利用冷水機(jī)組關(guān)機(jī)后冷水剩余冷量對(duì)房間預(yù)冷

摘 要

摘要：利用冷水機(jī)組關(guān)機(jī)后冷水剩余冷量，次日提前開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)對(duì)房間預(yù)冷，可提高房間使用時(shí)的舒適度、降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。提出了冷水機(jī)組停機(jī)后任意時(shí)刻冷水溫度的計(jì)算方法。結(jié)合
摘要：利用冷水機(jī)組關(guān)機(jī)后冷水剩余冷量，次日提前開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)對(duì)房間預(yù)冷，可提高房間使用時(shí)的舒適度、降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。提出了冷水機(jī)組停機(jī)后任意時(shí)刻冷水溫度的計(jì)算方法。結(jié)合工程實(shí)例，分析了預(yù)冷階段冷水機(jī)運(yùn)行模式，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)提前開(kāi)啟時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算。
關(guān)鍵詞：冷水機(jī)組；冷水；剩余冷量；預(yù)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(guó)總能耗的比例已達(dá)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(jī)組開(kāi)停時(shí)間，對(duì)節(jié)約能源和提高舒適度具有重要意義[7]。
    提前開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)對(duì)房間預(yù)冷，使房間的溫濕度能夠迅速達(dá)到設(shè)定值，以便在使用時(shí)獲得理想的舒適度，并可較大限度地利用冷水機(jī)組關(guān)機(jī)后冷水的剩余冷量。本文對(duì)利用冷水機(jī)組關(guān)機(jī)后冷水剩余冷量對(duì)房間預(yù)冷的方法及空調(diào)系統(tǒng)提前開(kāi)啟時(shí)間進(jìn)行探討。
1 工程概況
重慶大學(xué)主教學(xué)樓是集教學(xué)、科研、辦公、會(huì)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(xué)樓的使用時(shí)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(fù)荷時(shí)冷水機(jī)組的高效運(yùn)行，選用3臺(tái)離心式冷水機(jī)與1臺(tái)螺桿式冷水機(jī)，在過(guò)渡季節(jié)或負(fù)荷較小時(shí)，只開(kāi)啟螺桿式冷水機(jī)。冷水機(jī)進(jìn)出水溫度為13、7℃，冷水機(jī)與附屬設(shè)備見(jiàn)表1[8]?？照{(diào)水系統(tǒng)為一次泵、末端變流量、機(jī)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(fēng)機(jī)盤管，冷水系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1㈨。
表1 冷水機(jī)與附屬設(shè)備[8]
設(shè)備名稱
參數(shù)
數(shù)量/臺(tái)
備注
離心式冷水機(jī)
制冷量為2637kW，功率為490kW
3
—
螺桿式冷水機(jī)
制冷量為1167kW，功率為251kW
1
—
冷水泵
流量為324m3/h，揚(yáng)程為37m，功率為45kW
4
3用1備
流量為128m3/h，揚(yáng)程為37m，功率為18.5kW
2
1用1備
冷卻水泵
流量為700m3/h，揚(yáng)程為32m，功率為75kW
4
3用1備
流量為350m3/h，揚(yáng)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(jī)后冷水溫度的計(jì)算
    冷水機(jī)組停機(jī)后，冷水管道中的冷水溫度仍較低，且冷水無(wú)內(nèi)熱源。時(shí)間段t內(nèi)冷水與冷水管絕熱層外空氣傳熱量的計(jì)算式為[9]：
dQ=KA(θav-θt)dt=mcpdθt    (1)
式中Q——時(shí)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(shí)刻冷水的平均溫度，℃
    t——時(shí)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(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，因此K不為常量。該工程冷水機(jī)組關(guān)機(jī)與開(kāi)機(jī)的時(shí)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(duì)傳熱系數(shù)的影響較小，因此在計(jì)算中將K視為常量。對(duì)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(jī)組停機(jī)時(shí)(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(jī)時(shí)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(dāng)開(kāi)停機(jī)時(shí)間間隔趨于無(wú)窮大時(shí)，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(duì)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(shí)測(cè)值及a的計(jì)算值見(jiàn)表2。
    由表2可知，對(duì)于不同θ0、θav，a的平均值為5.17×10-6，由此可得到冷水機(jī)組停機(jī)后冷水溫度隨時(shí)間變化的表達(dá)式為：
    θt=θav+(θ0-θav)exp(-5.17×10-6t) (5)
某日冷水機(jī)組關(guān)機(jī)后，不同時(shí)刻冷水實(shí)測(cè)溫度與由式(5)計(jì)算得到的理論溫度的比較見(jiàn)圖2。由圖2可知，實(shí)測(cè)溫度與由式(5)計(jì)算得到的理論溫度吻合較好，因此可采用式(5)計(jì)算停機(jī)后某時(shí)刻冷水溫度。
表2 不同θ0、θav下θt的實(shí)測(cè)值及a的計(jì)算值
時(shí)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(kāi)啟時(shí)間
   空調(diào)系統(tǒng)提前開(kāi)啟的流程為：關(guān)閉集分水器間的壓差控制閥，開(kāi)啟冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷卻塔電動(dòng)蝶閥、冷卻水泵、機(jī)組冷卻水電動(dòng)蝶閥、冷水泵、機(jī)組冷水電動(dòng)蝶閥、冷水機(jī)組。每臺(tái)冷水機(jī)組的回水管上均安裝了動(dòng)態(tài)流量平衡閥，可以保證流經(jīng)冷水機(jī)組的冷水量為額定值的95%～115%[10]，在關(guān)閉壓差控制閥時(shí)，仍可保證冷水泵、冷水機(jī)安全節(jié)能運(yùn)行。
   ① 冷水機(jī)運(yùn)行模式
   在預(yù)冷時(shí)，冷水機(jī)運(yùn)行模式包括開(kāi)啟螺桿式冷水機(jī)、一臺(tái)離心式冷水機(jī)或兩臺(tái)離心式冷水機(jī)等，運(yùn)行模式見(jiàn)表3。設(shè)定冷負(fù)荷為955kW，在利用冷水剩余冷量的情況下，各種運(yùn)行模式的工作時(shí)間與耗電量見(jiàn)表3，耗電量不包括風(fēng)機(jī)盤管的耗電量。由于在滿負(fù)荷時(shí)離心式冷水機(jī)的EER(能效比)比螺桿式冷水機(jī)高，因此離心式冷水機(jī)的耗電量較低。綜合考慮閥門、水泵等設(shè)備對(duì)系統(tǒng)能耗的影響，提前開(kāi)啟一臺(tái)離心式冷水機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)，因此決定冷水機(jī)運(yùn)行模式采用開(kāi)啟一臺(tái)離心式冷水機(jī)。
表3 設(shè)定冷負(fù)荷下不同運(yùn)行模式的工作時(shí)間及耗電量
運(yùn)行模式
螺桿式冷水機(jī)
1臺(tái)離心式冷水機(jī)
螺桿式冷水機(jī)+1臺(tái)離心式冷水機(jī)
2臺(tái)離心式冷水機(jī)
工作時(shí)間/s
2 944
1 303
903
651
耗電量/(kW·h)
261
210
226
210
運(yùn)行模式
螺桿式冷水機(jī)+2臺(tái)離心式冷水機(jī)
3臺(tái)離心式冷水機(jī)
螺桿式冷水機(jī)+3臺(tái)離心式冷水機(jī)
—
工作時(shí)間/s
533
434
378
—
耗電量/(kW·h)
219
210
217
—
   ② 空調(diào)系統(tǒng)提前開(kāi)啟時(shí)間
   為了簡(jiǎn)化計(jì)算進(jìn)行以下假設(shè)：在預(yù)冷時(shí)，風(fēng)機(jī)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(duì)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(jì)算。
根據(jù)以上假設(shè)，隨著風(fēng)機(jī)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(duì)流傳熱量Qc的計(jì)算式為：
 
