VRV集中空调与区域供冷单位冷量能耗的比较研究

VRV集中空调与区域供冷单位冷量能耗的
比较研究
第8卷第2期
2008年4月
制冷与空调
REFRIGERAT10NANDAIR—C0NDIT10NING
VRV集中空调与区域供冷单位冷量能耗
,
的比较研究
黎洪"蒋小强张思柱
(深圳职业技术学院)(同济大学)
摘要针对VRV技术和区域供冷技术进行单位冷量能耗的比较研究.结果表明:1)区域供冷的单位冷
量能耗近似正比于管道当量长度;而VRV空调单位冷量能耗可近似认为在某管道长度区间内变化不大,并
可主要分为3个范围,不同范围内单位冷量能耗值不同.2)一个系统采用VRV技术节能还是采用区域供
冷技术节能,取决于区域制冷站与用户的距离以及VRV系统供冷的管道当量长度.
关键词VRV区域供冷单位冷量能耗Comparisonresearchofunitcoolingenergyconsumptionof
VRVair-conditioninganddistrictcooling
LiHongJiangXiaoqiangZhangSizhu
(ShenzhenPolytechnic)(TongjiUniversity) ABSTRACTMakescomparisonresearchoftheunitcoolingenergyconsumptionbetween thevariablerefrigerationvolume(VRV)anddistrictcooling.Asaresult,theunitcool—ingenergyconsumptionofdistrictcoolingisincreasedwiththeequivalentlengthof
pipelines,whiletheunitcoolingofenergyconsumptionisconstantinacertainlength fromthemainmachinetouserofVRVsystem.Thecomparisonoftheunitcoolingen—ergyconsumptionshowsthatitshouldhavedifferentchoiceunderdifferentconditions. KEYWORDSVRV:districtcooling;energyconsumptionofunitcooling
目前,我国的中央空调系统多数采用冷水机
组供冷.然而,随着全球对能源紧张形势的深入
认识和制冷空调技术的飞速发展,VRV集中式空
调和区域供冷技术正凭借其高效,节能,环保等优
势向传统冷水机组系统发出挑战,所占市场份额
逐年增大j.
VRV集中式空调系统相对传统的定容量制
冷机组具有较好的节能效果,同时还具有节省建
筑空间,布置灵活等优点,目前在市场上得到广泛
应用.
区域供冷是指对一定区域内的建筑群,由一
个或多个功能站制得冷水等冷媒,通过区域管网
到达最终用户,实现用户制冷要求的系统.由于
冷量规模生产,因此冷量生产成本得以降低,实现
收稿日期:2007—12-20
通讯作者:黎洪,Emaii:jxqiang2002@tom.conA
节能l_3].最早将区域供冷技术商业化的是美国的
hartford工程,6年后欧洲国家如法国,瑞典也开
始建立一些大型区域供冷工程.法国LaDefense
的区域供冷能力达到220Mw.我国在2000年开
始引入区域供冷概念及技术,并先后建成北京中
关村,广州大学城等一批区域供冷工程.区域供
冷技术与VRV空调技术一样,具有非常明显的节
能优势,那么在工程上应该选用哪种技术呢?笔
者首先对这2种技术的单位冷量能耗进行计算,然
后通过比较分析,考察不同情况下采用哪种系统更为节能,旨在为工程设计人员提供参考.
1变频集中空调的单位冷量能耗计算
目前VRV技术可分变频集中式空调系统和
数码涡旋集中式空调系统,这里只选取变频集中
制冷与空调第8卷
式空调进行分析.变频集中空调的单位冷量能耗由制冷机的能耗及能效比决定.衡量变频空调的能效比,需要考察其季节能效比(sEER).季节能效比不仅考虑了稳态效率,同时还考虑了变化的环境和开关损失因素,是一个较为合理的评价指标[4].其计算公式为:
∑Q(￡)
SEER=一(1)
∑E(t,)
i=1
式中:i为温度区编号,自低温到高温编号,i=1,2, 3…;为计算地区的制冷季节温度区个数;t为
计算地区第i个温度区的代表温度(℃);Q(t)为在第i个温度区空调器所提供的冷量(W);E(t) 为在第i个温度区空调器所消耗的能量(W).
