集中空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化策略及仿真研究

范新舟 姚 曄

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

建筑節(jié)能是我國實(shí)現(xiàn)2030年碳減排目標(biāo)的關(guān)鍵領(lǐng)域。對于寫字樓、酒店、車站、商場等大型公共建筑，空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的40%～60%以上[1]，水系統(tǒng)(包括冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔)能耗占空調(diào)系統(tǒng)總能耗的60%～80%[2]。因此，集中空調(diào)水系統(tǒng)對于空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，以及建筑節(jié)能起到關(guān)鍵作用。

集中空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能通常通過冷水機(jī)組負(fù)荷分配優(yōu)化和控制參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)[3-5]。劉兆輝等[6]提出了空氣源熱泵序列優(yōu)化控制策略，采用平均分配負(fù)荷的方式，實(shí)現(xiàn)了在不同負(fù)荷下針對同型號機(jī)組的最佳運(yùn)行序列優(yōu)化控制。閆軍威等[7]提出了基于遺傳算法的多臺冷水機(jī)組負(fù)荷分配優(yōu)化方法，通過優(yōu)化得到的機(jī)組負(fù)荷再進(jìn)行供水溫度的控制。Liu Zhaohui等[8]基于冷負(fù)荷曲線、冷水機(jī)組和冷卻塔模型，采用分枝定界算法，得到了冷水機(jī)組序列優(yōu)化控制策略，機(jī)組能耗相比于傳統(tǒng)策略明顯降低。Qiu Shunian等[9]提出了基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)Q-learning方法的冷水機(jī)組負(fù)荷最優(yōu)分配方法，以COP作為環(huán)境反饋，通過調(diào)節(jié)冷凍水出口溫度的設(shè)定值來自主學(xué)習(xí)和優(yōu)化冷水機(jī)組負(fù)荷，達(dá)到了4.95%節(jié)能率的效果。F.Sohrabi等[10]提出了基于交易市場算法的最優(yōu)冷水機(jī)組負(fù)荷分配方法，以每臺冷水機(jī)組的部分負(fù)荷率作為決策變量，以滿足冷負(fù)荷需求前提下能效最小為目標(biāo)，其收斂速度和優(yōu)化節(jié)能率較其他方法大大提高。陳鑫[11]以冷凍水供水溫度及冷卻水供水溫度作為獨(dú)立控制參數(shù)，使用遺傳算法得到最佳控制參數(shù)。Zhuang Luping等[12]提出了使用分層進(jìn)化算法的集中空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化，通過優(yōu)化冷凍水供回水溫差及水泵頻率實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總能耗最小。Deng Jiewen等[13]對冷凍水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，得到冷凍水供回水大溫差有利于節(jié)能的結(jié)論。

然而，上述研究忽略了集中空調(diào)水系統(tǒng)中不同設(shè)備之間的耦合，一個或幾個設(shè)備的最優(yōu)控制策略對于整個集中空調(diào)水系統(tǒng)可能不是最優(yōu)的。針對上述問題，本文提出一種新的集中空調(diào)水系統(tǒng)全局優(yōu)化策略，包括冷水機(jī)組啟停優(yōu)化策略和水泵啟停優(yōu)化策略，以冷凍水供水溫度及冷卻水流量作為獨(dú)立全局優(yōu)化控制參數(shù)。以廣州市的一棟醫(yī)院建筑為案例，對集中空調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行了建模模擬及優(yōu)化仿真，研究在滿足空調(diào)區(qū)域舒適度的前提下，集中空調(diào)水系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略和最佳控制參數(shù)，并對優(yōu)化策略與傳統(tǒng)策略下的各設(shè)備能耗與系統(tǒng)總體能耗進(jìn)行對比，以驗(yàn)證優(yōu)化策略的節(jié)能潛力。

