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。
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
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。
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
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。
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,℃。
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
以全制冷季下機(jī)組和水泵總的能耗最小為目標(biāo):
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。
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。
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。
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
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
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。
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。
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。