涂岱昕 夏宏偉 趙雅峰

天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司

對(duì)設(shè)計(jì)而言，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備均是按照滿負(fù)荷設(shè)計(jì)，對(duì)于常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)，冷水機(jī)組與冷凍水泵均為定頻，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，制冷機(jī)組壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和流經(jīng)冷凍水泵的流量并不能隨負(fù)荷的降低而減小，因此常規(guī)的定頻系統(tǒng)存在很大節(jié)能潛力。而在本文研究的變頻系統(tǒng)（一級(jí)泵變流量），冷水機(jī)組和冷凍水泵均為變頻，機(jī)組壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和通過(guò)冷凍水泵的流量隨負(fù)荷的變化而改變，從而可以有效降低機(jī)組和冷凍水泵的能耗，從而達(dá)到“按需供應(yīng)”。本文結(jié)合實(shí)例，通過(guò)模擬的方法，以定量地探究一級(jí)泵變流量系統(tǒng)的節(jié)能效益。

1 能耗模型

以天津某大型三甲綜合醫(yī)院為研究對(duì)象，主要包含門(mén)診樓和住院樓兩大主體建筑，首先，利用DESIGNBUILDER 能耗模擬軟件，分別對(duì)門(mén)診樓和住院樓進(jìn)行制冷季的逐時(shí)能耗模擬。設(shè)定制冷時(shí)間為5月1 日～10 月31 日，門(mén)診樓每天運(yùn)行時(shí)間為8:00～18:00，共計(jì)10 小時(shí)，住院每天24 小時(shí)運(yùn)行。圖1 為軟件輸出的可視化模型，門(mén)診樓（左）+住院樓（右）。圖2為模擬得到的制冷季逐時(shí)總冷負(fù)荷（門(mén)診樓+住院樓）統(tǒng)計(jì)圖。

圖1 綜合醫(yī)院DB 可視化模型

圖2 醫(yī)院制冷季逐時(shí)冷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)圖

由模擬結(jié)果得到空調(diào)系統(tǒng)制冷季最大冷負(fù)荷為9941 kW，配置3 臺(tái)變頻離心式電制冷機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組額定制冷量為3516 kW，冷凍水循環(huán)水泵（變頻）4 臺(tái)，3 工1 備。設(shè)備具體選型表如表1：

表1 空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備表

2 系統(tǒng)設(shè)備模型

設(shè)計(jì)選用變頻離心式冷水機(jī)組，其主機(jī)與常規(guī)機(jī)組一致，但電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置是以變頻器為核心的交流變頻驅(qū)動(dòng)裝置。變頻驅(qū)動(dòng)裝置[1]是根據(jù)冷水出水溫度與設(shè)定值的溫差和壓縮機(jī)的壓頭來(lái)優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)速和導(dǎo)流葉片的開(kāi)度，從而使機(jī)組在部分負(fù)荷下效率最高。輸送系統(tǒng)采用一級(jí)泵變流量系統(tǒng)：冷源側(cè)、負(fù)荷側(cè)均為變流量，負(fù)荷側(cè)回水干管上設(shè)高精度靈敏流量計(jì)，循環(huán)水泵采用相同型號(hào)的變頻泵。當(dāng)流量大于冷機(jī)允許的最小流量時(shí)，主機(jī)側(cè)、負(fù)荷側(cè)均變流量運(yùn)行，根據(jù)壓差信號(hào)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)負(fù)荷側(cè)流量低于冷機(jī)允許的最小流量時(shí)，打開(kāi)旁通管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，改為冷源側(cè)定流量運(yùn)行，負(fù)荷側(cè)變流量運(yùn)行，水泵定頻運(yùn)行，根據(jù)壓差信號(hào)調(diào)節(jié)旁通管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，維持壓差不變，始終保證冷機(jī)流量不低于允許的最小流量。系統(tǒng)流程圖如圖3 所示。

圖3 一級(jí)泵變流量系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)主要變頻設(shè)備為冷水機(jī)組和冷凍水泵，在分析系統(tǒng)能耗之前，需要對(duì)各個(gè)設(shè)備建立變負(fù)荷工況下的設(shè)備模型，以得到整個(gè)制冷季設(shè)備的逐時(shí)運(yùn)行情況。本文的模型建立方法是通過(guò)設(shè)備運(yùn)行的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合的方法，進(jìn)而得到設(shè)備的數(shù)學(xué)模型。

2.1 變頻冷水機(jī)組模型

冷水機(jī)組的主要模型參數(shù)如下：

式中：COPi為i 時(shí)刻機(jī)組的能效比；PLRi為i 時(shí)刻機(jī)組的負(fù)荷率；Qe0為機(jī)組的額定制冷量，kW；Qe,i為i 時(shí)刻機(jī)組實(shí)際制冷量，kW；Pc,i為i 時(shí)刻冷水機(jī)組功率，kW。

