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1、区域供冷多级泵系统能效研究 区域供冷多级泵系统能效研究 一级学科 土木工程学科专业 供热、供燃气、通风及空调工程研究生 曹荣光指导教师 由世俊教授天津大学环境科学与工程学院二零一一年五月.,.,独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:彰别签字日期:口,/年歹月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤室蕉堂
2、有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨奎盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明导师签名:学位论文作者签名:劫签字日期:/年舶日签字嗍吻“年州,中文摘要本文系统地研究了区域供冷变流量输配系统的能耗评价方法,并在其基础上分析了区域供冷多级泵系统的能效。针对具体的工程问题,研究了变流量输配系统中如何保持调速水泵高效运行的具体技术措施。主要内容分为六章,研究要点如下:第二章研究了区域供冷输配系统能耗的评价方法。在输配系统能耗分类的基础上,
3、定义了评价输配管网能耗特性的指标一输配效率。对于拓扑结构和管径参数已经确定的输配管网,该指标对输配能耗的评价具有客观性,对降低输配能耗有具体的指导意义,可以为输配系统形式和运行方式优化提供独立判据。该指标可以量化输配系统的最大节能量,为控制系统设计提供目标。对区域供冷变流量输配系统中调速水泵的效率进行了研究,提出了在系统设计和运行过程中如何实时追踪调速水泵高效区的技术措施。第三章研究了输配系统动力学数学模型的建立方法。建立了输配系统设计工况和运行工况管网动力学数学模型。通过运行工况管网模型的求解。可以计算运行工况下管网各用户的阻抗值以及系统循环动力设备的运行状态,为第二章定义的输配能耗和输配效
4、率提供理论计算方法。第四章研究了区域供冷输配管网阻抗值辨识方法。提出了基于现场辨识和系统辨识相结合的管网阻抗混合辨识法,建立了数学模型,并研究了数学模型的数值计算方法。对示例工程的数值实验表明,该辨识方法得到的管网阻抗值,在用于输配系统运行工况分析时具有满意的精度。通过本章的研究,为第三章所建立的管网模型在实际工程中的应用清除了障碍。第五章研究总结了区域供冷输配系统通用性设计方法,以量化各不同输配方案的使用功能,为各不同输配方案的比较提供统一的前提。第六章利用第三章所建立的管网动力学模型,对多级泵系统的工况模拟方法进行了研究。提出了旁通管用户多级泵系统工况模拟的简化方法。第七章是工程实例研究。
5、综合运用本文提出的输配效率分析方法。结合工程实例,研究了多级泵系统能效评价方法,分析了多级泵系统的应用意义。本文的研究成果,可以直接为区域供冷多级泵系统形式和控制方式选择提供充分的理论和计算依据,可以节约大量的科研投入资金。本文的研究可以为包括区域供热输配系统在内的其他暖通空调输配系统的节能研究提供参考。关键词:区域供冷多级泵系统输配效率水泵效率管网模拟阻抗值辨识通用性设计、. ,. 笛:. ,., . 鸟, .他 . . ., . . ., . . 戤. . .,. 鹏.:, 目 录第一章绪论.区域供冷应用现状及选题意义?。.变流最输配系统研究现状.问题的提出.研究内容与方法?.本文创新与意
6、义?.第二章区域供冷输配能耗和输配效率?.研究意义与创新。.输配能耗分类及输配效率.问题提出.输配能耗分类?.输配效率.调速水泵高效区追踪策略 .调速水泵效率.高效区追踪策略?.本节小结.本章小结?第三章区域供冷输配管网动力学模型?.内容概述与创新。.输配系统的简化。.输配系统基本方程?。.循环水泵性能曲线?。.性能方程的确定?之.性能方程的转速变换?. .管网图及其矩阵表示?.输配系统动力学模型?。.设计工况管网模型.运行工况管网模型.模型算法?.算例应用分析.设计工况?.运行工况?.本节小结。.本章小结。第四章区域供冷输配管网阻抗值辨识?。研究意义与创新.管网阻抗值辨识的数学模型.数值求解
