利用冷水機組關機后冷水剩余冷量對房間預冷

摘 要

摘要：利用冷水機組關機后冷水剩余冷量，次日提前開啟空調(diào)系統(tǒng)對房間預冷，可提高房間使用時的舒適度、降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。提出了冷水機組停機后任意時刻冷水溫度的計算方法。結合
摘要：利用冷水機組關機后冷水剩余冷量，次日提前開啟空調(diào)系統(tǒng)對房間預冷，可提高房間使用時的舒適度、降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。提出了冷水機組停機后任意時刻冷水溫度的計算方法。結合工程實例，分析了預冷階段冷水機運行模式，對空調(diào)系統(tǒng)提前開啟時間進行了計算。
關鍵詞：冷水機組；冷水；剩余冷量；預冷
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，建筑能耗占全國總能耗的比例已達30%[1]，公共建筑的單位面積能耗是居住建筑的4～10倍[2、3]，暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的55%以上[4～6]。確定合理的冷水機組開停時間，對節(jié)約能源和提高舒適度具有重要意義[7]。
    提前開啟空調(diào)系統(tǒng)對房間預冷，使房間的溫濕度能夠迅速達到設定值，以便在使用時獲得理想的舒適度，并可較大限度地利用冷水機組關機后冷水的剩余冷量。本文對利用冷水機組關機后冷水剩余冷量對房間預冷的方法及空調(diào)系統(tǒng)提前開啟時間進行探討。
1 工程概況
重慶大學主教學樓是集教學、科研、辦公、會議于一體的綜合性公共建筑?？偨ㄖ娣e約70032m2，地下3層，地上26層，建筑高度為99.1m，空調(diào)面積約37000m2，主教學樓的使用時間為8:00—24:00，教室的建筑面積占總建筑面積的70%左右。
    為了保證在部分負荷時冷水機組的高效運行，選用3臺離心式冷水機與1臺螺桿式冷水機，在過渡季節(jié)或負荷較小時，只開啟螺桿式冷水機。冷水機進出水溫度為13、7℃，冷水機與附屬設備見表1[8]?？照{(diào)水系統(tǒng)為一次泵、末端變流量、機組側(cè)定流量系統(tǒng)，采用二管制，豎向不分區(qū)，末端空調(diào)裝置采用風機盤管，冷水系統(tǒng)流程見圖1㈨。
表1 冷水機與附屬設備[8]
設備名稱
參數(shù)
數(shù)量/臺
備注
離心式冷水機
制冷量為2637kW，功率為490kW
3
—
螺桿式冷水機
制冷量為1167kW，功率為251kW
1
—
冷水泵
流量為324m3/h，揚程為37m，功率為45kW
4
3用1備
流量為128m3/h，揚程為37m，功率為18.5kW
2
1用1備
冷卻水泵
流量為700m3/h，揚程為32m，功率為75kW
4
3用1備
流量為350m3/h，揚程為32m，功率為55kW
2
1用1備
冷卻塔
流量為700m3/h，功率為22kW
3
—
流量為350m3/h，功率為11kW
1
—
 

2 停機后冷水溫度的計算
    冷水機組停機后，冷水管道中的冷水溫度仍較低，且冷水無內(nèi)熱源。時間段t內(nèi)冷水與冷水管絕熱層外空氣傳熱量的計算式為[9]：
dQ=KA(θav-θt)dt=mcpdθt    (1)
式中Q——時間段t內(nèi)冷水與冷水管絕熱層外空氣傳熱量，kJ
    K——冷水與冷水管絕熱層外空氣的平均傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)
    A——綜合傳熱面積，m2
    θav——冷水管道絕熱層外空氣平均溫度，℃
    θt——t時刻冷水的平均溫度，℃
    t——時間，s
    m——管道內(nèi)冷水總質(zhì)量，kg
    cp——冷水的比定壓熱容，kJ/(kg·K)
由于冷水溫度不斷變化，室內(nèi)空氣平均溫度等也會出現(xiàn)波動，因此K不為常量。該工程冷水機組關機與開機的時間間隔約8h，冷水溫升較小，且室內(nèi)空氣平均溫度等變化不大，對傳熱系數(shù)的影響較小，因此在計算中將K視為常量。對于確定的空調(diào)系統(tǒng)，A、m、cp均為定量，令：
 
