暖通空调水系统效率优化策略研究

张迪

摘要：我国是世界的电力大国，据报道，截止到2003年我国电力装机容量为3.53亿千瓦，发电量是1.64万亿千瓦时，均居世界第2位。这其中建筑耗能约占到四分之一左右，尤以人型商业建筑为最。所谓的建筑能耗，实际上并不是直接消耗在建筑上，而是大部分直接消耗在暖通空调（HVAC）系统上。建筑节能的主要措施包括改进围护结构的性能、改进系统（如暖通空调水系统）形式、运行管理方式等。虽前者在建筑节能中起主要作用，但后者的影响也不容忽视。因此，有必要对暖通空调水系统進行节能优化研究。

关键词：暖通空调；水系统；效率优化

中图分类号：FB956 文献标识码：A 文章编号：2095-3178（2018）20-0449-01

1 暖通空调水系统效率优化的意义

1.1 暖通空调水系统的优化运行不但能够满足人们舒适性要求，更能提高工作效率和生活品质，对于精密仪器生产等相关行业，暖通空调水系统的优化运行能够满足其对环境的苛刻要求。

1.2 暖通空调水系统作为建筑能耗中最为重要的耗能部分，其优化运行可以节约能源，提高能源利用率，起到节能减排的作用。

1.3 随着变频技术以及直接数字控制器（DDC），特别是能源管理控制系统（FMCS）的研究应用日益广泛，使得暖通空调水系统的优化运行策略和控制相辅相成，节能优化运行策略能够更好的指导系统的控制。

1.4 暖通空调水系统在设计时没有考虑季节、时问及房间朝向等问题引起的冷负荷变化，使得设计难免造成能源浪费。而暖通空调水系统的优化运行可以弥补系统设计上的不足，也可以降低事故的发生率。

暖通空调系统设备选型时一般都按最大负荷计算，采用定工作点运行，但是暖通空调系统只有很少的时间在满负荷下运行，大部分时间都工作在部分负荷下，同时由于外部环境温湿度、阳光照度以及房间内部负荷的变化等因素影响，如若采用定工作点运行，势必造成系统效率低下，浪费能源。因此，暖通空调系统的效率优化策略研究可以实时调整系统的运行工作点，提高系统运行效率，节约能源。

2 暖通空调水系统的结构原理及特点

2.1水冷蒸汽压缩式空调系统的制冷原理

水冷蒸汽压缩式空调系统在制冷时，液态制冷剂在蒸发器中汽化，吸收热量使冷水温度降低。低温、低压的气态制冷剂经压缩机压缩变成高温、高压气体，进入冷凝器中。制冷剂温度高于冷却水温度，制冷剂便将热量传递给冷却水，而制冷剂经冷凝变为高压液体。制冷剂高压液体经膨胀阀节流后又进入蒸发器，变为低压液体制冷剂，再次汽化完成一个循环。在这个循环过程中，随着制冷剂状态的变化，实现了热量从冷冻水侧向冷却水侧转移的过程。

2.2 吸收式空调系统制冷原理

离开蒸发器的蒸汽在吸收器中被稀溶液吸收，同时混合物放热，然后制冷剂溶液由泵升高到发生器压力下，在发生器中加热溶液使制冷剂溢出，同时稀溶液由中间冷却器回到吸收器。在水——溴化锂吸收式冷水机组系统中，水是制冷剂而溴化锂是吸收剂，通常呈固态的溴化锂与水混合形成溶液。该系统的最大优点是溴化锂的非挥发性，在发生器中只有水蒸汽产生，系统简单，COP值高。缺点是蒸发温度相对较高，系统压力很低。通常应用于燃气价格低而压缩系统运行成本较高的场合。

3 暖通空调水系统冷水机组效率优化策略研究

通过分析可知冷水机组的制冷效果可由机组性能系数COP值的大小描述，COP值越大，制冷效果越好亦即冷水机组效率越高，反之则制冷效果差，机组效率低。而COP值又与机组部分负荷率PLR息息相关。因此，在拟合机组运行性能系数（COP）与部分负荷率（PLR）关系基础上，建立冷水机组能耗优化模型，优化各冷水机组负荷分配及启停状态，保证机组高效运行，以此达到节能的目的。该运行策略与常规运行策略相比，节能效果明显，并且易于实现。

3.1 多台冷水机组系统运行性能系数分析

任何制冷系统的瞬时性能可用冷却性能系数COP 来表达。COP值也通常被用来描述冷水机组的效率，值越大，冷水机组的效率就越高，反之则越低。冷水机组的作用就是提供冷量以保证室内人员的舒适度。对于大型商业建筑而言，一般采用多台冷水机组并联运行，通过切换机组运行台数，呈阶梯状提供冷量来满足不同级别冷负荷的要求，可以减少系统启动电流及部分负荷能耗；同时可以提高系统的灵活性，克服只一台机组运行方式下，一旦机组发生故障，系统就只能停止运行的弊端。

工程师在设计冷水机组时，往往依据的是机组的全负荷性能，实际上，由于空调负荷受室外天气情况以及室内人员分布情况等影响很大，机组大多数情况是工作在部分负荷（PLR）下。对于多台冷水机组系统，尤其对不同额定冷量的冷水机组系统，每台冷水机组的部分负荷性能在不同部分负荷率下是不同的，则不同机组的COP-PLR关系是不同的。

3.2 多台冷水机组系统效率优化问题建模

冷水机组是建筑空调系统中耗能量最大的部分，那么如何降低冷水机组的能耗成为空调节能优化研究的关键问题。近年来，不少学者研究多台机组的负荷最优分配问题，以使机组运行最高效，即最节能，但是没有将机组启停状态作为一决策变量考虑其中。建立冷水机组能耗优化模型，把各冷水机组负荷分配率及其启停状态共同作为决策变量，在保证机组高效运行（即机组整体的COP值最优）的同时，使其实现节能。

3.2.1 冷水机组性能系数与部分负荷率关系的建立

影响冷水机组COP值的因素很多，例如，冷冻水供回水温差、冷却水供回水

温差以及机组的部分负荷率等。同时，考虑这些因素很难定量确定COP的变化。但是，在冷冻水流量和冷却水流量一定的情况下，冷冻水供回水温差、冷却水供回水温差都是与机组部分负荷率相关联的。因此，可以直接利用机组的部分负荷率PLR来表述机组运行性能系数COP的变化情况。

3.2.2 冷水机组系统效率优化模型

获取各台机组的COP-PLR关系后，在此基础上建立冷水机组效率优化模型。该模型的目标函数为空调系统冷水机组总输入功率，决策变量为各台冷水机组的负荷分配率及其启停状态，即给出各个机组在分配多少的负荷下以及哪几个机组开启的情况下，系统冷水机组耗能最少。

4 结束语

总而言之，自2004年我国通过《能源中长期发展规划纲要（2004-2020年）》，强调要坚持把节约能源放在首位，实施全面、严格的节能制度和措施，显著提高能源利用效率以来，建筑节能已越来越受到关注。因此，有必要对暖通空调水系统进行节能优化研究。

参考文献

[1]范仲海.对空调冷水系统两种泵制的分析与探讨[J].制冷，2003（4）： 72-74

[2]孟丽，吴少朋.一次泵变流量系统在空调系统中的应用[J].洁净与空调技术，2005（4）： 57-60.