基于Trnsys的水冷型中央空调系统建模与仿真

胡 玮,陈立定

(华南理工大学自动化科学与工程学院,广州510640)

0 引言

今年是 “十二五”规划的开局之年,在国家制定的“十二五”规划中,节能减排依然是重中之重。在整个能耗中,建筑能耗已经占到30%左右,而其中空调能耗约占建筑能耗60%左右[1],因此空调节能已成为节能减排的重要方面。中央空调作为空调能耗消耗的大户,其大部分能耗属于机组能耗,因而研究中央空调系统对节能有着重要的意义。

目前国内有很多学者致力于中央空调节能的研究,但是大部分局限于局部系统控制策略的研究,一般都脱离建筑,或者只加入计算得来的建筑能耗,而不是将中央空调系统置于所在的实际建筑中,而控制系统模拟却是应该建立在建筑空调系统、建筑基础上的整个系统模拟。针对此情况,本文采用Trnsys软件,以广州某大厦为例子,并由广州市的气象数据,及大厦建筑结构、内部电器能耗及人流情况建立仿真,模拟中央空调系统的运行情况及能耗,为中央空调仿真系统模型的建立提供了一些思路。

1 Trnsys软件简介[2]

Trnsys最早由美国Wisconsin-Madison大学的Solar Energy实验室 (SEL)开发,并在欧洲一些研究所的共同努力下逐步完善,迄今为止最新版本为Ver.17。Trnsys全称为Transient System Simulation Program,即瞬时系统模拟程序。

TRNSYS可以对太阳能 (太阳热和光伏系统)、建筑及暖通空调、可再生能源、冷热电联产、燃料电池等系统的运行特性和控制特性进行仿真;此外,运行于WINDOWS环境中的TRNSYS可以在线描绘和监测100多个系统变量,可以直接调用EXCEL和MATLAB的有关数据图形信息等。TRNSYS是模块化的仿真软件,源程序都用FORTRAN语言编写,其最大优点是允许用户根据各自的需要修改或编写新的模型并添加到程序库中去。

2 建筑模型的建立[3]

本文选用的虚拟建筑物模型是位于广州市的一栋商务大厦,每层的面积约为2300m2,有两个相同的AHU分别服务于南北半边,每个AHU有8个不受送风静压影响的VAV末端,本文选取一个AHU及其服务的半层办公楼作为研究对象,面积大约1360m2,如图1所示。大厦的设计遵循共 《建筑节能设计标准广东省实施细则》 (DBJ15-51-2007)[4]以及 《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准广东省实施细则》 (DBJ15-50-2006)[5]中的办公建筑规定选取。建筑朝向为南北向,各朝向的窗墙比为东西墙0.35、南北墙0.4,外窗的综合遮阳系数均为0.4,整个区域模型平面图如图1。

图1 多区域平面图及仿真连线图

3 气象数据文件

本文的室外气象数据取自广州地区的气象资料,根据仿真实验要求以及 《公共建筑节能设计标准广东省实施细则》(DBJ 15-51-2007)所规定的广州地区每年空调开放时间,选取了广州市4月1日 (2160h)到10月30日 (7295h)的气象数据,其户外干球温度和湿度图如图2所示。

图2 广州市7月(4344h-5088h)份气象数据(上图为温度,下图所示为相对湿度)

4 冷水机组数学模型[6]

本文选取的冷水机组为螺杆型蒸汽压缩式水冷型冷水机组。冷水机组的数学模型如下:

蒸发器:

冷凝器:

膨胀阀:

压缩机:

参数:

Qci—制冷量 (kW)

PLR—制冷机部分负荷

mw—蒸发器水流量 (kg/s)

Cpw—水的定压比热 (kJ/kg℃)

Tchwr—冷冻水回水温度 (℃)

Tchws—冷冻水供水温度 (℃)

mr,tot—总的制冷剂流量 (kg/s)

qrf—制冷效果 (kJ/kg)

AU—总的传热面积数 (kW/℃)

Qcd—总的热量 (kJ)

E—输入功

Tcdal—离开冷凝器空气温度 (℃)

Tcdae—室外温度 (℃)

win—压缩机绝热压缩功耗 (kJ/kg)

ηisen—绝热效率

ηcc—压缩效率

ηv—容积效率

ni—多变指数

CR—压缩比

P—制冷剂饱和压力 (kPa)

Tevsh—过热度 (℃)

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)。

5 中央空调系统概述

本次模拟的中央空调系统含有2个AHU,分别位于核心区域的西北和东南角,西北角的AHU服务西边的四个区域,东南角的AHU服务东边的四个区域,AHU的启停时间设定为8∶00～20∶00。新风量采用固定的新风比0.3,新风与回风混合后送入AHU。

