基于商場(chǎng)冷負(fù)荷特點(diǎn)的多臺(tái)冷水機(jī)組優(yōu)化配置研究

王振輝，李 娜，杜少勛

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

基于商場(chǎng)冷負(fù)荷特點(diǎn)的多臺(tái)冷水機(jī)組優(yōu)化配置研究

王振輝，李 娜，杜少勛

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

針對(duì)商場(chǎng)的熱量特點(diǎn)討論了約束條件和影響因子，模擬了動(dòng)態(tài)冷負(fù)荷變化規(guī)律，給出了多臺(tái)冷水機(jī)組優(yōu)化配置方法及商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化方案，并與原靜態(tài)冷負(fù)荷法設(shè)計(jì)的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)可節(jié)約36%左右的機(jī)組裝機(jī)容量，減少設(shè)備裝機(jī)容量5 000 kW。經(jīng)過1個(gè)夏季的運(yùn)行證明本優(yōu)化設(shè)計(jì)可滿足商場(chǎng)使用要求，并達(dá)到了良好的節(jié)能效果。

商場(chǎng)；空調(diào)負(fù)荷；冷水機(jī)組；優(yōu)化配置

建筑能耗在總能耗中所占的比例越來越大[1-2]。大中型購(gòu)物娛樂中心配置的中央空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的30%以上[3]。目前運(yùn)行的空調(diào)系統(tǒng)大都存在大馬拉小車現(xiàn)象，這種現(xiàn)象主要是初步設(shè)計(jì)階段考慮不周和計(jì)算方法選取不當(dāng)造成的。空調(diào)負(fù)荷的準(zhǔn)確計(jì)算決定了空調(diào)系統(tǒng)的最佳配置方案以及運(yùn)行控制方案[4-5]。

1 商場(chǎng)空調(diào)負(fù)荷的特點(diǎn)

商場(chǎng)是商業(yè)活動(dòng)的中心，商場(chǎng)的業(yè)態(tài)正逐漸趨于多元化，它綜合了百貨商店、超市、餐飲、影劇院、娛樂中心、辦公等功能，流動(dòng)性大且位置多變。影響商場(chǎng)的空調(diào)負(fù)荷的因素分析如下。

1)人員高度密集，客流量及分布規(guī)律是影響冷負(fù)荷的主要因素之一。商場(chǎng)的客流量隨季節(jié)變化明顯。每天隨時(shí)間變化較大，使得商場(chǎng)內(nèi)的人員全熱負(fù)荷值波動(dòng)較大，最大時(shí)占空調(diào)總負(fù)荷的80%[6]。一般商場(chǎng)的七、八月份為營(yíng)業(yè)淡季，春節(jié)、五一、中秋以及國(guó)慶節(jié)前后會(huì)出現(xiàn)客流高峰。

2)由于商場(chǎng)陳列商品的特殊需要，對(duì)光源和燈光具有較高的要求[7]，各種功能的照明用電設(shè)備多，照明散熱量、設(shè)備和器具及其他內(nèi)部熱源的散熱量較大。

3)現(xiàn)代商場(chǎng)基本屬于全封閉式，其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的門窗很少，建筑外圍護(hù)負(fù)荷比例小[8]。

4)受客流量的影響，為了保證商場(chǎng)內(nèi)的舒適性要求，商場(chǎng)中需要補(bǔ)充大量的新風(fēng)。傳統(tǒng)的采用夏季靜態(tài)冷負(fù)荷法計(jì)算的靜態(tài)新風(fēng)冷負(fù)荷較大，所占總冷負(fù)荷的比例也較大，最大時(shí)占空調(diào)系統(tǒng)總負(fù)荷的40%[7]。由于室外氣象條件全年都在變化，且商場(chǎng)的客流量也隨季節(jié)與時(shí)段不斷變化，所以新風(fēng)負(fù)荷值波動(dòng)較大。

