CN109000949A - 基于冷水机组热力学模型的冷水机组评估方法及节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于冷水机组热力学模型的冷水机组评估方法，包括以下步骤：步骤1：测量冷水机组中运行数据；步骤2：通过冷水机组的蒸发器、冷凝器及压缩机的热力学性能构建冷水机组热力学模型；步骤3：将数据测量步骤中测量得到的测量数据输入热力学模型计算得出冷水机组的基准功耗与冷冻水温差的关联数据；步骤4：将冷水机组实际运行中的实际功耗与冷冻水温差关联数值与基准功耗与冷冻水温差的关联数据对比分析，生成分析数据，分析冷水机组的实际运行状况。基于冷水机组蒸发器、冷凝器、压缩机的热力学特性，通过能量守恒与质量守恒，快速生成对冷水机组各部件的运行工况进行全方位模拟的单台机热力特性模型来评估冷水机组的运行工况。

Description

基于冷水机组热力学模型的冷水机组评估方法及节能方法

技术领域

本发明涉及暖通工程领域，具体为一种基于冷水机组热力学模型的冷水机组评估方法及节能方法。

背景技术

随着当前社会的快速发展，人对其所处环境的舒适性的要求在不断地提升，使得空调***成为日常生活和工业生产过程中不可缺少的部分，据资料统计，进入21世纪后，大型公共建筑内部能耗在全国总能耗中所占比例越来越高，其中，冷水机组的能耗在大型公共建筑内部能耗也占了很大比例。因此，对冷水机组的优化节能，是为响应国家节能减排号召，实现现代化可持续发展所亟待解决的问题。

现行的中央空调机组是以满足使用场所的最大冷热量来进行设计的，冷水机组亦是如此，而在实际应用中，消耗的冷热负荷是变化的，一般与最大设计供冷热量存在着很大的差异，***设备运行约90％以上时间运行在非满载额定状态。所以亟需一种能够有效判断冷水机组运行能耗是否理想的评估方法，来对冷水机组的运行状态进行评估。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于冷水机组热力学模型的冷水机组评估方法及节能方法，基于冷水机组蒸发器、冷凝器、压缩机的热力学特性，通过能量守恒与质量守恒，快速生成对冷水机组各部件的运行工况进行全方位模拟的单台机热力特性模型，用来评估冷水机组的运行工况。

为了达到上述目的，本发明的技术方案有：

一种基于冷水机组热力学模型的冷水机组评估方法，包括以下步骤：

数据测量步骤：测量冷水机组中冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷冻水流量、冷却水进水温度以及冷却水流量；

构建冷水机组热力学模型步骤：通过冷水机组的蒸发器、冷凝器及压缩机的热力学性能构建冷水机组热力学模型；

模型计算步骤：将数据测量步骤中测量得到的冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷冻水流量、冷却水进水温度以及冷却水流量输入所述热力学模型计算得出冷水机组的基准功耗与冷冻水温差的关联数据；

对比评估步骤：将冷水机组实际运行中的实际功耗与冷冻水温差关联数值与基准功耗与冷冻水温差的关联数据对比分析，生成分析数据，分析冷水机组的实际运行状况。

进一步的，所述步骤还包括：

绘制曲线图步骤：绘制基准功耗与冷冻水温差的关联数据曲线图。

再进一步的，所述对比评估步骤替换为：

将实际功耗与冷冻水温差的关联数值代入所述基准功耗与冷冻水温差的关联数据曲线图对比分析，生成分析数据，分析冷水机组的实际运行状况。

优选的，所述基准功耗与冷冻水温差的关联数据设有多组，分别为不同冷水机组负荷率下的基准功耗与冷冻水温差的关联数据。

优选的，所述对比评估步骤还包括：

截取功耗较低部分的基准功耗与冷冻水温差的关联数据再与实际功耗与冷冻水温差的关联数值对比分析。

进一步的，所述冷水机组热力学模型计算流程如下：

流程1：获取冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷冻水流量、冷却水进水温度以及冷却水流量；

