基于 TRNSYS 的冰蓄冷空调系统能耗和经济性分析

摘. . 要：现有研究很少基于季度动态负荷数据对建筑空调系统方案进行分析。为设计某运动场馆的空调系统，在盘管型蓄冰装置动态性能试验的基础上，建立了蓄冰装置的部件模型，进而基于动态负荷数据采用 TRNSYS 软件开展了常规空调系统、冰蓄冷常温送风空调系统、冰蓄冷低温送风空调系统等三种系统的全年运行模拟，对比了各系统能耗和运行费用。TRNSYS 模拟能更好地反映空调系统运行的建筑用途特点以及蓄冰装置的传热特性，基于模拟得到的投资回收年限与常规方法得到的回收年限相差在 15% 左右。

关键词 :?冰蓄冷 ;?空调 ;TRNSYS; 能耗 ; 经济性分析我国建筑用电需求逐年攀升，其中空调系统能耗所占比例高达50% ［1］ 。对于一些大型公共建筑来说，如何在有限的电力供应容量下满足建筑空调需求更是十分突出的问题。因此，作为 20 世纪世界应对能源危机发展起来的技术，冰蓄冷空调近年来在我国取得了较为长足的发展。冰蓄冷技术在夜间制冰蓄冷来承担白天用电高峰期的负荷，间接实现了电力负荷的移峰填谷。冰蓄冷能提供相比常规冷水机组供水温度更低的冷媒水，将其与低温送风技术结合，能缩减输送管道尺寸、降低输送能耗，从而能够在降低运行费用的同时减小初投资。冰蓄冷低温送风空调系统能集成多种技术优势，但是与常规空调系统相比，其流程更为复杂，因此对于具体的方案选择和设计来说，在设计阶段的模拟和分析更是具有十分重要的意义。目前，关于冰蓄冷与低温送风相结合的空调系统的动态能耗模拟和经济性分析研究较少，而 TRNSYS 作为一种模块化的动态系统模拟软件，在基于动态负荷数据的基础上，可以模拟典型气象年供冷季的空调系统运行情况，对不同的系统方案进行更为准确的比较评估。

1 蓄冰装置 TRNSYS 模型

蓄冰设备是冰蓄冷空调的关键，在已经开发的各种蓄冰设备中，盘管型蓄冰槽具有蓄冰密度大、融冰速度快、可控性好等优势，且应用层面的技术开发也较为成熟。本实验以杭州某品牌导热塑料蓄冰盘管为研究对象，建立新的 TRNSYS 部件模型，并应用实验数据回归模型参数，确保模拟的严谨性和准确性。

模型建立时采用了以下假设 :

(1) 蓄冰槽内为冰水混合物，温度恒为 0℃。蓄冰、融冰的能量交换都用于水和冰的相变过程，不改变水或冰的温度。(2) 结冰时以盘管为轴心，同心圆筒状向外生长，忽略因为盘管弯曲、蓄冰槽形状等因素而造成的结冰受限现象。融冰时以同心圆的方向向外融冰。(3)忽略冰层内沿盘管轴向的导热，且盘管表面导热均匀 ; 忽略管外水的自然对流 ; 因为蓄冰管管壁的导热系数比较大，忽略管壁的热阻。(4)乙二醇、水、冰的物性参数在运行过程中为定值。

融冰过程中，以一个分支管为例，随着融冰过程的进行，同心圆的半径慢慢减小。整个传热过程的热阻由四个部分组成 : 管内对流换热热阻、管壁热阻、水的导热热阻和冰的导热热阻。

2 空调系统 TRNSYS 模型

此研究对象的概况如下 : 该工程位于杭州市富阳区，空调设计建筑面积约 41860m2。本文中应用 DeST 软件对该建筑进行全年的空调负荷逐时模拟，最大时刻冷负荷 3548kW，冷指标 85W/m2，设计日中建筑物所需总冷负荷 44526kW·h。典型设计日和整个供冷季 (6 月－ 9 月共 122 天 ) 的负荷分布情况见图 3、4。可以看出该建筑负荷集中在白天、尖峰负荷大，且整个供冷季中以负荷在 80% ～ 60% 设计日负荷的情况为主。

工程采用部分蓄冷方式，总蓄冷率为 3476RTh，可转移 27.2% 的日间负荷到夜间。系统形式为串联单级泵主机上游内融冰系统，实行以主机优先为主的控制策略，白天 2 台冷水机组与蓄冰槽按照部分蓄冷策略向建筑供冷，夜间 2 台冷水机组进行蓄冰。根据场馆的实际情况设定所使用模块中的具体参数。在TRNSYS中建模结果见图5、6。

