大型建筑冷水机组模型的建立与分析

香港理工大学 杨 嘉 陈国泰 余富荣 后勤工程学院 吴祥生

摘要 为分析制冷机性能，本文在对某综合性建筑冷水机组能耗状况研究的基础上，分别建立了螺杆式和离心式冷水机组的仿真模型。模型由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器以及冷却塔等一系列部件模型组成。模型的建立以能量平衡和质量平衡为基础，并按照制冷剂的流向完成对各个模块的迭代计算，从而实现了系统仿真。这两种冷水机组模型的模拟结果与冷水机组的实测数据相比较，吻合较好。本文还对该建筑现有冷水机组的运行模式进行了优化，并利用建立的这两种冷水机组模型对采用优化运行方式的节能潜力进行了分析。

关键词 螺杆式冷水机组 离心式冷水机组 模型 节能

随着空调系统越来越广泛的应用，建筑能耗增长特别是空调系统的电力需求增长迅速。在整个建筑物的耗电中，空调系统的耗电约占30%以上[1]，而在空调系统中，制冷机系统(冷冻站)是空调系统的核心，其能耗占整个空调系统能耗的大部分。因而对制冷机的运行进行优化，降低冷水机组的能耗有着重要意义。

随着建筑规模的不断扩大，与之配套的空调系统的规模也不断增大，单台的设备已不能满足要求。在大型公共建筑中央空调系统的设计中，多台冷水机组组成的空调系统被广泛应用。据开利公司提供的上千台冷水机组项目的统计，约有86 %的大型项目由两台或两台以上的多台冷水机组组成系统进行应用[2]

。在实际运行过程中，机组大部分时间处于部分负荷运行状态。冷水机组的工况受负荷率影响，多台设备间容量和数量的匹配成为影响系统能耗的关键因素。 如何确定不同冷水机组空调系统的最优运行模式，提高系统运行效率，从而降低系统能耗，这也是实现可持续发展的要求。 因此，应加强对空调系统冷水机组能耗状况的研究。为了更好的分析机组的运行特性和节能潜力，本文首先分别建立了螺杆式和离心式冷水机组的仿真模型，并对某大楼的冷水机组的运行优化进行了分析。 1 建筑物及冷水机组

本文选用的研究对象是位于香港某大学校园内的一幢综合性建筑。该建筑共14层，总建筑面积为25，000平方米，包括教室、演讲厅、办公室及实验室等，其中空调面积有22789平方米。在该空调系统中，制冷机组包括4台制冷量为1512kW的离心式冷水机组（3用1备），1台制冷量为703kW的螺杆式冷水机组。冷水机组的主要参数见表1。每台冷水机组配备1台定流量一级冷冻水泵，另螺杆式冷水机组配备1台备用冷冻水泵。各台冷水机组输出的冷冻水汇集后，由3台大的变频二级泵(1台备用)和2台小的变频二级泵（1台备用）输送到大楼各层的空气处理设备（AHU）。冷却水系统中共有4台大的冷却泵（3用1备）和2台小的冷却泵（1用1备），此外有4 台大的冷却塔（1台备用）和1台小的冷却塔，每台具有高、低档转速调节风量。

表1 冷水机组主要参数

压缩机类型 离心式 螺杆式

制冷机数量 4 1 制冷剂 R134a R134a 制冷量(kW) 1512 703

COP （满负荷） 5.67 5.09 o设计冷冻水供/回水温度 (C) 7/12 7/12 设计冷冻水流量 (l/s) 72 33.6

o设计冷却水供/回水温度(C) 33/38 33/38 设计冷却水流量 (L/s) 87 41

冷水机组的运行参数由楼宇管理系统(Building Management System, BMS) 进行测量记录，每隔半小

时记录一次数据。测量的参数包括室外冷冻水的质量流量mchw (kg/ s) ，冷却水的质量流量mc(kg/ s) ，冷

℃，制冷剂冻水供水温度Tchws ( ℃) 和回水温度Tchwr ( ℃)，冷却水进口温度Tcde ( ℃) 和出口温度Tcdl ( )

