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1、1中央空调系统节能设计问题摘要本模型研究的是大型商场中央空调的节能问题。中央空调是按照最大负荷 进行设计和选择设备的，而实际上中央空调大多数时间都在低负荷下运行，这 样会使系统运行效率下降，产生浪费。现行的中央空调根据温度控制冷冻水系 统的流量，但并未起到节能作用。 本文以商场人流量、室外温度等因素建立建筑物冷量需求模型，根据末端在一 定时间内冷量需求总量来控制系统的冷量输出，以实现节能。在模型中，通过 EXECL 对数据处理，并利用 MATLAB 得到室外温度、人流量、水流量等跟连续时 间的函数关系，使得节能系统更加优化。最后，将模型与实际情况结合起来， 进而使建筑物中央空调节能实现最大化。
2、关键字人流量；冷负荷；节能；1 引言近年来，随着我国国民经济的发展，人民生活水平的提高，老百姓购买力 增强，新建了不少大中型商业建筑，特别是繁华地区商场比较拥挤。为了给顾 客营造一个舒适的购物环境，在大中型商场内普遍配置了中央空调设施。但是 很多空调系统不能满足要求，有些商场为了使室内环境舒适需要付出很大的能 耗代价。 中央空调系统是利用冷冻水、冷却水和制冷机完成整个建筑物的能量交换， 是按照最大负荷进行设计和选择设备的，但实际上中央空调大多数时间都在低 负荷下运行，有时甚至在设计负荷的 10下运行。若中央空调的控制方案设计 得不好，在低负荷下却按高负荷需求运行时就会造成中央空调系统运行效率下
3、 降，产生浪费。现在的中央空调系统一般是根据温度控制冷冻水系统的流量 （温差或压力随之变化） ，虽然考虑了节能因素，但并未把节能作为首要的目标， 而且都是瞬时控制（温度稍有变化，调节系统就起作用） ，但真正决定建筑物内 温度的是中央空调系统所传递冷量（和热量是一个概念，只是因温差方向不同, 冷量和热量都可以视为能量）的累加。 由于大型商场的人流变化很大，瞬时就会引起冷负荷的较大变化，所以传 统的基于参数瞬时变化的控制模型对于中央空调所产生的节能效果有限。为提 高中央空调系统的运行效率，应该将中央空调系统的控制由单参数控制改变为 建立建筑物冷量需求模型，根据末端在一定时间内冷量需求总量或冷量需求
4、变 化率，控制中央空调系统的冷量输出，以实现节能。 针对不同室外温度及商场需求温度和商场人流量对节能的影响，提出三个 问题： （1）分析人流量对商场温度的影响； （2）结合数据求解商场冷负荷； （3）根据冷负荷的需求，根据水流量等来控制中央空调制冷，以达到既是 商场温度达到所需要又尽可能节能的要求； 2、问题的分析：2（1） 、人流量的求解：商场的冷量需求总量或冷量需求变化率主要受商场 人流量和室外温度的影响，而人流量是很复杂的，本文省略了一些因素，假定 人流量满足以一周为周期的周期模型，我们把每个周期分为周一到周五 5 天和 周六、周日 2 天两种情况。在每种情况下,以小时为单位，将时间累积
5、连算（即 第二天的时间接在第一天的后面） ，这样人流量便成了以一周为周期的周期函数。根据其特点，可模拟函数m=A +21) 3.51.5sin(+x)3.5 sin( 21cos (-1.75)+cos()+cos-x3.5 3.51.5)3.5 5 . 1sin(-x)3.5 sin(1.75)x3.5 (+A)3.5 5 . 1cos(=+02348. 08971. 0sin2xA9997. 075. 18971. 0cos2xA+0.0003A02348. 08971. 0sinxA75. 18971. 0cosxA其中，A 为函数修正系数，可理解为天平均值（2） 、冷负荷总量的求解：大
6、型商场只要营业新风机组就不停地向商场提供新风以改善商场内的空气质量，当然夏季在提供新风的同时也将商场外部的热量带进商场中。除了新风带进的热量外，商场中的冷负荷还包括通过建筑 tQ物维护结构传入的热量，顾客散发的热量，商场内照明、水泵等电气设备tQAQ产生的热量等。其中通过建筑物维护结构和新风传入的热量与商场内外的温EQ差有关，而顾客的散热量主要与商场的人流量有关，所以商场的冷量需求总量就是商场的人流量、室外温度、室内温度的函数。商场冷量需求总量 ttEAQQQQQ其中=q mAQ A2132113026001000NNNnnnQE3=2600500009+13060300=1172.34106