1 系統(tǒng)建模

集中空調(diào)水系統(tǒng)是一個復(fù)雜而又集成度高的系統(tǒng)，各設(shè)備之間既可獨(dú)立工作又相互聯(lián)系緊密。系統(tǒng)能耗模型以個設(shè)備能耗總和為目標(biāo)函數(shù)。

Ptotal=∑PChiller,i+∑PChilledPump,j+

∑PCoolingPump,k+∑PCoolingTower,l

(1)

式中：Ptotal為集中空調(diào)水系統(tǒng)總能耗，kW；PChiller,i為各臺冷水機(jī)組能耗，kW；PChilledPump,j為各臺冷凍水泵能耗，kW；PCoolingPump,k為各臺冷卻水泵能耗，kW；PCoolingTower,l為各臺冷卻塔能耗，kW。

1.1 冷水機(jī)組建模

YE冷水機(jī)組模型是一種多元灰箱模型，與其他模型相比，該模型無需考慮機(jī)組類型，兼顧冷水機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)(不同蒸發(fā)冷凝溫度、負(fù)荷率等)，在計算冷水機(jī)組能效比方面，具有更高的準(zhǔn)確性。當(dāng)冷水機(jī)組處于不同運(yùn)行狀態(tài)時，該模型用待擬合系數(shù)a1、a2對模型進(jìn)行修正[14]。YE冷水機(jī)組模型：

(2)

由于不同冷水機(jī)組的功能不同，有些設(shè)備無法準(zhǔn)確測量蒸發(fā)溫度及冷凝溫度，可通過冷凍水、冷卻水回水溫度及流量計算蒸發(fā)、冷凝溫度。

蒸發(fā)溫度模型：

(3)

式中：Tw,e,E為冷凍水回水溫度，K；cw為水的比熱容，kJ/(kg·K)；Gw,e為冷凍水質(zhì)量流量，kg/s；UAe為蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)，W/K。

冷凝溫度模型：

(4)

式中：Tw,c,E為冷卻水回水溫度，K；Gw,c為冷卻水質(zhì)量流量，kJ/(kg·K)；UAc為冷凝器總傳熱系數(shù)，W/K。

冷水機(jī)組能耗Pchill(kW)由式(5)計算：

(5)

1.2 水泵建模

水泵能耗模型：

(6)

式中：ρw為水的密度，kg/m3；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琺/s2；H為揚(yáng)程，m；Gw為水流的體積流量，m3/s；ηp為水泵效率；ηm為電機(jī)效率；ηf為變頻器效率。

水泵的性能曲線表明，水泵揚(yáng)程、效率皆與流量有關(guān)，即揚(yáng)程與效率均可由流量表示，因此，式(6)可改寫為：

(7)

式中：bi(i=0,1,2)為待擬合系數(shù)，由實(shí)際的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)擬合得到。

1.3 冷卻塔建模

集中空調(diào)運(yùn)行過程中，一般采取冷卻水泵與冷卻塔按比例啟停的控制方式，冷卻塔為定頻，冷卻塔風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中風(fēng)量始終為額定值，因此冷卻塔能耗是其額定功率。

PCoolingTower=PCoolingTower,rated

(8)

式中：PCoolingTower,rated為每臺冷卻塔的額定功率，kW。

2 優(yōu)化策略

2.1 冷水機(jī)組啟停優(yōu)化策略

傳統(tǒng)的冷水機(jī)組啟停策略是按照開啟機(jī)組累計額定負(fù)荷能滿足實(shí)際冷負(fù)荷需求下，以最小開啟臺數(shù)進(jìn)行選擇。對于相同額定功率的冷水機(jī)組，負(fù)荷采用平均分配的方式；而對于不同額定功率的冷水機(jī)組，負(fù)荷采用相同負(fù)荷率的分配方式。但由式(2)可知，冷水機(jī)組的能效比COP與負(fù)荷率有關(guān)，且并不是在負(fù)荷率最大的時候COP最高[14]。同時，在冷水機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行過程中，不同運(yùn)行工況(冷凍水、冷卻水進(jìn)出口溫度變化)對COP影響很大。因此，上述兩種分配方式存在開啟的冷水機(jī)組很難處于最佳能效比狀態(tài)的問題。