7、?.辨识精度.本章小结。第五章输配系统的通用性设计?.内容概述及意义。.末端装置的可调性设计?.供冷盘管性能?.二通控制阀特性?.控制阀与末端装置的综合特性?.解耦设计?:?。.冷源与输配系统解耦.输配系统与末端装置解耦.本章小结与讨论?.内容小结.讨论?.第六章区域供冷多级泵系统及其能效?.内容概述?.多级泵系统分类.旁通管用户多级泵系统。.多级泵系统的水力工况模拟?.六.多级泵系统的能效?。 .本章小结.第七章工程实例研究?.工程概述.输配系统设计方案.冷源与输配管网的解耦设计?.输配系统形式和运行方式设计.本节小结?.多级泵系统选择一.本章小结第八章结论与展望.研究结论.研究展望 参考文
8、献。发表论文和科研情况说明符号说明.至囊谢.户,第一章绪论第一章绪论.区域供冷应用现状及选题意义区域供冷. 是指针对一定区域内的建筑群,在集中能源站制取冷水,通过输配管网输送到各建筑内,满足用户用冷需求的系统。系统可以为冷热电联产、生物质焚烧、天然能源及可再生能源等的利用提供理想平台,也为构建竞争性的建筑能源商品市场和优化配置区域能源结构提供了可能,从而带来节能减排和改善环境的良好效果。目前全球的系统主要分布在北美洲、欧洲和亚洲?们。北美洲的项目最早出现在世纪年代,初始建设的目的是利用城市蒸汽管网的夏季富余能力驱动吸收式制冷机来提高蒸汽利用率,但因为当时的单效吸收式制冷机效率较低、经济性差而使
9、得这种集中供冷方式没有得到进一步推广。世纪年代,双效吸收式制冷机的出现以及城市化过程中商业建筑供冷需求的增长使:技术再次受到重视,期间建设的纽约世界贸易中心吸收式制冷系统的供冷量达到 ,成为当时世界上规模最大的系统,随后在美国芝加哥等大城市的商业中心还相继出现了电力压缩式制冷项目。北美洲的技术主要着眼于方便管理和维护,因此在统一规划建设的单一业主单位如大学、医院和军队等建筑中应用较为广泛,截至年,美国多所大学采用了区域供热供冷技术,输配管道长度超过,年代后分布式能源系统和冷热电联产技术日益成熟,结合冷热电联产的:系统也逐渐成为区域供冷的重要技术路线之一。截至年,北美洲区域供热供冷系统的服务建筑
10、面积为,万坍,主要分布在加拿大的多伦多和美国的一些大城市。欧洲最早的系统于年代出现在法国巴黎,其中最大的两个系统供冷能力发展至今已超过。瑞典、德国和意大利等国随后也有不同程度的应用,截至年底,欧洲项目的统计数据见表.。目前在法国有个大型的系统承担着超过的制冷需求,这些系统中的制冷设备主要采用电制冷冷水机组。这是因为当地的夏季电价比较便宜。德国大约有个系统,主要是热电联产向冷热电联产的发展,柏林和汉诺威的系统供冷容量都超过了。北欧的挪威、瑞典和丹麦等国的区域供热供冷技术非常具有特色。它们普遍采用海水、湖水、地下水、工业废水和城市污水等作为冷源,或者利用生物质和垃圾焚烧作为热源。规模最大的斯德哥尔
11、摩系统运行始第一章绪论于年,最初的部分动机是为了减少使用对臭氧层有破坏作用的制冷剂,但获得的迅速发展超过预期,至今斯德哥尔摩中央区域供冷站容量已经达到,而这是从早期众多较小和临时的系统逐步互联形成的。目前该市区域供冷用户已经超过个,输配管网长度达,服务于万的商业建筑,由于前景看好,运营商已经决定进一步连接现有的两个区域供冷网络并再新建一个系统。在寒冷的北欧,系统所取得的发展甚至引起了欧洲人自己的惊讶。诚然,采用海水免费供冷和使用高效的大型热泵站是取得成功的主要原因,而当地良好的区域供暖服务也使得客户乐于接受和信任区域供冷这一技术。由于实现了天然冷源的规模化利用,过去近年的运行数据表明该技术消减
12、空调季节电力高峰的作用明显,系统耗电只有传统空调方式的/,和的使用量减少,排放量从传统分体空调的/降低到了 /。在系统总的运行时间中,系统可靠运行时间的比例高于.%,而长达的供冷合同不仅避免了用户自身的空调投资,也带来了经济上的经济实惠,实现了多赢的结果。欧洲气候温和,供冷的需求并不多,北欧办公建筑的冷负荷一般为/,商业建筑则为 /,年当量满负荷运行时间约。在较热的南欧供冷负荷约增加%,当量满负荷运行时间约增加%。欧洲的居住建筑的冷负荷比同地区的商业建筑低%,持续时间缩短%,夏季制冷的普及率并不高。在这种气候条件下,欧洲大型区域供冷系统多是在成熟的区域供热管网基础上增加制冷设备形成的,系统只集
