基于热舒适的空调系统变水温节能 [PDF全文]
(1东南大学能源与环境学院, 南京 210096)

为研究部分负荷下满足建筑所有房间热舒适要求的空调系统变冷冻水温优化运行策略及其节能潜力,以某办公建筑为研究对象,构建了空调末端仿真模型.并基于最不利房间的负荷变化研究不同负荷率下冷冻水温变化对室内舒适度的影响规律,提出了基于房间负荷率变化的空调系统最佳冷冻水温分时段优化运行策略并进行节能分析.结果表明:为保证室内环境满足热舒适要求,当房间最大负荷率低于60%时,冷冻水供水温度可提高至15 ℃,若房间负荷率长时间高于85%,冷冻水温需维持在7 ℃; 在供冷季采用提出的变冷冻水温优化策略运行,相比按7 ℃定水温运行,冷水机组能耗最少可节约12.6%,因而具有较好的节能效果.

Energy saving of variable chilled water temperature in air conditioning system based on thermal comfort
Chen Ying1,Liang Caihua1,Zhang Jianzhong2,Zhang Xiaosong1
(1School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)(2Nanjing Architectural Design and Research Institute Company, Nanjing 210014, China)

To study the optimal operation strategy of air-conditioning system with variable chilled water temperature that meeting the thermal comfort requirements of all rooms under the partial load and the achievable energy saving effect, an office building was taken as a research object. A simulation model of the air conditioner terminal was constructed and the load rate of the most adverse room was selected as input parameters, so as to analyze the influence law of the temperature variation of the chilled water on indoor thermal comfort. And the optimal chilled water temperature of the air-conditioning system based on the change of the room load rate was proposed and the energy conservation analysis was conducted. The results show that when the room load rate is lower than 60% at all times, the chilled water supply temperature can be increased to 15 ℃. However, when the room load rate is higher than 85% for a long time, the chilled water temperature can only be maintained at 7 ℃. In the cooling season, compared with setting the chilled water temperature at 7 ℃, the energy consumption of the unit can be reduced at least by 12.6% using the variable chilled water temperature thus it is an energy saving strategy.

引言

现有的能耗调研数据表明,2018年我国建筑运行的总能耗约占全国能源消费总量的22%[1],且近年来我国城镇新建建筑面积仍在大幅增长,建筑运行能耗所占比重逐年增加,因而建筑节能意义重大.而空调系统耗能是建筑能耗的主要组成部分,约占建筑总能耗的30%~50%[2],因此,提高空调系统的用能效率是实现建筑节能的有效途径.

在设计阶段,空调系统设备通常依据建筑的峰值负荷进行选型,但大多时间系统实际运行负荷低于设计负荷的60%[3-4],导致以额定工况下性能最佳为目标设计的空调系统实际运行效率较低,需通过优化其在部分负荷下的运行参数提升系统的能效.对此,学者们开展了大量的研究,其中,提高冷冻水温可显著提升冷水机组的运行效率,实现系统节能.刘金平等[5]对JW10-4型6排表冷器和冷水机组模拟计算发现,当机组负荷率为60%时,冷冻水温取13.6 ℃,COP可增大13.3%,且对于室内相对湿度要求不高的舒适性空调影响不大.Thu等[6]通过实验研究证明,冷冻供水温度每升高1 ℃,冷水机组的COP提升约3.5%,制冷量提高约4%.江楚遥等[7]基于空调系统仿真模拟发现,当室内回风干球温度为28 ℃时,冷冻供水温度从7 ℃升至15 ℃,机组COP可提高约21.1%,但系统除湿量下降96.4%.此外,学者们还探讨了实现空调系统变冷冻水温运行的控制调节方法.Gidwani[8]提出了依据回水温度、房间或室外环境等参数变化对空调系统部分负荷下的冷冻水供水温度进行优化.Braun等[9]开发了一种非线性优化算法,基于冷冻水系统运行性能最优确定冷冻水供水温度设定值.Kaya[10]则根据室外温度的变化设定冷冻水供水温度,将蒸发温度控制在较高水平.Zhu等[11-12]通过带有前馈的模型预测控制(MPC)设置冷冻水供水温度以降低空调系统能耗,同时还提出一种基于线性变参数(LPV)模型的控制器,保持部分负荷下空调系统冷冻水温的稳定性.文献[13-15]针对多台冷水机组并联运行时冷冻水温的最优化进行了研究.

