基于周期負(fù)荷的室內(nèi)空調(diào)最小制冷主機(jī)容量計(jì)算

0冰蓄冷設(shè)計(jì)方法隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，我國的能源消耗水平逐年提高。以上海地區(qū)為例,用電高峰負(fù)荷每年幾乎以10%的速度增長,而用電峰谷差也幾乎以10%的速度增長。實(shí)際上全國用電情況基本和上海地區(qū)相似,由此可見,節(jié)能技術(shù)和平衡峰谷負(fù)荷技術(shù)的發(fā)展對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。冰蓄冷技術(shù)作為一項(xiàng)重要的峰谷負(fù)荷平衡技術(shù),近年來獲得了很大發(fā)展。包括我國在內(nèi)的許多國家都采取了各種措施以鼓勵蓄能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。傳統(tǒng)的冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)均是基于設(shè)計(jì)日的逐時(shí)負(fù)荷。該方法的實(shí)質(zhì)是假定最熱季節(jié)每天的空調(diào)負(fù)荷與設(shè)計(jì)日的逐時(shí)負(fù)荷變化規(guī)律相同。而在實(shí)際建筑中,即使最熱季節(jié)每天的氣象條件完全一樣,建筑內(nèi)的人員、設(shè)備和照明情況也會有很大的差別,如普通寫字樓工作日的負(fù)荷明顯大于周末的負(fù)荷,商場工作日的負(fù)荷則明顯小于節(jié)假日的負(fù)荷。因此,不同類型的建筑在最熱季節(jié)每天的負(fù)荷并不一樣,而是呈現(xiàn)一定的變化周期。由于某些天的負(fù)荷會明顯不同于其他天的負(fù)荷,因此采用傳統(tǒng)的冰蓄冷設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的系統(tǒng),可能存在著制冷機(jī)容量偏大、運(yùn)行費(fèi)用偏高的問題。本文在幾類典型建筑負(fù)荷的基礎(chǔ)上,提出了設(shè)計(jì)周期負(fù)荷的概念,用于統(tǒng)一各種建筑可能出現(xiàn)的負(fù)荷情況。在此基礎(chǔ)上,建立了基于設(shè)計(jì)周期負(fù)荷的冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,并用具體算例展示了該方法的有效性。1計(jì)算組合冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的效率計(jì)算方法傳統(tǒng)的冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法分為全負(fù)荷蓄冰和部分負(fù)荷蓄冰兩種方法。由于部分負(fù)荷蓄冰可以得到最小的制冷主機(jī)容量,在我國目前的電力政策下具有較好的經(jīng)濟(jì)性,部分負(fù)荷蓄冰方式在我國得到了廣泛的應(yīng)用。因此,這里僅介紹部分負(fù)荷蓄冰的設(shè)計(jì)方法。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可按以下6步進(jìn)行:1)確定典型設(shè)計(jì)日的空調(diào)冷負(fù)荷;2)確定蓄能系統(tǒng)的形式和運(yùn)行策略;3)確定制冷主機(jī)和蓄能裝置的容量;4)選擇其他配套設(shè)備;5)編制蓄能周期逐時(shí)運(yùn)行圖;6)通過裝置設(shè)備費(fèi)與運(yùn)行費(fèi)的計(jì)算,求得與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比的投資回收期。在上述內(nèi)容中,制冷主機(jī)和冰槽容量的確定是冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的兩項(xiàng)內(nèi)容。由于其他方面的內(nèi)容在相關(guān)文獻(xiàn)中已有很多詳細(xì)介紹,因此,本文僅重點(diǎn)介紹制冷主機(jī)和冰槽的容量計(jì)算方法。