由季节能效比的计算公式可知,不同的气候
区和空调运行模式,计算出的空调器季节能效比会有所不同.为了便于分析,这里选取上海气候条件进行分析.考虑到不同季节负荷率不同,将负荷率用公式来表示,假设室内设计温度为26 ℃,当室外温度为35℃时,空调的负荷率为1;当室外温度为16℃时,空调负荷率为0.
空调负荷率计算公式:
一
1'
x(￡)=X(35)(2)
式中:X(t)对应于t温度下空调器的负荷率,由此可见X(35)=1.因此,根据对应于负荷率X(t)
的q(t)和e(t),季节能效比的计算公式可转化为
下面的形式:
n
∑Q(t)
SEER=一
∑E(t,)
i=1
∑EEER
∑q(t)×h(t)
一i=1
∑e(t)×h(￡)
i=1
(3)
式中:q(t)为在第i个温度区空调器每小时所提供的冷量(W);e(t)为在第i个温度区空调器每小时所消耗的能量(W);h(t)为第i个温度区所持续的小时数(h);EER(t)为对应的负荷率X(t).
根据上海的气候参数(见表1),可得到上海地
区变频集中式中央空调器的季节能效比.变频集中式空调器的能耗率不仅随着机组的负荷率变化,而且当室外温度变化时,同一负荷率下机组的能耗率也有所不同,其能效比EER(￡)也会受到机组容量大小的影响.这里选取1台16hp的变频
空调器室外机进行研究,查样本可知其额定工况
下的制冷量为45.0kW,耗电量为14.2kW.本
文中空调系统能耗采用温频法(BIN)进行计算.
表1上海地区全年一班制(8:OO～18:00)BIN参数(2℃)
根据表1和表2由季节能效比的公式计算得:
SEER=4.38.
选取1台某厂家生产的变频集中空调器进行
研究.该机为冷暖两用型,制冷量为135kW,制
热量为150kW.则该空调器的单位冷量能耗为:
P额定出力/SEER一135
P额定出力135×4.38
=0.228kW/kW(4)
考虑到变频集中空调受管长限制,并且随着
管长的增加会产生衰减,因此对于上述分析得出
的单位冷量能耗还需进行修正.为便于分析,这
里不考虑落差问题,按连接室内外机的管子的长
度进行计算.
第2期黎洪等:VRV集中空调与区域供冷单位冷量能耗的比较研究图1区域供冷系统示意图
当量长度=丛塑需盟
按当量长度确定室外机制冷量的修正系数,
可得到不同管道当量长度下变频集中空调系统的
单位冷量能耗.
表3不同管道当量长度下变频集中式空调
系统的单位冷量能耗
2区域供冷系统的单位冷量能耗
区域供冷的能耗主要来自制冷机及水系统].
供冷示意见图1.冷冻水的二级泵系统中采用变
频技术控制水泵运转以实现空调二次水系统的节能.它由一次水系统及二次水系统组成:一次水
系统主要包括制冷机冷却水,一级冷冻水泵及分集水器;二次水系统主要包括二级冷冻水泵,末端设备及分集水器.二次水系统一般由2个以上环路组成,每个环路由一组二级泵供水.下面针对
区域制冷系统在整个供冷季节内,制冷机组运行能耗,冷却水系统,一次泵的运行能耗,二次水系
统能耗及管道冷量损失一一进行计算].
2.1区域供冷系统的制冷机组运行能耗
制冷机组的运行能耗主要由所需的冷负荷和
机组的综合部分负荷效率决定.根据表4中上海的气候参数,以某台大型离心机组为例,通过计算机组的综合部分负荷性能参数(PL)以及能耗
计算BIN参数法,可得出制冷机组的运行能耗. 由表4可知整个制冷机的总制冷量为:
W总制冷量5050208.4kW?h
根据文献[10]得到的上海地区综合部分负荷
效率(PL为6.514,可以得出制冷机组在供冷
季节期间的运行能耗为:
W1=IPI=.?(5)
.
V7752853kWh
2.2冷却水系统的能耗
通过冷却塔的冷却水流量L(m./s)为:
L4
.
1868×994×(37—32)
0.33(6)
式中:Q为冷却塔排走的热量(kw),取制冷机负
荷的1.3倍;C为水的比热容(kJ/(kg?℃)),常温
时取4.1868kJ/(kg?℃);P为冷却水的密度(kg/ m.),取水温为冷却水进出口的平均温度34.5℃
时的密度;￡和￡分别冷却水进,出口温度(℃),
分别取32℃和37℃.