式中a——常數(shù)
    式(1)的通解為：
    θt=θav+Be-at    (3)
式中B——常數(shù)
    冷水機組停機時(t=0)，冷水溫度為θ0，可得常數(shù)B=θ0-θav，式(3)變?yōu)椋?/span>
    θt=θav+(θ0-θav)e-at    (4)
式中θ0——停機時的冷水溫度，℃
    式(4)表明，冷水溫變化規(guī)律服從指數(shù)分布，當開停機時間間隔趨于無窮大時，冷水溫度趨于室內(nèi)空氣平均溫度。a越小，冷水溫度變化越慢，反之越快。由于K與A較難求得，因此a不易確定。但對于確定的空調(diào)系統(tǒng)，n是基本確定的。不同θ0、θav下，θt的實測值及a的計算值見表2。
    由表2可知，對于不同θ0、θav，a的平均值為5.17×10-6，由此可得到冷水機組停機后冷水溫度隨時間變化的表達式為：
    θt=θav+(θ0-θav)exp(-5.17×10-6t) (5)
某日冷水機組關機后，不同時刻冷水實測溫度與由式(5)計算得到的理論溫度的比較見圖2。由圖2可知，實測溫度與由式(5)計算得到的理論溫度吻合較好，因此可采用式(5)計算停機后某時刻冷水溫度。
表2 不同θ0、θav下θt的實測值及a的計算值
時間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 空調(diào)系統(tǒng)提前開啟時間
   空調(diào)系統(tǒng)提前開啟的流程為：關閉集分水器間的壓差控制閥，開啟冷卻塔風機、冷卻塔電動蝶閥、冷卻水泵、機組冷卻水電動蝶閥、冷水泵、機組冷水電動蝶閥、冷水機組。每臺冷水機組的回水管上均安裝了動態(tài)流量平衡閥，可以保證流經(jīng)冷水機組的冷水量為額定值的95%～115%[10]，在關閉壓差控制閥時，仍可保證冷水泵、冷水機安全節(jié)能運行。
   ① 冷水機運行模式
   在預冷時，冷水機運行模式包括開啟螺桿式冷水機、一臺離心式冷水機或兩臺離心式冷水機等，運行模式見表3。設定冷負荷為955kW，在利用冷水剩余冷量的情況下，各種運行模式的工作時間與耗電量見表3，耗電量不包括風機盤管的耗電量。由于在滿負荷時離心式冷水機的EER(能效比)比螺桿式冷水機高，因此離心式冷水機的耗電量較低。綜合考慮閥門、水泵等設備對系統(tǒng)能耗的影響，提前開啟一臺離心式冷水機組的經(jīng)濟性較優(yōu)，因此決定冷水機運行模式采用開啟一臺離心式冷水機。
表3 設定冷負荷下不同運行模式的工作時間及耗電量
運行模式
螺桿式冷水機
1臺離心式冷水機
螺桿式冷水機+1臺離心式冷水機
2臺離心式冷水機
工作時間/s
2 944
1 303
903
651
耗電量/(kW·h)
261
210
226
210
運行模式
螺桿式冷水機+2臺離心式冷水機
3臺離心式冷水機
螺桿式冷水機+3臺離心式冷水機
—
工作時間/s
533
434
378
—
耗電量/(kW·h)
219
210
217
—
   ② 空調(diào)系統(tǒng)提前開啟時間
   為了簡化計算進行以下假設：在預冷時，風機盤管向房間提供的冷量始終不變；不考慮房間與外界空氣換熱；不考慮墻壁及家具的蓄熱；墻內(nèi)壁面溫度保持不變，室內(nèi)空氣與墻內(nèi)壁間的對流傳熱系數(shù)始終不變，室內(nèi)空氣溫度按初始狀態(tài)與最終狀態(tài)的平均溫度計算。
根據(jù)以上假設，隨著風機盤管的工作，室內(nèi)溫度不斷降低，室內(nèi)空氣與墻內(nèi)壁面間的對流傳熱量Qc的計算式為：
 
