168 一種大型公共建筑多品位多工況用能系統(tǒng)的優(yōu)化方法.doc

一種大型公共建筑多品位多工況用能系統(tǒng)的優(yōu)化方法廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 呂鳳 羅向龍 陳穎 摘要：針對(duì)大型公共建筑用熱溫位要求多、運(yùn)行工況多的特點(diǎn)，提出了建立一種集成優(yōu)化模型的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)對(duì)用能溫度品位高低進(jìn)行能量分類，將各溫位的廢（余）熱，如空調(diào)冷凝熱，以物流的形式組成能量回收再利用網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)用能系統(tǒng)運(yùn)行工況的時(shí)間特性建立了多周期的邊界條件，并采用夾點(diǎn)分析方法求解該模型。最后建立了綜合考慮能效與經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化目標(biāo)。 關(guān)鍵詞：公共建筑；優(yōu)化方法；多周期運(yùn)行；多品位；夾點(diǎn)分析法Abstract：Aimed at different-temperature heat energy needed at different time in large public buildings, this paper presented an optimization method for its energy system to realize energy save and economic benefits. All supplied heat was classified into 5 groups according to it temperature grade. And waste energy with different temperature, such as condensation heat of air conditioning system was regarded as mass flow to constitute an energy recovery and recycle network. The network model was given multi-period operating conditions at different times of day. Meanwhile, a pinch analysis method was proposed to solve the network model. Finally，a whole optimization target was gained after the cost and energy efficiency were taken into consideration together. Key words: public building, optimization method; multi-period operation; energy grade; pinch analysis method1. 引言：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑的功能集成程度有所提高，大型公共建筑如醫(yī)院、商場(chǎng)、賓館等建筑除基本功能外還包括消毒、烹飪、洗浴、保鮮冷凍等設(shè)施，其相應(yīng)供能系統(tǒng)包括制冷系統(tǒng)（空調(diào)系統(tǒng)和冷凍系統(tǒng)）、熱水系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)和蒸汽系統(tǒng)。對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化研究很多1-2，目前熱泵、太陽(yáng)能等廣泛用于制備熱水，大量的空調(diào)冷凝熱被回收用于提供生活熱水3，但是空調(diào)負(fù)荷和熱水負(fù)荷的使用高峰期存在不同步性且換熱流股單一，需要加輔助熱量或者能量提升設(shè)備。而且，蒸汽作為優(yōu)質(zhì)的熱源常被用于消毒和熨燙，使用過(guò)后其含熱量還有20%左右4，排熱溫度較高（4050），但建筑廢水需要被冷卻達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)才可以排放5，綜上所述建筑內(nèi)部熱量利用網(wǎng)絡(luò)存在拓展和優(yōu)化的空間。夾點(diǎn)法6是從能量回收有極限值的觀點(diǎn)出發(fā)建立一個(gè)最大限度能量回收的初始網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步優(yōu)化，可得到一個(gè)最優(yōu)換熱網(wǎng)絡(luò)。本文將蒸汽余熱、建筑廢熱、空調(diào)冷凝熱等回收再利用的能量以物流股的形式組成多輸入、多輸出換熱網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)各物流出現(xiàn)的時(shí)間匹配特性化分為多個(gè)工況，采用夾點(diǎn)分析法以能耗、經(jīng)濟(jì)性綜合最優(yōu)為目標(biāo)對(duì)建筑物用能系統(tǒng)進(jìn)行集成優(yōu)化。