當(dāng)采用部分負(fù)荷蓄冰方式時(shí),制冷主機(jī)和冰槽的容量按式(1),(2)進(jìn)行計(jì)算。式中qc為制冷主機(jī)裝機(jī)容量,kW;Q為設(shè)計(jì)日負(fù)荷總量,kWh;n1為白天制冷主機(jī)在空調(diào)工況下的運(yùn)行時(shí)間,h;H為夜間制冷主機(jī)在蓄冰工況下的運(yùn)行時(shí)間,h;β為制冰工況下的性能衰減系數(shù);CLn為設(shè)計(jì)日逐時(shí)負(fù)荷,kW;QT為蓄冰槽容量,kWh。從式(1),(2)可以看出,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在計(jì)算過程中只運(yùn)用了典型設(shè)計(jì)日的負(fù)荷逐時(shí)分布情況,而沒有考慮其他時(shí)間的負(fù)荷分布情況,這樣會出現(xiàn)設(shè)備閑置的問題,所選擇的制冷主機(jī)容量也不是最小的。以教堂這樣一個(gè)極端情況為例。一般來說,教堂只是在周日做禮拜的時(shí)候人數(shù)最多,空調(diào)負(fù)荷最大,而平時(shí)由于人員很少,空調(diào)負(fù)荷很小。如果以傳統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)日負(fù)荷來進(jìn)行計(jì)算,將選取周日負(fù)荷作為典型設(shè)計(jì)日負(fù)荷來計(jì)算,這樣計(jì)算得到的裝機(jī)容量和蓄冰槽容量在平時(shí)將極大地閑置,如果可以將蓄冰負(fù)荷分?jǐn)偟揭恢軆?nèi)的其他夜間,可以想象,裝機(jī)容量會大大降低。因此,傳統(tǒng)冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法適用于每天負(fù)荷變化基本一致的情況,如果每天的負(fù)荷不相同,則由傳統(tǒng)的部分負(fù)荷蓄冰設(shè)計(jì)方法得到的制冷主機(jī)容量并不是最小。因此,需要研究每天負(fù)荷不一樣時(shí)部分負(fù)荷蓄冰的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。2設(shè)計(jì)周期負(fù)荷和設(shè)計(jì)日負(fù)荷對于確定的建筑而言,其空調(diào)負(fù)荷主要受兩方面的因素影響:氣象條件和使用情況。由于氣象條件隨機(jī)變化,通常采用設(shè)計(jì)日氣象條件計(jì)算設(shè)計(jì)日逐時(shí)負(fù)荷,以使所設(shè)計(jì)的空調(diào)系統(tǒng)能夠滿足氣象條件變化時(shí)空調(diào)效果的不保證率。為此,在設(shè)計(jì)日氣象條件下,室內(nèi)的使用情況通常按最大負(fù)荷考慮,從而得到設(shè)計(jì)日逐時(shí)負(fù)荷。但在大量的實(shí)際建筑中,即使在設(shè)計(jì)日氣象條件下,室內(nèi)的使用情況也并不總是處于最大負(fù)荷下,而是呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。比如,寫字樓周一到周五的工作日負(fù)荷較大,周末則很小;商場則是周一到周五負(fù)荷較小,周末負(fù)荷較大。這種變化規(guī)律在很多建筑中是確定的,而不是隨機(jī)的。因此,如果采用設(shè)計(jì)日的氣象條件,內(nèi)部使用情況按已知的變化規(guī)律進(jìn)行考慮,所得到的負(fù)荷完全可以滿足氣象條件變化時(shí)空調(diào)效果的不保證率。將設(shè)計(jì)日氣象條件下室內(nèi)使用情況按照一個(gè)典型周期變化而形成的逐時(shí)負(fù)荷稱為設(shè)計(jì)周期負(fù)荷。筆者應(yīng)用DeST負(fù)荷計(jì)算軟件計(jì)算得到幾類典型建筑的設(shè)計(jì)周期負(fù)荷。有關(guān)DeST的詳細(xì)情況可參閱文獻(xiàn)。在計(jì)算設(shè)計(jì)周期負(fù)荷時(shí),氣象參數(shù)不再是代表年逐時(shí)氣象參數(shù),而是代表日氣象參數(shù)反復(fù)作用。實(shí)際計(jì)算時(shí),當(dāng)初始值影響消除后的周期變化負(fù)荷即為設(shè)計(jì)周期負(fù)荷。