式中Qc——風(fēng)機(jī)盤管工作時(shí)間內(nèi)室內(nèi)空氣與墻內(nèi)壁面間的對(duì)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(fēng)機(jī)盤管工作時(shí)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(fēng)機(jī)盤管工作結(jié)束時(shí)室內(nèi)空氣溫度，℃
    預(yù)冷過(guò)程中，風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)盤管工作結(jié)束時(shí)室內(nèi)空氣比焓，kJ/kg
    以某一間大型教室為例進(jìn)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(shè)計(jì)溫濕度為26℃、60%，設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為64kW。設(shè)計(jì)初始狀態(tài)：θ=32.3℃、θa,0=32℃、空氣相對(duì)濕度為80%，h=4W/(m2·K)。根據(jù)文獻(xiàn)[12]提供的計(jì)算方法計(jì)算得，h0=97.1kJ/kg、hf=59.8kJ/kg。由式(6)、(7)計(jì)算得，tf=15min。實(shí)際上，室內(nèi)空氣與室外空氣、家具等存在著熱交換，使得計(jì)算結(jié)果偏小，因此需考慮修正系數(shù)1.2～1.5，修正后風(fēng)機(jī)盤管的工作時(shí)間為18～23min，提供的總冷量約75MJ。由表1可知，離心式冷水機(jī)的單臺(tái)制冷量為2637kW，計(jì)算得冷水機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間為28s。
    2006年8月7日對(duì)風(fēng)機(jī)盤管工作后墻內(nèi)壁面溫度、室內(nèi)空氣溫度的實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，墻內(nèi)壁面實(shí)測(cè)初始溫度為31.8℃，實(shí)測(cè)室內(nèi)初始空氣溫度為31.6℃。隨著風(fēng)機(jī)盤管的開(kāi)啟，墻內(nèi)壁面溫度平緩下降，30min后降至30.5℃，由于時(shí)間較短，可以近似認(rèn)為墻內(nèi)壁面溫度保持不變。風(fēng)機(jī)盤管工作30min后，室內(nèi)空氣溫度由31.6℃降至26℃，風(fēng)機(jī)盤管工作時(shí)間與計(jì)算結(jié)果(18～23min)相差不大。
 

4 結(jié)語(yǔ)
    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(lái)越受到人們的關(guān)注。利用冷水機(jī)組關(guān)機(jī)后冷水剩余冷量，提前開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)對(duì)房間進(jìn)行預(yù)冷，不但可以提高房間使用時(shí)的舒適度，而且可以降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。準(zhǔn)確計(jì)算提前開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)的時(shí)間，是實(shí)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(yuǎn)2 楊玉蘭3 章文潔1 1.重慶大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 403045；2.中鐵第四勘查設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063；3.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 浙江杭州 310000)