李 超 劉 東

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840； 2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

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冷水機(jī)組配置及運(yùn)行策略探討

李 超1劉 東2

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840； 2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

以某品牌某系列離心式冷水機(jī)組的運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從配置臺(tái)數(shù)、配置方式及運(yùn)行策略三方面，分析了影響冷水機(jī)組運(yùn)行能耗的主要因素，對(duì)實(shí)際工程中冷水機(jī)組的運(yùn)行調(diào)節(jié)有一定的參考價(jià)值。

冷水機(jī)組，機(jī)組配置，運(yùn)行策略，負(fù)荷率

0 引言

冷水機(jī)組是空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組的節(jié)能對(duì)降低空調(diào)系統(tǒng)能耗具有十分重要的意義。在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，相同冷量需求下，不同的機(jī)組臺(tái)數(shù)、容量的配置都會(huì)影響冷水機(jī)組的運(yùn)行能耗，而在相同機(jī)組配置條件下，不同的運(yùn)行策略也會(huì)導(dǎo)致冷水機(jī)組的能耗不同[1]。

1 冷水機(jī)組的臺(tái)數(shù)及配置方式

查閱文獻(xiàn)[2]發(fā)現(xiàn)公共建筑中離心式冷水機(jī)組應(yīng)用最為廣泛，因此本文以某品牌的某個(gè)系列的離心式冷水機(jī)組(400 RT～2 000 RT)的運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行相應(yīng)分析。冷水機(jī)組的配置臺(tái)數(shù)選取2臺(tái)～4臺(tái)，配置方式分為“對(duì)稱設(shè)計(jì)”和“非對(duì)稱設(shè)計(jì)”，“非對(duì)稱設(shè)計(jì)”又分為“N大配一小”和“N小配一大”?！皩?duì)稱設(shè)計(jì)”即將設(shè)計(jì)容量按照冷機(jī)臺(tái)數(shù)進(jìn)行平均分配，選用相同型號(hào)機(jī)組；“非對(duì)稱設(shè)計(jì)”即采用不同容量的主機(jī)大小搭配。

多臺(tái)機(jī)組選型配置方案見表1。

表1 多臺(tái)機(jī)組選型配置方案

2 冷水機(jī)組的運(yùn)行控制策略

根據(jù)調(diào)查及查閱文獻(xiàn)[3]，共擬定4種運(yùn)行方案：

方案一：逐臺(tái)啟動(dòng)，相同負(fù)荷率運(yùn)行。

以2臺(tái)冷水機(jī)組為例，先開啟1臺(tái)冷水機(jī)組來滿足冷量需求；當(dāng)系統(tǒng)冷負(fù)荷大于1臺(tái)冷水機(jī)組最大制冷量時(shí)，由兩臺(tái)機(jī)組按相同的負(fù)荷率承擔(dān)系統(tǒng)負(fù)荷。

方案二：臺(tái)階式運(yùn)行。

將冷水機(jī)組的所有搭配形式按照制冷量大小排序，運(yùn)行時(shí)選取恰好能滿足當(dāng)下冷量需求的配置形式。以(800×3+400)RT的配置為例，將4臺(tái)冷水機(jī)組進(jìn)行如下編號(hào)：400 RT機(jī)組為A1，3臺(tái)800 RT機(jī)組依次為A2,A3和A4，這4臺(tái)冷水機(jī)組的制冷量共有7種組合，如表2所示，按照臺(tái)階式運(yùn)行的控制策略見表3。

表2 方案二冷水機(jī)組的組合方式 RT

表3 臺(tái)階式運(yùn)行方案的控制策略 RT

方案三：最優(yōu)的相同負(fù)荷率運(yùn)行方案。

計(jì)算出冷機(jī)所有配置形式在不同冷負(fù)荷需求下的綜合運(yùn)行效率，運(yùn)行過程中根據(jù)建筑實(shí)時(shí)冷負(fù)荷選用效率最高的配置方式運(yùn)行，開啟的機(jī)組均以相同負(fù)荷率運(yùn)行。仍以800×3+400的配置為例，計(jì)算7種配置方式在不同冷負(fù)荷需求下的綜合COP。