綜上所述，動(dòng)態(tài)變化的客流量和新風(fēng)量是影響商場(chǎng)負(fù)荷的重要因素。

2 商場(chǎng)動(dòng)態(tài)負(fù)荷關(guān)系式

2.1燈光及設(shè)備形成的冷負(fù)荷

燈光及設(shè)備的散熱量與商場(chǎng)平面布局和陳列的商品屬性相關(guān)，滿足

Qs=fi(X,Y)。

式中：Qs為燈光及設(shè)備形成的冷負(fù)荷，W/m2；i表示商品的種類；(X,Y)表示商場(chǎng)的業(yè)態(tài)位置。

2.2人員全熱負(fù)荷

客流量是人員全熱負(fù)荷的主要影響因素。客流量是業(yè)態(tài)，人員分布公式如下：

p=∑N(i,t)·Ai(X,Y)。

式中：p為商場(chǎng)某一時(shí)刻同時(shí)在場(chǎng)人數(shù)；N(i,t)為商場(chǎng)i業(yè)態(tài)t時(shí)刻的客流密度，人/m2；Ai(X,Y)為商場(chǎng)內(nèi)i業(yè)態(tài)的營(yíng)業(yè)面積，m2。

由文獻(xiàn)[9]—文獻(xiàn)[12]可整理人員負(fù)荷計(jì)算公式如下：

Qr=Cr·P(q1·Ccl+q2)。

式中：Qr為人員全熱負(fù)荷；Cr為群集系數(shù)，Cr=0.89；Ccl為人體顯熱散熱量的冷負(fù)荷系數(shù)，Ccl=0.9～0.95；q1，q2分別表示不同室溫和勞動(dòng)性質(zhì)時(shí)成年男子的顯熱量(W)和每個(gè)人散發(fā)的潛熱量(W)。

2.3新風(fēng)負(fù)荷

室外新風(fēng)的濕球溫度隨著季節(jié)和營(yíng)業(yè)時(shí)間而不斷變化，總新風(fēng)量的取值與客流密度關(guān)系密切。

由文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[12]整理新風(fēng)負(fù)荷公式如下：

式中：Qq為新風(fēng)負(fù)荷值，kW；L(X,Y)為某種業(yè)態(tài)下的人均新風(fēng)量，m3/h；Iw(T,D)，In(T,D)分別為室外和室內(nèi)的焓值。

2.4空調(diào)冷水機(jī)組容量的優(yōu)化與配置

空調(diào)運(yùn)行方案和設(shè)備容量的選擇需以空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷分布和制冷機(jī)組的變工況特性為依據(jù)[13]。

為了提高冷水機(jī)組的全年運(yùn)行效率，本文提出采用“時(shí)段均值”的優(yōu)化方法，確定空調(diào)冷水機(jī)組容量和臺(tái)數(shù)。具體配置方法如下。

式中：n0為最大冷負(fù)荷時(shí)段開始的時(shí)刻；τ0為最大冷負(fù)荷時(shí)段計(jì)算長(zhǎng)度,h。

最大冷負(fù)荷時(shí)段均值是選取冷水機(jī)組裝機(jī)容量的依據(jù)，由最大冷負(fù)荷時(shí)段均值與該時(shí)段的室外氣候條件經(jīng)過工況轉(zhuǎn)化計(jì)算空調(diào)冷水機(jī)組總冷量值，再考慮部分余量后確定裝機(jī)容量。

式中：n1為最小冷負(fù)荷時(shí)段開始的時(shí)刻；τ1為最小冷負(fù)荷時(shí)段計(jì)算長(zhǎng)度，h。

最小冷負(fù)荷時(shí)段均值作為確定空調(diào)冷水機(jī)組最小機(jī)型的依據(jù)。

2.4.3 機(jī)組容量配置方案

機(jī)組配置方案靈活，才會(huì)使得機(jī)組在不同負(fù)荷需求工況下實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。

冷水機(jī)組優(yōu)化配置中數(shù)量應(yīng)控制在3臺(tái)或4臺(tái)。

2.4.4 機(jī)組優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

為合理配置機(jī)組，還需求解電能消耗的最佳目標(biāo)函數(shù)值來達(dá)到最佳節(jié)能效果，如下所示[13]：

式中：S為冷水機(jī)組的全年電耗，W；j為典型工況冷負(fù)荷需求狀態(tài)，取j=10%～100%；k為不同的室外濕球溫度點(diǎn)；n(i,j,k)為j,k工況下i型制冷機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)；H(j,k)為不同典型冷負(fù)荷需求下室外濕球溫度分布時(shí)間統(tǒng)計(jì)；Q(j,k)為對(duì)應(yīng)不同濕球溫度、不同冷負(fù)荷需求狀態(tài)下的供冷量，kW；COP(i,j,k)為j，k工況下i型制冷機(jī)實(shí)際COP值。

