利用冷水机组关机后冷水剩余冷量对房间预冷

摘 要

摘要：利用冷水机组关机后冷水剩余冷量，次日提前开启空调系统对房间预冷，可提高房间使用时的舒适度、降低空调系统能耗。提出了冷水机组停机后任意时刻冷水温度的计算方法。结合
摘要：利用冷水机组关机后冷水剩余冷量，次日提前开启空调系统对房间预冷，可提高房间使用时的舒适度、降低空调系统能耗。提出了冷水机组停机后任意时刻冷水温度的计算方法。结合工程实例，分析了预冷阶段冷水机运行模式，对空调系统提前开启时间进行了计算。
关键词：冷水机组；冷水；剩余冷量；预冷
Utilization of Residual Cold Energy from Chilled Water after Shuttin down Water Chilling Unit for Precooling Room
GAO Ya-feng，LI Bai-zhan，CHEN Yu-yuan，YANG Yu-lan，ZHANG Wen-jie
Abstract：Through starting air-conditioning system in advance on the next day，the utilization of residual cold energy from chilled water after shutting down water chilling unit for precooling room can improve the thermal comfort in room and reduce the energy consumption of air-conditioning system. A calculation method of chilled water temperature at any time after shutting down water chilling unit is presented. Taking an engineering case for example，the operation mode of water chilling unit in the precooling stage is analyzed，and the starting time of air-conditioning system in advance is calculated.
Key words：water chilling unit；chilled water；residual cold energy；precooling
    截至2004年，建筑能耗占全国总能耗的比例已达30%[1]，公共建筑的单位面积能耗是居住建筑的4～10倍[2、3]，暖通空调系统能耗占建筑总能耗的55%以上[4～6]。确定合理的冷水机组开停时间，对节约能源和提高舒适度具有重要意义[7]。
    提前开启空调系统对房间预冷，使房间的温湿度能够迅速达到设定值，以便在使用时获得理想的舒适度，并可较大限度地利用冷水机组关机后冷水的剩余冷量。本文对利用冷水机组关机后冷水剩余冷量对房间预冷的方法及空调系统提前开启时间进行探讨。
1 工程概况
重庆大学主教学楼是集教学、科研、办公、会议于一体的综合性公共建筑。总建筑面积约70032m2，地下3层，地上26层，建筑高度为99.1m，空调面积约37000m2，主教学楼的使用时间为8:00—24:00，教室的建筑面积占总建筑面积的70%左右。
    为了保证在部分负荷时冷水机组的高效运行，选用3台离心式冷水机与1台螺杆式冷水机，在过渡季节或负荷较小时，只开启螺杆式冷水机。冷水机进出水温度为13、7℃，冷水机与附属设备见表1[8]。空调水系统为一次泵、末端变流量、机组侧定流量系统，采用二管制，竖向不分区，末端空调装置采用风机盘管，冷水系统流程见图1㈨。
表1 冷水机与附属设备[8]
设备名称
参数
数量/台
备注
离心式冷水机
制冷量为2637kW，功率为490kW
3
—
螺杆式冷水机
制冷量为1167kW，功率为251kW
1
—
冷水泵
流量为324m3/h，扬程为37m，功率为45kW
4
3用1备
流量为128m3/h，扬程为37m，功率为18.5kW
2
1用1备
冷却水泵
流量为700m3/h，扬程为32m，功率为75kW
4
3用1备
流量为350m3/h，扬程为32m，功率为55kW
2
1用1备
冷却塔
流量为700m3/h，功率为22kW
3
—
流量为350m3/h，功率为11kW
1
—
 

2 停机后冷水温度的计算
    冷水机组停机后，冷水管道中的冷水温度仍较低，且冷水无内热源。时间段t内冷水与冷水管绝热层外空气传热量的计算式为[9]：
dQ=KA(θav-θt)dt=mcpdθt    (1)
式中Q——时间段t内冷水与冷水管绝热层外空气传热量，kJ
    K——冷水与冷水管绝热层外空气的平均传热系数，kW/(m2·K)
    A——综合传热面积，m2
    θav——冷水管道绝热层外空气平均温度，℃
    θt——t时刻冷水的平均温度，℃
    t——时间，s
    m——管道内冷水总质量，kg
    cp——冷水的比定压热容，kJ/(kg·K)
由于冷水温度不断变化，室内空气平均温度等也会出现波动，因此K不为常量。该工程冷水机组关机与开机的时间间隔约8h，冷水温升较小，且室内空气平均温度等变化不大，对传热系数的影响较小，因此在计算中将K视为常量。对于确定的空调系统，A、m、cp均为定量，令：
 
