風冷熱泵-水冷機組雙冷源系統運行優化方法研究

趙廷方 鄧勤犁 單曉芳 任志剛

（1.武漢理工大學土木工程與建筑學院 武漢 430070；2.武漢理工大學三亞科教創新園 三亞 572000）

0 引言

空調系統在為人們提供舒適、健康的室內環境的同時，也消耗著大量的能源。據統計，中央空調能耗占公共建筑總能耗的30%～50%，其中冷源系統能耗則占中央空調能耗的50%以上[1]。為降低冷源系統能耗，一方面減少能耗需求，另一方面提高清潔及可再生能源在建筑中的使用比重。風冷熱泵作為一種安裝方便、初投資小且運行效率高的空調形式，受到人們的廣泛關注。

風冷熱泵與其他熱源（如地源熱泵、太陽能系統）耦合供暖是目前的研究熱點。Scrapa[2]比較直膨式太陽能聯合風冷熱泵系統和傳統的太陽能平板集熱器系統的性能，得出雙熱源系統要比單熱源系統熱效率更高；PARDO[3]研究得出風冷熱泵、地源熱泵以及儲熱器的耦合系統，其能耗只占單純采用風冷熱泵的60%；顧娟[4]在不同控制策略（時間控制、溫度控制、溫差控制）下，分析夏熱冬冷地區地源與風冷熱泵聯合空調系統的性能，得出優先運行3h、室外空氣干球溫度為33℃、溫差為5℃時的策略是最優的系統控制策略?，F有研究對夏季持續時間久、需要持續性供冷的風冷熱泵與水冷機組聯合供冷的方面資料較少。

對于多冷源系統，設備間的運行是相互耦合且彼此影響聯系的，同種負荷需求下，系統可以有多種運行模式來滿足，找到最佳的運行模式使系統能效最高，是節能優化的關鍵[5]。故本文從實際案例出發，以武漢某公共建筑雙冷源系統為對象提出一種優化控制方法，該方法以初始運行為基礎，依次進行方案優化和參數優化，以提高冷源系統整體能效比。

1 計算方法

1.1 功率模型

1.1.1 水冷機組功率模型

Type225 模擬變頻水冷機組，使用半經驗模型用于計算部分負荷下水冷機組的輸入功率，該模型高精度地考慮了實際運行條件[6]。水冷機組的實際輸入功率計算式如下：

根據DOE-2 模型，部分負荷率PLR由式得：

參考劉金平等人的研究結論[7]結合機組實際變工況性能參數，按照夏季冷凍水溫度每升高1K，機組功率降低2.5%，則溫度修正系數由式（3）得出：

式中，Tlo,o=280.15K 。

根據機組樣本可以得到流量修正系數公式：

部分負荷修正系數RPLR由經驗公式確定：

式中，A、B、C是擬合系數，分別為0.2726、-0.08413、0.81029。

1.1.2 風冷熱泵功率模型

風冷熱泵機組使用Type655 模塊模擬，運行參數的確定由外部輸入文件確定，包括部分負荷數據文件和額定負荷數據文件，均采用TRNSYS 默認文件。其中額定負荷數據文件提供實時制冷量與額定制冷量比值（Capacityratio）以及實時cop與額定cop比值（copratio）隨機組出口溫度和空氣干球溫度的變化曲線。額定工況制冷量及額定工況cop由選定的熱泵機組提供。該模塊根據設定的出水溫度和空氣干球溫度調用動態數據程序，獲取copratio和Capacityratio，通過公式（6）和（7）計算實時工況下的制冷量和COP。

當風冷熱泵未在額定負荷下運行時，則需要使用部分負荷率（PLR）及能耗與額定功率比值（FFLP），兩者之間的關系由部分負荷數據文件提供，算式如下：

式中：Qload為實時冷負荷（已知），kW。

風冷熱泵的實際輸入功率由式（9）確定：

1.1.3 系統能耗模型

系統整體的性能系數由方程（10）計算得到：

式中：Qload為實時冷負荷（已知）；Wtotal為總輸入功率，包括各臺機組、水泵和冷卻塔的輸入功率之和。

1.2 冷源系統參數優化方法

1.2.1 拉丁超立方抽樣

由Mckay 等人提出的拉丁超立方抽樣方法（LHS）是一種運用在抽樣實驗中的方法[8]，其想要實現的目標是在工作區內部抽取一組樣本點，使得該樣本點可以均勻的分布在實驗區域中。抽樣方法抽取的樣本都是具有典型性的樣本，減少了重復的沒有意義的勞動。