13、中于少数大城市,年总供冷量为,仅占欧洲年供冷量的%。表欧洲区域供冷系统项目统计截至年月日法国意大利卢森堡摩洛哥葡萄牙西班牙 荷兰大于洲项目数量价小于项目总容量, ,用户总冷负荷/, , .年总供冷量,啊, ,. , . ,丹麦 琦兵 芬兰舞戚 英国奥地利 德置第一章绪论亚洲的日本的区域供热供冷系统出现较晚,但发展迅速。应用开始于年的大阪世博会,当时的日本政府试图解决都市人口密集、环境污染严重的问题,从法规上鼓励投资系统,并形成了公益型的都市热供给产业。但年开始的石油危机使系统价格高涨,需求减少,事业进入低迷期。在石油危机的刺激下,相继出现了利用新能源、热泵和冷热电联供等新技术的项目。年以后,随
14、着日本都市再开发的发展,日本的能源产业积极介入开发,形成了新的热潮。在此期问的代表项目是东京新宿新都心项目万朋,总制冷量,。计算机模拟和测试结果都表明该项目的系统有效地减少了污染物排放,同时能源利用率提高了%,对后续项目起到了较大的推动作用。年代后,日本各地相继制定政策要求新建建筑设计阶段应分析采用系统的可行性,这一阶段还出现了废热回收和灵活使用各种未利用能的系统,以箱琦地区的河水源热泵为代表。在日本,目前已经和自来水、电力一样成为一项公用事业,有许多能源公司可以提供竞争性的区域供热供冷方案。亚洲的中东的系统近年来发展异常迅速。以阿联酋为例,截至年底,该国共有单纯供冷的系统供冷面积,万。虽然这
15、个国家的炎热气候和经济实力使其较适合发展系统。但根据年该国的统计年鉴,其人口尚不足万,说明在该国的实施比例是非常高的,尤其在新建大型建筑中,几乎无一例外。阿联酋的系统运营公司只有家,且%的项目属于阿联酋国家区域供冷集团所有,说明该国已经实现将作为基础设施进行建设。系统在我国起步较晚,但发展迅速。近几年来,随着我国城市建设的快速发展以及对建筑节能的日益重视,系统在我国迅速发展,目前已建成的大型系统近个。具有代表性的有如下几个:广州大学城系统:年建成的广州大学城,采用区域蓄冰供冷系统,总服务面积万研,是目前世界第三大系统。,南通新城小区污水源热泵三联供系统:南通新城小区建筑面积万,总共二期开发,其
16、中一期由小高层和高层组成,利用城市污水处理厂的二次排放污水作为冷热源,总制冷量为,制热量为.,制热水量为.,集中解决居民的制冷、制热、制热水三联供问题,是目前国内最大的利用污水源作为冷热源系统的集中居住小区项目。南京国际服务外包产业园系统:南京国际服务外包产业园毗邻长江的夹江,利用夹江底层取水作为热泵机组的冷热源,建设了一个利用江水源热泵的区域供冷供热系统。通过市政管道送至园区内的用户。该项目供冷供热面第一章绪论积达到万肌,是目前江苏省内规模最大的建筑节能减排示范项目。北京中关村西区系统:北京中关村西区位于北京市海淀区海淀镇,是中关村科技园的核心区,将建成为中关村高科技产业发展服务的以高科技为
17、特征的商贸中心区。中关村西区总占地面积.万所,规划地上建筑面积万,地下总建筑面积约万。西区用地主体功能以金融资讯、科技贸易、行政办公、科技会展为主,并配有商业、酒店、文化、康体、娱乐以及大型公共绿地等配套公共服务功能。中关村西区系统采用外融冰式蓄冷技术,为区内地下空间和地上建筑提供空调冷冻水。制冷站建设采用模块方式,可按不同开发阶段和冷水需求情况进行建造,利于资金安排,也能准确地把制冷站设置在最大负荷的建筑物附近,西区计划建两个外融冰式蓄冷制冷站。两根主供回水管敷设在易于维护和管理的地下综合管廊内,主供回水管为环状管网,两个制冷站均与环状管网相接,每个制冷机房也通过环状管网相互连接,这样的系统