本文研究的冷水機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)/出口設(shè)計(jì)水溫為12/7 ℃，冷凝器側(cè)進(jìn)/出口設(shè)計(jì)水溫為32/37 ℃，不同負(fù)荷率下變頻和定頻冷水機(jī)組的制冷量和功率測(cè)試數(shù)據(jù)如表2：

表2 部分負(fù)荷下變頻與定頻冷水機(jī)組性能參數(shù)表

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)擬合，分別得到變頻機(jī)組和定頻機(jī)組在不同制冷量（即負(fù)荷率）下的COP 變化，如圖4、圖5 所示。

圖4 變頻機(jī)組不同制冷量下COP 曲線圖

圖5 定頻機(jī)組不同制冷量下COP 曲線圖

2.2 變頻水泵模型

水泵工作點(diǎn)是水泵性能曲線和管網(wǎng)阻力曲線的交點(diǎn)，分析變頻水泵運(yùn)行工況時(shí)，為繪制管網(wǎng)阻力曲線，首先要確定水泵進(jìn)出口的壓差，即水泵的靜揚(yáng)程。由于本系統(tǒng)控制的是冷凍水系統(tǒng)主干管之間的壓差，水泵的靜揚(yáng)程取為管網(wǎng)的阻力，水泵的揚(yáng)程大于靜揚(yáng)程時(shí)才可出水，管網(wǎng)阻力曲線如圖6 中的R 曲線。當(dāng)流經(jīng)水泵的流量發(fā)生變化時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速由變?yōu)椋霉ぷ鼽c(diǎn)則由A 點(diǎn)變?yōu)锽 點(diǎn)。

圖6 水泵運(yùn)行工況點(diǎn)圖解

本文通過(guò)收集當(dāng)負(fù)荷和流量變化時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下水泵能耗數(shù)據(jù)，通過(guò)擬合得到流量Q 與頻率f，功率P之間的關(guān)系，可用如式（3）表示：

式中：Ve,i為i 時(shí)刻冷凍水流量，m3/h；Ppe,i為i 時(shí)刻冷凍水泵功率，kW；fe,i為i 時(shí)刻冷凍水泵頻率，Hz。

確定了設(shè)備模型后，還需要運(yùn)行約束條件將設(shè)備模型連接，使之成為系統(tǒng)運(yùn)行模型。

3 系統(tǒng)運(yùn)行模型

3.1 冷凍水系統(tǒng)運(yùn)行約束條件

如果忽略設(shè)備及管道與空氣之間的換熱情況，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，冷水機(jī)組蒸發(fā)器中的換熱量等于冷凍水循環(huán)送出的冷量，表示如下：

式中：ρe為冷凍水密度，kg/m3；ce為冷凍水比熱容，kJ/(kg·℃)；ΔTe,i為蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差，℃。

3.2 冷水機(jī)組負(fù)荷率約束

由于冷水機(jī)組在低負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)容易發(fā)生喘振的現(xiàn)象，造成設(shè)備損壞，因此本文擬定冷水機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率不小于50%，以保證系統(tǒng)的安全性。冷負(fù)荷與機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)的關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 不同負(fù)荷對(duì)應(yīng)的機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)表

3.3 模型優(yōu)化目標(biāo)

以全制冷季下機(jī)組和水泵總的能耗最小為目標(biāo)：

3.4 優(yōu)化變量

冷水機(jī)組：逐時(shí)運(yùn)行臺(tái)數(shù)Ni，逐時(shí)運(yùn)行負(fù)荷率PLRi，逐時(shí)制冷量Qe,i，逐時(shí)功率Pc,i；

冷凍水泵：逐時(shí)流量Ve,i，逐時(shí)轉(zhuǎn)速比ke,i，逐時(shí)功率Pe,i。

3.5 優(yōu)化求解方法

此優(yōu)化模型為有約束的非線性優(yōu)化問(wèn)題，由于需要逐時(shí)計(jì)算，204 天，共計(jì)4896 h，數(shù)據(jù)較多，因此本文利用Matlab 編程輔助計(jì)算。

