空气-水式中央空调系统能耗分析及控制

河北工业大学硕士学位论文

第一章绪论 .......................................................................................................................... - 1 -

1.1 课题来源 .......................................................................................................................... - 1 -

1.2 课题研究的背景和意义............................................................................................... - 1 -

1.2.1 我国能源现状..................................................................................................... - 1 -

1.2.2 中央空调系统国内外发展现状..................................................................... - 3 -

1.3 论文的主要工作任务.................................................................................................... - 5 -

1.4 本文的章节安排............................................................................................................. - 5 -

第二章中央空调系统简介............................................................................................... - 7 -

2.1 中央空调系统工作原理............................................................................................... - 7 -

2.2 中央空调系统的分类.................................................................................................... - 7 -

2.3 中央空调系统运行特性及分析方法 ........................................................................ - 8 -

2.3.1 中央空调系统的运行特性.............................................................................. - 8 -

2.3.2 能耗分析方法简介.......................................................................................... - 10 -

2.4 本章小结 ........................................................................................................................ - 11 -

第三章中央空调采暖系统能耗优化分析.................................................................. - 12 -

3.1 分析思路 ........................................................................................................................ - 12 -

3.1.1 采暖系统的组成 .............................................................................................. - 12 -

3.1.2 采暖系统的主要耗能部件............................................................................ - 12 -

3.1.3 能耗优化思路分析.......................................................................................... - 13 -

3.2 机理建模过程 ............................................................................................................... - 13 -

3.2.1 热负荷 ................................................................................................................ - 13 -

3.2.2 热源供热量总和 .............................................................................................. - 15 -

3.2.3 空调冷热水循环泵耗电量............................................................................ - 16 -

3.2.4 锅炉给水泵耗电量.......................................................................................... - 17 -

3.2.5 锅炉燃煤量 ....................................................................................................... - 18 -

3.2.6 采暖系统总能耗机理模型............................................................................ - 19 -

3.3 本章小结 ........................................................................................................................ - 20 -

第四章中央空调制冷系统能耗优化分析.................................................................. - 21 -

4.1 分析思路 ........................................................................................................................ - 21 -

4.1.1 单冷型空气-水中央空调制冷系统组成................................................... - 21 -

III

IV 空气—水式中央空调系统能耗分析及控制

4.1.2 制冷机组的分类 .............................................................................................. - 21 -

4.1.3 思路分析............................................................................................................ - 22 - 4.2 冷负荷............................................................................................................................. - 22 -

4.2.1 冷负荷和得热量的关系 ................................................................................ - 22 -

4.2.2 房间得热量总和的计算 ................................................................................ - 23 -

4.2.3 房间设计冷负荷 .............................................................................................. - 24 - 4.3 蒸汽压缩式制冷机组制冷系统能耗优化分析 .................................................... - 24 -

4.3.1 蒸汽压缩式制冷机组工作原理................................................................... - 24 -

4.3.2 离心式压缩机组的能耗 ................................................................................ - 25 -

4.3.3 冷冻水泵耗电量 .............................................................................................. - 27 -

4.3.4 冷却水泵耗电量 .............................................................................................. - 28 -

4.3.5 离心式制冷压缩机制冷系统总能耗机理模型........................................ - 29 - 4.4 本章小结 ........................................................................................................................ - 29 - 第五章中央空调系统的控制 ........................................................................................ - 31 -

5.1 中央空调系统整体结构............................................................................................. - 31 -

5.1.1 冬季采暖回路................................................................................................... - 31 -

5.1.2 夏季制冷回路................................................................................................... - 32 - 5.2 采暖系统和制冷系统的机理模型分析.................................................................. - 33 - 5.3 中央空调控制系统设计............................................................................................. - 37 -

5.3.1 需求分析............................................................................................................ - 38 -

5.3.2 I/O点数的确定 ............................................................................................... - 38 -

5.3.3 控制器及扩展模块的选型............................................................................ - 38 -

5.3.4 IO点的分配以及硬件电路设计.................................................................. - 40 -

5.3.5 控制策略选择................................................................................................... - 41 -

5.3.6 PLC程序设计.................................................................................................... - 42 -

5.3.7 中央空调系统的控制 ..................................................................................... - 47 - 5.4 本章小结 ........................................................................................................................ - 51 - 第六章结论 ........................................................................................................................ - 52 - 参考文献 ................................................................................................................................. - 53 - 攻读学位期间所取得的相关科研成果........................................................................... - 56 - 致谢...................................................................................................................................... - 57 -

河北工业大学硕士学位论文

第一章绪论

1.1 课题来源

当今社会中央空调已经广泛运用于日常生活的各个领域。人们对日常生活的舒适性要求越来越高[1-3]。中央空调几乎成了现代化大型建筑中不可或缺的设备。这就带来了建筑能耗的飞速增长，中央空调的能耗几乎成了建筑能耗的主要组成部分。为了降低建筑能耗，我们应当从中央空调的节能入手[4]。中央空调的运行管理对其能耗起着至关重要的作用。运行工况是否合理，是否最优直接影响了中央空调的使用寿命和它的总能耗。我们要实施节约与开发并重的能源发展战略[5-6]。

本课题源自于天津某医院中央空调系统节能改造项目。在全面分析该中央空调系统物理特性与节能目标的基础上，提出合理的节能改造方案。由于原中央空调系统循环水泵一直处于50Hz全速运行状态，而末端负载的负荷量却是不断变化的。这样就导致了供求关系不平衡，从而造成巨大的能源浪费。本次改造工作在分析中央空调系统的运行特性的基础上，通过机理建模得出较为合理的中央空调系统节能方案。并搭建了一套能够稳定运行的控制系统以及能够统计耗电量的远程集中抄表系统。

1.2 课题研究的背景和意义

1.2.1 我国能源现状

我国是个能源大国，我国能源的总储量还是比较丰富的。例如拥有相当丰富的化石资源，（煤炭占主要地位）。2006年的国家统计数据显示，煤炭的保有资源量竟达到10345亿吨之多[7]。可采储量竟然占世界总储量的13%，名列世界第三[8]。不过，相较而言石油和天然气的资源储量相对不足。不过像油页岩、煤层气等这类非常规能源储量有相当大的开发潜力[9-10]。目前，中国拥有较为丰富的风能和水能等可再生资源[11]。将水力资源的理论总储量折合成年发电量表示约为6.19万亿千瓦时[12]，相当于世界水力资源总储量的12%，列居世界之首。但是，我国是个人口众多的国家，因此人均能源拥有量与世界上的其他国家相比处于较低水平[13]。其中煤炭、水力、风力等资源的人均拥有量还达不到世界平均水平，仅仅相当于世界平均水平的50%。更令人悚然的是石油、天然气等资源的人均拥有量仅相当于世界上其他国家的1/15左右[14-15]。由于人口基数太大，人均拥有的土地也是很少的，这就造成了不能充分发挥生物能源的优

‐ 1 ‐