一种大型公共建筑多品位多工况用能系统的优化方法广东工业大学材料与能源学院 吕凤 罗向龙 陈颖 摘要：针对大型公共建筑用热温位要求多、运行工况多的特点，提出了建立一种集成优化模型的方法来实现节能和经济效益。通过对用能温度品位高低进行能量分类，将各温位的废（余）热，如空调冷凝热，以物流的形式组成能量回收再利用网络。根据用能系统运行工况的时间特性建立了多周期的边界条件，并采用夹点分析方法求解该模型。最后建立了综合考虑能效与经济性的优化目标。 关键词：公共建筑；优化方法；多周期运行；多品位；夹点分析法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：随着我国经济的发展，建筑的功能集成程度有所提高，大型公共建筑如医院、商场、宾馆等建筑除基本功能外还包括消毒、烹饪、洗浴、保鲜冷冻等设施，其相应供能系统包括制冷系统（空调系统和冷冻系统）、热水系统、供暖系统和蒸汽系统。对于空调系统优化研究很多1-2，目前热泵、太阳能等广泛用于制备热水，大量的空调冷凝热被回收用于提供生活热水3，但是空调负荷和热水负荷的使用高峰期存在不同步性且换热流股单一，需要加辅助热量或者能量提升设备。而且，蒸汽作为优质的热源常被用于消毒和熨烫，使用过后其含热量还有20%左右4，排热温度较高（4050），但建筑废水需要被冷却达到国家标准才可以排放5，综上所述建筑内部热量利用网络存在拓展和优化的空间。夹点法6是从能量回收有极限值的观点出发建立一个最大限度能量回收的初始网络，通过对网络进一步优化，可得到一个最优换热网络。本文将蒸汽余热、建筑废热、空调冷凝热等回收再利用的能量以物流股的形式组成多输入、多输出换热网络，并根据各物流出现的时间匹配特性化分为多个工况，采用夹点分析法以能耗、经济性综合最优为目标对建筑物用能系统进行集成优化。2. 优化方法及建模2.1 用能等级的划分建筑用能主要有电、热、冷三种形式，其中主要用热形式是蒸汽和热水。大型公共建筑多功能集成需要用热的品位也分为多个等级：蒸汽、高温热水、中温热水。例如医院的用热需求可以划分为：用于消毒、熨烫等的蒸汽（0.1-0.3Mpa）, 用于厨房、消毒的高温热水（70-90），用于洗浴、洗衣及器具用水的中温热水（35-60）。与建筑用冷相对应的空调冷凝热，根据取热的位置不同，温度范围为（80-37）。2.2 能量回收再利用网络模型建立能量回收再利用网络如图1所示：该网络为一灰箱模型，由换热器连接组成。输入有自来水、蒸汽凝结水、高温废水、中温废水、高温制冷剂，输出有高温热水、中温热水、低温制冷剂、蒸汽凝结水（返回锅炉）、废水。图中QH代表外界补给的热量，Td代表用能过程进出口温差，代表用能过程出口流量与进口流量的比值，虚线代表该系统向用户供应的热水。图1 能量回收再利用网络模型建筑内部能量回收再利用网络具有以下特点：1）不同功能、大小、地域的建筑所包含的子系统不同；2）不同季节用能系统对应的子系统也不同；3）各子系统时间上的不连续：用于消毒和熨烫的蒸汽及高温热水一般运行时间较短，中温热水运行时间弹性很大，不同等级的建筑要求的时间也不同，供应卫生器具的35水一般上班时间供应；4）热回收潜力不仅与温度有关，虽然国标规定高于40的废水必须进行冷却才可以排放5，但并不是所有高于40的热水均具有热回收的潜力，像厨房、非集中型洗浴的废水等。另一方面，尽管空调冷凝热排放温度较低，但热量集中且量大，即可以预热自来水又可以缓解城市的热岛效应。2.3 工况划分由于各子系统在一天中运行的时间不同，相应的各温位的废水可以输入到能量利用系统的时间也不同，如图2所示我们根据能量在一天出现的时间将其划分为5个工况：第个工况仅空调系统运行；第个工况有高温热水、制冷系统同时运行，冷凝热可以提供一部分热量给热水；第个工况各子系统全部运行，可以实现多股热流的匹配；第个工况空调系统和中温热水；第个工况仅有中温热水需求需要外界补给热量。各工况所占时间分别为t1、t2、t3、t4、t5其间的能量传递通过蓄热水箱来实现。由于各子系统在运行时间，逐时负荷及季节负荷均出现不同步性，对于具体问题可根据需要对有些区间进行合并或分解。