式中Qc——風機盤管工作時間內(nèi)室內(nèi)空氣與墻內(nèi)壁面間的對流傳熱量，kJ
    h——室內(nèi)空氣與墻內(nèi)壁面間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，kW/(m2·K)
    Aw——墻內(nèi)表面面積，m2
    tf——風機盤管工作時間，s
    θ——初始狀態(tài)墻內(nèi)表面溫度，℃
    θa,0——初始狀態(tài)室內(nèi)空氣溫度，℃
    θa,f——風機盤管工作結束時室內(nèi)空氣溫度，℃
    預冷過程中，風機盤管與室內(nèi)空氣的能量平衡方程為[11]：
    Фftf=Qc+ma(h0-hf)    (7)
式中Фf——風機盤管提供的冷量，kW
    ma——室內(nèi)空氣質(zhì)量，kg
    h0、hf——初始狀態(tài)與風機盤管工作結束時室內(nèi)空氣比焓，kJ/kg
    以某一間大型教室為例進行研究，房間墻內(nèi)表面面積為880m2，室內(nèi)空氣質(zhì)量為1270kg，空調(diào)系統(tǒng)設計溫濕度為26℃、60%，設計冷負荷為64kW。設計初始狀態(tài)：θ=32.3℃、θa,0=32℃、空氣相對濕度為80%，h=4W/(m2·K)。根據(jù)文獻[12]提供的計算方法計算得，h0=97.1kJ/kg、hf=59.8kJ/kg。由式(6)、(7)計算得，tf=15min。實際上，室內(nèi)空氣與室外空氣、家具等存在著熱交換，使得計算結果偏小，因此需考慮修正系數(shù)1.2～1.5，修正后風機盤管的工作時間為18～23min，提供的總冷量約75MJ。由表1可知，離心式冷水機的單臺制冷量為2637kW，計算得冷水機組的運行時間為28s。
    2006年8月7日對風機盤管工作后墻內(nèi)壁面溫度、室內(nèi)空氣溫度的實測結果見圖3。由圖3可知，墻內(nèi)壁面實測初始溫度為31.8℃，實測室內(nèi)初始空氣溫度為31.6℃。隨著風機盤管的開啟，墻內(nèi)壁面溫度平緩下降，30min后降至30.5℃，由于時間較短，可以近似認為墻內(nèi)壁面溫度保持不變。風機盤管工作30min后，室內(nèi)空氣溫度由31.6℃降至26℃，風機盤管工作時間與計算結果(18～23min)相差不大。
 

4 結語
    隨著能源緊張和人民生活水平的提高，建筑節(jié)能和室內(nèi)舒適性越來越受到人們的關注。利用冷水機組關機后冷水剩余冷量，提前開啟空調(diào)系統(tǒng)對房間進行預冷，不但可以提高房間使用時的舒適度，而且可以降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。準確計算提前開啟空調(diào)系統(tǒng)的時間，是實現(xiàn)建筑節(jié)能和提高舒適性的重要環(huán)節(jié)之一。
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(本文作者：高亞鋒1 李百戰(zhàn)1 陳玉遠2 楊玉蘭3 章文潔1 1.重慶大學 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室 重慶 403045；2.中鐵第四勘查設計院集團有限公司 湖北武漢 430063；3.浙江工業(yè)大學 建筑工程學院 浙江杭州 310000)