如果一直保持室內(nèi)使用狀況處于最大發(fā)熱量的情況,則所得負(fù)荷即為設(shè)計(jì)日逐時(shí)負(fù)荷。由于寫字樓、商場、賓館建筑在集中空調(diào)建筑中占有相當(dāng)比例,筆者僅分析這三類典型建筑的設(shè)計(jì)周期負(fù)荷和設(shè)計(jì)日負(fù)荷。為簡化計(jì)算起見,作如下設(shè)定。1)三類建筑的平面結(jié)構(gòu)相同,使用條件如下:寫字樓中人員工作時(shí)間為每周一至周五,早上8:00至晚上8:00,周六和周日休息,其他設(shè)備工作時(shí)間相同;商場營業(yè)時(shí)間為早上8:00至晚上8:00,周一至周五的人員數(shù)量為周六和周日的50%,其他設(shè)備工作時(shí)間相同;賓館中人員24h在房間內(nèi),周一至周五的人員數(shù)量為周六和周日的50%,其他設(shè)備工作時(shí)間相同。2)寫字樓和賓館的建筑共20層,其中每層建筑結(jié)構(gòu)都相同,每層面積為2000m2,一層共有20個(gè)房間,每個(gè)房間面積為80m2,走廊面積為400m2;商場為開放式商場,共5層,每層面積為20002m。3)這些建筑均位于北京。4)其他參數(shù)采用DeST默認(rèn)參數(shù)值。2.1設(shè)計(jì)周期負(fù)荷分布將DeST數(shù)據(jù)庫中每一天的氣象參數(shù)都改成設(shè)計(jì)日的逐時(shí)氣象參數(shù),內(nèi)部使用狀況保持不變,可以計(jì)算出典型設(shè)計(jì)日的負(fù)荷分布情況,共23927kWh,如圖1所示。在上述室外條件下,將內(nèi)部使用狀況改為周期性使用狀況后可以計(jì)算出設(shè)計(jì)周期負(fù)荷分布情況,如圖2所示。取初始值影響消除后的一個(gè)周期,以矩陣形式可以給出這個(gè)周期中每天的逐時(shí)負(fù)荷,如式(3)所示。2.2設(shè)計(jì)周期負(fù)荷同理,可以給出賓館的設(shè)計(jì)日負(fù)荷(共計(jì)17524kWh)和設(shè)計(jì)周期負(fù)荷,分別如圖3和圖4所示,設(shè)計(jì)周期每天逐時(shí)負(fù)荷的矩陣表達(dá)式見式(4)。2.3設(shè)計(jì)周期負(fù)荷同理,可以給出商場的設(shè)計(jì)日負(fù)荷(共計(jì)20180kWh)和設(shè)計(jì)周期負(fù)荷,分別如圖5和圖6所示,設(shè)計(jì)周期每天逐時(shí)負(fù)荷的矩陣表達(dá)式見式(5)。3冷量平衡方程為簡化計(jì)算過程,與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法一樣,作如下假設(shè):1)冰槽在任何時(shí)刻都具有足夠大的釋冷能力;2)蓄冷時(shí)無空調(diào)負(fù)荷(如有,則另設(shè)基載主機(jī)承擔(dān))》3)不考慮冰槽的漏熱。設(shè)一個(gè)設(shè)計(jì)周期為N天,周期內(nèi)第i天的逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷為CLn(i)(kW);第i天蓄冷開始前,蓄冰槽內(nèi)殘余冰的容量為Qi(kWh);第i天蓄冷結(jié)束后,蓄冰槽內(nèi)冰的容量為QiT(kWh);第i天逐時(shí)負(fù)荷CLn(i)中高于qc部分的與相應(yīng)時(shí)間乘積的總和為Qgci。設(shè)計(jì)周期內(nèi)蓄冰系統(tǒng)的工作過程如圖7所示。考慮第i天的夜間蓄冷過程和白天供冷過程的冷量平衡,可以得到第i天夜間蓄冷結(jié)束時(shí)冰槽內(nèi)冰的容量為考慮到設(shè)計(jì)周期第一天和最后一天的周而復(fù)始的關(guān)系,可得到整個(gè)設(shè)計(jì)周期的冷量平衡方程組如式(8)所示。每天蓄冷結(jié)束時(shí)冰槽內(nèi)冰的數(shù)量如式(9)所示。整理式(8)可得式(10)僅包含未知數(shù)qc,可利用迭代方法方便求出。本文利用Matlab軟件,采用牛頓下山法,對式(10)進(jìn)行數(shù)值求解,得到qc。將由式(10)中解得的qc代入式(8)中,由于在解qc過程中已經(jīng)運(yùn)用過一次求和,故將qc代入式(8)后,獨(dú)立的方程將減少一個(gè),為N—1個(gè)方程。