該實驗假定輸入點x=(x,...,xs)?Cs和輸出值y有明確的關系y=f(x)。設定試驗區大小為單位立方體Cs=[0,1]s，則y在其上的總均值為：

輸出變量y在所試驗點上的均值為：

式中，Dn={x1,...,xn}代表n個點的一個設計。

1.2.2 BP 耦合粒子群算法

圖1是利用BP 網絡耦合粒子群算法進行參數尋優的程序圖。將抽樣得到的樣本輸入BP 網絡，建立合適的BPNN 模型；再用粒子群算法調用BPNN 模型，經過個體和群體歷史最優位置更新、粒子的速度和位置更新之后，判斷其是否滿足最優解條件，若不滿足，則繼續循環；若滿足，則終止運行，輸出最優解以及其對應的參數組合。

圖1 BPNN 與粒子群算法耦合程序圖Fig.1 Program diagram of BPNN and particle swarm optimization

1.3 空調冷源系統運行優化方法

以初始運行方案為基礎，空調冷源系統運行優化方法如圖2所示。

圖2 空調冷源系統運行優化方法Fig.2 Optimal control method of air conditioning cold source system

2 基于TRNSYS 的冷源系統模型及優化

2.1 研究對象

本文以武漢某公共建筑中央空調多冷源系統為研究對象，該多冷源系統有水冷和風冷兩組冷源系統，水冷側系統主要由2 臺水冷機組、2 臺冷凍泵、1 臺冷卻塔和2 臺冷卻泵組成；風冷側系統主要由2 臺風冷熱泵和2 臺冷凍泵組成。該系統在冬季使用風冷熱泵供暖，夏季以水冷機組為主、風冷熱泵為輔聯合供冷，系統原理如圖3所示。表1給出主要設備參數表。

表1 空調冷源系統設備參數Table 1 Equipment parameters of air conditioning cold source system

圖3 空調冷源系統原理圖Fig.3 Schematic diagram of air conditioning cold source system

2.2 運行方案優化

在初始運行基礎上，進行方案優化（見表2）：一方面改變水冷機組與風冷熱泵的啟停順序，另一方面對四臺冷凍泵采取定溫差控制。通過修改機組群控策略，根據部分負荷信號的遞增，優先開啟風冷熱泵，部分負荷信號超過風冷熱泵總額定制冷量的90%時，開啟水冷機組補充冷量；修改冷凍泵控制策略，通過控制供回水溫差來控制輸送流量，根據負荷信號及設定溫差信號計算水泵所需流量，然后把該流量輸入冷凍泵變頻控制器，經過分析計算得到各冷凍泵頻率信號，從而實現對冷凍泵的變頻控制。

表2 運行方案對比Table 2 Comparison of operation schemes

根據流程圖與運行方案建立多冷源系統的TRNSYS 仿真平臺，如圖4所示。整個模型應用的模塊如表3所示。TRNSYS 模塊之間通過線連接，實現信號、能量、物質的傳遞。通過機組群控對水冷機組和風冷熱泵進行啟?？刂疲焕鋬鰝瓤刂葡到y根據流量信號控制各水泵的啟停，改進后則控制供回水溫差來控制變頻水泵的流量；冷卻側控制系統綜合考慮部分負荷信號和流量信號對冷卻泵、冷卻塔風機的啟停進行控制。

圖4 雙冷源系統TRNSYS 仿真平臺Fig.4 TRNSYS simulation model of air conditioning cold source system

表3 多冷源空調系統模型部件列表Table 3 List of model components of multi cooling source air conditioning system