综上所述,目前关于空调系统变冷冻水温的研究主要集中在分析设备运行性能或实现冷冻水温调节的控制,较少结合室内热舒适进行研究.这导致变冷冻水温技术在实际应用过程中主要根据经验调节规律,无法充分挖掘其节能潜力.为此,本文针对满足建筑所有房间舒适度要求的变冷冻水温优化策略和节能效果进行了研究.以某办公建筑为研究对象,首先通过PMV-PPD热舒适模型探索满足不同舒适度要求的室内温湿度设定范围,然后建立空调末端变冷冻水温性能仿真模型,以最不利房间负荷作为输入参数,研究部分负荷下改变冷冻水供水温度对室内热舒适的影响,从而获得基于房间负荷率变化的最佳冷冻水温分时段调节规律和优化运行策略,并对该建筑冷水机组变冷冻水温优化运行过程进行了节能分析.

1 建筑室内舒适温湿度设定范围

预测平均投票(PMV)和预测不满意百分比(PPD)是目前应用最广泛的热舒适指标,在住宅及办公等有稳定室内环境的建筑中具有较高的评价精度.本文根据PMV和PPD的变化规律,研究办公建筑室内舒适温湿度参数的设定范围.根据《民用建筑室内热湿环境评价标准》[16],室内舒适度可分3个级别,如表1所示.其中,舒适性空调应至少满足Ⅱ级要求.

表1 室内舒适度等级划分

表1 室内舒适度等级划分

基于Fanger[17]提出的PMV-PPD热舒适模型和CBE热舒适计算工具[18],在下列假设条件下评价办公建筑室内的热环境,确定满足热舒适要求的不同空气温湿度组合:

1)室内办公人员穿着为夏季典型着装,服装热阻为0.077 5(m2·K)/W;

2)为避免产生吹风感,设定室内空气流速为0.2 m/s;

3)人们在办公建筑的活动主要以坐着办公为主,新陈代谢率为69.78 W/m2;

4)假设平均辐射温度等于室内干球温度.

计算结果如图1所示,相对湿度保持在40%~70%时,满足Ⅰ级舒适度的空气温度范围为23.4~27.5 ℃,满足Ⅱ级舒适度时温度范围扩大至21.9~29.2 ℃.由图可知,在Ⅰ级舒适度要求下,当空气温度高于26.7 ℃后,温度每提高0.1 ℃,可接受的相对湿度上限降低约3.6%.这是因为湿度对人体蓄热和皮肤温度的影响与蒸发温度热损失的变化有关[19],故随着温度升高,高湿度对热舒适的影响更加明显.

图1 满足不同舒适度要求的空气温湿度组合

图1 满足不同舒适度要求的空气温湿度组合

2 末端设备变冷冻水温仿真模型

基于热湿平衡原理建立风机盘管加独立新风空调系统的空气处理过程数学模型,即

hac=(hawomaw+hafomaf)/(ma)(1)

hn=(Qn)/(ma)+hac(2)

dn=(Wn)/(ma)+dac(3)

ma=maw+maf(4)

式中, hawo、hafo、hac和hn分别为新风机组送风状态点焓值、风机盘管处理后的送风状态点焓值、混合送风状态点焓值及室内负荷的空气状态点焓值,kJ/kg; maw、maf和ma分别为房间新风量、回风量和送风量,kg/s; dac和dn别为混合送风点和承担湿负荷后室内空气状态点含湿量,kg/kg; Qn为房间冷负荷,kW; Wn为房间湿负荷,kg/s.其中,风机盘管和新风送风状态点可由表冷器仿真模型计算.表冷器模型借鉴文献[20]提出的参数集总方法建立,模型参数由不同工况下实测样本数据获取,该模型已被验证能较好表征表冷器在变冷冻水供水温度工况下的性能变化,计算方程组可表示为

