大學圖書館中央空調的用電建模仿真與優化

劉文戈 李旭東 張政偉 陳曉東 俞歡

W為總運行能耗;W1（i，t）為第i臺冷水機組在t時刻的運行能耗;W2（i，t）為第i臺冷水機組在t時刻的運行能耗;W3（i，t）為第i臺冷水機組在t時刻的運行能耗;W4（i，t）為第i臺冷水機組在t時刻的運行能耗;W5（i，t）為第i臺冷水機組在t時刻的運行能耗;W6（i，t）為第i臺冷水機組在t時刻的運行能耗;W7（i，t）為第i臺冷水機組在t時刻的運行能耗。

由于圖書館位置一般遠離巨大體量的江河，且風機盤管系統的能耗在中央空調系統的總能耗中占比較小，所以上式可略去W4 ，W5 ，W6 ，W7。故簡化得：

2.3冷水機組能耗的數學模型

基于冷凍水供水溫度、冷卻水回水溫度和機組負荷的能耗模型，指出冷水機組的能耗與冷凝溫度、蒸發溫度和機組負荷有關。同時，冷卻水的出水溫度可以用來表示冷水機組的冷凝溫度，冷凍水的進水溫度可以用來表示冷水機組的蒸發溫度 。可以建立用冷卻水出口水溫冷凍水進水溫度以及冷水機組負荷表示的冷水機組能耗模型。具體表達式如下：

其中：Tq2為冷卻水出口水溫（℃）;Td1為冷卻水進口水溫（℃）;Q為冷水機組負荷，kW;a0-a5為冷水機組能耗模型的系數。

2.4冷凍水泵能耗的數學模型

此處僅計算了循環系統和冷凍水泵的能耗，忽略了能量的附加損失。整個冷凍水系統的能耗由水泵在工作點的流量、揚程和效率來表示。

流量公式為：

上式中：QL為蒸發器冷負荷，kW;Td1為冷凍水進口水溫（℃）; ρ為冷凍水出口水溫（℃）;c為水的密度，kg/m3;c為冷凍水進出口溫度的平均比熱容，kJ/（kg×℃）。

由于QL與Q（冷水機組制冷量）的關系為：QL/Q=AL，式中AL是大于1的系數。AL取值1.2。

所以流量公式可寫為：

揚程計算公式如下：

其中：Hd為冷凍水泵揚程（kPa）;Hd0為水泵的名義揚程（kPa）;Gd為冷凍水流量（m3/s）; Gd0為水泵名義流量（m3/s）;

計算出流量和揚程后即可得冷凍水泵能耗的數學模型表達式：

其中：β1為流量儲備系數;β2為揚程儲備系數;為水泵效率。

2.5冷卻水系統能耗的數學模型

冷卻水系統與冷凍水泵能耗模型的數學表達式類似，冷卻水泵能耗的數學模型如下：

式中：Gq為冷卻水流量（m3/s）;Hq為冷卻水泵揚程（kPa）;? ?為水泵在工作點的效率。

2.6制冷系統整體能耗的數學模型

結合以上的幾個表達式可得制冷系統的運行能耗為：

【摘? 要】在能源的消耗使用中，建筑業是大戶，其中又以空調用電最為明顯，探究空調用電能耗的節能方式一直是熱門的討論話題，所以學習了解建筑物的中央空調節能方式是一種很有效學習系列電氣相關知識的方式。本文討論了設計層面與運行層面兩個層面的節能方式，其中包括從裝置的安裝，系統的改進等角度的探討。

【關鍵詞】中央空調用電能耗;優化策略;蓄冰空調

引言

在能源消費方面，據相關數據顯示，歐美一些發達國家的建筑能耗約占我國能源消費的30%，建筑能耗所占比例遠低于發達國家，但隨著建筑業的發展，隨著節能減排理念的推廣，這一比例將逐年提高，中央空調能耗問題的解決迫在眉睫，中央空調能耗占建筑能耗的40%～50%，作為全球最大的制冷空調設備生產商和第二大消費市場，我國空調低碳產業時代的到來，將帶動中央空調行業低碳節能建設的新浪潮，因此，推動技術發展是中央空調行業節能減排和可持續發展低碳經濟的主要措施。

中央空調除了冷凍機組外，還包括：冷卻水循環系統，冷卻塔，室內交換機等。因此除了一些運行上的改進外，設備上的改進也可以起到從設計層面達到的節能效果。

1.優化方案

1.1減少安裝層面造成的損耗

大學圖書館類型的建筑的體積面積都較一般的建筑要更大，且室內單獨劃分的面積小，公共的區域面積大，因此冷卻液的輸送距離也一定會隨著冷卻液循環管網系統的分布廣度的增加而增加。因此，如果在設計層面就做出改進則就可以減少大量能量的損耗。

市面上許多中央空調系統在管材的選取上大多選取聚氨酯泡沫塑料保溫、高級橡塑保溫、酚醛泡沫塑料保溫等材料。這類材料有一個問題，管道的安裝都是在工廠內提前確定并定型的，因此在安裝過程中，極易出現由于管道材料組合時貼合程度不足導致的縫隙加大的能耗增加的情況。所以，在安裝過程中，可使用聚氨酯發泡材料進行現場安裝，可減少上述由于縫隙增大方面的造成的損耗。該技術主要是利用聚安酯在空氣中的氧化作用，使流體轉變為固體后組合嚴密的特性，在管網系統較為密集的區域保溫效果的提升更為明顯。