式中a——常数
    式(1)的通解为：
    θt=θav+Be-at    (3)
式中B——常数
    冷水机组停机时(t=0)，冷水温度为θ0，可得常数B=θ0-θav，式(3)变为：
    θt=θav+(θ0-θav)e-at    (4)
式中θ0——停机时的冷水温度，℃
    式(4)表明，冷水温变化规律服从指数分布，当开停机时间间隔趋于无穷大时，冷水温度趋于室内空气平均温度。a越小，冷水温度变化越慢，反之越快。由于K与A较难求得，因此a不易确定。但对于确定的空调系统，n是基本确定的。不同θ0、θav下，θt的实测值及a的计算值见表2。
    由表2可知，对于不同θ0、θav，a的平均值为5.17×10-6，由此可得到冷水机组停机后冷水温度随时间变化的表达式为：
    θt=θav+(θ0-θav)exp(-5.17×10-6t) (5)
某日冷水机组关机后，不同时刻冷水实测温度与由式(5)计算得到的理论温度的比较见图2。由图2可知，实测温度与由式(5)计算得到的理论温度吻合较好，因此可采用式(5)计算停机后某时刻冷水温度。
表2 不同θ0、θav下θt的实测值及a的计算值
时间t/h
1
2
3
4
5
6
θ0=11.40℃，
θav=27.80℃
θt/℃
11.70
11.95
12.38
12.65
12.68
13.41
a
5.14×10-6
4.75×10-6
5.69×10-6
5.50×10-6
4.53×10-6
6.06×10-6
θ0=19.20℃，
θav=28.50℃
θt/℃
19.36
19.56
19.61
19.80
19.92
20.28
a
4.83×10-6
5.47×10-6
4.17×10-6
4.47×10-6
4.83×10-6
5.72×10-6
θ0=13.05℃，
θav=28.00℃
θt/℃
13.41
13.58
13.77
14.13
14.50
14.66
a
6.22×10-6
5.00×10-6
4.56×10-6
5.14×10-6
5.67×10-6
5.28×10-6
 

3 空调系统提前开启时间
   空调系统提前开启的流程为：关闭集分水器间的压差控制阀，开启冷却塔风机、冷却塔电动蝶阀、冷却水泵、机组冷却水电动蝶阀、冷水泵、机组冷水电动蝶阀、冷水机组。每台冷水机组的回水管上均安装了动态流量平衡阀，可以保证流经冷水机组的冷水量为额定值的95%～115%[10]，在关闭压差控制阀时，仍可保证冷水泵、冷水机安全节能运行。
   ① 冷水机运行模式
   在预冷时，冷水机运行模式包括开启螺杆式冷水机、一台离心式冷水机或两台离心式冷水机等，运行模式见表3。设定冷负荷为955kW，在利用冷水剩余冷量的情况下，各种运行模式的工作时间与耗电量见表3，耗电量不包括风机盘管的耗电量。由于在满负荷时离心式冷水机的EER(能效比)比螺杆式冷水机高，因此离心式冷水机的耗电量较低。综合考虑阀门、水泵等设备对系统能耗的影响，提前开启一台离心式冷水机组的经济性较优，因此决定冷水机运行模式采用开启一台离心式冷水机。
表3 设定冷负荷下不同运行模式的工作时间及耗电量
运行模式
螺杆式冷水机
1台离心式冷水机
螺杆式冷水机+1台离心式冷水机
2台离心式冷水机
工作时间/s
2 944
1 303
903
651
耗电量/(kW·h)
261
210
226
210
运行模式
螺杆式冷水机+2台离心式冷水机
3台离心式冷水机
螺杆式冷水机+3台离心式冷水机
—
工作时间/s
533
434
378
—
耗电量/(kW·h)
219
210
217
—
   ② 空调系统提前开启时间
   为了简化计算进行以下假设：在预冷时，风机盘管向房间提供的冷量始终不变；不考虑房间与外界空气换热；不考虑墙壁及家具的蓄热；墙内壁面温度保持不变，室内空气与墙内壁间的对流传热系数始终不变，室内空气温度按初始状态与最终状态的平均温度计算。
根据以上假设，随着风机盘管的工作，室内温度不断降低，室内空气与墙内壁面间的对流传热量Qc的计算式为：
 