图2能量回收再利用网络的工况划分2.4换热匹配和夹点分析法取每个子系统仅有一种温度需求，做一个换热匹配分析，假定冷热流在划分的工况内的流速是一定的。自来水温度为Tc，对于洗衣、消毒、这些不是使用其热量的过程进出口温差取Td，蒸汽凝结水取对应压力下的饱和温度Ts。热量回收的下限温度取Tf那么换热网络有5股物流组成。最小换热温差取2Tmin各物流参数如表1所示：表1 物流参数温位物流热容流率/KW-1供应温度/目标温度/蒸汽凝结水H1qmscTsTf制冷剂H2qmLcpTL,outTL,in高温废水H3Tg-TdTf中温废水H4Tz-TdTf高温热水C1qmgcTcTg中温热水C2qmzcTcTz表中c为水的比热，cp为制冷剂的定压比热，H代表热流，C代表冷流。对于不同的工况其换热网络中的物流数目N不同所采用的热匹配方法也不同。工况和工况V：均只存在一股物流不存在换热问题，需要或可以供给的热量按下式计算： （3）工况、按照以下方法进行能量匹配。将冷物流各温度升高Tmin，热物流各温度降低Tmin，按照温度大小升序排列，将系统划分为N个温区，表中箭头表示物流的温度变化范围及方向，如C1下的箭头表示冷流1的温度从温区6上升到到温区2。根据公式（3）对每个区间进行热平衡计算，以确定各温区所需要的加热量和冷却量6。 （4）为方便说明换热匹配过程，现取6个温区，建立问题表格表2，其中In与On的关系根据公式（5）计算，In是由外界或其他温区供给第n个温区的热量，On是第n个温区向外界或向其他温区排除的热量。如果计算得到的On0，将小于0的On相加即得到最小换热温差取2Tmin时的加热公用工程，取I1=QHmin重新计算In与On的值，即为输入最小加热公用工程时的热通量，On=0的温区即为夹点。 （5）本文仅考虑制冷系统冷凝热的回收，还未将制冷系统需要的冷量作为研究对象，所以该网络仅有公用加热，无冷却需求，公用工程属于无夹点的情况。考虑最小换热温差对QHmin与换热面积的影响，仍然存在能量费用与投资费用的一个权衡。表2 问题表格温区物流亏缺热量累积热量输入输出温区1C1D1I1O1温区2 C2D2I2O2温区3D3I3O3温区4D4I4O4温区5 H2D5I5O5温区6 H1 H3 H4D6I6O6各子系统内对换热网络的能量匹配如图3所示，匹配的经验规则是：1）选择每个换热器的热负荷等于该匹配的冷、热物流中热负荷较小者；2）在考虑经验规则1的前提下，尽可能的选择热容流率值相近的冷热流进行匹配换热。图3 能量回收再利用网络的能量匹配3 目标函数本文引入年运行费用将能耗与设备投资综合为一个经济目标，目标函数为总年度费用最小： （6）式中：CE为能量费用可按照式（7）计算；为年运行小时数；CT为换热设备投资费用可按照式（8）计算；为设备折旧率。 （7）式中：CH为单位加热公用工程费用；QHmin为问题表法确定的各工况需要的最小加热公用工程，为、V工况需要或可供给的能量。由于工况最为复杂需要的换热器台数及面积也最多所以设备投资费用取工况需要的投资费用。 （8）式中：a、b、c为价格系数；Umin为最小换热单元数目可按照式（8）计算；A为最小换热网络面积可按照式（9）计算,为蓄热水箱单位体积的造价，V为蓄热水箱的体积可按式（11）计算。 （9）式中：N为物流股数目；L为独立的热负荷数目；S为可能分离成不相关子系统的数目。） （10）式中：为第n区段的对数平均温差；Qd为区段内第d股物流的热负荷；kd为第d股物流的传热系数。（11）式中：Qn为第n各子系统向外界或者向下一个子系统输出的热量；t为蓄热水箱的温差。3. 结论本文针对大型建筑物复杂的用能系统提出了一种提高内部能量利用效率新方法；建立了该系统的多周期热回收再利用网络模型；阐述了该模型中物流能量匹配的原则及方法；并建立了整体考虑能效与经济性的综合优化目标。本文未考虑各股物流的流量随负荷的变化、环境以及外界供给能量方式对系统的影响，这些都是进一步需要研究的内容。参考文献:1 Ye Yao，Jing Chen ，Global optimization of a central air-conditioning system using decompositioncoordinatio