选择开放式冷却塔2台,型号为SKB-IOOOR,单
台冷却塔性能参数如下:极限循环水量651m3/h,
压力损失35.6kPa,配置轴流送风机4台,单台功
率为7.5kW.
表4区域供冷系统在供冷季节提供的制冷量
BIN参数/℃16
小时数/h
开启台数/台
系统理论负荷率/
当量满负荷小时数/h
总当量小时数/h
制冷量/(kW?h) 1722202352822452312722711697014
OO112223333
0.010.521.131.642.152.663.273.784.294.71O0 0049.689.1103.2121.5171.9199.7142.366;314
957.57
5050208.4
制冷与空调第8卷
冷却水循环管路,由于管径没有沿程变化,可
认为是一个计算管段,按水流速推荐值选用DNSO0 的管道,开式系统.管道内水流速(m/s)为:
V=4Q一4×1186.2
3600rrD.3600×3.14×0.502
=1.67(7)
查水管路计算图可知,单位比摩阻为75Pa/
In,取冷却水管长为60In,局部阻力与沿程阻力损失之比为1.5,则:
沿程阻力损失(kPa):hf=75×60=4.5
局部阻力损失(kPa):h=1.5×4.5=6.8
查样本可知:冷凝器阻力为114.1kPa,水处
理设备阻力为15kPa.
冷却水泵所需扬程:H=4.5kPa+6.8kPa+
114.1kPa+15kPa+35.6kPa=176kPa=
17.9InH2O.
选用水泵,流量和扬程皆考虑10的余量,流
量(m/h)为1.1×593.1=652.4,扬程(m)为1.1
×17.9=19.7,则
D一』DgQH一994×9.807×652.4×19.7一1000叩一1000×3600×0.
85
=40.9kW
选择型号为TP250—27o/4的冷却水泵3台,2 用1备,单台扬程为27In,电机功率为45.0kw.
则冷却水系统的能耗(kW)为:
t2=P冷却塔+P冷却水泵=4×7.5+2×45
=120
由此可知冷却水系统在供冷季期间的运行能耗(kW?h)为:
W2=叫2×h=120×957.57=114908.0(8)
2.3一次泵冷冻水系统能耗
一
次泵按照定流量计算,查冷机样本可知冷
冻水流量为252L/s(907.2In/h),按水流速推荐
值选择公称直径为DN350的冷冻水管管径.其冷冻水流速(m/s)为:
,一4Q一4×907.2
'3600rrD3600×3.
14×0.3570
=2.52
查水管路计算图可得比摩阻为152Pa/m,取
一
次环路冷冻水管长为80In,则管路的沿程阻力12.16kPa;取局部阻力与沿程阻力的比值为1.5, 则整个管路的阻力损失为0.4kPa;分集水器的阻力损失取40kPa,蒸发器侧压力降为121.5kPa.
则冷冻水泵的扬程为19.6mH.O.
选用水泵,流量和扬程皆考虑10%的余量,则
选用水泵的参数:
流量(In/h):1.1×907.2=997.9
扬程(InH2o):1.1×19.6=21.6
则冷冻水泵的功率(kW)可表示为:
D一gQH一994×9.087×997.9×21.6r一
次泵一一———丁叉石石石_百—一
=69.1
选择型号为TP250—37o/4的冷却水泵2台,1
用1备,单台扬程为27In,电机功率为75kw,则
一
次泵冷冻水系统的能耗叫=75kW.
在一次泵定流量的区域供冷系统中,一次泵
流量保持不变,能耗亦不变.通过计算可知机组
总运行小时数为1789h,所以一次泵在供冷季期间的运行能耗(kW?h)为:
W3=叫3×h=120×1789=134175.0(9)
2.4二次泵冷冻水系统能耗
任取支路冷冻水流量为302.4In/h,按水流
速推荐值选择公称直径为DN200的冷冻水管管径.其冷冻水流速(m/s)为:
T,一4Q一4×302.4
3600rrD3600×3.14×0.207
=2.5
查水管路计算图可得比摩阻为300Pa/m,记
二次环路中供水管长为L,不再考虑随沿程管径变化比摩阻的变化,统一按此定值计算,则管路的沿程阻力(kPa)为:
HF=0.3×2L=0.6L
取局部阻力与沿程阻力的比值为0.4,则整个
管路的阻力损失(kPa)为:
H=Hf+Hd=(1+0.4)×0.6L=0.84L
分集水器阻力损失取40kPa.水系统为枝状
环路,为解决系统平衡,在各回水支干管或支管上安装动态流量平衡阀(压降取40kPa),二通阀压
降取30kPa,末端装置压差控制在20kPa以内,末端阻力在45～50kPa之间.则冷冻水泵的扬程(InH2o)为:
H.=Hf+Hd+H
=0.84L+40+40+30+18
=128+0.84L(kPa)
=13.05+0.0856L
选用水泵,流量和扬程皆考虑10的余量,则
选用水泵的参数为:
流量(In/h):1.1×302.4=332.6
扬程(mH2o):1.1×(13.05+0.0856L)
=14.36+0.09422r
第2期黎洪等:VRV集中空调与区域供冷单位冷量能耗的比较研究则该冷冻水泵的额定功率(kW)可表示为:
P:.pgQH.