采用建筑能耗软件DOE-2分析建筑能耗后,采用2台螺杆型蒸汽压缩式水冷型冷水机组。水系统采用一次泵变流量系统,冷冻水泵采用两台变频水泵,冷却水系统采用2台定频水泵及两台闭式冷却水塔,启停时间与相应的冷机联动,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交热,即冷凝器中的热负荷等于制冷量加压缩机所耗的电功;(3)忽略制冷剂在制冷剂管道中的压降[7,8]。整个中央空调系统如图3所示。

图3 中央空调系统仿真图

6 仿真结果及分析

本次仿真采用两种方式模拟中央空调系统全年能耗,一种为不加控制的基准模型,另一种则根据外界温度及建筑区域实际需要的冷负荷对冷冻泵及风机进行控制。

6.1 基准模型

基准模型中,所有的分区采用均固定的送风量,区域换气次数为每小时6次,AHU的风机不加控制,即相当于定频风机。盘管设备模型采用Bypass Fraction Method模型,设定AHU的出风温度为18,出风由70%的区域回风和30%的新风混合而成[9]。冷水机组的出水温度设为7,冷冻水泵和冷却水泵均各自采用相同参数的两组水泵,根据盘管的进回水温度和流量计算冷负荷,根据负荷区间确定冷水机组及冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔的启停,模拟的步长设为0.1h。所得的温度和能耗结果如图4、图5所示。

图4中的时间为7月1日8∶00到20∶00(4352h～4364h),由图4可以看到,各区域房间温度基本维持在26左右比较理想。但是由图5却看出冷水机组、冷却塔、水泵能耗几乎成直线,这说明在中央空调运行过程中,如果不加控制,各设备均工作在额定功率状态,而实际的冷量需求却没有那么大,这就造成了机组能耗浪费。

6.2 加控制的模型

在加控制的模型中,由盘管进出水温度和流量计算建筑实时的冷负荷,并根据负荷区间确定冷水机组、冷却塔、水泵的启停控制,而变频冷冻水泵的冷冻水流量则根据负荷所需的水量来控制,其温度根据室外的干球温度重置。冷却塔的风机为定频风机,启停时间跟相应的冷机联动。AHU的风量则采用定静压控制,静压设定值为固定,模拟步长依然设为0.1h[10]。所得的各区域温度图和中央空调设备的能耗如图6、7所示。

由图6、7对比图4、5可以看出,加控制后,各区域的温度变化不大,基本维持在26比较理想的状态,但是控制后的能耗却大大降低,表1为全年设定时间段内 (4月1日到10月30日)各项设备加控制前和控制后的能耗对比。

表1 控制前后中央空调各设备全年(4月1日到10月30日)分项能耗和总能耗分布表

从上面的表中可以看出,加入了控制的优化模型的全年各分项能耗有了明显降低,风机电耗下降了45.4%,制冷机电耗下降了40.1%,水泵总电耗下降了44.1%,冷却塔电耗下降了41.6%,电耗总和下降了41.9%。

由两种模型的能耗情况可以看出,中央空调系统具有很大的节能空间,可以通过其所需的实际冷负荷来调节水泵的流量及AHU风机的风量来实现节能控制,本文中由于使用了大量的Equation模块,所以容易实现中央空调系统的控制,但是在实际运行过程中,没法直接得出空调负荷,这就只能通过提前预测及智能模糊控制,从冷机进回水温度差及风机静压差来控制中央空调水泵及风机来实现节能。

7 结论

本文结合实际建筑建立广州市某大厦的水冷型中央空调仿真系统,并从不加控制和加控制两种策略下对中央空调的能耗情况进行了仿真,由结果可以发现,中央空调系统存在很大的节能空间,这值得我们去研究中央空调的节能。同时,通过建模仿真,我们可以得到一些有效地仿真方法,为研究空调能耗具有重大的意义,同时也为接下来作者对中央空调控制策略的研究打下了基础。Trnsys能够很好地模拟中央空调功能和基本特性,是一个非常好的研究中央空调节能的软件。

[1] 赵廷法,王瑞华,王普.VAV中央空调能耗建模与仿真研究[J].计算机仿真,2010,27(3):326-329

[2] Solar Energy Laboratory(SEL),2006,TRNSYS:A Transient System Simulation Program(Reference Manual),University of Wisconsin/Madison Press,Madison,WI.

[3] 任海刚.多区域VAV系统新风优化控制研究——基本预测的末端再热控制策略[D],上海:上海交通大学,2003:49

[4] DBJ15-51-2007.建筑节能设计标准广东省实施细则[S].

[5] DBJ15-50-2006.夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准广东省实施细则[S].

[6] TR NSYS 2007 TRNSYS 16.1Manual:A Transient Simulation Program.University of Wisconsin,Madison,USA

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

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

[9] 林兴斌,潘毅群,黄治钟.基于TRNSYS的HVAC控制系统的仿真 [J].建筑节能,2010,38(228):44-50

[10] 林兴斌,潘毅群,黄治钟.变风量空调系统不同控制策略下的能耗分析 [J].建筑热能通风空调,2010,29(5):20-24