上述目標(biāo)函數(shù)在不同的機(jī)組配置方案下，可求解出最佳的Smin，達(dá)到最佳的節(jié)能效果。

3 動(dòng)態(tài)冷負(fù)荷模擬實(shí)例

3.1工程概況

本工程為某市的綜合商場(chǎng)，屬于寒冷地區(qū)。該商場(chǎng)建筑面積100 613 m2，地上9層，地下2層。其業(yè)態(tài)包括超市、百貨商店、餐飲、影院以及辦公。

3.2商場(chǎng)空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷分析模型

該模型以六面體作為建筑的外部形狀，以建筑面積、圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型、建筑朝向作為其約束條件，并以下列各個(gè)因素作為其分析模型的因子。

3.2.1 燈光及設(shè)備指標(biāo)

按實(shí)際商規(guī)得出該商場(chǎng)照明指標(biāo)情況見表1。

表1 商場(chǎng)照明負(fù)荷取值表

3.2.2 人員密度

根據(jù)商場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，調(diào)研了本地相似商場(chǎng)營(yíng)業(yè)額及部分時(shí)段客流密度值。圖1—圖3給出商場(chǎng)客流密度的變化曲線，各種業(yè)態(tài)的年平均客流密度見表2。

表2 各類商業(yè)售貨廳年平均人流密度

圖1 商場(chǎng)各種業(yè)態(tài)人員分布Fig.1 Distribution of various mall staff

圖2 商場(chǎng)一周客流量變化曲線Fig.2 Market's passenger traffic curve in one week

圖3 商場(chǎng)客流隨月份變化系數(shù)Fig.3 Variation coefficient of shopping centre passenger along with month

3.2.3 本地區(qū)室外環(huán)境溫度

通過調(diào)查繪制該地區(qū)全年的平均變化溫度見圖4。

圖4 本地區(qū)年平均溫度Fig.4 Annual average temperature of the area

3.2.4 確定合適的新風(fēng)量取值標(biāo)準(zhǔn)

中國(guó)規(guī)范只規(guī)定最小人均新風(fēng)量取值為8 m3/h[9]。本工程人均新風(fēng)量的取值見表3。

表3 商場(chǎng)新風(fēng)量取值表

3.3空調(diào)負(fù)荷模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述求解條件，對(duì)商場(chǎng)空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算，得出空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)荷逐時(shí)值，并繪制空調(diào)負(fù)荷隨不同時(shí)間段的變化曲線，見圖5—圖7。

最后根據(jù)模擬結(jié)果，總結(jié)商場(chǎng)建筑空調(diào)負(fù)荷率隨室外濕球溫度不同的分布情況，得到商場(chǎng)建筑全年不同負(fù)荷率下的運(yùn)行時(shí)間分布情況，見表4。

圖5 商場(chǎng)營(yíng)業(yè)時(shí)間空調(diào)負(fù)荷分布Fig.5 Distribution of air-conditioning load at shopping hours

圖6 最大逐時(shí)冷負(fù)荷隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Curve of the maximum hourly cooling load versus time

圖7 最小逐時(shí)冷負(fù)荷隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Curve of the minimum hourly cooling load versus time

表4 室外溫度下的冷負(fù)荷分布情況

表4說明室外濕球溫度在26 ℃以上時(shí)機(jī)組的負(fù)荷率可達(dá)到80%。

根據(jù)以上分析可知：空調(diào)總負(fù)荷的峰值時(shí)間僅占一天營(yíng)業(yè)時(shí)間的1/5左右；最大時(shí)段冷負(fù)荷逐時(shí)最大時(shí)刻為11:00。本工程最小時(shí)段約占總負(fù)荷率14%。