4 優(yōu)化結(jié)果分析

4.1 夏季典型日系統(tǒng)運(yùn)行分析

取8 月15 日作為典型日，冷水機(jī)組與水泵運(yùn)行情況見(jiàn)圖7。

圖7 夏季典型日系統(tǒng)逐時(shí)耗電圖

從早上八點(diǎn)開(kāi)始，冷負(fù)荷大幅增加，帶來(lái)冷機(jī)和水泵的耗電的快速增長(zhǎng)，在十點(diǎn)左右耗電達(dá)到峰值，之后隨著時(shí)間推移，冷機(jī)和水泵的耗電開(kāi)始慢慢下降。冷機(jī)耗電隨時(shí)間推移，變化幅度較大，對(duì)負(fù)荷變化的敏感性較強(qiáng)，而水泵功耗的變化則較為平穩(wěn)。此外，機(jī)組功率在18:00 有一個(gè)與負(fù)荷變化趨勢(shì)相反的增長(zhǎng)，是由于當(dāng)前負(fù)荷下，受到最小負(fù)荷率的限制，機(jī)組由兩臺(tái)運(yùn)行變?yōu)橐慌_(tái)運(yùn)行，單臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷率較高，COP 下降，導(dǎo)致機(jī)組整體的耗電增加。

4.2 變頻系統(tǒng)能耗分析

全制冷季下變頻系統(tǒng)各設(shè)備逐時(shí)能耗圖見(jiàn)圖8，總能耗見(jiàn)表4。

圖8 變頻系統(tǒng)制冷季設(shè)備逐時(shí)能耗圖

表4 變頻系統(tǒng)全年能耗表

4.3 定頻系統(tǒng)能耗分析

機(jī)組和水泵定頻時(shí)，系統(tǒng)全制冷季各設(shè)備逐時(shí)能耗圖見(jiàn)圖9，總能耗見(jiàn)表5。

圖9 定頻系統(tǒng)制冷季設(shè)備逐時(shí)能耗圖

表5 定頻系統(tǒng)全年能耗表

4.4 系統(tǒng)節(jié)能性分析

變頻系統(tǒng)與定頻系統(tǒng)各項(xiàng)能耗對(duì)比見(jiàn)圖10。

圖10 變頻系統(tǒng)與定頻系統(tǒng)能耗對(duì)比圖

與定頻系統(tǒng)相比，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的變頻系統(tǒng)機(jī)組節(jié)能率39.1%，水泵節(jié)能率48.6%，總體節(jié)能率達(dá)到40.3%，系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效益。

4.5 系統(tǒng)投資回收期分析

變頻冷水機(jī)組較定頻冷水機(jī)組每臺(tái)投資增量為30 萬(wàn)，變頻水泵較定頻水泵每臺(tái)投資增量為1 萬(wàn)，變頻系統(tǒng)總投資增量為94 萬(wàn)。

變頻系統(tǒng)每年節(jié)能電量為1009584 kWh。

天津地區(qū)電價(jià)：

峰值：1.2898 元/kWh（8:00～11:00、18:00～23:00）；

尖峰電價(jià)：峰值附加10%，8:00～11:00、18:00～22:00，1.2898×1.1=1.4188 元/kWh；

平值：0.8443 元/kWh（7:00～8:00、11:00～18:00）；

低谷：0.4188 元/kWh（23:00～7:00）。

峰值平均價(jià)：(1.2898×5+1.4188×3)/8=1.3382 元/kWh。

1）住院部分電價(jià)：

由于夜間空調(diào)負(fù)荷較小，用電較少，因此三部分權(quán)重為峰值:平值:低谷=40%:40%:20%。

住院部分電價(jià)=1.3382×0.4+0.8443×0.4+0.4188×0.2=0.96 元/kWh。

2）門(mén)診部分電價(jià)=(1.2898×2+1.4188+0.8443×7)/10=1.00 元/kWh。

其中住院部分空調(diào)面積約4.5 萬(wàn)m2。門(mén)診醫(yī)技部分空調(diào)面積約5.5 萬(wàn)m2。

綜合電價(jià)=0.96×0.45+1.0×0.55=0.99 元/kWh。

變頻系統(tǒng)每年可節(jié)省電費(fèi)1009584×0.99=999488元，投資增量回收期為940000/999488=0.94 年，由此得出變頻系統(tǒng)對(duì)于本醫(yī)院建筑經(jīng)濟(jì)、節(jié)能性都很良好。

5 結(jié)論

本文基于天津某大型三甲醫(yī)院為研究對(duì)象，針對(duì)一級(jí)泵變流量系統(tǒng)，分別建立了能耗模型、設(shè)備模型、系統(tǒng)運(yùn)行模型，通過(guò)對(duì)模型的編程求解，得到機(jī)組和水泵變頻的系統(tǒng)逐時(shí)運(yùn)行策略以及全制冷季的能耗值，通過(guò)與定頻系統(tǒng)相比，系統(tǒng)可節(jié)約40.3%的耗電量，節(jié)能效益顯著。投資增量回收期為0.94 年，經(jīng)濟(jì)性良好。本文的研究方法也為同類型的醫(yī)院建筑空調(diào)系統(tǒng)分析提供了一定的參考。