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中央空调冷源系统变负荷运行控制机理与应用研究

刘雪峰  
【摘要】:空调系统节能运行是大型公共建筑节能减排的关键所在,其能耗取决于系统设计类型、运行控制方式以及建筑负荷分布特性,中央空调冷源系统变负荷运行控制机理的研究是集中式中央空调系统优化设计与运行的理论基础,本文分别对冷水机组群控、冷冻水泵组群控、冷冻水系统管网变温差控制、冷冻水系统变压差控制进行了理论理论研究和实验验证,在应用研究的基础上开发了中央空调智能优化控制系统。 冷水机组大部分时间运行在部分负荷条件下,根据承担部分负荷的方式不同,本论文建立了求解单台冷水机组压缩机能效比、蒸发温度、冷凝温度的数学模型,以及多台同型号机组不同并联运行方式的压缩机能效比的数学模型,并对比分析其运行特性。结果表明,离心式冷水机组只有在70%~100%负荷率条件下才能维持较高的能效比,能效比随负荷率的降低急剧降低,多台机组并联运行按总负荷减少量以单台机组额定负荷为限来控制机组启停,可以在很大的负荷区间内将机组群总能效比维持在较高水平。 大型中央空调冷冻水系统管网水力特性精确计算是研究其优化设计和运行的必要条件,简化模型因计算误差大而无法应用于大型管网拓扑结构的水力计算。以异程布置和同程布置两种典型的冷冻水系统为研究对象,在充分考虑末端支路温度调节阀调节特性的基础上,建立了管网水力特性精确数学模型,提出了虚拟流量的计算机逻辑算法。该计算方法能够确保计算收敛,实现了利用一个逻辑程序计算管网各种水力特性,为异程布置和同程布置的管网水力特性研究提供了很好的参考价值。 中央空调冷冻水系统末端负荷分布和管网结构是影响其节能潜力的关键因素,而空调系统的非线性、大惯性的热力性能是影响节能运行控制稳定性和可靠性的关键原因。本论文以异程式和同程式冷冻水系统为研究对象,建立管网拓扑结构的水力计算模型、旁通回路水力计算模型、AHU热力模型及水泵变频运行模型,研究冷冻水系统不同流量比的管网阻力特性、能耗特性、管网供回水温差、管网供回水压差、旁通调节阀特性、系统可调性系数等参数的变化规律,探讨了基于温差控制和基于压差控制的冷冻水系统控制机理,为冷冻水系统实现稳定可靠地节能运行调节提供了理论依据。 大型中央空调冷冻水系统常采用多台水泵并联运行的结构形式,简单地认为水泵变频运行能耗与频率三次成正比是比较普遍的观点,其忽略了旁通回路调节特性和管网水力特性对并联水泵组能耗的影响。本论文建立了基于旁通回路调节特性的冷冻水泵组并联运行特性分析模型,以四台同型号水泵构成的水泵组为研究对象,详细地分析了不同管网供回水压差条件下,工频水泵台数控制、单台水泵变频+工频水泵台数控制、2台水泵同步变频、3台水泵同步变频和4台水泵同步变频等控制策略的运行特性,认为多台水泵同步变频+变频水泵台数控制是最节能的控制策略,提出了单台水泵变频+工频水泵台数控制的运行控制策略更适合于低流量比和高供回水压差的冷冻水系统变流量运行的观点。 以某实际中央空调冷冻水系统为实验平台进行了大量实验研究,实验结果验证了理论研究的可行性和正确性。在理论研究和实验研究基础上,以图形化编程软件LabVIEW为开发平台,设计开发了中央空调优化控制管理系统,协同优化控制冷冻水温度、冷冻水流量和冷却水流量,实现空调制冷主机群控、冷冻水泵群控、冷却水泵群控和冷却塔群控等节能运行控制,并在多个办公建筑中得到应用。实践证明,该中央空调优化控制管理系统能够稳定可靠运行,并达到较好的节能效果。


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