流程2：假设压缩机进行等熵压缩时的出口温度；

流程3：计算冷凝器进口参数、冷凝器出口参数及蒸发器参数；

流程4：假设冷却水出水温度；

流程5：假设蒸发器的换热量；

流程6：计算蒸发器制冷剂侧换热量；

流程7：判断蒸发器制冷剂侧换热量与蒸发器的换热量是否相等；是，则执行流程8；否，则执行流程5；

流程8：计算冷却水侧换热量；

流程9：判断冷却水侧换热量与制冷剂侧换热量是否相等；是，则执行流程10，否，则执行流程4；

流程10：计算冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量；

流程11：判断冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量是否相等；是，则执行流程12；否，则执行流程2；

流程12：计算压缩机功耗。

再进一步的，所述冷水机组热力学模型计算公式如下：

蒸发器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷冻水侧换热系数：

蒸发器总换热过程：

冷凝器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷却水侧换热系数：

冷凝器内总换热过程；

一种应用上述冷水机组评估方法的节能方法，包括：控制模块，控制模块用于控制冷水机组运行；以及控制器，所述控制器包括存储器、处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现以下步骤：

接收步骤：控制模块接收所述分析数据；

控制步骤；控制模块用接收到的分析数据生成控制信号；

调整步骤；冷水机组接受控制模块的控制信号，并相应调整其自身的冷冻水温差或冷冻水流量数据。

根据本发明基于冷水机组热力学模型的冷水机组评估方法及节能方法，通过建立冷水机组的热力学模型，得出冷水机组运行功耗和工况评估基准。此外，还可以在分别建立不同冷水机组的负荷率下的评估基准，便于对不同负荷率下的冷水机组进行评估，采集实际运行下冷水机组在不同负荷率下实际的运行功耗与冷冻水温差的关联数值，通过分析基准数据与实际数值的数值来判断评估冷水机组的运行状态；优选的，还可以将基准功耗与冷冻水温差的关联数据绘制成曲线图，而实际的运行功耗与冷冻水温差的关联数值则以散点的形式布在所述曲线图内，通过计算散点与基准数据曲线的距离来判断冷水机组实际运行功耗与基准运行功耗的偏差程度，为冷水机组故障诊断提供一定的判断依据；优选的，还可以对基准数据进行截取，截取功耗较低部分数据作为更为精准科学的最优基准数据，通过与实际工况数值进行对比，可以判断冷水机组实际运行冷冻水温差对最优基准数据的偏离程度，为用户调整冷水机组运行工况，使冷水机组节能高效运行，提供一定的理论指导；而且通过分析冷水机组的运行工况，调节冷水机组的冷冻水温差，使得冷水机组的运行更加接近最优基准数据，有利于冷水机组的节能减排。

附图说明

图1为不同负荷率下冷水机组基准功耗与冷冻水温差的曲线图；

图2为压缩机功耗计算流程图；

图3为压缩机功耗与冷冻水温差的曲线图；

图4为水泵功耗与冷冻水温差的曲线图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的一种基于冷水机组热力学模型的冷水机组评估方法及节能方法。

对于本发明而言，第一步是建立冷水机组的热力学模型，根据热力学第一定律，能量在转换过程中，其总值保持不变。对于一台冷水机组，则在构成冷水水机组的三大部件蒸发器、冷凝器及压缩机之间，能量传递的总值是守恒的；而且对于冷水机组的制冷剂循环，冷水机组的在运行过程中整体***是封闭的，封闭***的物料也是守恒，即制冷剂的量是守恒的。

以市面上常见的冷水机组作为研究对象，很容易获知其自身的额定参数及其使用的制冷剂型号，通过查询也能轻易获知制冷剂的热力学参数。

还需要通过传感器等常用测量工具测量冷水机组中冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷冻水流量、冷却水进水温度以及冷却水流量作为已知的量。

构建冷水机组热力学模型，需要对冷水机组的蒸发器、冷凝器及压缩机进行热力学分析。

对于蒸发器：

蒸发器内的传热过程包括：制冷剂侧的沸腾传热、冷冻水侧对流换热以及通过换热管壁与污垢层的导热。通过制冷剂侧的对流换热系数、制冷量、冷冻水的定性流速、冷冻水侧的对流化热系数等9个控制变量耦合方程，可以得到蒸发温度与制冷量、冷冻水流量、冷冻水出水温度、冷冻水进水温度的函数关系。