2. 優(yōu)化方法及建模2.1 用能等級(jí)的劃分建筑用能主要有電、熱、冷三種形式，其中主要用熱形式是蒸汽和熱水。大型公共建筑多功能集成需要用熱的品位也分為多個(gè)等級(jí)：蒸汽、高溫?zé)崴?、中溫?zé)崴?。例如醫(yī)院的用熱需求可以劃分為：用于消毒、熨燙等的蒸汽（0.1-0.3Mpa）, 用于廚房、消毒的高溫?zé)崴?0-90），用于洗浴、洗衣及器具用水的中溫?zé)崴?5-60）。與建筑用冷相對(duì)應(yīng)的空調(diào)冷凝熱，根據(jù)取熱的位置不同，溫度范圍為（80-37）。2.2 能量回收再利用網(wǎng)絡(luò)模型建立能量回收再利用網(wǎng)絡(luò)如圖1所示：該網(wǎng)絡(luò)為一灰箱模型，由換熱器連接組成。輸入有自來(lái)水、蒸汽凝結(jié)水、高溫廢水、中溫廢水、高溫制冷劑，輸出有高溫?zé)崴⒅袦責(zé)崴⒌蜏刂评鋭?、蒸汽凝結(jié)水（返回鍋爐）、廢水。圖中QH代表外界補(bǔ)給的熱量，Td代表用能過(guò)程進(jìn)出口溫差，代表用能過(guò)程出口流量與進(jìn)口流量的比值，虛線代表該系統(tǒng)向用戶供應(yīng)的熱水。圖1 能量回收再利用網(wǎng)絡(luò)模型建筑內(nèi)部能量回收再利用網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：1）不同功能、大小、地域的建筑所包含的子系統(tǒng)不同；2）不同季節(jié)用能系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)也不同；3）各子系統(tǒng)時(shí)間上的不連續(xù)：用于消毒和熨燙的蒸汽及高溫?zé)崴话氵\(yùn)行時(shí)間較短，中溫?zé)崴\(yùn)行時(shí)間彈性很大，不同等級(jí)的建筑要求的時(shí)間也不同，供應(yīng)衛(wèi)生器具的35水一般上班時(shí)間供應(yīng)；4）熱回收潛力不僅與溫度有關(guān)，雖然國(guó)標(biāo)規(guī)定高于40的廢水必須進(jìn)行冷卻才可以排放5，但并不是所有高于40的熱水均具有熱回收的潛力，像廚房、非集中型洗浴的廢水等。另一方面，盡管空調(diào)冷凝熱排放溫度較低，但熱量集中且量大，即可以預(yù)熱自來(lái)水又可以緩解城市的熱島效應(yīng)。2.3 工況劃分由于各子系統(tǒng)在一天中運(yùn)行的時(shí)間不同，相應(yīng)的各溫位的廢水可以輸入到能量利用系統(tǒng)的時(shí)間也不同，如圖2所示我們根據(jù)能量在一天出現(xiàn)的時(shí)間將其劃分為5個(gè)工況：第個(gè)工況僅空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行；第個(gè)工況有高溫?zé)崴?、制冷系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，冷凝熱可以提供一部分熱量給熱水；第個(gè)工況各子系統(tǒng)全部運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)多股熱流的匹配；第個(gè)工況空調(diào)系統(tǒng)和中溫?zé)崴?；第個(gè)工況僅有中溫?zé)崴枨笮枰饨缪a(bǔ)給熱量。各工況所占時(shí)間分別為t1、t2、t3、t4、t5其間的能量傳遞通過(guò)蓄熱水箱來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于各子系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)間，逐時(shí)負(fù)荷及季節(jié)負(fù)荷均出現(xiàn)不同步性，對(duì)于具體問(wèn)題可根據(jù)需要對(duì)有些區(qū)間進(jìn)行合并或分解。圖2能量回收再利用網(wǎng)絡(luò)的工況劃分2.4換熱匹配和夾點(diǎn)分析法取每個(gè)子系統(tǒng)僅有一種溫度需求，做一個(gè)換熱匹配分析，假定冷熱流在劃分的工況內(nèi)的流速是一定的。自來(lái)水溫度為Tc，對(duì)于洗衣、消毒、這些不是使用其熱量的過(guò)程進(jìn)出口溫差取Td，蒸汽凝結(jié)水取對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度Ts。熱量回收的下限溫度取Tf那么換熱網(wǎng)絡(luò)有5股物流組成。最小換熱溫差取2Tmin各物流參數(shù)如表1所示：表1 物流參數(shù)溫位物流熱容流率/KW-1供應(yīng)溫度/目標(biāo)溫度/蒸汽凝結(jié)水H1qmscTsTf制冷劑H2qmLcpTL,outTL,in高溫廢水H3Tg-TdTf中溫廢水H4Tz-TdTf高溫?zé)崴瓹1qmgcTcTg中溫?zé)崴瓹2qmzcTcTz表中c為水的比熱，cp為制冷劑的定壓比熱，H代表熱流，C代表冷流。對(duì)于不同的工況其換熱網(wǎng)絡(luò)中的物流數(shù)目N不同所采用的熱匹配方法也不同。