式中Qc——风机盘管工作时间内室内空气与墙内壁面间的对流传热量，kJ
    h——室内空气与墙内壁面间的表面传热系数，kW/(m2·K)
    Aw——墙内表面面积，m2
    tf——风机盘管工作时间，s
    θ——初始状态墙内表面温度，℃
    θa,0——初始状态室内空气温度，℃
    θa,f——风机盘管工作结束时室内空气温度，℃
    预冷过程中，风机盘管与室内空气的能量平衡方程为[11]：
    Фftf=Qc+ma(h0-hf)    (7)
式中Фf——风机盘管提供的冷量，kW
    ma——室内空气质量，kg
    h0、hf——初始状态与风机盘管工作结束时室内空气比焓，kJ/kg
    以某一间大型教室为例进行研究，房间墙内表面面积为880m2，室内空气质量为1270kg，空调系统设计温湿度为26℃、60%，设计冷负荷为64kW。设计初始状态：θ=32.3℃、θa,0=32℃、空气相对湿度为80%，h=4W/(m2·K)。根据文献[12]提供的计算方法计算得，h0=97.1kJ/kg、hf=59.8kJ/kg。由式(6)、(7)计算得，tf=15min。实际上，室内空气与室外空气、家具等存在着热交换，使得计算结果偏小，因此需考虑修正系数1.2～1.5，修正后风机盘管的工作时间为18～23min，提供的总冷量约75MJ。由表1可知，离心式冷水机的单台制冷量为2637kW，计算得冷水机组的运行时间为28s。
    2006年8月7日对风机盘管工作后墙内壁面温度、室内空气温度的实测结果见图3。由图3可知，墙内壁面实测初始温度为31.8℃，实测室内初始空气温度为31.6℃。随着风机盘管的开启，墙内壁面温度平缓下降，30min后降至30.5℃，由于时间较短，可以近似认为墙内壁面温度保持不变。风机盘管工作30min后，室内空气温度由31.6℃降至26℃，风机盘管工作时间与计算结果(18～23min)相差不大。
 

4 结语
    随着能源紧张和人民生活水平的提高，建筑节能和室内舒适性越来越受到人们的关注。利用冷水机组关机后冷水剩余冷量，提前开启空调系统对房间进行预冷，不但可以提高房间使用时的舒适度，而且可以降低空调系统能耗。准确计算提前开启空调系统的时间，是实现建筑节能和提高舒适性的重要环节之一。
参考文献：
[1] 张声远，杨秀，江亿.我国建筑能源消耗现状及其比较[J].中国能源，2008，(7)：37-42.
[2] 江亿.我国建筑耗能状况及有效的节能途径[J].暖通空调，2005，(5)：30-40.
[3] 薛志峰，江亿.商业建筑的空调系统能耗指标分析[J].暖通空调，2005，(1)：37-41.
[4] 陈滨，孙鹏，丁颖慧，等.住宅能源消费结构及自然能源应用[J].暖通空调，2005，(3)：45-50.
[5] BOJIC M，YIK F，WAN K. Influence of envelope and partition characteristics on the space cooling of high-rise residential buildings in Hong Kong[J].Building and Environment，2002，(37)：347-355.
[6] 龙惟定，白玮.民用建筑空调的电力需求侧管理[J].电力需求侧管理，2005，(3)：13-16.
[7] 陈玉远，卢军，林昶隆.提前关闭冷水机组的节电量研究[J].煤气与热力，2008，28(9)：A16-A19.
[8] 陈玉远.中央空调冷源与水系统的研究(硕士学位论文)[D].重庆：重庆大学，2006.
[9] 叶剑飞.中央空调系统间断运行的节能研究[J].制冷，2001，(1)：67-70.
[10] 汪训昌.定流量阀在变流量水系统中的应用[J].制冷与空调，2001，(6)：52-54.
[11] 张熙民，任泽霈，梅飞鸣.传热学(第3版)[M].北京：中国建筑工业出版社，1995.
[12] 廉乐明.工程热力学(第4版)[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.
 
(本文作者：高亚锋1 李百战1 陈玉远2 杨玉兰3 章文洁1 1.重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室 重庆 403045；2.中铁第四勘查设计院集团有限公司 湖北武汉 430063；3.浙江工业大学 建筑工程学院 浙江杭州 310000)