常规空调制冷系统包括 2 台冷却水泵、2 台冷冻水泵、2 台冷水机组、2 台冷却塔设备。冷冻水经过冷冻水泵进入冷水机组，而后 2台冷水机组的冷冻水合流，共同供冷。粗实线代表的循环系统为冷却水循环，冷却水泵设置为定频运行。细实线代表冷冻水循环，其中，冷冻水泵变频运行，根据DeST软件得到的逐时负荷改变其逐时流量。

此循环中冷水机组所制备的冷冻水输送到末端作用于建筑供冷。虚线部分主要起到传递控制信号、数据等作用。为冰蓄冷系统模型图，冰蓄冷仿真模型在普通空调模型的基础上，增加了蓄冰槽模块以及板式换热器模块。在换热器模块中，乙二醇水溶液和水进行换热，冷冻水泵将冷冻水输送至末端。机组、变频泵、冷却塔等参数设置与常规空调仿真系统不相同。

在 TRNSYS 模拟中主要采用主机优先控制，考虑到螺杆机组在部分负荷率较低的情况下运行效率很低，在模拟过程中制冷机组仅在 100% 负荷以及 50% 负荷的两种运行工况下工作，并忽略制冷机组因启停带来的额外能量损失。根据建筑所需冷量的不同，决定 2 台制冷机组的启停以及运行工况，剩余的所需冷量由蓄冰提供。

3 能耗模拟结果

制冷机组能耗占总能耗的绝大部分，其中常规空调的机组耗能最高。就整个供冷季来看，常规空调机组的大部分工况都在低负荷状态下，而冰蓄冷系统的机组只在较高负荷下运行，模拟时特意考虑了机组的部分负荷系数。因此虽然在额定工况下双工况机组的制冷和蓄冰 COP 都低于常规空调机组的 COP，但是冰蓄冷系统机组的整体效率较高。

风机能耗占总能耗的第二大部分，这部分低温送风技术具有较大的优势。由于低温送风系统的送风温度低，在相同室内负荷的情况下，其送风风量远小于常规系统，因此低温送风系统风机能耗只有常规送风系统的60%。此外，低温送风系统的冷冻水的供回水温差更大，其流量也小于常规系统，冷冻水泵能耗约为常规的 65%。根据模拟结果可知，只采用冰蓄冷技术的空调系统在能耗方面不一定具有优势，冰蓄冷技术的目的是负荷的转移，为此付出了少量蓄冰热损失的代价，此外还增加了乙二醇泵部分的耗能。因此，只有将冰蓄冷和低温送风技术相结合才可能取得较好的节能效果。虽然冰蓄冷常规送风空调系统的总能耗高于常规空调系统，但是其实现了负荷转移，很好地利用了峰谷电价。而低温送风技术由于其在冷冻水泵和风机上的能耗较低，使得运行费用更加经济。TRNSYS 动态模拟的方法，不仅可以得出空调系统在供冷季具体到某一天某时刻的详细能耗数据，计算出更加可靠的回收周期结果，而且可以通过对现有模型及其部件参数和控制策略等进行修改，获得不同设计方案比较的结论。冰蓄冷低温送风系统的回收周期较短，但是针对工程运用的要求来说仍过长，主要原因有以下三点 :

(1) 建筑位于夏热冬冷地区，全年供冷季较短，冰蓄冷全年运行时间不算很长。(2) 建筑空调负荷高峰时段与电力高峰时段重合度很高，在高峰时段运行的费用节约较少。

4 结语

本文以某运动场馆为例，从能耗和经济性的角度对冰蓄冷低温送风空调系统的可行性进行了分析。将典型气象年供冷季的系统动态模拟作为重点，为此在实验获取相关数据的基础上，运用 TRNSYS模拟软件，建立了蓄冰槽模型，进行了系统供冷季节的仿真，基于动态负荷获得了更为精准的能耗模拟结果，相较于常规计算方法得到了更为准确的系统投资回收周期。结果表明，冰蓄冷空调系统的设备装机容量虽然更小，但是由于蓄冰槽等附加设备的存在，初投资有所增加，但低温送风空调系统能显著降低额外初投资的回收期。冰蓄冷低温送风空调系统在实际运用的可行性上，应当综合考虑项目的现有条件及当地电力部门实行的电价结构等各项因素。由此可见，基于典型气象年供冷季动态负荷的研究方法能为冰蓄冷低温送风空调系统的设计、可行性评估、系统投运后的节能降耗运行方案提供科学支撑。

参考文献 :

［1］徐玉婷，于航．某超高层建筑冰蓄冷低温送风空调系统设计［J］．洁净与空调技术，2018，(2):85 － 88．

［2］苏永玲，谢晶．低温送风空调系统的经济性分析［J］．低温与超导，2009，37(8):56 － 58．

［3］王良健．某冰蓄冷空调系统的设计及其经济性分析［D］．南京 : 南京师范大学，2014．