蒸发温度Tev ( ℃) 和蒸发压力Pev(kPa ) ， 制冷剂冷凝温度Tcd ( ℃) 和冷凝压力Pcd(kPa) ，制冷机耗功E(kW) 等。 2 模型建立

动态负荷分析是冷水机组优化配置的基础，也是分析空调系统动态负荷特性的基础。为了分析该建筑空调系统中螺杆式和离心式冷水机组的运行性能，在能量平衡和质量平衡的基础上，本文采用动态仿

真软件TRNSYS分别对这两种冷水机组进行了仿真模拟。模型考虑了真实的热力过程，包括制冷机各部件之间的相互联系。在模拟制冷机运行时，制冷剂在 压缩机、冷凝器、膨胀阀以及蒸发器各部件中的能量平PVni= C过冷 衡和质量平衡必须满足。同时，在本模型中还考虑了蒸

2’2Q cd 发器和冷凝器的总传热系数在部分负荷时的变化。表2 33’ 为制冷机模型各部件的主要方程式，参数说明见表3。在

该模型中还包括冷却塔，冷却塔的模型见文献[3]。在此模型中，每个运行工况输入参数包括冷负荷、干球温

Ecc度、湿球温度、冷冻水供水温度、冷冻水流量、冷却水

mr 流量、冷却水供水温度设定值等， 输出值包括冷水机组

的各运行参数和性能系数（COP）。仿真将从压缩机模块41’ 1Q 开始，并按照制冷剂的流向完成对各个模块的迭代计cl 过热 算，从而实现了系统仿真。图1为典型的制冷循环。

h (kJ/kg) 模型中进行了以下简化：（1）在整个制冷机中流过

的制冷剂流量相等；（2） 忽略制冷机与外界环境的热 图1 蒸气压缩制冷循环交热，即冷凝器中的热负荷等于制冷量加压缩机所耗的

[4，5]

。 电功；（3）忽略制冷剂在制冷剂管道中的压降

表2 制冷机部件方程

蒸发器 No. (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) mr,tot=Kexρex∆Pex [3]

P (kPa) 冷凝器 No.(8) (9) (10)(11)(12)(13) (14) Qcl=PLRQcr =mwCpw(Tchwr−Tchws) =mr,totqrf =AUevLMTDev qrf=h1'−h4 Tchwr−Tchws LMTDev=T−Tevln(chwr)Tchws−Tev =mr,tot(h2−h3) =VaρaCpa(Tcdal−Tcdae) =AUcdLMTDcd AUcd=Tcdal−Tcdae LMTDcd=T−Tcdaeln(cdTcd−Tcdal)Qcd=Qcl+Ecc cV−0.54a1 −0.8+c5mr,tot+c6AUev=c1m−0.8w1 −0.745+c2Qcl+c3膨胀阀 压缩机(螺杆式) Ecc=mr,totmr,tot=No. (15)(16)Vr=AimpUimpPcd δPev压缩机(离心式) tan(β)[ni 2P2v2(π(ni−1)/ni−1)−Uimp]ni−1No. (23)(24)(25)(26)(27)(28)(29)win ηisenηccVvdηv Nccvrni−1π=ni(CRwin=Pevvrni−1ni−1) (17)(18)(19)(20)(21)mr=γmr,max mr,max=Vr1/ni πimpv2CR=Pcd Pev11 =−(−0.0007+0.0002Pev)Tevshvrv1'πimp=[1+ni−11V2 2(Uimp−2r2)]ni/(ni−1)2niP2v2Aimpsin(β)ηv=0.925−0.009CR 22ηisen=0.01(a1Tcd+a2Tcd+a3Tev+a4Tev 2+a5TcdTev+a6TcdTev+a7Qcr+a8)γ=0.0704PLR2+0.931PLR+0.00006 Ecc=Win ηpolηmni−1niηpol=0.7845+0.1537PLR−0.054PLR2 (22)niWin=mrP2v2(πni−1−1) 2(30)