這樣,在此方程組中,共有N—1個(gè)方程以及N個(gè)未知數(shù),所以此方程組為不定方程組。可以檢驗(yàn)得出此方程組系數(shù)的秩和增廣矩陣的秩都等于N—1,說明方程有解,并且在通解中含有一個(gè)基向量。從方程組的形式可以看出,如果某組Qi是方程組的解,則所有Qi增加同一個(gè)常數(shù)后的值也是方程組的解。其物理意義如下:如果每天蓄冷開始前存儲的冰量能滿足整個(gè)周期的使用,則將冰槽中每天冰的數(shù)量增大一相同值,仍能用相同的制冷機(jī)滿足整個(gè)設(shè)計(jì)周期的供冷要求,只是冰槽的容量增大而已。要獲得最小的冰槽容量,則必須在滿足供冷要求的前提下,在整個(gè)周期中保證冰槽中的冰至少有一次用完。因此,滿足上述方程組的(Q1,Q2,…,QN)的所有通解中最小值等于0的那組解就是在當(dāng)前制冷機(jī)容量條件下滿足供冷要求的冰槽最小容量,即所要尋找的解。將滿足上述條件的Qi代入式(9)中,可以得到每天蓄冷結(jié)束后冰槽中的冰量QiT,其中最大值即為所需要的冰槽容量QT。4基于設(shè)計(jì)周期方法的冰蓄冷方案設(shè)計(jì)結(jié)果以上分析了設(shè)計(jì)周期情況下的設(shè)計(jì)方法,下面將通過上述三類典型建筑示例來具體說明基于設(shè)計(jì)周期負(fù)荷的方法與傳統(tǒng)方法的區(qū)別。在此,只考慮兩種設(shè)計(jì)方法的差異部分,對于水泵、冷卻塔等其他部件的初投資和運(yùn)行費(fèi)用不作詳細(xì)對比研究。由于冰蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算過程較為復(fù)雜,且有眾多文獻(xiàn)對此進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,本文參照文獻(xiàn)中所使用的方法,同時(shí)再作如下假設(shè):1)初投資中制冷機(jī)與蓄冰槽的價(jià)格均按單位容量估算,制冷機(jī)按450元/kW,蓄冰槽按114元/(kWh)計(jì)算;2)運(yùn)行費(fèi)用按北京市電價(jià)差異情況簡單計(jì)算,峰谷時(shí)段為:峰段8h(10:00～15:00;18:00～21:00),平段8h(7:00～10:00;15:00～18:00;21:00～23:00),谷段8h(23:00～7:00)。商業(yè)用電價(jià)格分別為1.12,0.76,0.30元/(kWh);3)使用壽命為20a。通過計(jì)算可得到如表1所示的三類建筑冰蓄冷方案設(shè)計(jì)結(jié)果。從表1可以看出,采用設(shè)計(jì)周期方法后,主機(jī)容量比設(shè)計(jì)日方法降低了30%～50%,而冰槽容量則有所增加;同時(shí)可以看出,當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期內(nèi)存在全天無負(fù)荷的情況時(shí),以設(shè)計(jì)周期法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)蓄冰槽容量明顯增大,而當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期中不存在全天無負(fù)荷的情況時(shí),蓄冰槽容量增加不明顯甚至可能降低。由于篇幅原因,關(guān)于基于設(shè)計(jì)周期負(fù)荷的冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法經(jīng)濟(jì)性比較的詳細(xì)研究,筆者將撰寫另文介紹。5設(shè)計(jì)周期設(shè)計(jì)方法本文針對商用建筑的使用情況具有明顯的周期性這一特點(diǎn),提出由設(shè)計(jì)日氣象條件和典型使用周期結(jié)合所形成的設(shè)計(jì)周期負(fù)荷的概念。基于設(shè)計(jì)周期的負(fù)荷,給出了制冷機(jī)容量最小時(shí)的冰蓄冷系統(tǒng)制冷機(jī)和冰槽容量的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,并通過具體例子對基于設(shè)計(jì)周期負(fù)荷