蒸发器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷冻水侧换热系数：

蒸发器总换热过程：

对于冷凝器：

冷凝器的传热过程包括：制冷剂的冷凝换热，金属壁、垢层的导热以及冷却水的吸热过程。一般的壳管式冷凝器管内侧为制冷剂，管外侧为冷冻水。通过传热过程的总热阻、制冷机的物性参数等11个控制变量耦合方程，可以得到蒸发温度与制冷量、冷却水流量、冷却水进水温度的函数关系。

冷凝器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷却水侧换热系数：

冷凝器内总换热过程；

对于压缩机：

通过压缩机的总功耗、压缩机的轴功率、压缩机的理论功耗等10个控制变量耦合方程，可以得到能量守恒的关系式。最后通过对冷凝温度的多次迭代，计算给定工况下的单台机运行功耗。

根据以上关系建立冷水机组的热力学模型，计算流程如图2所示包括：

流程1：获取冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷冻水流量、冷却水进水温度以及冷却水流量；

流程2：假设压缩机进行等熵压缩时的出口温度；

流程3：计算冷凝器进口参数、冷凝器出口参数及蒸发器参数；

流程4：假设冷却水出水温度；

流程5：假设蒸发器的换热量；

流程6：计算蒸发器制冷剂侧换热量；

流程7：判断蒸发器制冷剂侧换热量与蒸发器的换热量是否相等；是，则执行流程8；否，则执行流程5；

流程8：计算冷却水侧换热量；

流程9：判断冷却水侧换热量与制冷剂侧换热量是否相等；是，则执行流程10，否，则执行流程4；

流程10：计算冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量；

流程11：判断冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量是否相等；是，则执行流程12；否，则执行流程2；

流程12：计算压缩机功耗。

本发明所称负荷率＝制冷量/额定制冷量

此时，仅计算压缩机功耗，在计算冷水机组的基准功耗时还应该考虑水泵的功耗，水泵功耗的计算公式如下：

冷冻水流过蒸发器时的摩擦阻力为：

摩擦阻力系数为：

ξ＝0.457·Re_{_o} ^-0.211

冷冻水流过蒸发器时的局部阻力为：

冷冻水通过蒸发器时的总阻力：

Δp_主机＝Δp₁+Δp₂

水泵压差：

Δp_水泵＝Δp_旁通+Δp_主机

水泵扬程：

以市面上1000RT的冷水机组为例，制冷剂为R134a，根据上述热力学模型计算冷水机组基准功耗，计算过程如下：

计算工况条件与机组结构参数分别于下所示：

机组工况条件：

机组结构参数：

1、蒸发器工况模拟

蒸发器内的传热过程包括制冷剂侧的沸腾换热、冷冻水侧对流换热以及通过换热管壁与污垢层的导热。污垢热阻R_fo取0.00011m²·K/W，故换热过程的总换热系数为：

假设一个蒸发温度t_o，蒸发器管外翅片肋化系数取1.5，并联式(2)、式(3)可得制冷剂侧换热系数h_R134a。

并联式(4)、(5)、(6)、(7)可得冷冻水侧换热系数h_o。

并联式(8)、(9)可得实际蒸发温度t_{o_act}。

Q_o＝A_oK_oΔt (8)

比较t_o与t_{o_act}大小，当偏差幅度大于0.001时，重新假设t_o，进行迭代，直到计算偏差小于0.001，(当偏差幅度小于0,001时，则认为t_o与t_{o_act}实质是相等)。

2、冷凝器与压缩机工况模拟

冷凝器内的传热过程包括制冷剂侧的沸腾换热、冷冻水侧对流换热以及通过换热管壁与污垢层的导热，污垢热阻R_fk取0.00015m²·K/W，换热过程的总热阻为：

假设一个压缩机的出口压力p_out，查物性参数表可得冷凝器的冷凝温度t_k，假设一个冷却水出水温度t_{cool_ex}，由式(11)可计算冷凝器的对数传热温差△t_k：

假设一个冷凝器换热量Q_k，并联式(12)、(13)、(14)可得冷凝器内制冷剂侧换热系数h_{R134a_k}，其中制冷剂的导热系数λ_R134a、密度ρ_R134a、动力粘度ν_R134a可通过冷凝温度t_k查询物性参数表获得。

冷却水侧的换热系数计算方式同蒸发器的冷冻水侧计算方式，由此可得冷却水侧换热系数h_k。由式(15)可计算冷凝器实际换热量Q_{k_act}。

Q_{k_act}＝A_kK_kΔt (15)

