建筑环境设计模拟分析软件DeST 第9讲冷热源与水系统模拟分析上

专题讲座建筑环境设计模拟分析软件D eS T第9讲　冷热源与水系统模拟分析(上)清华大学　夏建军☆　燕　达　江　亿摘要　冷热源系统是整个集中空调系统的核心,完全决定了系统能否保障用户的冷热需求,是投资和能源消耗的主要部分。

因此冷热源的选择和运行方式直接关系到空调系统的运行效果,并影响到空调系统的运行能耗的大小。

综述了目前模拟计算中的制冷设备的各种建模方法,并结合建筑能耗模拟计算的特点,详细阐述了DeST模拟软件中冷源和水系统模拟过程中所用到的制冷设备半经验模型以及冷源模拟分析方法,为冷热源和水系统的全工况优化运行设计计算奠定了基础。

关键词　制冷机房　蒸气压缩式　吸收式　全工况分析　模拟Buil di n g e n vir o n m e nt d e si g n si m ul a ti o n s oft w a r e DeST(9): si m ul a ti o n a n d a n a l ysis of c o oli n g p l a nts(p a rt1)By Xia Jianjun★,Yan Da and Jiang Y iAbst r a ct　A ce nt ral chilling a nd heating syste m is one of t he most imp orta nt p art of t he HVA C syste m: it has t o be designed t o meet t he cooling a nd heating de mand of t he w hole building,to be low in initial invest me nt a nd efficient in operation.Reviews t he diff ere nt met hods f or t he cooling devices modeling.Describes t he semi2empirical models,w hich are suitable f or t he building energy consump tion simulation,in t he DeS T p rogra m f or t he diff ere nt kind of chillers:recip rocation chiller,screw chiller,ce nt rif ugal chillera nd absorp tion chiller.Also explains t he cooling plant simulation met hod in t he DeS T p rogram.Keywor ds　ref rigerating station,vap our comp ression type,absorp tion type,f ull year analysis,simulation ★Tsinghua University,Beijing,China①1　概述满足建筑物冷负荷需求的冷量通常由集中的冷源提供。

冷源消耗大量的能源:电力、燃油、天然气、煤、太阳能、地热等,并将其转换为空调系统所需的冷水,然后由输配系统送到各个空气处理设备。

冷源的选择和运行方式直接关系到一次能源的转换效率,因此冷源的方案设计可以说是空调系统设计过程中非常重要的一个环节[1]。

对冷源设备即制冷机进行模拟分析,即是在给定的条件下进行全工况的逐时模拟分析,获得设计方案的运行效果(能否满足空气处理设备逐时要求的冷水温度和冷水量)和运行能耗。

模拟的已知条件包括:a)制冷机蒸发器侧逐时要求的二次冷媒出口温度和流量;b)制冷机蒸发器侧逐时二次冷媒进口温度;c)制冷机冷凝器侧逐时二次冷媒进口温度和流量;d)二次冷媒物性参数;e)识别所得制冷机性能参数。

进行制冷机全工况的逐时模拟分析后,可以得出以下模拟结果:a)冷源设备能否满足空气处理设备逐时要求的二次冷媒温度和・65・ 暖通空调HV&A C　2005年第35卷第3期 ①☆夏建军,男,1975年12月生,大学,学士,在读博士研究生100084北京清华大学建筑学院建筑技术科学系(010)62789761E2mail:xiajjun99@mails.t 收稿日期:20050128修回日期:20050130流量,即满意率情况;b)制冷机逐时的运行状态、效率和能耗。

图1中给出了水冷冷水机组的模拟信息流程图。

图1　制冷机模拟流程框图通过以上的模拟结果,可以清楚地了解到设计方案全年的运行状况和能耗情况,从而可为方案选择提供可靠的依据。

下面先简要介绍目前冷源模拟的研究现状,然后详细阐述DeST在冷源方案模拟中选用的模型与模拟方法,并结合实例进行说明。

2　冷源的模拟研究现状制冷设备模型是冷源模拟分析的基础。

对于不同的研究目的必须采用不同的建模方式进行研究。

对于系统部件的详细设计研究,如压缩机内力平衡计算,动静转子之间的泄漏、润滑,压缩机振动、噪声等的研究多采用比较复杂的模型。

而对于建筑能耗分析,系统最优设计匹配以及最优控制策略研究、故障诊断等研究,则需要更为简洁快速的模型。

从传统意义上讲,对制冷机建立数学模型的基本方法主要有以下几个。

2.1　理论方法(“白箱”方法)理论建模方法就是对实际系统工作的物理过程作一定的合理的简化假设,按照相应的成熟理论(如质量守恒、能量守恒定律,运动学、动力学、热力学、流体力学的基本原理等),写出代表其物理过程的方程,结合其边界条件与初始条件,再采用适当的数学处理,来得到能够正确反映对象动静态特性的数学模型。