1O00rl
一
999.8×9.807×332.6×(14.36+0.09422L)
一—————T———一
=15.304+0.1004L
假设房间冷负荷与室外空气温度成线性关系
以及二次变频泵输送的冷冻水流量随冷负荷的增
减作一致变化.根据前面计算变频集中式空调系
统季节能效比的方法,计算供冷季节二次变频泵
的能耗.
同样,假设末端用户室内温度保持26℃不
变,不过与计算变频集中式空调系统季节能效比
不同的是,变频泵的最低频率一般不低于30Hz.
通常情况下,只有当室外干球温度高于20℃时,
制冷机组才开始供冷,二次变频泵才开始运转;当
室外温度高于35℃时,空调器处于满负荷状态,
二次变频泵处于额定工况运行(见表5).根据这2
点数据,可以进行线性插值,确定不同温区的负荷
率及二次变频泵耗功率.二次变频泵的调节范围
为单台的最低频率到3台泵的额定频率之间.
空调冷冻水泵变频运行的能耗既不与流量的三
次方成正比,也不与流量的一次方成正比,而是处于二者之间的依赖于管路阻力分布特性(与空调负荷及空调用户的位置有关)的一个量值.根据王寒
栋[9的相关研究,在这里取修正系数为1.15,则在
整个供冷季二次变频泵所消耗的能量(kw?h)为: Wp=1.15×(3O025.423+196.998L)
=34529.236+226.548L(10)
结合式(5),(8)～(10),当1台制冷机运行时,
区域供冷系统在整个供冷季节的能耗(kw?h)为:
W总=W1+V2+V3+Vp
=1058897.536+226.548L(11)
2.5冷冻水管管道输送冷量损失
损失计算方法,管道温升因子:
△=(e一1)△i=忌(ti一t.)(12)
z=瓦鲁(13)
其中,d,d:和d,分别为管道内径,外径及保温层
外表面直径(m);t.为管道保温层外表面温度(周
围土壤)CC);ti为流体进入管道温度(℃);t.为
流体流出管道温度(℃);』D为管道内流体的平均密度(kg/m3);C为水的比热容(kJ/(kg?℃));
和:分别为保温材料和管道材料的导热系数(W/ (m?℃)).
输送冷冻水至末端泵中流体的管道能量损失的
计算.冷冻水供水温度取7℃,引起的误差已很小,
其余各参数取值分别为:d=0.207rrl,d2=0.219
rrl,取保温材料的厚度为45mm,测d3=0.309rrl,A
=7c/4=0.0036m,取1=0.05w/(rrl?℃);
2=45w/(rrl?℃);ti=7℃,t.=20.6℃,C=
4.1868kJ/(kg?℃),』D=1000kg/m3,=2.5m/s,
代入(12)和(13)式,可得:△=(一1)△=13.6
×(e2?一一1)
当单台变频泵在额定转速下运行时,此沿程
能量损失为:
△W.QAt
::Q:璺垒璺:鱼:竺::::=
3600
=4783.000×(e2?590L一1)
由末端泵输送机组时产生的管道能量损失,
冷冻水回水温度取12℃.可类似得,
△W=3023.335×(e?一1)
将这2部分能耗损失加起来,则单台变频泵额定工
况下运行时,流体输送引起的能量损失为:
△W单=△W.+△W
=7806.335×(e2?5910L一1)
利用张思柱伽提出的区域供冷输送管道能量Aw=21725030.31×(e:?一1)(14)
表5二次变频泵变频能耗分析表
?