本文提出一種新的負(fù)荷分配方式：在滿足冷負(fù)荷的前提下，采取不平均分配方式，使得盡可能多的開啟冷水機(jī)組處于最佳COP狀態(tài)，以提高冷水機(jī)組效率，降低能耗。根據(jù)冷水機(jī)組的性能曲線，可知每臺冷水機(jī)組的最佳負(fù)荷率，計算出對應(yīng)的冷負(fù)荷。當(dāng)冷負(fù)荷一定時，一部分開啟機(jī)組處于最佳冷負(fù)荷狀態(tài)，剩余冷負(fù)荷由剩余開啟機(jī)組按照相同的負(fù)荷率進(jìn)行分配。

定義rS為開啟冷水機(jī)組實(shí)際負(fù)荷率對應(yīng)于最佳負(fù)荷率之差的平方平均數(shù)，如式(9)所示。rS越小，代表開啟冷水機(jī)組采用當(dāng)前負(fù)荷分配情況下，整體機(jī)組效率越高；rS越大，整體機(jī)組效率越低。

3.突出“以人為本”，淡化“以國為本”，則個體幸福、社會和諧。古人云：“國以民為本，民以食為天。”（《史記·酈食其列傳》）就明示了平民百姓相對于國家的重要性。我黨領(lǐng)導(dǎo)人多次強(qiáng)調(diào)，“必須始終堅持以人為本、執(zhí)政為民，切實(shí)貫徹黨的全心全意為人民服務(wù)的根本宗旨，不斷實(shí)現(xiàn)好、維護(hù)好、發(fā)展好最廣大人民根本利益。”［19］黨的指導(dǎo)思想之一的科學(xué)發(fā)展觀將以人為本定為核心，就更加旗幟鮮明地突出了人民利益高于國家利益的社會發(fā)展取向。

(9)

冷水機(jī)組啟停優(yōu)化策略計算流程如圖1所示。當(dāng)多臺冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時，利用優(yōu)化策略可以獲得各臺冷水機(jī)組啟停策略及開啟機(jī)組最佳負(fù)荷，以保證機(jī)組獲得整體最佳COP。

圖1 冷水機(jī)組啟停優(yōu)化策略Fig.1 Optimal strategy for start and stop of chiller

2.2 水泵啟停優(yōu)化策略

傳統(tǒng)的水泵啟停策略是按照滿足實(shí)際水流量，最小開啟臺數(shù)進(jìn)行設(shè)定。水泵效率最高點(diǎn)位于部分負(fù)荷狀態(tài)下，因此水泵開啟臺數(shù)的優(yōu)化策略為：在滿足水流量的前提下，使所有開啟的水泵盡可能運(yùn)行在高效率狀態(tài)，以減少水泵的能耗。

目標(biāo)函數(shù)為：

Gw,i,min≤Gw,i≤Gw,i,max

(10)

式中：Gw,i,min、Gw,i,max分別為水泵運(yùn)行流量的上下限，m3/h。

水泵啟停優(yōu)化策略計算流程如圖2所示。當(dāng)多臺水泵并聯(lián)運(yùn)行時，利用優(yōu)化策略可以獲得各臺水泵啟停最佳策略，以保證在滿足水流量的前提下，水泵整體能耗最小。

圖2 水泵啟停優(yōu)化策略Fig.2 Optimal strategy for start and stop of pump

2.3 系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)確定

集中空調(diào)水系統(tǒng)是一個錯綜復(fù)雜，耦合性很強(qiáng)的系統(tǒng)，由于其強(qiáng)耦合性，在優(yōu)化過程中，容易出現(xiàn)“維數(shù)災(zāi)”，導(dǎo)致控制系統(tǒng)崩潰。因此，本文根據(jù)集中空調(diào)水系統(tǒng)的特點(diǎn)，按照先冷凍水系統(tǒng)后冷卻水系統(tǒng)的順序進(jìn)行優(yōu)化。