其模型形式有代数方程、微分方程、差分方程、偏微分方程等;系统可以是线性系统、非线性系统、离散系统、分布参数系统等。

该方法对于研究系统通用规律具有非常重要的意义。

但对一已知的特定系统如果缺乏详细的部件信息(如尺寸参数等),该模型并不比下述的“灰箱”和“黑箱”模型精确。

对于某些复杂的系统,由于部件(如压缩机、锅炉、燃气机等)无法通过理论公式对其过程进行准确的物理描述,因而无法采用该种建模方式。

2.2　系统辨识法(“黑箱”方法)很多复杂的对象,一时无法从理论上分析得到其数学模型,可以通过采用系统辨识技术,根据系统实际运行或试验过程中所取得的输入/输出数据,利用各种辨识算法来建立模型的动静态数学模型。

系统辨识有四个方面的主要研究内容:系统辨识的试验设计,系统模型结构辨识,系统模型参数辨识(也叫参数估计),系统模型检验。

目前,线性系统的辨识理论比较成熟,其主要方法有:最小二乘法,递推最小二乘法,广义最小二乘法,增广最小二乘法,辅助变量法,Kalman滤波法,极大似然法,神经元网络方法等。

而非线性系统的辨识还没有构成完整的科学体系,在理论上和应用上都没有线性系统那样完善,所有对非线性系统辨识进行的研究一般都是针对具体的系统。

非线性系统的辨识方法一般有:多项式逼近法,Volterra级数展开法(包括Hammerstein模型,Wiener模型)等。

该方法的局限性在于不易得到通用规律,所得回归方程的系数物理意义不明确,很难寻求实际过程中热工几何参数的变化对系数影响的规律。

2.3　理论与试验联合法(半经验法,“灰箱”方法)这种方法是通过理论分析,确定数学模型,再通过试验,确定其系数大小,或者通过试验数据整理分析拟合,确定各种形式制冷装置与部件模型的系数大小,形成一定范围内通用的制冷装置及其部件模型。

该方法既照顾到了对象的一般性,又照顾到了对象的特殊性,提高了模型精度的同时又提高了模型的通用性,在实际研究过程中得到了非常广泛的应用。

目前对于冷热源设备本身的模拟研究已经较为成熟,针对某一个设计负荷下对冷热源设备进行效率分析和能耗计算等都已经存在着较为详细的研究方法和模型。

ASHRA E建议,对于建筑能耗分析计算,理论与试验联合的半经验模型更为合适,ASHRA E Primary Toolkit基于该目的建立了・75・ 暖通空调HV&A C　2005年第35卷第3期 专题讲座一系列制冷机稳态模型[2]。

大部分建筑能耗模拟软件,例如美国的DOE22, EnergyPlus和TRNSYS等,都支持制冷机房的全年能耗模拟计算。

对于其中的部件模型,DOE22采用“图形法”对各种类型的制冷机进行建模[3]。

对于每一类制冷机,该模拟软件拟合一组性能曲线,这些性能曲线包括在给定的冷凝水入口温度下,制冷机的输入功率随负荷变化以及冷水出口温度变化的曲线族等。

该性能曲线作为一个通用模型仅与制冷机种类有关,而和制冷机额定容量大小无关,因而无法真正反映某一特定制冷机的性能。

EnergyPlus则同时支持半经验模型(如ASHRAE Primary T oolkit提供的模型等)和拟合曲线法模型[4]。

但该半经验模型的参数必须由用户自己提供,这使得一般的工程设计人员很难使用。

DeST模拟软件采用半经验模型(如ASHRA E Primary Toolkit等)对冷源性能进行模拟计算。

通过对厂家样本提供的产品数据以及试验数据进行整理和参数识别,DeST建立了包含各种不同形式制冷机的产品数据库。

用户可以根据制冷机选择原则,方便地从制冷机设备数据库中选取合适的制冷机组成冷源进行全工况的逐时模拟分析。

3　De ST中冷源模拟分析方法3.1　基本思路DeST模拟程序中对冷源的模拟是通过以下程序进行的:通过对空气处理设备方案进行模拟和分析,可以获知用户侧需要的逐时供回水温度和水量;进而在水系统分析的基础上,确定制冷机的开启台数,以及各台制冷机蒸发器侧进口水温、水量以及要求的出口水温;通过冷却塔模拟计算可以得到各台制冷机冷凝器侧进口水温和水量;从产品数据库中获得所选制冷机的性能参数,调用制冷机模型,即可以完成对制冷机的全年逐时性能模拟。

大型制冷站的制冷设备主要有蒸气压缩式制冷机和吸收式制冷机两种型式。

蒸气压缩式制冷机可以分为活塞式、螺杆式和离心式。

按照其冷凝侧和蒸发侧的二次冷媒种类又可以分为风冷式和水冷式。

吸收式制冷机采用溴化锂溶液或氨水溶液循环,根据其溶液再生方式可以分为:直燃式;采用低压蒸汽和热水间接再生式;采用高压蒸气和热水间接再生式;采用高温废气间接再生式。

此外在一些大型的制冷机房中,吸收式制冷机还可以和一些蒸汽引擎或燃气轮机驱动的蒸气压缩式制冷机联合运行以提高制冷设备的效率。

现就DeST模拟软件中常用的蒸气压缩式制冷机和吸收式制冷机模拟模型一一进行描述。

3.2　螺杆式制冷机模型3.2.1　蒸发器冷凝器模型在该模型中,蒸发器、冷凝器采用集总参数的方法进行建模。

其换热性能通过一个典型的换热器换热系数方法来进行表达,且假设制冷剂侧温度不变。