ε1,b=(tai-tao)/(tai-twi,b)=(1-e-NTU(1-γ))/(1-γe-NTU(1-γ))(5)

ε2,b=1-(tao-tso)/(tai-tsi)=1-exp((-αo,bFb)/(ma,bcp,a))(6)

NTU=(KbFb)/(ma,bcp,a)(7)

γ=(ma,bcp,a)/(mw,bcp,w)(8)

Qb=ma,b(hai,b-hao,b)=mw,bcp,w(two,b-twi,b)(9)

对于湿工况,采用等价干工况方法计算,得到湿工况出风参数为

tao=tai2,b(tai-t3)(10)

tso=tao-(1-ε2,b)(tai-tsi)(11)

干工况出风参数为

tao=tai1,b(tai-twi,b)(12)

tso=tLi-((tao-tLi)(tsi-tLi))/((tai-tLi))(13)

式中,ε1,b为表冷器传热效能; ε2,b为表冷器接触系数; tai和tao为空气进、出口干球温度,℃; twi,b和two,b分别为冷冻水供、回水温度,℃; NTU为表冷器传热单元数; γ为热容比; tsi和tso为空气进、出口湿球温度,℃; Kb为表冷器总传热系数,kW/(m2·℃); αo,b为表冷器空气侧换热系数,kW/(m2·℃); Fb为表冷器总换热面积,m2; ma,b和mw,b分别为空气和水流量,kg/s; cp,a和cp,w分别为空气和水的比定压热容; Qb为表冷器供冷量,kW; hai,b和hao,b分别为空气进、出口焓值,kJ/kg; t3为进、出口空气状态点延长线与饱和线的交点(即机器露点)温度,℃; tLi为干工况对应的露点温度,℃.

进行模型仿真时,假设房间送风量恒为风机盘管的额定高档风量,会议室和办公室的新风量分别为20和30 m3/人,人员占有率分别为0.3和0.1人/m2; 室内初始状态参数按比空调开启前室外温度低2 ℃、相对湿度55%设定; 一般多个房间用一个新风机组,处理新风量为各房间新风量总和,假设各时刻新风量不变; 风机盘管和新风机组的冷冻水流量按额定工况设定,分别改变冷冻水供水温度为7、9、11、13、15和17 ℃,计算得到室内逐时干球温度、相对湿度和满足舒适度要求的冷冻水供水温度.

3 空调系统变冷冻水温优化运行策略

以某办公建筑为对象(典型房间具体参数见表2),基于上述模型研究冷冻水温变化对室内舒适性的影响规律及满足所有房间舒适度要求的空调系统变冷冻水温优化运行策略.由于冷冻水供水温度变化会影响末端所有房间的换热,为保证优化调节过程中所有房间均满足舒适性要求,应选择最不利房间(即在空调系统90%以上运行时间内,房间逐时负荷占末端设备额定负荷比例最大的房间)的负荷变化作为模型输入参数,房间夏季逐时冷负荷可由DeST软件模拟得到.

表2 典型房间具体参数

表2 典型房间具体参数

3.1 典型房间负荷分析

办公建筑房间主要功能为办公室和会议室,综合考虑房间朝向、面积、窗墙比和楼层等对室内负荷影响较大的因素选择典型房间(见表2),对各房间负荷变化情况进行分析.空调系统运行时间均为7:00—20:00,12:00午休,人员在室率假设不变,其中会议室使用时间较为随机,具备主观性,考虑其工作日均开启的最不利情况.