3 结果与讨论

ηcc=0.0903+1.1708PLR−5669PLR (31)3.1 冷水机组模型验证

为了检验所建立的这两种冷水机组模型的准确程度，利用测量结果计算的冷水机组COP来检验机组模型。由于该建筑的楼宇管理系统在2007年6月20日至2007年11月15日期间测量记录的数据较完善，因此对该段时间的离心式冷水机组和螺杆式冷水机组相应的运行工况分别进行了模拟，气象参数来自于香港天文台。图2和图3分别为螺杆式冷水机组和离心式冷水机组COP的测量值和模拟值的比较。从图中可以发现，模拟结果与测量计算的结果吻合较好，对绝大部分运行工况的COP的相对误差在±10% 以内。因此，应用所建立的这两种冷水机组模型研究优化冷水机组运行模式是可行的。

8.07.57.06.5模拟值COP+10% -10%6.05.55.04.54.03.53.03.03.54.04.55.05.5测量值COP6.06.57.07.58.0 图2 螺杆式冷水机组COP的比较

8.07.57.06.5模拟值COP6.05.55.04.54.03.53.03.03.54.04.55.05.5测量值COP6.06.57.07.58.0+10%-10% 图3 离心式冷水机组COP的比较

3.2 优化冷水机组运行模式

在本文研究的建筑中，由于冷水机组系统包括不同类型不同规格的冷水机组，在运行中可采用不同的设备组合、不同的运行模式和设定点来满足建筑物的冷负荷需求。对于多台冷水机组组成的空调系统，冷水机组的能耗不仅由其全负荷和部分负荷性能决定，而且还与运行模式有关，冷水机组的运行模式不同，系统总能耗也就不同。所以当整个系统工作在部分负荷时，就会产生究竟开几台冷水机组、开哪几台机组比较经济合理的问题。此时可通过优化冷水机组运行模式来达到节能的目的。

在对该冷水机组的调研中发现，在实际运行过程中，机房管理人员有时根据经验选择所要运行冷水机组类型和数量，没有优化运行。因此本文将分析现有的冷水机组在优化运行的基础上的节能潜力。

表3 制冷机的运行策略

建筑负荷率 制冷机运行台数及其制冷运行制冷机总的制(BLR) 能力(kW) 冷能力(kW) 0Step

1 2 3 4 5 6

制冷机部分负荷 最小 0.29 0.49 0.65 0.73 0.80 0.83

最大 1 1 1 1 1 1

在本研究中，制冷机的优化运行控制策略为：先开启1 台冷水机组，由小到大调节其制冷量以满足实际负荷变化要求。所有运行的制冷机运行在相同的部分负荷下，只有在每一台运行的制冷机都运行在满负荷下时才增加运行1台制冷机，运行策略如表3所示。在此运行模式下，通过模拟得出在2007年6月20日至2007年11月15日期间，冷水机组的总耗电量为1610503kW，与冷水机组的实际运行能耗测量值1769784kW相比，下降了9 %。因此，在满足系统总负荷的要求下，在不增加任何费用的基础上，通过优化机组的运行模式就能实现较大程度的节能。

表4 参数说明

参 数 说 明 参 数 说 明

-1Qcl mchw 冷冻水流量 (kg s) 制冷量(kW)

PLR qrf 制冷机部分负荷 制冷效果(kJ kg-1) Tcdae T 室外温度(oC) 制冷剂饱和温度(oC) Tcdsc Tcdal 过冷度(oC) 离开冷凝器空气温度(oC) Tcdsp Tchwr 冷凝温度设定值(oC) 冷冻水回水温度(oC) Tchws win 冷冻水供水温度(oC) 压缩机绝热压缩耗功(kJ kg-1) Tevsh ηisen 过热度(oC) 绝热效率

o-1

ηcc 压缩效率 总的传热面积数(kW C) AU

CR ηv 压缩比 容积效率 E Cpa 输入功 空气的定压比热 (kJ kg-1 oC -1) mr Cpw 每台压缩机制冷剂流量(kg s-1) 水的定压比热 (kJ kg-1 oC -1) mr,tot Cprg 总的制冷剂流量(kg s-1) 制冷剂蒸气比热(kJ kg-1 oC -1) P Cprl 制冷剂饱和压力( kPa) 制冷剂液态比热(kJ kg-1 oC -1) Qcd ni 总的热 多变指数