4 空調(diào)機(jī)組配置方案

根據(jù)商場(chǎng)空調(diào)負(fù)荷隨營(yíng)業(yè)時(shí)間的動(dòng)態(tài)負(fù)荷分布規(guī)律，考慮運(yùn)行管理等因素，結(jié)合本工程實(shí)際特點(diǎn)，確定機(jī)組配置方案，見表5。

表5 冷水機(jī)組配置及運(yùn)行控制策略

注：其中，機(jī)組A，B分別表示較小容量機(jī)組和較大容量機(jī)組；“√”表示運(yùn)行該機(jī)組。

1)最大冷負(fù)荷時(shí)段均值：即全年平均氣溫最高季、天氣不利條件下的值。

因此，考慮冷量損失，制冷機(jī)組的裝機(jī)容量取8 800 kW。

2)最小冷負(fù)荷時(shí)段均值：即供冷初期和末期及夜間營(yíng)業(yè)時(shí)段。

3)配置方案

首先，為滿足最小時(shí)段的高效率運(yùn)行要求，考慮到機(jī)組配置的靈活性，須保證1臺(tái)機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行時(shí)有較高的IPLV值。冷水機(jī)組的最小的裝機(jī)容量圓整為1 055 kW。

本工程制冷機(jī)組臺(tái)數(shù)的倍數(shù)計(jì)算如下：

為達(dá)到節(jié)能運(yùn)行和配置靈活上的良好效果，機(jī)組的臺(tái)數(shù)取z=3。

最后，考慮到機(jī)組附屬設(shè)備的配置，選取相同型號(hào)機(jī)組，將剩余冷量平均分配，作為機(jī)組的容量選型依據(jù)。

本工程最終確定配置方案為1 055kW螺桿式冷水機(jī)組1臺(tái)；3 868kW離心式冷水機(jī)組2臺(tái)。

原設(shè)計(jì)采用靜態(tài)冷負(fù)荷法設(shè)計(jì)，最大冷負(fù)荷13 859kW，機(jī)組配置方案為1 055kW螺桿式冷水機(jī)組1臺(tái)；3 868kW離心式冷水機(jī)組3臺(tái)；還配置了1 200kW多聯(lián)機(jī)。兩者對(duì)比可知，本文方案可減少36%左右的機(jī)組裝機(jī)容量，冷水機(jī)組裝機(jī)容量約減少5 000 kW。

5 結(jié) 論

1)商場(chǎng)建筑空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷主要為人體負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷。商場(chǎng)客流的高峰期與天氣條件最惡劣的時(shí)段不重疊。采用靜態(tài)冷負(fù)荷法設(shè)計(jì)會(huì)造成較大的誤差。該誤差會(huì)嚴(yán)重影響空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組的選配方案，造成系統(tǒng)設(shè)備浪費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)用提高。

2)利用“時(shí)段均值”法優(yōu)化空調(diào)冷水機(jī)組的裝機(jī)容量與選配，可減少冷水機(jī)組的裝機(jī)容量，縮減初投資，方法可行且節(jié)能效果明顯。

/

[1] 劉書偉．大型商場(chǎng)類建筑空調(diào)節(jié)能分析[D]．天津：天津大學(xué)，2008． LIU Shuwei. Study of Energy Conservation in Large-typed Emporium Buildings[D]. Tianjin: Tianjin University, 2008.

[2] 羅 勇,智兆華,孫志平．多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)工作分析[J]．河北工業(yè)科技，2005, 22(3)：120-121． LUO Yong, ZHI Zhaohua, SUN Zhiping. System analysis of multiple air-conditioning team[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2005, 22(3): 120-121.

[3] AVCI M, ERKOC M, RAHMANI A, et al. Model predictive HVAC load control in buildings using real-time electricity pricing[J].Energy and Buildings,2013, 60:199-209.

[4] 王志勇,劉澤華,王漢青，等．基于建筑環(huán)境的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及節(jié)能分析[J]．建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2004, 23(2)：54-57． WANG Zhiyong, LIU Zehua, WANG Hanqing, et al. Built environment based design and energy efficiency analysis for air-conditioning system[J]. Building Energy & Environment, 2004, 23(2): 54-57.

