基于集中式空调系统能效整体性优化模型研究_施赟

［５］
温度-制冷量函数曲线确定了制冷主机最大制冷 温度-制冷量函数曲线如下式：
量与冷冻水出水温度和冷却水进水温度的函数关系 。
ChillerCapFTemp = a +b(T ) +c(T ) +d(T ) +e(T ) + f (T )(T )（１ ）
收稿日期： ２０１２－３－１１ 作者简介： 施赟 （１９８８～ ） ， 男， 硕士研究生； 上海四平路 １２３９ 号济阳楼 ４０８ 室 （２０００９２ ） ； ０２１－６５９８１３９０； Ｅ－ｍａｉｌ： ｓｈｉｙｕｎ＿ｕｐ＠１６３．ｃｏｍ
（３ ）
H、 η、 N。最后根据求得的各组数据， 水泵工作点的 G、
)) （８ ）
1 (ChillerEIRFTemp)(ChillerEIRFPLR) （４ ） COP
式中： Nc 为冷却水泵功率， ｋＷ； Nc,nom 为冷却水泵额定 ｍ３／ｈ； c０、 c１、 c２、 c３ 为拟合参数。 额定流量，
P
通过这三条曲线， 可以得到制冷机压缩机的耗功
=Q
式中： PChiller 为制冷主机压缩机耗功率， ｋＷ； Qavail 为制冷 ｋＷ； COPr 为 制 冷 主 机 的 额 定 机最大可用制冷量， COP。
1.2 空调水泵模型
由于水泵能耗在空调系统总能耗中占有相当的 比例， 水系统的节能显得尤为重要， 需要建立水泵的 能耗模型。
３
度， Ｐａ · ｓ； D 为水流断面当量直径， ｍ； ρ 为流体的密度， ｋｇ／ｍ ； mcw 为冷却水流量， ｋｇ／ｓ； C、 e１、 e２ 为待确定参数。 对于稳定流动， Aw、 ρ、 u 均视为常数； μ、 cpw、 λ 也近
C ⋅4 ⋅c ⋅λ 1 =m ( )A = b m π ⋅µ − ⋅D + R
热量也可以通过总热阻来计算， 具体表达式为［９］：
·１４·
动。因此， 空气与水之间的传热可以看作是强迫对流。 假设水流断面的当量直径为 D， 则水侧热阻 Rw 与水流 量 mcw 通过下式计算：
） （１４ 式中： Rw 为水侧对流传热热阻， ℃／Ｗ； hw 为水侧对流表
２ ２
面传热系数， Ｗ/（ｍ· ℃）； Aw 为水侧对流传热面积， ｍ； Ｒｅ、 Ｐｒ 分 别 为 雷 诺 数 和 普 朗 特 数 ； λ 为导热系数， Ｗ/（ｍ · ℃）； u 为流体平均速度， ｍ／ｓ； μ 为流体的动力粘
第 ３１ 卷第 ５ 期 ２０１２ 年 １０ 月 文章编号： １００３－０３４４ （２０１２ ） ０５－０１２－４
建 筑 热 能 通 风 空 调 Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ ＆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
Ｖｏｌ．３１ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ． ２０１２．１２￣１５
基于集中式空调系统能效整体性优化模型研究
施赟 刘东 张超
部分负荷率-EIR 函数曲线确定了 EIR 随部分负 式：
荷率的函数变化情况。部分负荷率 EIR 函数曲线如下
C hillerE IR F P LR = a + b ( P L R ) + c ( P L R )
式中： ChillerEIRFPLR 为 EIR 部分负荷系数； PLR 为部 分负荷率， 即实际冷负荷与制冷机最大可用制冷量的 PLR＝Qe/Qavail； a， b， c 为拟合所得的参数。 比， 率为：
Pt,fan 为冷却塔风机功率， ｋＷ； Pt,fan,nom 为冷却塔风 式中： 气额定质量流量， ｍ３／ｈ； g０、 g１、 g２、 g３ 为拟合参数。 1.4 空调箱表冷器模型
机额定功率， ｋＷ； ma 为空气质量流量， ｍ３／ｈ； ma,nom 为空
Ｓｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｎ Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｏ ｆ Ｃｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ ｉ ｚｅ ｄ Ａ ｉ ｒ Ｃｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｓｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｇｌ ｏ ｂ ａ ｌ Ｏｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｅｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｅｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ
施赟等： 基于集中式空调系统能效整体性优化模型研究 ·１３·
方程为：
n n a = ( ) a ; a = ( )a ; a = a 式中： n n
H =a +a G +a G
（７ ）
。