84?制冷与空调第8卷
小时数/h1722202352822452312722711697014
开息台数台00112223333
实际系统负荷率/0.00.063.394.863.278.994.873.784.294.71O0.0
当量满负荷小时数/h14926731036551659942719942
总当量小时数/h2873
变频总能耗/kW21725030.31X(e"IO"L一1)
故该区域供冷系统提供的单位冷量能耗:
负荷侧单位冷量能耗=供冷季节区域供冷系统的总能耗量/(供冷季节区域供冷系
统
所提供的总冷量一通过冷冻水管道损失的总冷量)
wDls—I!:Q曼璺璺Z:曼鱼±鱼曼:曼鱼Z生
P额定功率h一△W26775238.71—21725030.31X(e2.59x0一1) 3变频集中空调与区域供冷系统单位冷量能耗
的比较分析
根据式(4)和(15),可以对这2种制冷技术的
单位冷量能耗进行比较.
在某条件下,如果区域供冷比变频集中供冷
更为节能,那么下式成立:
wDls≤wvRv
对上式进行求解,对于区域供冷系统,当其供水
管道长度分别达到382m,657m和962m时,单位
冷量能耗分别为0.228,0.240和0.253.因此可以
认为,当变频集中空调系统的管道当量长度小于8
m时(此种建筑物常见于小别墅,居民楼等较小的场
合),若采用区域供冷系统进行供冷,建议用户与制
冷站的距离不超过382m.否则,则采用变频集中
空调系统.当变频集中式空调系统室内外机连接管
道的当量长度小于50m时,在设计区域供冷系统
时,推荐冷站到该用户的供冷距离不超过657m,此
类建筑比较常见,在一些中型建筑中均适用.对于
当量长度在100m以内的变频集中空调系统,在一
些大型建筑包括写字楼,医院,会所,大型公共建筑
中应用较多,其实这已达到变频集中空调系统的供
冷极限,超过此当量长度,变频集中空调系统与分体
空调相比在能耗方面不存在优势;而采用变频集中
空调方案的初投资则远远高于分体式空调.综合考
虑,用户会优先选用分体式空调,此时区域供冷系统
的供冷半径需严格控制在962m以内.
4结论
1)变频集中空调的管道当量长度不超过8m,
50m和100m时,单位冷量能耗分别约为0.228,
0.240和0.253;
2)得到区域供冷系统单位冷量能耗随管道长
度变化的表达式,可近似认为单位冷量能耗与管(15)
道长度成正比;
3)当变频集中空调系统的管道当量长度小于
8m时,如果该用户距离制冷站小于382m,那么
采用区域供冷技术更节能;当管道的当量长度小
于50m(大于8m)时,制冷站与该用户的供冷距
离超过657m,则采用变频机组更节能;对于当量
长度在100m以内(大于50m)时,采用区域供冷
系统时应将供冷半径控制在962m以内.
参考文献
[1]龙惟定.建筑节能与建筑能效管理.北京:中国建筑
工业出版社,2002.
[2]YCPark,YCKim,MMin.Performanceanalysisona multi—typeinveteraircondiitoner.EnergyConver—sionandManagement,2001,42(10):1607～1621.
[33杜敬三,付林,江亿.区域供冷最佳面积探讨.暖通空调,2003,(6):112-113.
[43刘圣春,马一太.变频型房间空调器区域性季节能效比的研究.制冷,2005,(2):47—50.
[53薛卫华,陈沛霖,刘传聚,变频控制热泵式VRV空调机组运行特性与节能性能实验研究.节能技术,2003, (3):3—5.
1-63刘金平,杜艳国,陈志勤.区域供冷系统中冷冻水输送管线的优化设计.华南理工大学,2004,(10):
32—35.
[7]陈晓,张国强,文进希.区域供冷系统中制冷机系统的优化配置探讨.流体机械,2003,(6):55—61.
[83董宝春,刘传聚,刘东.一次和二次泵变流量系统能耗分析.暖通空调,2005,(5):82—85.
[9]李苏沈.冷水机组综合部分负荷性能指标与能耗计算.暖通空调,2005,(11):80—8.
[1O]王寒栋.空调冷冻水泵变频能耗特性的研究.节能, 2003,(12):10—12.
[11]张思柱.上海某区域供冷系统运行方案研究.上海:
同济大学,2000.。