1.2利用蓄冰空調系統

冰蓄冷就是將水制成冰的方式，利用冰的相變潛熱進行冷量的儲存。與水蓄冷相比，儲存同樣多的冷量，冰蓄冷所需的體積將比水蓄冷所需的體積小得多。其原理就是在用電價格低的夜間時，將制冷液降溫冷凍成固態冰，在白天用電高峰期再融化為液態，將冷量釋放出來使用。

冰蓄冷的優勢有以下幾點：（1）夜間環境溫度較白天更低，更有利于制冷涉筆的散熱，并提高制冷機產冷量;（2）長期處于高效率工作狀態;（3）減少裝機容量。

1.3冷凍機組技術的改進

溫度調節源，也指制冷時與冷凍液進行熱量交換的物質，這是影響到能源消耗的關鍵部分。

根據廣州市軌道交通2號線海珠廣場地下水源熱泵系統的應用，研制了一種新型熱泵交換機。中央空調系統的冷卻塔系統被體積大溫度低的天然地表水所代替。天然地表水冷卻的導熱液體通過導熱系統輸送到管網中，具有較好的冷卻效果。在考慮這項技術的應用時，需要調查水文條件，考慮生態環境等因素，最終估計其制冷效果和可能產生的生態影響，最后選擇是否采用和采用何種方案。

綜上所述，在除了運行策略方面的優化外，不論是設備安裝的改良、冷卻源的選擇，還是系統機制的改進，都可以提高節能的效果。

2.系統運行層面的優化方案

2.1中央空調制冷系統的組成及工作原理

名稱 工作原理

制冷系統 一般制冷機的制冷原理是壓縮機把壓力較低的蒸汽壓縮成壓力較高的蒸汽，使蒸汽的體積減小，壓力升高。壓縮機吸入從蒸發器出來的較低壓力的工質蒸汽，使之壓力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成壓力較高的液體，經節流閥節流后，成為壓力較低的液體后，送入蒸發器，在蒸發器中吸熱蒸發而成為壓力較低的蒸汽，再送入壓縮機的入口，從而完成制冷循環。

冷凍水系統 冷凍水循環系統是中央空調設備的冷凍水回水經集水器、除污器、循環水泵進入冷水機組蒸發器內，吸收了制冷劑蒸發的冷量，使其溫度降低成為冷水，進入分水器后再送入空調設備的表冷器或冷卻盤管內，與被處理的空氣進行熱交換后，再回到冷水機組內進行循環再處理。

冷卻水循環系統 從冷卻塔來的較低溫度的冷卻水，經冷卻泵加壓后送入冷水機組，帶走冷凝器的熱量后，溫度便升高了，然后被送到冷卻塔上進行噴淋，由于冷卻塔風扇的轉動，使冷卻水在噴淋下落過程中，不斷與室外空氣發生熱濕交換而冷卻，冷卻后的水落入冷卻塔積水盤中，然后再次被冷卻泵加壓后進入下一個循環。

風機盤管式系統 風機盤管機組由風機、盤管和過濾器組成，它作為空調系統的末端裝置，分散地裝設在各個空調房間內，可獨立地對空氣進行處理，而空氣處理所需的冷熱水則由空調機房集中制備，通過供水系統提供給各個風機盤管機組。

冷卻塔風機系統 將制冷機組中升溫后循環來的冷卻水進行冷卻

2.2制冷系統能耗的數學模型

中央空調制冷系統運行能耗的方程式可表示為：

3.研究意義

“節能就是應用技術上現實可靠、經濟上可行合理、環境和社會都可以接受的方法，有效地利用能源，提高用能設備或工藝的能量利用效率。建筑節能可促進能源資源節約和合理使用，這不僅減輕了資源消耗的負擔，還有利于各式經濟的發展，是貫徹了科學發展觀的重要舉措。

4.結束語

本篇論文總共討論了中央空調節能策略的多種方式，有設計層面的管道安裝選材，有系統機制的蓄冰空調，也有控制策略層面的數學模型。較遺憾的是沒有去收集數據并進一步嘗試自己代入數據得到運行層面的最優解。

參考文獻

[1]侯志堅， 連之偉， 蔡志軍，等. 某大型空調系統能耗分析[J]. 建筑節能， 2007， 035（004）：43-45.

[2]喻文浩， 吳笛， 徐斌斌. 某高校圖書館水系統中央空調節能改造與數據分析[J]. 建筑節能， 2018， 46（12）：122-125.

[3]袁堂欽.中央空調系統方案的設計與節能分析[J].工程建設與設計，2020（01）：78-79+97.

[4]葉成杰. 中央空調系統方案設計及節能分析[J]. 應用能源技術， 2019（8）.

{5]郭朝輝，石佳磊，牛思佳.中央空調制冷系統運行優化模型及實例分析[J].粉煤灰綜合利用，2020，34（01）：104-108.

[6]王蕊， 任慶昌. 建立冷水機組能耗模型幾種方法的比較與分析[J]. 現代建筑電氣， 2017（01）：12-16.

[7]潘雨順. 中央空調水系統運行最佳”節能”技術研究[J]. 四川制冷， 1997， 000（004）：1-7.

項目信息：河海大學創新創業訓練項目“大學圖書館中央空調的用電建模仿真與優化”成果（2019102941127）

作者簡介：劉文戈（1999.10--），男，漢族，湖北黃岡人，河海大學本科在讀，研究方向為電氣工程及其自動化。