工況和工況V：均只存在一股物流不存在換熱問(wèn)題，需要或可以供給的熱量按下式計(jì)算： （3）工況、按照以下方法進(jìn)行能量匹配。將冷物流各溫度升高Tmin，熱物流各溫度降低Tmin，按照溫度大小升序排列，將系統(tǒng)劃分為N個(gè)溫區(qū)，表中箭頭表示物流的溫度變化范圍及方向，如C1下的箭頭表示冷流1的溫度從溫區(qū)6上升到到溫區(qū)2。根據(jù)公式（3）對(duì)每個(gè)區(qū)間進(jìn)行熱平衡計(jì)算，以確定各溫區(qū)所需要的加熱量和冷卻量6。 （4）為方便說(shuō)明換熱匹配過(guò)程，現(xiàn)取6個(gè)溫區(qū)，建立問(wèn)題表格表2，其中In與On的關(guān)系根據(jù)公式（5）計(jì)算，In是由外界或其他溫區(qū)供給第n個(gè)溫區(qū)的熱量，On是第n個(gè)溫區(qū)向外界或向其他溫區(qū)排除的熱量。如果計(jì)算得到的On0，將小于0的On相加即得到最小換熱溫差取2Tmin時(shí)的加熱公用工程，取I1=QHmin重新計(jì)算In與On的值，即為輸入最小加熱公用工程時(shí)的熱通量，On=0的溫區(qū)即為夾點(diǎn)。 （5）本文僅考慮制冷系統(tǒng)冷凝熱的回收，還未將制冷系統(tǒng)需要的冷量作為研究對(duì)象，所以該網(wǎng)絡(luò)僅有公用加熱，無(wú)冷卻需求，公用工程屬于無(wú)夾點(diǎn)的情況?？紤]最小換熱溫差對(duì)QHmin與換熱面積的影響，仍然存在能量費(fèi)用與投資費(fèi)用的一個(gè)權(quán)衡。表2 問(wèn)題表格溫區(qū)物流虧缺熱量累積熱量輸入輸出溫區(qū)1C1D1I1O1溫區(qū)2 C2D2I2O2溫區(qū)3D3I3O3溫區(qū)4D4I4O4溫區(qū)5 H2D5I5O5溫區(qū)6 H1 H3 H4D6I6O6各子系統(tǒng)內(nèi)對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)的能量匹配如圖3所示，匹配的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則是：1）選擇每個(gè)換熱器的熱負(fù)荷等于該匹配的冷、熱物流中熱負(fù)荷較小者；2）在考慮經(jīng)驗(yàn)規(guī)則1的前提下，盡可能的選擇熱容流率值相近的冷熱流進(jìn)行匹配換熱。圖3 能量回收再利用網(wǎng)絡(luò)的能量匹配3 目標(biāo)函數(shù)本文引入年運(yùn)行費(fèi)用將能耗與設(shè)備投資綜合為一個(gè)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為總年度費(fèi)用最?。?（6）式中：CE為能量費(fèi)用可按照式（7）計(jì)算；為年運(yùn)行小時(shí)數(shù)；CT為換熱設(shè)備投資費(fèi)用可按照式（8）計(jì)算；為設(shè)備折舊率。 （7）式中：CH為單位加熱公用工程費(fèi)用；QHmin為問(wèn)題表法確定的各工況需要的最小加熱公用工程，為、V工況需要或可供給的能量。由于工況最為復(fù)雜需要的換熱器臺(tái)數(shù)及面積也最多所以設(shè)備投資費(fèi)用取工況需要的投資費(fèi)用。 （8）式中：a、b、c為價(jià)格系數(shù)；Umin為最小換熱單元數(shù)目可按照式（8）計(jì)算；A為最小換熱網(wǎng)絡(luò)面積可按照式（9）計(jì)算,為蓄熱水箱單位體積的造價(jià)，V為蓄熱水箱的體積可按式（11）計(jì)算。 （9）式中：N為物流股數(shù)目；L為獨(dú)立的熱負(fù)荷數(shù)目；S為可能分離成不相關(guān)子系統(tǒng)的數(shù)目。） （10）式中：為第n區(qū)段的對(duì)數(shù)平均溫差；Qd為區(qū)段內(nèi)第d股物流的熱負(fù)荷；kd為第d股物流的傳熱系數(shù)。（11）式中：Qn為第n各子系統(tǒng)向外界或者向下一個(gè)子系統(tǒng)輸出的熱量；t為蓄熱水箱的溫差。3. 結(jié)論本文針對(duì)大型建筑物復(fù)雜的用能系統(tǒng)提出了一種提高內(nèi)部能量利用效率新方法；建立了該系統(tǒng)的多周期熱回收再利用網(wǎng)絡(luò)模型；闡述了該模型中物流能量匹配的原則及方法；并建立了整體考慮能效與經(jīng)濟(jì)性的綜合優(yōu)化目標(biāo)。本文未考慮各股物流的流量隨負(fù)荷的變化、環(huán)境以及外界供給能量方式對(duì)系統(tǒng)的影響，這些都是進(jìn)一步需要研究的內(nèi)容。參考文獻(xiàn):1 Ye Yao，Jing Chen ，Global optimization of a central air-conditioning system using decompositioncoordination method J，Energy and Buildings，2009，ENB-27232 Min Ning, M. Zahee ruddin ，Neuro-optimal operation of a variable air volume HVAC&R systemJ，Applied