下标：cc、cd、cf、ch、ev和tot分别代表压缩机、冷凝器、冷凝器风扇、制冷机、蒸发器和总值（total）

4 结语

为分析制冷机性能，本文首先对某综合性建筑的冷水机组能耗状况研究的基础上，分别建立了螺杆式和离心式冷水机组的仿真模型。模型由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器以及冷却塔等一系列部件模型组成。模型的建立以能量平衡和质量平衡为基础，并按照制冷剂的流向完成对各个模块的迭代计算，从而实现了系统仿真。这两种冷水机组模型的模拟结果与冷水机组的实测数据相比较，吻合较好，绝大部分运行工况COP的误差在±10%以内。通过调研分析，该建筑的冷水机组的运行有时由机房运行人员根据经验进行调节，没有优化运行。本文因此对该建筑现有冷水机组进行运行优化，在满足系统总负荷的要求下，优化运行模式，并利用建立的两种冷水机组模型对采用优化运行方式的节能潜力进行了分析。通过模拟分析可看出，在不增加任何费用的基础上，通过优化机组的运行模式就能实现较大程度的节能。如果同时考虑冷冻水系统、冷却水系统的节能，则可以得到更好的节能性和经济性。

参考文献

[1] Deng Shi-ming , Burnett John. Performance monitoring and measurement for central air conditioning chiller plants in buildings in Hong Kong. In : HKIE Trans. 1997 ,4(1) . 7-12.

[2] 卫宇. 离心式与螺杆式冷水机组组合应用系统方案的性能分析[J ], 制冷技术, 2000 , (1) :14217. [3] Solar Energy Laboratory (SEL), 2000, TRNSYS: A Transient System Simulation Program (Reference Manual), University of Wisconsin/Madison Press, Madison, WI.

[4] FW Yu, KT Chan. Advanced control of heat rejection airflow for improving the coefficient of performance of air-cooled chillers. Applied Thermal Engineering 26 (2006) 97–110

[5] F.W. Yu, KT Chan. Modelling of a condenser-fan control for an air-cooled centrifugal chiller. Applied Energy 84 (2007) 1117–1135

杨嘉，男，1975.2，在读博士研究生，讲师, 地址：香港九龙红堪香港理工大学屋宇设备工程学系 E-mail: 07901070r@polyu.edu.hk

大型建筑冷水机组模型的建立与分析

作者：作者单位：

杨嘉， 陈国泰， 余富荣， 吴祥生

杨嘉,陈国泰,余富荣(香港理工大学)， 吴祥生(后勤工程学院)

1.学位论文 唐盈 重庆大剧院室内外热环境数值模拟研究 2006

近几年来，随着计算机大容量化和高速度化以及计算流体力学(CFD)的发展，逐步普及应用CFD技术模拟预测高大空间建筑空调系统的气流组织、热舒适性以及优化设计方案成为可能。本文利用国际公认的CFD通用商业软件PHOENICS3.6.1，对重庆大剧院大空间空调方案的热舒适性与气流组织进行了模拟研究，所得研究结论为高大空间类建筑空调系统优化设计、预测气流组织等提供了理论依据和指导方法。

本论文的研究性质为利用CFD技术模拟山地城市临江大型建筑的室内外热环境。研究内容主要分为室内模拟研究与室外模拟研究。 室内模拟研究包括：

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研究中对设计方提出的空调方案及工况进行模拟验证，经过模拟计算后，得出室内温度场、气流场(送风、排风气流组织情况)、空气龄、PMV值等直观的可视化图形和数据，再分别进行分析、比较和评价，选择最优方案或提出新的优化方案，对建筑结构和空调设计提出修改建议。 室外模拟研究包括：

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②对重庆大剧院室外热环境进行数值模拟研究。研究对夏季进行室外CFD模拟，获得了重庆大剧院室外模拟的建筑表面气压分布、压力场、风速场、温度场、空气龄及流线场等直观的可视化图形和数据。分析了模拟结果的优缺点，并分析产生有利及不利因素的原因，提出详规整改建议，作为设计的参考。其次是结合土木学院李正良教授为重庆大剧院进行的风洞实验研究，进行比较分析，得出设计的可靠依据，优化设计。