理想的運(yùn)行方式即在每個(gè)負(fù)荷率區(qū)間采用綜合COP值最高的機(jī)組配置。

最優(yōu)的相同負(fù)荷率運(yùn)行方案控制策略見表4。

表4 最優(yōu)的相同負(fù)荷率運(yùn)行方案控制策略

方案四：基于負(fù)荷分配的優(yōu)化方案。

1)冷水機(jī)組基于負(fù)荷分配的優(yōu)化策略控制邏輯。

該方案指的是將各型號(hào)的冷水機(jī)組的功率—負(fù)荷率進(jìn)行公式擬合，對(duì)給定的冷量需求，以機(jī)組群總能耗最小為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行最優(yōu)化求解，求得的各機(jī)組負(fù)荷率可使機(jī)組群的綜合COP最高。

圖1中，Q為空調(diào)系統(tǒng)總負(fù)荷;Ni為各冷水機(jī)組的耗功率N與負(fù)荷率PLR的函數(shù)關(guān)系,Ni=f(PLRi)；Xi為求解出的每臺(tái)冷水機(jī)組的最優(yōu)運(yùn)行負(fù)荷率；Qi為每臺(tái)冷水機(jī)組應(yīng)承擔(dān)的冷負(fù)荷，即制冷量。

2)冷水機(jī)組耗功率N與機(jī)組負(fù)荷率PLR之間的關(guān)系。

機(jī)組的耗功率N與部分負(fù)荷率PLR可以近似表述為n次多項(xiàng)式的關(guān)系：

(1)

其中，ai，bi，ci,…,fi均為待擬合的系數(shù)。

根據(jù)冷水機(jī)組廠商提供的數(shù)據(jù)，擬合獲得該系列的冷水機(jī)組耗功率N與負(fù)荷率PLR的函數(shù)關(guān)系,見表5。

表5 冷水機(jī)組功率—負(fù)荷率擬合公式

目標(biāo)方程及約束條件：

目標(biāo)方程：

(2)

約束條件：

(3)

其中，Nch為機(jī)組群總能耗，kW；Qe,i為第i臺(tái)冷水機(jī)組的額定制冷量，kW；Xi為冷水機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率，范圍0.1～1.0；Q為建筑的實(shí)時(shí)冷負(fù)荷需求。

優(yōu)化問題即求解式(2)的最小值，故約束條件為負(fù)荷匹配約束：冷水機(jī)組的總制冷量應(yīng)等于建筑物的實(shí)時(shí)冷負(fù)荷。

3 不同方案的運(yùn)行結(jié)果分析

當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)，不同的負(fù)荷區(qū)段存在不同的開機(jī)組合策略，各方案的系統(tǒng)能耗也不同。本文對(duì)各運(yùn)行策略在制冷季的綜合性能系數(shù)COP綜進(jìn)行分析，進(jìn)而尋找最節(jié)能的運(yùn)行策略。

COP綜=COP10·τ10+COP20·τ20+…+COP100·τ100

(4)

其中，COP綜為冷水機(jī)組群在制冷季的綜合COP；COPn為冷水機(jī)組群在系統(tǒng)負(fù)荷率為n%時(shí)的COP值；τn為冷水機(jī)組群在系統(tǒng)負(fù)荷率為n%時(shí)的時(shí)間頻數(shù)。

結(jié)合實(shí)例建筑空調(diào)系統(tǒng)的部分負(fù)荷頻數(shù)，得到冷水機(jī)組群制冷季的綜合性能系數(shù)，見表6。

表6 不同方案的冷水機(jī)組整個(gè)制冷季的綜合性能系數(shù)

3.1 相同機(jī)組配置不同運(yùn)行策略的運(yùn)行效率

以800×3+400的配置為例，圖2為該配置在4種運(yùn)行策略下的綜合COP對(duì)比圖。

從圖2中可以看出，方案一運(yùn)行效率最低，方案二運(yùn)行策略效率稍高一些，方案三的效率是三種常規(guī)策略中最高的，運(yùn)行效率最高的是優(yōu)化方案四。經(jīng)分析，其余7種機(jī)組配置方式也遵循相似規(guī)律，此處不再贅述。

對(duì)于優(yōu)化方案四，由于各負(fù)荷率下的機(jī)組負(fù)荷分配方式均是經(jīng)最優(yōu)化求解得到，故對(duì)于本文中固定配置的機(jī)組群，無論在何種氣候條件下，空調(diào)負(fù)荷時(shí)間頻數(shù)如何變化，該方案的制冷季綜合COP值都為最高。