18、则能达到最大的有效性和可靠性。一次冷冻水设计供回水温度为.,采用板式换热器,二次冷冻水的设计供回水温度为./.。实际运行结果表明,该系统具有保护区域内环境、节约能源、节约初期投资、运行成本低以及平衡电网负荷等优点。综上,系统的应用有如下特点:在过去的年间,在各种气候条件下均有成功的应用案例,这些地区的虽然在总供冷市场中所占的比例不高,但近年来均获得了迅速发展,这说明只要使用科学合理,是可以选择的供冷方式之一。不是常规空调技术,不具有普遍适用性,而且其实施前提和商业化特性决定了其发展具有地域非均衡性。在我国不可能普遍采用来代替分散空调,但也不需要一刀切地限制其发展。长期开看,全球普遍存在着供暖需
19、求下降和供冷需求上升的趋势,这将给电力供应和电网安全带来压力,同时不利于温室气体减排,在符合条件的地区因地制宣地适度发展系统,可以缓解电网压力和优化能源结构。技术对于商业建筑供冷需求的满足优于传统空调,长期运行的系统的性能还可以通过提高管理水平而提升,因此系统较适宜在供冷密度高的商业建筑群或使用时问交错的复合建筑群中使用,而在供冷密度低、波动大、运行时间长的单独居住建筑群中则不适宜使用.在对项目进行可行性研究时,应仔细分析具体项目的实施前提和适用性,进行科学规划、精心设计,规避技术和投资风险,才可能实现相对环保、节能和经济的系统。系统主要由三部分组成:冷源、输配系统和末端装置。其中输配系统作第
20、一章绪论为整个系统的一个重要组成部分,承担着将冷源的冷量及时地输送、分配给各个末端装置的任务,是连结二者的纽带。输配系统一般为闭式循环系统,通过介质的循环输送冷量,而不是输送介质本身,这是它不同于一般输配系统的主要特点。在一个系统中,输配系统的投资占整个系统投资的比例很大。对美国一些区域供冷系统的研究指出,这些系统中管网的投资通常要占到系统总投资的/引。输配系统的动力消耗也是不容忽视的。输配系统的动力消耗在冷冻水中转换成热量,这部分加热量必须通过冷源来补偿,因此,在系统中,循环水泵的实际运行费用应按下式计算:水泵实际运行费用?/区域供热系统中循环水泵的能耗可以提高循环水温,对系统是有利的;而系
21、统中循环水泵对冷冻水的加热作用,对系统是不利的;又由于系统冷冻水设计温差一般小于区域供热系统,而冷负荷值在大多数情况下大于热负荷值,冷冻水流量大于热水流量,冷冻水循环泵的自身电耗远高于热水循环泵,其实际运行费用更高。文献【】在对某一工程的核算中发现,在供热时系统中的循环水泵运行费用占燃料费用的.%,而供冷时该系统的循环水泵运行费用占冷水机组侧平均能耗的.%。如果输配系统存在水力失调等运行故障时,循环水泵实际运行费用所占比例会更高。图.是美国某典型系统的能耗分配示意图【】,其中水泵的电力消耗占到了整个系统能耗的%。在我国,由于输配系统的运行管理水平相对较低,其能量消耗很大。特别在部分负荷工况下,
22、由于输配系统形式和运行方式的不合理,输配能耗在整个系统能耗中的比例更大。对北京市部分建筑的冷冻泵电耗进行统计,大多数一次泵系统水泵全年电耗达到冷水机组全年电耗的%,但是由于运行方式的不合理,许多二次泵系统的冷冻泵全年电耗达到冷水机组全年电耗的%【们。圈.芙田莱典塑区域供冷系统的能耗分配第一章绪论综上所述,系统在某些特定情形下具有很好的节能性和经济性,其输配系统投资很大,且输配系统循环水泵实际能耗占整个系统能耗的比例很高。输配系统能耗取决于系统形式和运行方式。在系统中,以多级泵系统为代表的变流量输配系统可以节约大量输配能耗,提高了整个系统的能效。因此,研究变流量输配系统在不同系统形式和运行方式下
23、的能耗计算方法,分析区域供冷多级泵系统能效,对于指导变流量输配系统的设计和运行,提高系统能效具有重要的意义。.变流量输配系统研究现状为了降低输配系统能耗,变流量技术得到了广泛应用。国内外关于变流量系统的研究成果很多,这些成果可以归纳为如下几个方面。交流量的控制技术循环水泵的变速调节,被认为是输配系统流量集中调节的最好方式。那么,对于各种不同的系统,随着系统负荷的变化,如何控制循环水泵转速,是实现变速调节首先要解决的问题。同样,对于多泵并联改变运行台数的调节。以什么方式控制运行台数,也是变台数调节首先要解决的问题。这方面的研究成果非常多。文献【】全面论述了中央空调系统实现变速调节的控制理论和方法