气象数据对建筑负荷变化有重要影响,研究过程中采用DeST软件提供的当地典型气象年气象参数进行计算,该数据是基于往年实测逐日数据的逐时变化规律生成的,如图2所示.夏季高温主要出现在6—9月,最热为7月,日最高温度为36.8 ℃.全年太阳辐射量为1 271.34 kW /m2,年日照时数为4 344 h.

图2 当地典型气象参数统计

图2 当地典型气象参数统计

图3为供冷季各典型房间空调负荷率随时间变化的情况.可发现,在90%以上的空调运行时间内,办公室3的房间空调负荷率均高于其他房间,故选择办公室3作为研究对象.

图3 供冷季典型房间空调负荷率随时间变化

图3 供冷季典型房间空调负荷率随时间变化

3.2 冷冻水供水温度变化对室内舒适性的影响

为比较低、中、高负荷率工作日下,冷冻水供水温度变化对室内舒适性的影响程度,分别选择日最大负荷率为58.67%(6月4日)、77.15%(8月6日)和94.08%(7月19日)的工作日进行分析,房间逐时空调负荷率变化情况如图4所示.

图4 最不利房间不同工作日空调负荷率随时间变化

图4 最不利房间不同工作日空调负荷率随时间变化

图5为上述3种工况下室内空气温、湿度在不同冷冻水供水温度下的变化情况.由图可知,当冷冻水温不变时,室内逐时干球温度变化与房间负荷变化趋势一致,这是因为室内空气温度是由房间内得热和失热、维护结构内表面的温度及通风等因素构成的热平衡所决定的.而相对湿度的变化趋势则与干球温度相反,原因在于若室内余热量增大,余湿量不变,则热湿比增大,室内状态点向热、干方向变化.而随着冷冻水供水温度的升高,各时刻室内干球温度、相对湿度均呈上升趋势,其中,相对湿度增幅较小,主要原因是末端设备的冷冻水流量假定为额定流量,较大流量对除湿量的提升可部分抵消由于冷冻水供水温度提高带来的不利影响.同时新风机组型号较大,换热除湿性能较强,当引入新风焓值较低时,新风终态含湿量较低,甚至可承担部分室内湿负荷.由图5可知,若日最大负荷率低于60%,水温提升到15 ℃时,室内温度在23.5~27 ℃内变化,相对湿度处于58%~69%,任意时刻室内空气状态均至少满足Ⅱ级热舒适要求,而在8月6日最大负荷率高于75%的工况下,冷冻水温提高至11 ℃,部分时刻的PMV值已高于0.5,对热环境的不满意率(PPD 值)提高,在7月19日,由于房间负荷率长时间高于85%,且室外气象条件恶劣,房间热湿负荷余量增大,冷冻水温需降低至7 ℃才能满足室内舒适温湿度的要求.

同时可发现,各时刻在相同负荷率下,满足舒适性要求的冷冻水温上限值不同.从图4图5可发现,7月19日10:00和16:00时房间负荷率接近,分别为90.7%和91.07%.10:00时若将冷冻水供水温度从7 ℃提高到9 ℃,室内干球温度从27.33 ℃升高至28.95 ℃,相对湿度由42.7%增大至43.1%,此时PMV值仍小于1,满足Ⅱ级舒适度要求,而相同冷冻水温变化条件下,16:00时室内干球温度已超过29.2 ℃,室内环境无法达到舒适性要求.这是因为相同负荷率对应的室外气象条件不同,影响新风处理过程,导致实际送风状态点存在差异.

图5 不同工作日冷冻水温变化对室内参数影响

图5 不同工作日冷冻水温变化对室内参数影响

3.3 空调系统变冷冻水温优化运行策略制定

室外气象和房间空调负荷率的日变化具有规律性,在7:00—9:00,工作人员陆续进入大楼开始上班,随着各种设备的启动,室内空调负荷快速上升,但室外温度和太阳辐射量较低; 9:00—18:00时间段内,人员的在室率稳定,空调负荷主要受室外气象变化和围护结构蓄热影响,先增大后降低; 之后人员陆续离开,房间负荷率继续下降,室外干球温度和太阳辐射量也持续降低.研究结果统计也表明,部分时刻由于空调负荷率和室外气象条件变化趋势相似,冷冻水供水温度与房间负荷率之间对应规律基本一致.故为便于调节,可将空调运行时间分为4个供冷时段,分别建立各时段最佳冷冻水供水温度优化调节规律,时段划分如表3所示.