[5] 劉源全,龍雄燕,蔣新波，等．基于商場(chǎng)空調(diào)實(shí)際運(yùn)行能耗確定空調(diào)基本設(shè)計(jì)參數(shù)[J]．暖通空調(diào)，2010, 40(10)：31-35． LIU Yuanquan, LONG Xiongyan, JIANG Xinbo, et al. Determination of basic design parameters based on actual air conditioning energy consumption in shopping malls[J].Heating Ventilating & Air Conditioning, 2010, 40(10): 31-35.

[6] 王云國(guó),孫 明．大中型商場(chǎng)空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算中客流量和新風(fēng)量取值探討[J]．科技致富向?qū)В?011(36)：342． WANG Yunguo, SUN Ming. Study on the value of passenger flow and fresh air volume of air conditioning cooling load calculation in large and medium department stores[J].Guide of Sci-tech Magazine,2011(36): 342.

[7] 魏 鵬．西安市大型商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗模擬與節(jié)能研究[D]．西安：西安建筑科技大學(xué)，2012． WEI Peng. Energy Consumption Simulation and Energy Conservation Research on Air-conditioning System of the Lagre Market in Xi′an City[D].Xi′an: Xi′an University of Architecture & Technology, 2012.

[8] 谷 超,孫慧琳,張國(guó)敬. 大型百貨商場(chǎng)中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].供熱制冷,2012(7):64-66. GU Chao,SUN Huilin, ZHANG Guojing. Central air-conditioning system design of a large department store[J]. Heating and Cooling, 2012(7):64-66.

[9] GB 50019—2003,采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. GB 50019—2003, Code for Design of Heating, Ventilation and Air-conditioning[S].

[10] GB 50189—2005,公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]. GB 50189—2005, Energy Saving Design Standard of Public Architecture[S].

[11] 陸耀慶．實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008． LU Yaoqing. Practical Design Manual of Heating and Air Conditioning[M].Beijing: China Architecture & Building Press, 2008.

[12] 陸耀慶.空氣調(diào)節(jié)工程[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008. LU Yaoqing. Air Conditioning Engineering[M].Beijing: China Architecture & Building Press, 2008.

[13] 左 政,胡文斌．基于建筑全年動(dòng)態(tài)冷負(fù)荷的冷水機(jī)組優(yōu)化配置方案[J]．暖通空調(diào)，2009, 39(2)：96-100． ZUO Zheng, HU Wenbin. Optimized chiller unit configuration based on all-year dynamic cooling load[J].Heating Ventilating & Air Conditioning, 2009, 39(2): 96-100.

Optimal allocation research of multiple chillers based on air conditioning load features of shopping centres

WANG Zhenhui, LI Na, DU Shaoxun

(School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

In this paper, constraint condition and effect factor are discussed according to the characteristics of the mall heat gain, and the dynamic changes of the cooling load are simulated. The optimal allocation method of multiple chillers and the scheme for air-conditioning system of the mall are given. Compared with original design method for static cooling load of air conditioning systems, it can save about 36% unit capacity and reduce the installed equipment capacity of 5 000 kW. It proves that this optimization design can satisfy operating requirement of the mall throughout one summer operation, and favorable energy-saving effect is achieved.

shopping centre；air conditioning load；chiller；optimization desing

1008-1534(2014)04-0342-05

2014-01-10;

2014-04-10；責(zé)任編輯：馮 民

王振輝(1960-)，男，河北深州人，教授，主要從事高效傳質(zhì)傳熱與節(jié)能、空調(diào)與制冷節(jié)能技術(shù)等方面的研究。

李 娜。E-mail:879007051@qq.com

TU831

A

10.7535/hbgykj.2014yx04015

王振輝，李 娜，杜少勛.基于商場(chǎng)冷負(fù)荷特點(diǎn)的多臺(tái)冷水機(jī)組優(yōu)化配置研究[J].河北工業(yè)科技,2014,31(4):342-346. WANG Zhenhui, LI Na, DU Shaoxun.Optimal allocation research of multiple chillers based on air conditioning load features of shopping centres[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(4):342-346.