24、。文献【】提出,用压差控制阀发出的连续信号控制水泵的转速,可以实现系统的高效运行,降低能耗。文献.分析了变频调速技术在空调水系统中的应用和实现方法。文献针对压差控制的设置位置以及计算机与调速水泵信号的连接问题进行了探讨。文献对冷水机组可否变流量及如何实现变流量,通过一些成功的实例,提出了新的见解。文献针对冷水机组采用变流量运行时可能出现的问题,根据对负荷侧冷量和流量特性的分析,给出不同冷水机组台数组合时的控制方案和其他环节的控制策略。文献对空调二级泵系统如何进行调速控制进行了分析。文献对暖通空调系统中的水泵和风机如何实现变频控制进行了探讨。文献在吸收北欧供热先进技术的基础上,提出了一种适合我国
25、国情的供热自动控制模型,通过对热源和热媒参数及流量的动态控制,实现热量的动态供应。文献【】讨论了智能型调速泵系统的结构和应用。文献探讨了供热供冷系统如何由定流量运行变为变流量运行。文献综合论述了目前我国泵与风机变频调速的应用状况和应用技术。调速水泵能耗计算与节能分析变流量输配系统主要采用调速水泵来实现流量的集中调节,关于调速水泵在不同输配系统形式和运行方式中的能耗计算与节能分析方法,许多文献进行第一章绪论了这方面的探讨。文献.从相似理论出发,指出在许爹隋况下,水泵改变转速前后不是相似工况,不能直接运用比例定律进行包括功率在内的工况参数换算。“文献针对离心泵的几种常见的流量调节方法,进行了能量损
26、耗的对比实验和分析。文献探讨了开式系统变速泵的节能量的计算方法。文献】讨论了给水工程中并联水泵系统变压变流最的优化调度问题。文献通过分析指出,泵与风机的变速调节技术,大约平均可以节约%的电力。文献【】分析了变速泵系统各组成部分的效率及能耗。给出了电机和变频器效率的计算公式,并探讨了电机型号过大对能耗的影响。文献】通过计算和分析指出,空调水系统采用一次泵变速调节方式,比采用二次泵变速调节方式更节能。文献【】对空调的一次泵系统和二次泵系统进行了各方面的分析和对比,其中也提到一次泵系统的能耗少于二次泵系统。文献【】通过实验分析了变速水泵系统各个环节的能耗。文献【】对变速泵系统中变频器的能耗进行了研究
27、。文献探讨了空调变流量系统中如何提高冷水机组的效率。文献【】针对热水供暖系统进行了调速水泵的能耗分析。变流量系统的技术方案变流量系统和定流量系统的设计方法不同。很多文献对此进行了探讨。文献【】全面论述了变流量水系统的设计问题,包括水泵的选择、旁通管的设计、控制点的位置和压差设定值的大小、冷冻机的选型和运行次序等。文献提出可以把冷冻水系统分成相互联系的两个回路,即一次回路和二次回路,一次回路是通过制冷机的回路,流量恒定;二次回路是通过用户的回路,可以根据用户负荷的变化,实行变流量控制。文献【】从一个冷水机组的实际运行效果出发,指出可以对冷水机组实行全变速,即压缩机变速、冷冻水泵变速和冷却水泵变速
28、。文献.】分析了冷水机组中蒸发器变流量的问题和可能性。文献【】讨论了流量的动态控制技术在空调工程中的应用。文献【】对空调水系统如何实行变流量的信号控制、水泵台数、供回水温差等问题进行了分析。文献】分析了采用温差控制法实现一次泵系统变流量运行的设计方法。文献对变流量系统中压差控制阀的设置等问题进行了讨论。文献【】针对热水供暖变流量系统中的锅炉台数设置和电动二通调节阀的应用等问题进行了分析。文献【】通过分析指出,在设计合理的情况下,一次泵变流量系统是可行的,并且可以减少一次投资和运行费用。文献分析了蒸发器变流量的可行性。文献【】用计算机模拟的方法研究了冷水机组在满负荷运行和部分负荷运行时的效率差异
29、,所得结论对合理采用一次泵变流蹙系统有参考意义。变流量输配系统的稳定性输配系统是一个大惯性、强耦合的系统,变流最输配系统在运行过程中,第一章绪论各用户环路的流量调节动作互相影响,可以用系统稳定性来描述这种相互影响的程度。在变流量输配系统设计中要保证系统具有一定的稳定性。文献提出了一个水力稳定性的量化指标,并对常见的闭式水系统,构造算例,进行了稳定性计算和分析。文献【】通过实例分析了系统中不同位置压降的大小对水力稳定性的影响。文献针对大型热水供暖系统,分析了不同区域各自调节时的相互影响。即不同区域之间是相互联系的,一个区域的流量调节,将使其他区域都不同程度地偏离设计工况。文中提出了偏离敏感度的概