7、为水泵总功率;取 50KW1N为电灯总功率,取 60W，假设总共为 300 个2N=tQntLtttkFQ,= xtxtkFntL,其中侧面：Q=4788 t)(79806 . 0nwtt )(nwtt 顶面：Q =1.29333 =11199.6 t)(nwtt )(nwtt 总：Q =4788 +11199.6 =15987.6t)(nwtt )(nwtt )(nwtt =15987.6 tQtQ)(nwtt （3） 、温差的求解：通过对以往中央空调工作状况的研究与记录，可根据商场温度的变化数据，冷冻水回水、进水温度，冷却水出水、进水温度，还有室外温度的数据，分别模拟出冷冻水温差、冷却水温
8、差、商场温度、室外温度2139. 20359. 00002. 0102109237410xxxxtd1845. 2029. 0107102106253649xxxxtql809.250153. 00003. 010810423648xxxxtn621.2015. 00007. 010110123649xxxxtw（4） 、冷冻水、冷却水流量的求解：根据热平衡得冷冻水吸热量和冷需求之间热平衡:dQQ 冷冻水、冷却水之间热平衡:qdQQ 由得：dQQ 30m+1172.3410 +28777.68）=626(wtdpdtcD4由得：qdQQ =dpdtcDqpqtcD分别代入数据公式，得30m+1
9、172.3410 +28777.68）=626(wtqpqtcD其中 m，分别满足式wtdtqt代入求解得)2139. 20359. 00002. 0102109(1868. 4)26-(x)(t 28777.68+ 101172.34+30m(x)237410w6xxxxDd)1845. 2029. 0107102106(1868. 4)26-(x)(t 28777.68+ 101172.34+30m(x)253649w6xxxxDq由于繁杂的函数式对实际工程问题带来了麻烦，所以采用 MATLAB 对函数进 行函数曲线描述，而上述两个流量变化趋势基本相同，所以仅以冷冻水水流量 来考虑，用 M
10、ATLAB 画出曲线得 Dd 冷冻水水流量介于上述曲线近似于抛物曲线，采用去点拟合曲线可以得到d5324 10 x0.116214.2135022.8Dxx 有图示可知，当 x=38 时，取得最大值，最大值为 MAX（）=5525kgsdDdD5由于设计流量应该大于最大流量，所以可取设计流量为 5600 kgs另外，冷却水的流量与冷冻水的流量基本一致，所以可以与冷冻水的流量一致。总之，本题用水流量来使系统达到平衡，这样内部温度就能够达到稳定，而根据题中提出的流量表达式来控制流量，这样可以在稳定的条件下能够尽可能地节能。因此，商场中央空调可采用变流量供水系统，根据上式流量的函数实现流量变化以实现
11、节能。冷冻水系统可采用二次泵并联运行，输送环路的变水量控制可根据一是改变二次泵的运行台数，其台数常用压差控制法；二是改变二次泵的转速来控制。4 结果分析根据所建总体热平衡模型及人流量、时间连续等子模型的研究结果表明：用该模型组对中央空调节能问题进行设计，紧密围绕原始数据、进行合理假设、应用 MATLAB、EXCEL 等工具进行曲线及公式模拟，得到人流量、室内外温度、冷冻水及冷却水进出口温度等变量随连续时间自变量的曲线变化及公式表达，进一步应用热平衡原理得到冷冻水、冷却水流量随连续时间自变量的变化曲线，并提出调控措施，以达到能量的供求随时等于需求，即节能的目的。参考文献1余跃进，张少凡.中央空调系统设计 南京：东南大学出版社,2007 2赵静，但琦.数学建模与教学实验【M】.北京：高等教育出版社,20033王沫然.Matlab6.0 与科学计算.北京:电子工业出版社，20004姜启源.数学模型（第三版）.北京：高等教育出版社，20035区靖祥.多远数据的统计分析方法.北京：中国农业科学技术出版社，2002