比较Q_{k_act}与Q_k大小，当偏差幅度大于0.001时，重新假设Q_k，进行迭代，直到计算偏差小于0.001。由式(16)可计算实际冷却水出水温度t_{cool_ex_act}。

比较t_{cool_ex_act}与t_{cool_ex}大小，当偏差幅度大于0.001时，重新假设t_{cool_ex}，进行迭代，直到计算偏差小于0.001。通过p_out查询物性参数表可得蒸发器进口焓值h_{eva_in}，由1.中计算出的蒸发温度t_{o_act}查询物性参数表可得蒸发器出口焓值h_{eva_out}，由式(17)可计算蒸发器制冷剂流量q_{ma_o}。

通过p_out与t_{o_act}查询物性参数表可得压缩机出口焓值h_{com_out_act}与压缩机进口焓值h_{com_in}，并联式(18)、(19)可得压缩机实际功耗。

η_s＝0.28168+1.14249·(φ-0.2)

-0.59051·(φ-0.2)²-0.69255·(φ-0.2)³

+1.42011·(φ-0.2)⁴-0.83229·(φ-0.2)⁵ (19)

由式(20)可得等熵压缩下压缩的出口焓值h_{com_out}，即冷凝器的进口焓值。

h_{com_out}＝W-h_{com_in}(20)

由式(21)可得冷凝器制冷剂流量q_{ma_k}。

比较q_{ma_o}与q_{ma_kx}大小，当偏差幅度大于0.001时，重新假设p_out，进行迭代，直到计算偏差小于0.001。此时模型闭合，计算收敛。压缩机功耗可由下式计算：

P_e＝q_{ma_k}·(h_{com_out}-h_{com_in}) (22)

3、水泵功耗计算

并联式(23)、(24)、(25)、(26)可得冷冻水通过蒸发器时的总阻力△p_主机。

Δp_主机＝Δp₁+Δp₂ (26)

已知旁通回路供回水压差，水泵压差为：

Δp_水泵＝Δp_旁通+Δp_主机 (27)

由此，可求得水泵扬程：

查询水泵性能曲线可得泵效率η。故水泵功耗为：

负荷率φ为40％、60％、80％、100％下，冷冻水温差从1℃到7℃的压缩机。

功耗计算数据如下：

如图3，将得出的压缩机功耗-冷冻水温差数据绘制成曲线。

计算得水泵功耗-冷冻水温差数据如下：

如图4，将水泵功耗-冷冻水温差数据绘制成曲线。

计算得冷水机组基准功耗-冷冻水温差数据如下：

如图1，将计算冷水机组基准功耗-冷冻水温差数据绘制成曲线图，根据图1与图3-4所示曲线图分析可知：

1、如图3，随着冷冻水进出水温差的增大，压缩机的功耗也随之增大；如图4，随着冷冻水进出水温差的增大，水泵的功耗开始减小。

2、如图1，随着冷冻水进出水温差的增大，冷水机组总基准功耗不断减小。这是因为随着冷冻水进水温差的增大，主机功耗不断地增加，水泵的功耗不断地减小，而水泵功耗减小的幅度要远远大于主机功耗增加的幅度，所以导致了整台机组总能耗的减少，在曲线的后半段，由于水泵的功耗的减小幅度放缓；最终导致总功耗的减小幅度放缓，并且，理论上(实际冷冻水进出水温差可能并无法满足理想情况)，随着温差的逐渐增大，总功耗曲线的走势将会上扬，即总能耗增加。

所以，冷水机组冷冻水温差并非越低越好，存在着最佳适用区间，如图1曲线中的凹点；在低负荷下，必须将温差减小得更低，才能达到高负荷下的节能效果，而这势必会增加节能的经济负担，所以想要通过控制冷冻水流量使温差区间落在图1所示最佳适用区间来降低能耗，那么，保持冷水机组在较高的负荷工况下运行。

本发明还给出了几种如何截取基准功耗-冷冻水温差数据形成最佳适用区间的方法。

实施例1，设置一个基准功耗值，直接截取小于基准功耗值得数据作为最佳使用区间；

实施例2，在图1中，寻找最佳适用点，即图1曲线中的凹点，计算该点的斜率，并与对应曲线上的其他点的斜率进行分析，取与该点斜率上下浮动5％的变化区间作为最佳适用区间。