30、念,并运用这概念,对偏离进行量化。文还分析了这种偏离对温控阀的影响。文献【】针对同程式热水管网的对角分支进行了稳定性计算和分析。国外在这方面的应用较多,文献【对大型变流系统压差控制传感器的位置进行了优化计算。文献【】对变流量系统使用和不使用动态控制阀进行了对比。文献【】对传感器的位置和控制的参数进行了探讨。文献【】对变流量系统中包括自动流量限制阀在内的调节和控制阀门的应用进行了探讨。文献讨论了楼宇自动化系统中对动态控制的控制方法。文献【】分析了系统中正确应用控制阀对减小调节干扰的重要性。多级泵系统的应用和节能分析相对于常规的单级泵系统。多级泵系统可以节省输配能耗。多级泵系统中的循环水泵常采用变
31、频调速运行,因此,也有文献将其定义为分布式变频泵系统。相关的研究也很多。文献【】给出了空调水系统三级泵系统的图式,这种系统的一级泵负责冷热源环路的动力,对于用户侧的网络,在干线和支线上两级设泵,旨在根据各个支线的实际需要,确定泵的扬程,以减少调节阀能耗。文献【】提出为了消除或减少调节阀能耗,可以在流体系统的各个支路上用变频泵或变频风机代替水阀和风阀的思想,并对各种系统中泵与风机的变速控制模式进行了分析。文献【】分析了分布式变频泵系统中泵的选用。文献针对一个冷热联供系统,提出了一个在用户回水上设置加压泵的方案。文献探讨了多级泵系统在供热工程中的应用,并进行了节能分析,同时展望了这种系统的应用前景
32、。.问题的提出从前面的介绍可以看出,在变流量系统的设计和运行以及调速水泵的应用方面,国内外学者已经进行了深入的研究,形成了一些成熟的研究成果。但是作者以为,上述针对变流量系统的研究一般是对具体问题的探讨,而没有形成系统的理论,各不同研究成果所得的结论有时还是矛盾的.主要表现在以下几第一章绪论方面:没有形成变流量输配系统的通用性设计方法输配系统的功能是将冷量从冷源输配到末端装置:一方面,输配系统要保证末端装置在任何时候得到所需的冷量;另一方面,输配系统要保证系统内各设备安全高效运行。在变流量输配系统设计中如何采取技术措施满足上述两方面功能,还需要建立相应的设计方法体系。缺乏变流量输配系统动态能耗
33、评价方法变流量输配系统绝大部分时间在低于额定流量下运行,部分负荷下的输配系统能耗是指导系统形式和运行方式选择的重要指标,但还缺乏输配系统动态能耗评价方法。缺乏对区域供冷多级泵系统能效的研究区域供冷交流量输配系统中采用多级泵技术可以降低系统设计压差,减少系统能耗,但会增加系统投资。对多级泵系统进行能效分析,是设计方案选优的基础。上述研究还缺乏区域供冷多级泵系统能效的评价方法。针对以上几个方面,作者提出如下问题作为本文的基本研究内容:变流量输配系统的通用性设计方法区域供冷变流量输配系统的功能是在满足末端装置的冷量需求、保证系统内各设备安全高效运行的前提下,节约输配能耗。问题是如何量化评价交流量输配
34、系统对其功能的实现,也就是说如何评价两个变流量输配方案是否具有相同的使用功能这个问题很重要,只有具有相同的使用功能的两个方案,对其进行的投资和能耗方面的比较才有意义。如果两个设计方案均采用本文所述的变流量输配系统通用性设计方法进行设计,且采用相同的设计指标,则本文以为这两个设计方案具有同样的使用功能。变流量输配系统动态能耗评价方法变流量输配系统绝大部分时间在低于额定流量的工况下运行,系统流量的变化引起输配能耗的变化。只有对输配系统进行全年动态能耗评价,才能为不同变流量输配方案的比较优选提供合理的能耗依据。区域供冷多级泵系统能效研究在变流量输配系统的通用性设计方法和动态能耗评价方法的基础上研究多
