Kusiak，Mingyang Li，F(xiàn)an Tang.Modeling and optimization of HVAC energy consumption［J］.Applied Energy，2010，87(10):3092-3102.

［6］Nelson Fumo，Pedro Mago，Rogelio Luck.Methodology to estimate building energy consumption using EnergyPlus Benchmark Models［J］.Energy and Buildings，2010，42(12):2331-2337.

［7］Alessandro Beghi，Luca Cecchinato，Mirco Rampazzo.A multi-phase genetic algorithm for the efficient management of multi-chiller systems［J］.Energy Conversion and Management，2011，52(11):1650-1661.

［8］Kusiak A，Li M Y.Cooling qutput optimization of an air handling unit［J］.Applied Energy，2010，87(3):901-909.

［9］Bertagnolio S，Lebrun J.Simulation of a building and its HVAC system with an equation solver:Application to audit［J］.Building Simulation，2010，3(2):139-152.

［10］Wang Y，Cai W，Soh Y，Li S，et al.A simplified modeling of cooling coils for control and optimization of HVAC systems［J］.Energy Conversion and Management，2004，45(18):2915-2930.

［11］Yu F W，Chan K T.Optimization of water-cooled chiller system with load based speed control［J］.Applied Energy，2008，85(10):931-950.

［12］Luis Perez-Lombard，Jose Ortiz，Ismael R.Maestre.The map of energy flow in HVAC systems［J］.Applied Energy，2011，88(12):5020-5031.

［13］Mario Schmidt.The Sankey diagram in energy and material flow management Part I:History［J］.Journal of Industrial Ecology，2008，12(2):173-185.

［14］Mario Schmid.The Sankey diagram in energy and material flow management Part II:methodology and current applications［J］.Journal of Industrial Ecology，2008，12(1):82-94.

［15］謝士晨，陳長(zhǎng)虹，李莉，等.2006年中國(guó)能流圖［J］.中國(guó)能源，2009，31(3):21-23.Xie S C，Chen C H，Li L，et al.Chinese energy flow diagram in2006［J］.Chinese Energy Source，2009，31(3):21-23.