多台冷水机组空调系统的优化控制集美大学 施 灵摘要 以两台容量相同并联运行的冷水机组空调系统为例,通过绘制负荷比与比功率关系曲线,确定了最优负荷分配策略。

分析结果表明,应用该方法确定多台冷水机组空调系统负荷分配策略可以减少系统能耗。

关键词 冷水机组 负荷比 优化 能耗Optimization control strategy in air conditioningsystem with multi water chillersB y Shi LingAbstract T a king the air co nditio ning sy stem w ith tw o chille rs o f identical ca pa city o per ating in pa ralle l as an exa mple,de ter mines the shar ing str ateg y o f optim um lo ad by dra wing the cur ves of lo ad r atio a nd pow er r atio.T he analysis r esults show that adopting the str ateg y to deter mine the lo ad allo cation of the air condit io ning system with multi w ater chillers can reduce energ y co nsum ptio n.Keywords w ater chiller,lo ad r atio,optimiza tio n,ener gy consumptionJimei University,X iamen,Fujian Province,Chi na*0 引言随着建筑规模的不断扩大,为之服务的空调系统的规模也不断扩大 往往需要多台冷水机组同时运行才能满足负荷需求。

对于多台冷水机组空调系统,冷水机组的能耗不仅由其本身的特性(全负荷性能和部分负荷性能)决定,而且还与部分负荷下冷水机组间的负荷分配策略有关。

因此,在冷水机组选型后,如何寻求一最优负荷分配策略以最大程度地提高整个系统的运行效率便成了空调系统节能的关键。

本文以两台相同容量并联运行的冷水机组(包括螺杆式和活塞式两种类型)为例,通过比较不同负荷分配方案下冷水机组的能耗,确定最优负荷分配策略。

1 研究对象本文研究对象为北京地区某建筑物中的空调系统。

该空调系统夏季(5~9月)运行,运行时间为2880h,空调负荷率分布如表1所示。

建筑物总冷负荷为1688kW,选择两台相同规格的冷水机组(螺杆式或活塞式)并联运行,每台机组冷量为844kW,其部分负荷性能参数见表2。

为便于研究分析,假设螺杆式和活塞式冷水机组均能卸载到90%,80%,70%,60%,50%,40%,30%,20%, 10%等负荷点;不考虑热惰性,认为系统负荷就是机组所承担的负荷。

表1 北京地区某建筑物夏季空调负荷率分布负荷率/%102030405060708090100运行时间/h59664956545427717610843102表2 两种冷水机组部分负荷性能参数机组负荷率/%100908070605040302010螺杆式机组机组输入功率/kW128112.680.465.653.844.035.027.622.016.6 机组输入功率百分比/%10088.062.751.242.034.327.321.517.113.0活塞式机组机组输入功率/kW128115.2102.492.883.264.051.238.428.819.2 机组输入功率百分比/%10090.080.072.565.050.040.030.022.515.079暖通空调HV&AC 2005年第35卷第5期 设计参考* 施灵,女,1970年11月生,硕士研究生,工学硕士,副教授361021厦门集美大学机械工程学院(0592)5251327E-m ail:sllll8@收稿日期:20021230修回日期:200504032 不同负荷分配方案下的运行能耗2.1 螺杆式冷水机组改变滑阀位置,可以实现螺杆式制冷压缩机在10%~100%范围内的能量调节。