35、级泵输配系统的能效,为多级泵输配系统的设计提供能效评价方法.研究内容与方法根据本文上述分析,确定如下内容为本文的具体研究内容:第一章绪论通过对变流量输配系统不同运行工况的数学模型进行研究,在区域供冷输配系统能耗分类的基础上,建立输配能效评价方法。研究区域供冷输配系统通用性设计方法。量化各不同输配方案的使用功能,为各不同输配方案的比较提供统一的前提。在上面两项研究的基础上研究区域供冷多级泵系统的能效评价方法,为多级泵输配系统的设计和运行提供理论依据。在具体的研究方法上,采用理论分析推导、模拟仿真实验和工程实验验证相结合的方法。对每一章内容都给出具体的工程应用实例,通过对典型工程的分析和典型问题的
36、模拟仿真验证所建立的分析评价方法的有效性,进而探讨在工程中的应用方法和途径。本文的所有模拟仿真程序均用 .版科学计算软件编制。论文的章节内容安排如下:第二章在对区域供冷输配系统能耗分类的基础上,提出输配系统能效评价方法,为输配系统能效评价提供量化指标。第三章在对区域供冷输配系统简化的基础上,研究了变流量输配系统在不同运行工况下的动力学数学模型,为输配能耗和输配能效的计算提供理论工具。第四章研究了输配管网阻抗值辨识方法,为输配系统动力学数学模型在实际工程中的应用解决了最大障碍。第五章研究了输配系统通用性设计方法,一方面指导变流量输配系统的设计,另一方面为各不同输配方案的比较提供统一的比较前提。第
37、六章在前面各章研究的基础上分析了多级泵系统能效的评价方法,为多级泵系统的设计和运行提供理论依据。第七章是工程实例研究,利用本文提出的多级泵能效评价方法对实例工程进行分析,验证了本文所提出方法的有效性和对实际工程的指导意义。?第八章是结论,全面总结了本文的研究成果,并提出后续研究的建议。.本文创新与意义本文的创新体现在如下几个方面:在输配系统能耗分类的基础上,定义了评价输配管网能耗特性的指标一输配效率。对于拓扑结构和管径参数已经确定的输配管网,该指标对输配能耗的评价具有客观性,对降低输配能耗有具体的指导意义,可以为输配系统形式第一章绪论和运行方式优化提供独立判据。该指标可以量化输配系统的最大节能
38、量,为控制系统设计提供目标。对区域供冷变流量输配系统中调速水泵的效率进行了研究,提出了在系统设计和运行过程中如何实时追踪调速水泵高效区的技术措施。建立了输配系统用户变流量以及系统定压差下用户变流量两个运行工况的管网动力学数学模型,该模型可以计算上述两个运行工况下管网各用户的总阻抗以及系统循环动力设备的运行状态,为输配效率分析提供理论计算方法。对于输配系统供回水侧管网结构参数相同的管网系统,采用在其中间节点上虚拟小流量用户的方法,提出了其动力学数学模型快速建模方法。这一方法避免了常规方法难以确定独立回路的弊端,促进了模拟仿真在输配系统工程设计中的应用。提出了基于现场辨识和系统辨识相结合的管网阻抗
39、混合辨识法,建立了数学模型,并研究了数学模型的数值计算方法。对示例工程的数值实验表明,该辨识方法得到的管网阻抗值,在用于输配系统运行工况分析时具有满意的精度。用本文提出的输配效率分析方法,结合工程实例。研究了多级泵系统能效评价方法,分析了多级泵系统的应用意义。本文在对区域供冷变流量输配系统的能耗评价方法进行研究的基础上,分析了区域供冷多级泵系统的能效:针对具体的工程问题,研究了变流量输配系统中如何保持调速水泵高效运行的具体技术措施。本文提出的能效分析方法,可以直接为区域供冷多级泵系统形式和控制方式选择提供充分的理论和计算依据。本文的研究可以为包括区域供热输配系统在内的其他暖通空调输配系统的节能
40、研究提供参考。本文的研究成果,可以推动交流量输配系统的应用,既节约能源,又提高了末端受控环境的舒适性,应用前景非常广阔。第二章区域供冷输配能耗和输配效率第二章区域供冷输配能耗和输配效率.研究意义与创新对于拓扑结构和管径参数已经确定的输配系统的系统形式和运行方式选择方法,现有的系统能耗评价方法和评价指标缺乏客观性和具体的指导意义,不能有效地反映输配系统的能耗特性。基于此,本文针对输配系统提出了一种能耗分类方法,并在其基础上定义了输配效率指标,用以指导输配系统形式和运行方式选择。本章的创新体现在以下两方面:在输配系统能耗分类的基础上,定义了评价输配管网能耗特性的指标一输配效率。对于拓扑结构和管径参