對于冷卻水系統(tǒng)，用能設(shè)備包括冷卻水泵及冷卻塔。冷卻水供回水溫度不僅受設(shè)備本身性能的影響，還受實(shí)時天氣情況的影響，無法通過底層PLC進(jìn)行直接控制，而冷卻水流量可通過冷卻水泵的啟停和頻率進(jìn)行控制，為可控量，因而作為冷卻水系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)。

集中空調(diào)水系統(tǒng)優(yōu)化過程如圖3所示。t為環(huán)境溫度，℃；RH為環(huán)境濕度。

圖3 集中空調(diào)水系統(tǒng)優(yōu)化過程Fig.3 Optimization process of central air-conditioning water system

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 空調(diào)系統(tǒng)及負(fù)荷模擬

本文研究了一棟位于廣東省廣州市的綜合性醫(yī)院的空調(diào)系統(tǒng)，原理如圖4所示。大樓共18層，地上15層，地下3層，主要建筑功能為候診大廳、藥房、病房等。空調(diào)系統(tǒng)的冷源采用2臺制冷量為2 461 kW的水冷離心式冷水機(jī)組和1臺制冷量為1 406 kW的水冷螺桿式冷水機(jī)組，額定功率分別為451 kW和287 kW，輸配系統(tǒng)采用3臺額定功率為75 kW(兩用一備)和兩臺額定功率為45 kW(一用一備)的變頻冷凍水泵，額定流量分別為480 m3/h和270 m3/h，以及3臺額定功率為75 kW(兩用一備)和2臺額定功率為37 kW(一用一備)的變頻冷卻水泵，額定流量分別為580 m3/h和320 m3/h，并附有2臺額定功率為37 kW和1臺額定功率為22 kW的橫流式冷卻塔。

圖4 集中空調(diào)水系統(tǒng)原理Fig.4 Principles of air-conditioning water system

利用DeST軟件，對建筑進(jìn)行建模，并對建筑夏季冷負(fù)荷(6月1日00∶00—9月30日23∶59)進(jìn)行了模擬計算，計算結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，夏季建筑冷負(fù)荷最大為2 394 kW，平均冷負(fù)荷為1 040 kW。

3.2 不同負(fù)荷下冷水機(jī)組啟停優(yōu)化策略性能對比

為對比空調(diào)系統(tǒng)在不同負(fù)荷下兩種冷水機(jī)組開啟策略的性能，根據(jù)冷水機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，使用最小二乘法對模型參數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表1所示。

在系統(tǒng)設(shè)定控制參數(shù)不變(冷凍水供水溫度和冷卻水流量)及除機(jī)組外其他設(shè)備啟停狀態(tài)相同的情況下，計算了不同負(fù)荷率下冷水機(jī)組開啟情況及冷源系統(tǒng)總體COP。以冷水機(jī)組總額定負(fù)荷作為滿負(fù)荷，假設(shè)集中空調(diào)水系統(tǒng)在不同的負(fù)荷率下運(yùn)行。傳統(tǒng)策略下，以滿足最大冷負(fù)荷需求設(shè)置冷水機(jī)組開啟狀態(tài)，根據(jù)負(fù)荷的變化優(yōu)先開啟大冷量冷水機(jī)組。圖6、圖7所示分別為兩種策略下(傳統(tǒng)策略和優(yōu)化策略)冷水機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)以及冷源系統(tǒng)總體COP的對比。

圖6 兩種策略下冷水機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)對比Fig.6 Contrast of operating chiller number of two strategies