在30%~100%的能量范围内,螺杆式压缩机效率较高,在30%以下时,效率急剧下降。

鉴于螺杆式压缩机的上述卸载特性,当系统采用两台相同容量螺杆式冷水机组并联运行时,在部分负荷状态下系统的负荷分配方案通常有两种。

方案1为当系统负荷在50%以上时,主、从机各负担一半负荷;当系统负荷在50%以下时,由主机承担全部负荷。

方案2为当系统负荷在50%以上时,主机全负荷运行,从机补充不足的负荷;当系统负荷在50%以下时,由主机负担全部负荷。

计算得方案1运行总能耗为1.81 105kW h;方案2运行总能耗为1.926 105kWh 。

显然,上述两种分配方案均是以系统负荷的50%为切换点,采用不同控制方案。

对于两台相同容量的冷水机组组合系统,这是常用的控制方法。

然而,50%的部分负荷点未必就是最佳切换点。

笔者建议通过绘制冷水机组负荷比比功率关系图来确定最佳切换点,该图横坐标为系统负荷比,纵坐标为系统比功率(系统总耗功与系统总冷量的比值)。

显然,若系统比功率小,则系统运行效率高。

从负荷比比功率关系图中可以得到不同部分负荷状态下的系统效率最大值。

在不同的负荷区域,通过改变系统控制方式,使系统始终高效运行,减少系统能耗。

现以表2中的螺杆式冷水机组为例,通过绘制冷水机组负荷比比功率关系图,确定其部分负荷分配策略,并计算其运行总能耗。

两台冷水机组均衡分担冷负荷控制方式的性能参数见表3;主冷水机组负担全部负荷,冷量不足时由从冷水机组承担剩余负荷控制方式的性能参数见表4。

表3 两台冷水机组均衡分担冷负荷的性能参数(螺杆式)系统负荷比/%100908070605040302010主(从)冷水机组 负荷率/%100908070605040302010供冷量/kW844759.6675.2590.8506.4422337.6253.2168.884.4 输入功率/kW 128112.680.465.653.8443527.62216.6系统比功率/ (kW/k W)0.1520.1480.1190.1110.1060.1040.1030.1090.1300.197表4 主冷水机组负担全部负荷,冷量不足时由从冷水机组承担剩余负荷的性能参数(螺杆式)系统负荷比/%100908070605040302010主冷水机组 负荷率/%10010010010010010080604020供冷量/kW844844844844844844675.2506.4337.6168.8 输入功率/kW 12812812812812812880.453.835.022.0从冷水机组 负荷率/%10080604020供冷量/kW844675.2506.4337.6168.8 输入功率/kW 12880.453.835.022.0系统比功率/ (kW/kW)0.1520.1370.1350.1380.1480.1520.1190.1060.1040.130根据表3及表4中系统不同负荷比下相应的系统比功率即可绘制冷水机组负荷比比功率关系图,见图1。

图中曲线1为两台冷水机组平均分担图1 螺杆式冷水机组负荷比比功率关系图冷负荷控制方式下的系统负荷比与系统比功率关系;曲线2为主冷水机组负担全部负荷,主冷水机组冷量不足时由从冷水机组承担剩余负荷控制方式下的系统负荷比与系统比功率的关系。

从图中可以看出,当系统负荷比在30%以下时,应采用让主冷水机组承担全部负荷的控制方式;当系统负荷比处于30%~85%的范围内时,应采用两台冷水机组平均分担系统负荷的方式;当系统负荷比大于85%时,应采用主冷水机组满负荷运转,从冷水机组承担剩余的负荷的方式。

采用此负荷分配策略系统运行总能耗为1.65 105kWh 。

各负荷比下主、从机的运行参数见表5。

表5 主、从机部分负荷下的运行参数(螺杆式)系统负荷比/%100908070605040302010主机输入功率/kW 12812880.465.653.844.035.053.835.022.0运行时间/h 21043108176277454565649596从机输入功率/kW 12880.480.465.653.844.035.0运行时间/h21043108176277454与方案1的系统运行总能耗1.81 105kW h 相比,该方案节电率为9%;与方案2的运行总能耗1.926 105kWh 相比,该方案节电率为14%。

80 设计参考 暖通空调HV&AC 2005年第35卷第5期可以看出采用此负荷分配策略,节能效果显著。

2.2 活塞式冷水机组为便于比较,采用与螺杆式冷水机组相同的负荷分配方案进行运行能耗分析,方案1运行总能耗为2.403 105kW h,方案2运行总能耗为2.382 105kWh [2]。

依上述方法同样可做出活塞式冷水机组负荷比比功率关系图,见图2,图中曲线1,2含义同图1。

图2 活塞式冷水机组负荷比比功率关系图从图2可以看出,当系统负荷比小于25%时,应采用主冷水机组承担全部负荷的控制方式;当系统负荷比处于25%~50%之间时,应采用两台冷水机组平均分担全部负荷的方式;当系统负荷比大于50%时,应采用主冷水机组满负荷运行,从冷水机组承担剩余负荷的方式。

采用此负荷分配策略的总能耗为2.345 105kWh 。

与方案1相比,该方案节电约2.4%;与方案2相比,该方案节电约1.6%。

比较可知,活塞式冷水机组采用此负荷分配策略的节电率远小于螺杆式冷水机组的节电率。

究其原因,主要是活塞式冷水机组的机组负荷率与机组输入功率百分比之间几乎成线性关系(从表2的数据可看出),其比功率近似为常数,因此,不同负荷分配方案的运行总能耗相差不大。

3 结论对于两台相同容量并联运行的冷水机组可通过绘制冷水机组负荷比比功率关系图确定其最优负荷分配策略,以尽可能地减少系统运行总能耗,达到节能的效果。

与活塞式冷水机组系统相比,螺杆式冷水机组系统采用该方法节能效果更为显著。

对于两台不同容量或多台(3台以上)冷水机组,同样可运用该方法确定最优负荷分配策略,只是冷水机组间的负荷分配方式更为复杂多样,在绘制冷水机组负荷比比功率关系图时应全面分析。

参考文献1 M anske K A ,K lein S A ,Reindl D T.L oad shar ingstr at eg ies in multiple compressor refr iger ation systems.In:A SH RA E T rans.2002,108.3273332 丁云飞.部分负荷性能对冷水机组运行能耗的影响评价.节能,2000(1):453 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.制冷技术,2000(1):14(上接第119页)图4 PID 控制与Fuzzy -P ID 复合控制阶跃响应曲线点,又具有PID 控制精度高的特点。