41、数已经确定的输配管网,该指标对输配能耗的评价具有客观性,对降低输配能耗有具体的指导意义,可以为输配系统形式和运行方式优化提供独立判据。该指标可以量化输配系统的最大节能量,为控制系统设计提供目标。对区域供冷变流量输配系统中调速水泵的效率进行了研究,提出了在系统设计和运行过程中如何实时追踪调速水泵高效区的技术措施。.输配能耗分类及输配效率.问题提出对于拓扑结构已经确定的输配系统而言,在系统设计时,为了节约能源,提高系统的经济性,在根据区域供冷系统的经济性原则确定管径参数后,就需要确定输配系统的系统形式和运行方式。对于已经确定拓扑结构和管径参数的一输配系统,在满足受控区域环境控制要求的前提下,可有多
42、个供选择的设计方案.每个方案具有不同的系统形式和运行方式,这时就需要对各设计方案进行评价优选。通过系统优化设计,并采用适当的系统形式和运行方式,现有的系统也有很大的节能潜力。在满足系统使用功能的前提下,系统全年能耗就成为方案优选时考虑的重要因素。因此,如何对系统的能耗情况进行分析评价,进而指导系统的设计和运行调节方式,就成为一个很重要的问题。对于系统能耗评价方法,现有的能耗评价大多是基于系统实际运行或模拟仿真的结果。例如,文献【】通过对一个简化模型的分析得出了系统改造的节能第二章区域供冷输配能耗和输配效率情况,文献【】采用模拟的方法对一个变流量系统不同运行模式的能耗情况进行了分析。从现有的文献
43、可以看出,所有关于暖通空调输配系统能耗方面的比较和评价大多是基于和文献【】【】类似的模拟分析基础之上的。在运用基于实际运行或模拟仿真的系统能耗结果进行能耗评价时,必须保证系统设备所选的控制算法是可靠且有效的,在此基础上得到的结果才可用于评价不同的系统形式或不同的控制策略下的能耗情况。然而,由于这种评价方法是建立在模拟仿真基础上的,其得到的能耗统计结果也很大程度上受到系统设备的具体算法的影响。例如对同一种系统形式,采用同样的控制策略,由于系统设备具体的控制算法如控制参数的选取不同,得到的结果可能差别很大,甚至得到完全相反的结论。这时,由于对系统的评价是与系统设备具体的控制算法耦合在一起的,得到不
44、一致的结果时无法确定是系统本身的问题还是控制算法的问题,因此得到的结果也就缺乏客观性和具体的指导意义。对于输配系统能耗评价指标,目前国内在供热、供冷系统中采用耗电输热比、输送能效比作为输送经济性的指标”。所谓耗电输热比指在采暖室内外计算温度下,全日理论水泵输送耗电量与全日系统供热量的比值。输送能效比是指空调冷热水循环水泵在设计工况点的轴功率,与所输送的显热交换量的比值。在城市给水工程中通常采用“单位耗电量”作为评价输配经济性的一个指标【】。其中的“单位”通常指单位供水量。上述国内采用的能耗评价指标,均只考察了系统在设计状态下的输配系统能效,而没有考察系统在部分负荷下的能效。特别对于暖通空调变流
45、量输配系统,在部分负荷下,其能效可能大幅度降低,因此,设计工况下的输配系统能耗评价指标不能表征整个输配系统全年的输配经济性。国外在这一问题上未见有具体的量化指标,通常的评价方式【.】是直接对一个系统的不同连接方式或控制策略直接给出具体的输配能耗结果,再进行绝对数值的比较。上述比较评价方法和评价指标对相应的具体问题是有效的,例如对同一个系统若供回水温差等已定,耗电输热比、输送能效比越小说明系统输配单位能量的耗电量越小,系统的运行管理水平越高或运行模式越好。然而作为一个通用的评价暖通空调输配系统动力消耗的指标却有其不足之处。由于影响“单位耗电量”指标的因素很多,造成不同的系统在这一指标上可能缺乏可比性,例如通过牺牲管网供回水的热力参数或牺牲管嘲投资的经济性同样可使“单位耗电量”变小。因此对不同的系统而言,并不能说“单位耗电量”越小系统的形式或运行模式越好。文献【】提出了一种“理想能耗”评价方法,并定义了输配系统的“动力输送效率”,用以对不同输配系统的能耗评价和运行指导。但其定义的“动力输送第二章区域供冷输配能耗和输配效率效率”仍然受所选循环水泵的机电效率的