3.2 相同運(yùn)行策略機(jī)組不同配置的運(yùn)行效率

現(xiàn)對(duì)不同配置的冷水機(jī)組在相同的運(yùn)行策略下的運(yùn)行效率進(jìn)行對(duì)比分析，運(yùn)行策略選取常規(guī)運(yùn)行策略中能效比最高的方案三與優(yōu)化方案四(見表7)。

表7 不同機(jī)組配置方式下冷水機(jī)組的制冷季綜合COP

從表7可以看出對(duì)于對(duì)稱設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案四與方案三綜合COP相同，即對(duì)于N臺(tái)相同容量的冷水機(jī)組配置，開啟機(jī)組始終按照相同負(fù)荷率運(yùn)行是最節(jié)能的。隨著配置冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)增多，機(jī)組整個(gè)制冷季的運(yùn)行效率也升高。

對(duì)于非對(duì)稱設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案四比方案三效率更高。從表7中可以看出：1)在N大配一小或者N小配一大的同類配置形式中，隨著配置冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)增多，機(jī)組制冷季的運(yùn)行效率升高；2)N大配一小的配置形式比N小配一大的配置形式運(yùn)行效率高。

對(duì)比對(duì)稱設(shè)計(jì)與非對(duì)稱設(shè)計(jì)，方案三的對(duì)稱設(shè)計(jì)效率高于非對(duì)稱設(shè)計(jì)，而優(yōu)化方案非對(duì)稱設(shè)計(jì)高于對(duì)稱設(shè)計(jì)。這是因?yàn)闄C(jī)組以相同負(fù)荷率運(yùn)行有利于型號(hào)相同的機(jī)組配置，而優(yōu)化后的方案充分發(fā)揮了機(jī)組大小搭配的靈活性與可調(diào)節(jié)性，所以非對(duì)稱設(shè)計(jì)效率更高。

實(shí)際工程中采用對(duì)稱設(shè)計(jì)較多，這是因?yàn)檫x用同型號(hào)同冷量的主機(jī)使得機(jī)房布置、零部件的互換和檢修非常方便，機(jī)組間可互為備用，且實(shí)際應(yīng)用中常與相同負(fù)荷率的運(yùn)行策略相結(jié)合，運(yùn)行效率確實(shí)較高，故對(duì)稱設(shè)計(jì)應(yīng)用比較廣泛。由本文分析可見，單一冷源形式條件下，采用非對(duì)稱設(shè)計(jì)在最優(yōu)的負(fù)荷分配條件下運(yùn)行效率更高，可以進(jìn)行推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

通過對(duì)不同配置方式及運(yùn)行策略的對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：1)基于最優(yōu)化負(fù)荷分配的運(yùn)行策略效率最高。2)隨著配置冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)增多，機(jī)組制冷季的運(yùn)行效率升高。3)常規(guī)運(yùn)行策略下，對(duì)稱設(shè)計(jì)的效率高于非對(duì)稱設(shè)計(jì)；優(yōu)化運(yùn)行策略下，非對(duì)稱設(shè)計(jì)的效率高于對(duì)稱設(shè)計(jì)。4)多臺(tái)冷水機(jī)組配置的非對(duì)稱設(shè)計(jì)中，N大配一小的配置形式比N小配一大的配置形式運(yùn)行效率高。

[1] 吳祥生,劉兆勇.重慶市既有建筑能耗調(diào)查分析[A].全國暖通空調(diào)制冷2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2008.

[2] 范存養(yǎng),楊國榮,葉大法.高層建筑空調(diào)設(shè)計(jì)及工程實(shí)錄[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014.

[3] Braun J E.Applications of optimal control to chilled water systems without storage[J].ASHRAE Transactions,1989,95(PartⅠ):663-675.

Inquiry on cold water chiller configuration and operation strategies

Li Chao1Liu Dong2

(1.ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd,Beijing100840,China; 2.TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Taking the centrifugal cold water chiller operation testing data of the famous brand as the base, starting from three aspects of allocation number, allocation methods and operation strategies, the paper analyzes major factors influencing cold water chiller operation and energy dissipation, which has certain guiding value for cold water chiller operation and adjustment in actual engineering.

cold water chiller, chiller configuration, operation strategy, load rate

1009-6825(2016)32-0136-03

2016-09-04

李 超(1989- )，女，助理工程師

TU831

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