圖7 兩種策略下冷源系統(tǒng)總體COP對比Fig.7 Contrast of COP of cold source of two strategies

結(jié)果表明：優(yōu)化策略下冷水機(jī)組開啟臺數(shù)相比于傳統(tǒng)策略有所增加，這是因?yàn)閮?yōu)化策略以增加開啟機(jī)組臺數(shù)來避免開啟機(jī)組的負(fù)荷率過高，使其運(yùn)行在更高的COP狀態(tài)。優(yōu)化策略下冷源系統(tǒng)總體COP更高，在負(fù)荷率5%～100%變化范圍內(nèi)，冷源系統(tǒng)平均COP提高了10.9%，平均節(jié)省能耗8.9%。

3.3 不同負(fù)荷下水泵啟停優(yōu)化策略性能對比

為了對比空調(diào)系統(tǒng)在不同負(fù)荷下兩種水泵開啟策略的性能，根據(jù)水泵歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，使用最小二乘法對模型參數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表2所示。

表2 水泵模型參數(shù)Tab.2 The model parameters of water pump

在系統(tǒng)設(shè)定控制參數(shù)不變(冷凍水供水溫度和冷卻水流量)及除水泵外其他設(shè)備啟停相同的情況下，計算不同負(fù)荷下水泵開啟情況及水泵總能耗。

圖8所示為兩種策略下水泵開啟情況對比，優(yōu)化策略下冷凍水泵和冷卻水泵的開啟臺數(shù)相比于傳統(tǒng)策略有所減少，這是因?yàn)閮?yōu)化策略下，開啟了大額定流量的水泵以代替?zhèn)鹘y(tǒng)策略下開啟兩臺小流量水泵，使水泵運(yùn)行效率更高。兩種策略下水泵總能耗對比如圖9所示，優(yōu)化策略下水泵的總能耗更低，在負(fù)荷率5%～100%變化范圍內(nèi)，水泵平均節(jié)省能耗18.6%。

圖8 兩種策略下水泵運(yùn)行臺數(shù)對比Fig.8 Contrast of operating water pump number of two strategies

圖9 兩種策略下水泵總能耗對比Fig.9 Contrast of total energy consumption of water pump of two strategies

3.4 不同負(fù)荷下參數(shù)優(yōu)化性能對比

為了對比空調(diào)系統(tǒng)在不同負(fù)荷下系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化的性能，在系統(tǒng)各設(shè)備啟停相同的情況下，計算不同負(fù)荷下系統(tǒng)供水溫度優(yōu)化值、冷卻水流量

優(yōu)化值及相應(yīng)的系統(tǒng)總能耗、各設(shè)備總能耗。未優(yōu)化策略下，冷凍水供水溫度始終設(shè)置為7 ℃，冷卻水流量按照固定冷卻水供回水溫差為6 ℃設(shè)置。

兩種策略控制參數(shù)對比如圖10所示，隨著負(fù)荷率的增加，最佳供水溫度出現(xiàn)先下降再升高再下降的趨勢，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷率較低時，根據(jù)機(jī)組性能曲線，COP較低，提高供水溫度以提高蒸發(fā)溫度，使得在相同負(fù)荷率下COP相比于額定工況有所增加；機(jī)組負(fù)荷率增加直至最佳COP對應(yīng)負(fù)荷率，供水溫度不斷降低，隨著機(jī)組負(fù)荷率的增加，供水溫度對COP影響減小，供水溫度降低以減少冷凍水流量，實(shí)現(xiàn)在對冷水機(jī)組能耗影響較小的前提下降低冷凍水泵能耗，達(dá)到節(jié)能的效果。最佳冷卻水流量在負(fù)荷率較低的工況下更大，降低機(jī)組冷凝溫度，以提高COP。在負(fù)荷率較高時，冷凝溫度對機(jī)組COP的影響減小，最佳冷卻水流量小于傳統(tǒng)策略流量，以減少冷卻水泵的能耗，最終實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的全局優(yōu)化。圖11、圖12所示分別為系統(tǒng)總能耗和各設(shè)備總能耗隨負(fù)荷率的變化，曲線的變化情況對應(yīng)了上述分析。