取实际的运行功耗与冷冻水温差的关联数值则以散点的形式布在所述曲线图内通过计算散点与基准数据曲线的距离来判断冷水机组实际运行功耗与基准运行功耗的偏差程度，为冷水机组故障诊断提供一定的判断依据；如冷水机组的实际运行功耗与基准运行功耗偏差过大，可以判断冷水机组运行不正常需要维护或者冷水机组以及老化。

一种应用上述冷水机组评估方法的节能方法，通过基准功耗与冷冻水温差关联数据与实际功耗与冷冻水温差关联数值的对比分析，产生分析数据，对应设置控制模块，接收分析数据生成控制信号，冷水机组受控制模块的控制信号，并相应调整其自身的冷冻水温差或冷冻水流量数据。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1.一种基于冷水机组热力学模型的冷水机组评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

数据测量步骤：测量冷水机组中冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷冻水流量、冷却水进水温度以及冷却水流量；

构建冷水机组热力学模型步骤：通过冷水机组的蒸发器、冷凝器及压缩机的热力学性能构建冷水机组的热力学模型；

模型计算步骤：将冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷冻水流量、冷却水进水温度以及冷却水流量输入所述热力学模型计算得出冷水机组的基准功耗与冷冻水温差的关联数据；

对比评估步骤：将冷水机组实际运行中的实际功耗与冷冻水温差关联数值与基准功耗与冷冻水温差的关联数据对比分析，生成分析数据，评估冷水机组的实际运行状况。

2.根据权利要求1所述的冷水机组评估方法，其特征在于，所述步骤还包括：

绘制曲线图步骤：绘制基准功耗与冷冻水温差的关联数据曲线图。

3.根据权利要求2所述的冷水机组评估方法，其特征在于，所述对比评估步骤替换为：

将实际功耗与冷冻水温差的关联数值代入所述基准功耗与冷冻水温差的关联数据曲线图对比分析，生成分析数据，评估冷水机组的实际运行状况。

4.根据权利要求1-3任一项所述的冷水机组评估方法，其特征在于，所述基准功耗与冷冻水温差的关联数据设有多组，分别为不同冷水机组负荷率下的基准功耗与冷冻水温差的关联数据。

5.根据权利要求4所述的冷水机组评估方法，其特征在于，所述对比评估步骤还包括：

截取功耗较低部分的基准功耗与冷冻水温差的关联数据再与实际功耗与冷冻水温差的关联数值对比分析。

6.根据权利要求1所述的冷水机组评估方法，其特征在于，所述冷水机组热力学模型计算流程包括：

流程1：获取冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷冻水流量、冷却水进水温度以及冷却水流量；

流程2：假设压缩机进行等熵压缩时的出口温度；

流程3：计算冷凝器进口参数、冷凝器出口参数及蒸发器参数；

流程4：假设冷却水出水温度；

流程5：假设蒸发器的换热量；

流程6：计算蒸发器制冷剂侧换热量；

流程7：判断蒸发器制冷剂侧换热量与蒸发器的换热量是否相等；是，则执行流程8；否，则执行流程5；

流程8：计算冷却水侧换热量；

流程9：判断冷却水侧换热量与制冷剂侧换热量是否相等；是，则执行流程10，否，则执行流程4；

流程10：计算冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量；

流程11：判断冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量是否相等；是，则执行流程12；否，则执行流程2；

流程12：计算压缩机功耗。

7.根据权利要求6所述的冷水机组评估方法，其特征在于，所述冷水机组热力学模型计算公式包括：

蒸发器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷冻水侧换热系数：

蒸发器总换热过程：

冷凝器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷却水侧换热系数：

冷凝器内总换热过程；

8.一种应用权利要求1至7任一项所述冷水机组评估方法的节能方法，包括：控制模块，控制模块用于控制冷水机组运行；以及控制器，所述控制器包括存储器、处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现以下步骤：

接收步骤：控制模块接收所述分析数据；

控制步骤；控制模块用接收到的分析数据生成控制信号；

调整步骤；冷水机组接受控制模块的控制信号，并相应调整其自身的冷冻水温差或冷冻水流量数据。