2.学位论文 毛良 中央空调系统节能设计与实现（中央空调变水量系统水泵节能控制研究） 2008

一般中央空调能耗约占整个建筑总能耗的50％左右,在建筑能耗中占有很大比重。而建筑空调都是以最不利工况为设计标准,空调负荷大都采用估算法,因此空调系统在大部分时间都是在部分负荷下运行。在国内,绝大多数大型建筑空调水系统均为定流量系统,在运行过程中水流量不能跟随负荷变化,水泵始终按照设计负荷全速运行。因此冷水机组和水泵容量往往远远大于实际需要,空调系统的运行费用居高不下,成为建筑管理中的沉重负担。

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最后运用最小二乘法和EXCELL VBA编程编制水系统计算软件,形成变流量水系统的设计方式。最后运用实例说明最小阻力控制方法的节能效果。

3.期刊论文 宁永生.王琪辉.张英 大型建筑空调系统中央监控设计 -自动化与仪器仪表2003,\"\"(6)

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4.学位论文 陈晓锋 中央空调变流量节能运行控制系统的研究和实现 2006

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针对定流量系统设计及运行中常出现的问题，本文提出了研究和实现变流量节能运行系统的课题。论文介绍了国内空调水系统的使用现状和变流量水系统的各种类型，说明了系统改造在节能方面的重大意义；通过对变速水泵的特性分析，蒸发器、冷凝器的热力学分析和水系统变流量对机组性能的影响，证明了定水量系统改造为变流量系统的可行性。 课题结合实际工程，对重庆市三峡广场庆泰大厦中央空调的水系统进行了变流量改造。通过分析原有的水系统特点，对冷却水和冷冻水系统都进行了变流量改造，系统采用温差控制，变频调速方案。针对中央空调水系统强惯性，大滞后的特点，研究了单神经元Smith预估控制器在该类系统中的应用。论文确定了节能运行控制系统的硬件组成，给出了控制系统的原理图和接线图。系统软件使用Visual C＋＋6.0 编写，稳定可靠，界面友好，具有工业应用强度。整个变流量节能运行系统只对原有系统进行了少量的改动和增加了部分设备，简单可靠，经济性好。试运行结果表明，该系统不仅大幅度节省了中央空调系统的运行费用，同时也减轻了操作人员的劳动强度。

5.期刊论文 张甫仁.ZHANG Fu-ren 基于气象热舒适度的建筑能耗灰色神经网络预测 -建筑科学2007,23(10)

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6.学位论文 刘航 大型公共建筑中央空调监测系统设计与实现 2008

我国正处在城市化高速发展过程中，预计到2020年新增城镇民用建筑面积为100～150亿平米，其中10亿平米左右为大型公共建筑。特别值得注意的是此类建筑目前仅占城镇民用建筑总面积的5％，但其单位面积用电量却为住宅建筑用电量的10倍以上。在我国大型和特大型城市，此类建筑总耗电量大于当地住宅的总电耗，这将对我国能源供应造成巨大压力。以提高大型公共建筑空调系统运行效能为目的的研究方兴未艾。

本文以广元客运站中央空调监测系统开发为背景，逐步深入研究大型公共建筑中央空调监测系统。在开发大型建筑中央空调监测系统的过程中，逐步掌握了数据采集、传输、存储、统计、通信等相关技术要点以及数据库系统和应用软件的开发。

本文设计了一套基于RS-485总线技术的大型公共建筑中央空调监测系统，实现了对中央空调系统内温度、湿度、压力、流量、电力参量的实时监测，使管理人员可以实时掌握中央空调系统的运行及环境情况。

系统采用多级分布式结构和多CPU设计思想，系统由上位机和下位机构成。下位机主要完成环境参数的采集与处理，并通过RS-485总线传至上位机统一显示并做出判断实现超限报警。上位机可以设定下位地址、查询下位机的工作状态、设定环境参数的报警阀值，从而实现中央空调系统的统一管理。采用这种多级分布式结构不仅避免了模拟信号因长距离传输引起的损耗，简化了系统的布线，而且便于增加传感器的个数和种类，系统易于扩展、升级。

本文完成了整个监测系统的软、硬件设计，实现了一种可以应用于大型公共建筑的中央空调监测系统。

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