磁懸浮冷水機組負壓縮節能適應性研究

2020-11-18 05:45:06黃東平莊應科林紹杰

環境技術 2020年5期

關鍵詞：方法

黃東平，莊應科，林紹杰

（海南紅塔卷煙有限責任公司，海口 570100）

引言

磁懸浮冷水機組是中央空調的核心組成部分，在整個系統中消費較大一部分的能耗，大約有百分之五十至百分之六十主要用于制冷機組產生能量，剩余部分則用于冷凍水和冷卻水的輸配[1,2]。由此可見，降低磁懸浮冷水機組能耗是建筑節能工作的首要內容。

目前，國內外部分學者已經取得了較為顯著的研究成果，并且終點針對冷水機組進行了對應的模擬等操作，確保整個空調組的穩定運行。例如相關學者組建了冷水機組在線模型，通過模型達到節能的目的；還有部分專家將整個系統的總能耗設定為目標函數，同時選取對應的優化方法對各個設備進行負荷優化處理；還有部分專家組建了冷水機組物理模型，通過模型優化，以有效達到節能的目的。

在確保制冷機組穩定運行的狀態下，需要進一步提升制冷機組的運行效率[3]，它是確保冷水機組整體能耗的有效途徑。本文重點針對磁懸浮冷水機組負壓縮節能適應性進行研究，通過具體的仿真實驗數據，全面確定了所提方法的有效性以及實用性。

1 方法

1.1 磁懸浮冷水機組機理模型以及能耗模型的組建

磁懸浮冷水機組機主要包含三個不同的子系統，分別為：

1）冷凍水系統；

2）制冷組系統；

3）冷卻水系統。

水循環系統主要是由以下兩部分組成，分別為：

1）冷凍水泵；

2）冷卻水泵。

以上兩種不同類型的水泵是整個系統進行工作的源泉，同時系統也能夠根據各個水泵的電能消耗情況進一步確定水質的循環流動趨勢，以達到換熱的目的。

其中制冷機組是整個冷水機組十分核心的部件[4,5]，它主要是由以下幾個部件組成，分別為：

1）壓縮機；

2）冷凝器；

3）節流閥；

4）蒸發器。

綜合分析上述制冷循環過程[6]，能夠將蒸發器內部根據制冷劑的狀態劃分為兩部分，分別為：

1）兩相區；

2）過熱區。

蒸發器的穩態傳熱方程能夠表示為以下的形式：

式中：

—制冷劑質量流量；

Tchw,i—冷凍水入口溫度；

Tchw,o—冷凍水的出口溫度；

Se—蒸發器的傳熱總面積；

Ue—蒸發器總傳熱系數。

其中兩相區和過熱區之間傳熱系數平均值能夠表示為以下形式：

式中：

Ue,sp—蒸發器過熱區的傳熱系數；

Ue,tp—蒸發器過熱區的傳熱面積。

由于Ue,sp和Ue,tp能夠分別利用制冷劑側和水側傳熱系數直接計算獲取[7,8]。

結合相關公式，能夠獲取過熱區內制冷劑側和水側能量平衡方程能夠獲取：

式中：

Tchw,avg—冷凍水的平均溫度。

過熱器和兩相區制冷劑側的傳熱系數主要是由相關的關聯式獲取，具體的計算式如下所示：

冷凍水側傳熱系數主要利用以下公式表示，具體如下所示：

式中：

B—冷卻水平均溫度的計算取值。

以下給出具體的計算式：

以下具體給出蒸發器另外的一個獨立方程，即制冷劑側和冷凍水側之間的能量方程：

式中：

Qe—蒸發器負荷；

—冷凍水質量流量。

其中壓縮機質量流量計算式能夠表示為以下的形式：

式中：

f—壓縮機頻率；

Vcom—理論輸氣量；

ρi—入口制冷劑的密度；

ηvol—壓縮機的體積效率。

利用以下公式進行計算，即：

另外一方面，壓縮機對制冷劑的主要作用夠表示為以下的形式：

式中：

ccom,q,1和ccom,q,2—不同的壓縮機特性系數。

結合上述分析，以下給出壓縮機能量守恒方程，具體的計算式如下所示：

通過制冷機組整體能量守恒方程[9]，則冷凝器釋放的熱量能夠表示為以下的形式：

和蒸發器相似，冷凝器內制冷劑側和冷卻水側的整體熱平衡方程能夠表示為以下的形式：

式中：

Tclw,i—冷卻水的入口溫度；

Tclw,o—冷卻水的出口溫度。

通過冷凝器制冷劑側以及冷卻水側的穩態傳熱方程，能夠獲取冷凝器模型的另外一個獨立方程，具體如下所示：

式中：

Uc—冷凝器的傳熱面積總和；

Sc—冷凝器的換熱次數。其中兩個區域傳熱數的平均值能夠表示為以下的形式：

兩個區域內的能量平衡方程能夠表示為以下的形式：

在獲取系統的主要系數后，需要結合參數計算蒸發器的出口過熱度，其中蒸發器過熱度的計算式能夠表示為以下的形式，則有：

1.2 磁懸浮冷水機組負壓縮節能適應性研究

在上述分析的基礎上，以下選用遺傳算法進行優化處理，其中遺傳算法是模擬生物基因遺傳以及進化過程發展形成的。在利用遺傳算法進行問題尋解前，需要針對優化問題所涉及到的變量轉換為具有一定基因結構的染色體編碼，通常不選取二進制的編碼方式，編碼的長度需要通過變量的范圍以及精度進行進一步確定。所以，設定變量的取值范圍為精度為d，同時將具體的取值進行劃分，具體的計算式如下所示：

染色體在經過進化后，能夠得到各種基因編碼，以下需要對全新的基因進行評價，同時將二進制的基因編碼轉換為實數的數值形式，整個過程被稱為解碼，解碼實質上就是編碼的逆過程，具體的計算式如下所示：

xs對應區間內的實數值能夠表示為以下的形式：

種群主要是由不同染色體形成的群體。在遺傳算法中，各組解都被稱為單一的個體或是染色體，它所對應的編碼就被稱為基因串。其中全部變量的編碼能夠形成一個數碼串，以下給出具體的表現形式：

遺傳算法的尋優方向主要是通過染色體的適應度取值所決定的；其中適應度取值較大的染色體，遺傳到下一代的概率較大；反之，適應度取值較小的染色體，遺傳到下一代的概率則較小。

針對于目標函數最小取值問題，能夠表示為以下的形式：

針對目標函數最大值問題，能夠表示為以下的形式：

初始化種群只是問題的初始解，同時也是隨機形成的，但是并不是問題的最優解，為了得到最優解，需要對種群進行以下三個操作：

1）選擇；

2）交叉；

3）變異。

以下給出個體i的概率計算式：

在上述分析的基礎上，以下選用遺傳算法對磁懸浮冷水機組不同負荷設定點進行尋優計算[10]，使系統優化運行，確保磁懸浮冷水機組達到節能的目的，以下給出具體的計算式：

2 仿真實驗

為了驗證所提磁懸浮冷水機組負壓縮節能適應性研究方法的綜合有效性，需要進行仿真實驗測試，實驗環境為：IBM IntelliStationZ Pro，其配置為：操作系統是 Windows XP Professional（SP2），CPU 是 Intel Xeon 3.0 GHz，系統內存為2 GB，GPU是NVIDIA的Quadro Fx3400，顯存為256 MB，顯卡總線為PCI-Express X16。