2.3 運行參數優化

在方案優化基礎上進行參數優化，本文根據冷源系統特點，選取3 個溫度、2 個頻率作為待優化參數，表4給出待優化參數的范圍。

表4 參數優化范圍Table 4 Parameter optimization range

3 結果與分析

考慮到該冷源系統冷凍水泵較多且功率較大，圖5給出基本策略下負荷側供回水溫度。整個制冷季節冷凍水平均環路溫差為3.22℃，可見制冷季的大部分時間，冷源系統運行在大流量、小溫差的運行工況下，使得大量水泵功率浪費，因此通過不同優化對水泵節能有著重大意義。

圖5 基本策略下負荷側供回水溫度Fig.5 Temperature of chilled water supply and return water at load side under basic control

不同優化下冷源系統運行參數與系統COP 由表5與圖6給出：

表5 不同控制下運行參數和系統COPTable 5 Operating parameters and COP of system under different control

圖6 冷源系統在不同優化下的系統COPFig.6 COP of cold source system under different control

算法預測的系統COP 與TRNSYS 模擬的系統COP 誤差為0.5%，驗證了BP 耦合粒子群算法進行優化的可靠性。

基本控制下系統COP 為3.32，通過改變風冷熱泵和水冷機組的啟停順序以及所有冷凍水泵的變頻，使得系統COP 提高16%，達到3.85。在運行方案優化的基礎上，通過算法進行參數尋優，進一步使系統COP 提高9.1%，達到4.20。

由優化后的運行參數可以看出，在最優系統COP 條件下，階段1 和2 的冷凍水供水溫度均高于設定值7℃，且風冷側和水冷側的冷凍水供回水溫差均超過5℃。

圖7和圖8給出不同優化下系統總能耗和各部件能耗的變化趨勢：

圖7 冷源系統在不同優化下的總能耗Fig.7 Total energy consumption under different control

圖8 冷源系統在不同優化下的各設備能耗Fig.8 Energy consumption of each equipment of cold source system under different control

（1）隨著控制方式的不斷改進，系統總能耗逐漸降低。與基本控制相比，參數優化后的能耗僅為前者的78.4%，可見經過層層優化，總體的節能效果顯著。

（2）方案優化的節能效果主要體現在除風冷熱泵和水冷機組外的其它部件。經過方案優化，風冷熱泵能耗大幅增加，水冷機組能耗大幅降低，兩者能耗之和基本相同；水冷側的各臺冷凍泵、冷卻泵以及風機均有所降低，且降低幅度超過50%。方案優化相對于基本控制可節能14.4%。

（3）與方案優化相比，參數優化后，風冷熱泵、冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔風機能耗均進一步降低，四者總體降低幅度為11%；水冷機組能耗略微增加，增加幅度為2.6%這是由于參數優化后水冷側冷凍水供回水溫差超過5℃，導致水冷側冷凍水流量減小，冷水機組運行能耗隨之增加。因此，就系統整體而言，參數優化相對于方案優化可進一步節能8.4%。

圖9給出系統COP 隨階段1 和階段2 供水溫度的變化（其他參數為優化后的數值），觀察到系統COP 均隨冷凍水供水溫度的增加呈現先升高，后降低的趨勢。當階段1 冷凍水供水溫度在8.5℃～9℃之間以及階段2 供水溫度在9℃～9.5℃之間時，系統COP 達到最大值。

圖9 系統COP 隨階段1（2）供水溫度變化Fig.9 Variation of cop with water supply temperature in stage 1（2）

4 結論

本文搭建某冷源系統的TRNSYS 模型，在初始運行方案基礎上依次進行方案優化和參數優化，結果表明：

（1）水冷為主、風冷為輔且定水量的初始運行方案會浪費大量能量，大量冷凍水泵的電能被浪費，其系統能效比偏低（系統COP=3.32）。

（2）方案優化后，風冷和水冷各臺機組能耗之和變化不大，水泵、風機等輔助設備能耗降低幅度均超過50%，系統能效比顯著升高（系統COP=3.85）；參數優化后，水冷機組能耗略有升高，其它設備能耗均進一步降低，系統COP 升至4.20。通過該冷源系統優化控制方法優化后，系統各設備和系統的能耗明顯降低，整體運行效率明顯提高，節能顯著。

（3）冷源系統最優參數組合為：階段1 供水溫度8.87℃，階段2 供水溫度9.46℃，冷凍水回水溫度14.88℃，冷卻泵頻率31.88Hz，冷卻塔風機頻率37.92Hz。