圖10 兩種策略控制參數(shù)對比Fig.10 Contrast of control parameters of two strategies

圖11 兩種策略系統(tǒng)總能耗對比Fig.11 Contrast of total energy consumption of two strategies

圖12 兩種策略系統(tǒng)各設(shè)備能耗對比Fig.12 Contrast of energy consumption of each device of two strategies

3.5 典型日分析

為了分析在實(shí)際運(yùn)行中優(yōu)化策略的節(jié)能效果，根據(jù)DeST對建筑負(fù)荷的模擬計算結(jié)果，選取了夏季典型日，其逐時氣溫和逐時冷負(fù)荷如圖13所示。

圖13 建筑逐時氣溫及冷負(fù)荷Fig.13 Hourly temperature and loads of building

由于該優(yōu)化為高維度多變量復(fù)雜優(yōu)化系統(tǒng)，因此選用Matlab工具箱中粒子群優(yōu)化算法particleswarm進(jìn)行全局優(yōu)化。MinNeighborsFraction設(shè)置為0.8，以防止陷入局部最優(yōu)；MaxStallIterations設(shè)置為5，以加快優(yōu)化運(yùn)行速度。

圖14所示為夏季典型日兩種策略總能耗對比，結(jié)果表明：在全天不同環(huán)境溫度及冷負(fù)荷變化下，系統(tǒng)優(yōu)化能耗都要低于未優(yōu)化能耗，系統(tǒng)總能耗平均節(jié)能率為20.4%。

圖14 夏季典型日兩種策略總能耗對比Fig.14 Contrast of total energy consumption of two strategies in summer typical day

圖15所示為夏季典型日兩種策略各設(shè)備能耗對比，結(jié)果表明：冷水機(jī)組在系統(tǒng)總能耗中占比較大，達(dá)到72.3%，因此其能耗變化趨勢與總能耗變化趨勢類似，且優(yōu)化能耗始終低于未優(yōu)化能耗。對于冷凍水泵和冷卻水泵，在早晚負(fù)荷較低時段，由于水泵啟停優(yōu)化策略的介入，使水泵運(yùn)行在最高效率區(qū)間，優(yōu)化能耗低于未優(yōu)化能耗；而在負(fù)荷較高時段，系統(tǒng)增加冷凍水和冷卻水流量，減小冷水機(jī)組供回水溫差，降低冷水機(jī)組能耗，增加水泵能耗，使水泵優(yōu)化能耗高于未優(yōu)化能耗，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體節(jié)能。

圖15 夏季典型日兩種策略各設(shè)備能耗對比Fig.15 Contrast of energy consumption of each device of two strategies in summer typical day

4 結(jié)論

本文提出了一套集中空調(diào)水系統(tǒng)夏季優(yōu)化策略方法，包括冷水機(jī)組啟停優(yōu)化策略、水泵啟停優(yōu)化策略、控制參數(shù)優(yōu)化方法，并基于一棟醫(yī)院建筑，與傳統(tǒng)的優(yōu)化策略進(jìn)行了對比，得出如下結(jié)論：

1)冷水機(jī)組啟停優(yōu)化策略具有較高的節(jié)能性，與傳統(tǒng)策略相比，該策略在負(fù)荷率5%～100%變化范圍內(nèi)，冷水機(jī)組平均COP提高了10.9%，平均節(jié)省能耗8.9%。

2)水泵啟停優(yōu)化策略同樣具有較高的節(jié)能性，在負(fù)荷率5%～100%變化范圍內(nèi)，水泵平均節(jié)省能耗18.6%。

3)使用上述兩種優(yōu)化策略并對集中空調(diào)水系統(tǒng)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在夏季典型日，集中空調(diào)水系統(tǒng)平均節(jié)省能耗20.4%。