为了求出水泵调速后的轴功率， 需要求出调速后
水泵的效率。 首先将额定转速为 n１ 时无因次水泵性能
） 和式 （６ ） ； 然后根据 曲线和效率曲线分别拟合为式 （５
温度-EIR 函数曲线确定了 EIR （输入功率与输出 与冷冻水出口温度和冷 冷量的比率， 是 ＣＯＰ 的倒数） 下式：
却水进口温度的函数变化关系。 温度 －EIR 函数曲线如
ChillerEIRFtemp = a + b(T ) + c(T ) + d(T ) + e(T ) + f (T
式中： ChillerEIRFtemp 为 EIR 系数； a， b， c， d， e， f 为拟 合所得的参数。 ３ ） 部分负荷率-EIR 函数曲线
−
似认为是常数， 将式 （１４ ） 中的 u 解出代入式 （１３ ） 得：
b 式中：
式中： c１＝b１， c２＝b１／b２， c３＝e１， 这三个参数通过实验数据来 确定。 冷却塔的风机耗功模型与水泵类似， 其拟合关系
=P (g + g (m m ) + g (m m ) + g (m m
式如下：
P
H =a +a G+a G
式中： H、 G、 η 分别为无因次扬程、无因次流量和无因 次效率。 当水泵转速发生变化时， 可以通过相似关系式计
算得出水泵转速从 n１ 变化到 n２ 后的无因次性能曲线
Á Â Á Ã Ä Á Â Ã Ä Á Á Ã Ä Å Æ Ç Ã Ä Å Æ Ç Â Â Â Á Â Â Ã Á Á Â Á Ã Â Ä Å Á Ã Â Ä Ã Â Ä Ã Ä Á Â Ã Ä Å Æ Ç ÈÁ Á Â Ã Â Ä Å Á Ã Â Ä Ã Â Ä Ã Ä ÁÁ Â Ã Â Ã Ä Å Æ Ç
管路特性曲线求出调速后水泵的扬程（对于确定的管 定与转速为 n２ 等效率的转速为 n１ 时的工作点：
H G H = G H = b + b G + b G
路， H０ 和 S 均可计算得出） ；最后解下面的方程组， 确
)(T ) （２ ）
求出上述两条曲线的交点 （H１， G１ ） ，然后根据式
Á Á Â Ã Ä Å Â Æ Ç Â Ã Ä Å Æ Ç
第 ３１ 卷第 ５ 期
式中： ChillerCapFTemp 为制冷量系数； Te,out 为冷冻水出 拟合所得的系数。
℃； Tc,in 为冷却水进水温度， ℃； a， b， c， d， e， f为 水温度， ２ ） 温度-EIR 函数曲线
在空调系统优化研究中， 冷却塔模型普遍采用的
（５ ） （６ ）
是 Ｂｒａｕｎ ［８］于 １９８９ 年提出的基于部件的冷却塔模型， 该模型表达式非常复杂，最终可以简化为如下表达 式：
Q = f ((T − T ), ( m m ))
η =b +b G +b G
（１０ ）
根据热传递以及能量平衡理论， 通过冷却塔的散
对于闭式水系统， 水泵等效率曲线与管路特性曲
线完全重合， 水泵的能耗模型相对比较简单 。但对于 如果要建立纯物理关系的能耗方程， 其推导过程较复 最小二乘的曲线拟合方法， 建立简单水泵能耗方程。 因次性能曲线方程［７］：
开式水系统，水泵的轴功率与流量不成三次方关系 。 杂， 不易求解。本文基于相关的物理特性关系式， 通过 选择二次函数作为拟合曲线， 建立拟合的水泵无
ＳＨＩ Ｙｕｎ， ＬＩＵ Ｄｏｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｃｈａｏ
Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Abst r act : Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｎ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌｓ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗａｓ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｒｉａｂｌｅｓ． Keywor ds: ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌｓ， ＥＥＲｓ， ｇｌｏｂａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍａｘｉｍｕｍ ＥＥＲｓ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｏｆ ｖａｒｉａｂｌｅｓ， ｔｈｅ
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引言
人们为了提高空调系统的运行效率， 对空调系统
并且简化。
进行各种优化研究， 但多数研究都是着重于提高各子 系统的效率。 Ｃｈｅｎ 和 Ｘｕ 基于耗散理论对冷冻水系统
［１］
1
空调耗能设备数学模型
进行了优化； Ｌｕ Ｌｕ 等人［２］针对集中式空调系统的冷却 水循环提出了基于模型的优化方法； Ａｈｎ 和 Ｍｉｔｃｈｅｌｌ
N =N (d + d (G G ) + d (G G ) + d (G G