表3 变冷冻水温调节时段划分

表3 变冷冻水温调节时段划分

图6为以保证建筑所有房间热舒适度均满足要求为目标,基于最不利房间的各调节时段冷冻水温设定规律而制定的空调系统变冷冻水温优化运行策略.由图可知,在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ时段,由于室外干球温度和太阳辐射量逐渐增大,各调节时段内相同负荷率对应的冷冻水温调节上限值逐渐减小.在Ⅳ时段,虽然室内热、湿负荷降低,但冷冻水温调节上限在相同负荷率下比其他调节时段更低.主要原因是前一时刻室内回风状态点温、湿度已偏高,影响到风机盘管送风处理终态,且室内热湿比线变大.同时,各时段满足Ⅱ级舒适度要求的冷冻水供水温度上限值相较于Ⅰ级舒适度可再提高2 ℃左右.

图6 基于热舒适要求的变冷冻水温优化运行策略

图6 基于热舒适要求的变冷冻水温优化运行策略

4 节能潜力分析

该建筑空调系统供冷季运行时间从6—9月,共计4个月,每天运行13 h,采用7 ℃定水温运行时,机组供冷季运行总能耗为4.07×105 kW·h.由冷水机组性能数据调研发现,冷冻水供水温度平均每升高1 ℃,主机节能率可提高2%~3%[7,21].为对该建筑冷水机组变冷冻水温优化过程进行节能测算,本文假定冷冻水温每升高1 ℃,机组运行效率平均提高2.5%.

采用变冷冻水温优化运行策略实现的机组节能效果如图7所示.由图7(a)可知,若按各房间满足Ⅰ级舒适度要求进行冷冻水供水温度调节,整个供冷季,该机组运行能耗比采用定水温运行可降低51 248.87 kW·h,节能12.6%.其中,6月和9月的节能效果较为明显,月累计节约电耗均超过13 500 kW·h,这是因为6月和9月房间负荷率大部分时间低于60%,冷冻水供水温度至少可提高至12 ℃,机组COP可提高12.5%~25%.

图7 机组变冷冻水温运行的节能效果

图7 机组变冷冻水温运行的节能效果

若依据Ⅱ级舒适度要求的冷冻水温范围进行优化,由图7(b)可知,供冷季机组运行总能耗节能量高达66 274.8 kW·h,节约16.3%.可以发现,舒适度要求降低后,7月和8月份的节能量有明显提升,这是因为7月和8月份部分时刻要满足Ⅰ级舒适度要求只能按7 ℃设定运行,而若仅需满足Ⅱ级舒适度要求,冷冻水温具有一定的提升空间.证明提出的变冷冻水温优化调节策略在保证人体舒适度要求的前提下,能够充分挖掘该技术的节能潜力.

5 结论

1)随着温度升高,高湿度对热舒适的影响更加明显.经PMV-PPD热舒适指标计算得到,办公建筑在Ⅰ级舒适度要求下,室内干球温度高于26.7 ℃后,温度每提升0.1 ℃,可接受的相对湿度上限降低3.6%.

2)不同工况下室内温、湿度均随冷冻水供水温度升高而升高.为满足室内热舒适要求,当房间最大负荷率低于60%,冷冻水供水温度可提高至15 ℃,当房间负荷率高于75%时,冷冻水温不可超过11 ℃,当房间负荷率长时间高于85%时,冷冻水供水温度需维持在7 ℃.

3)采用以满足室内舒适性为目标的不同负荷率下最优冷冻水供水温度的分时段调节规律,机组运行能耗比定冷冻水温运行最少可节约12.6%.

参考文献