黃莉，范瑞祥，楊永標(biāo)，陳璐，潘本仁

(1.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210000;2.國(guó)網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330000)

一種面向傳統(tǒng)水冷式中央空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)能效優(yōu)化控制方法

黃莉1，范瑞祥2，楊永標(biāo)1，陳璐1，潘本仁2

(1.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210000;2.國(guó)網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330000)

公共樓宇中央空調(diào)耗能高、季節(jié)性強(qiáng)、可調(diào)潛力大，是目前用戶(hù)側(cè)能源管理與能效提升的主要研究對(duì)象。針對(duì)傳統(tǒng)水冷式中央空調(diào)的主機(jī)系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了中央空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)的能效優(yōu)化方法，提出了基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能效在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制相結(jié)合的優(yōu)化方法，分析了主機(jī)系統(tǒng)及分設(shè)備的能效評(píng)價(jià)指標(biāo)，并建立了中央空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)的能效優(yōu)化控制模型，且詳細(xì)構(gòu)建了能效動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制全過(guò)程;最后通過(guò)蘇州商業(yè)樓宇的實(shí)證案例，分析了試點(diǎn)期間各類(lèi)天氣下的平均削負(fù)荷情況及綜合節(jié)能量，據(jù)估綜合節(jié)能量可降耗約8%～10%。

水冷式中央空調(diào);主機(jī)系統(tǒng);能效優(yōu)化;能效比;優(yōu)化模型

0 引言

當(dāng)今嚴(yán)峻的能源形勢(shì)已引發(fā)全球各國(guó)的密切關(guān)注，在全力尋求新型能源形式和轉(zhuǎn)化技術(shù)同時(shí)，更需全力提升能源利用效率，促進(jìn)節(jié)能減排。當(dāng)前建筑能耗的比例逐年遞增，已突破25%，其中樓宇建筑中空調(diào)的能耗約占60%以上，夏季高峰負(fù)荷時(shí)，空調(diào)用能達(dá)城市負(fù)荷的1/3?？照{(diào)系統(tǒng)的能效優(yōu)化是整個(gè)樓宇節(jié)能降耗乃至整個(gè)城市的能源優(yōu)化利用都至關(guān)重要［1－2］。

樓宇建筑中的中央空調(diào)通常都按照最大冷負(fù)荷設(shè)計(jì)，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中空調(diào)系統(tǒng)絕大多數(shù)時(shí)間都是處于部分負(fù)荷狀態(tài)。特別是傳統(tǒng)水冷式中央空調(diào)，空調(diào)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行在低負(fù)荷工作狀態(tài)，熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定容量下的運(yùn)行效率，過(guò)度冗余造成極大的能源浪費(fèi)［3］。中央空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)耗能約占50%，冷凍冷卻水泵耗能約占30%，節(jié)能優(yōu)化空間較大［4］。因此有必要針對(duì)主機(jī)系統(tǒng)的能效優(yōu)化進(jìn)行研究，通過(guò)優(yōu)化中央空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行模式、搜尋機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行工況，在實(shí)現(xiàn)能量供需匹配自動(dòng)調(diào)節(jié)的同時(shí)，大幅度地降低中央空調(diào)系統(tǒng)能耗。

本文針對(duì)公共樓宇中的傳統(tǒng)水冷式中央空調(diào)的主機(jī)系統(tǒng)開(kāi)展能效優(yōu)化方法研究，首先研究了中央空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)的能效優(yōu)化方法，分析了其能效評(píng)價(jià)指標(biāo)并建立其能效優(yōu)化控制模型，接著重點(diǎn)研究了其能效優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程，最后通過(guò)實(shí)證案例分析了能效優(yōu)化提升效果。

1 中央空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)能效優(yōu)化方法研究

1.1 能效優(yōu)化評(píng)測(cè)指標(biāo)

參照美國(guó)采暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)的制冷機(jī)能效評(píng)價(jià)制，用于中央空調(diào)制冷系統(tǒng)實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)的能效評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括以下幾項(xiàng):

(1)空調(diào)主機(jī)的能效比

(2)冷凍水泵的能效比

(3)冷卻泵的能效比

(4)制冷系統(tǒng)的能效比

式中Q為空調(diào)主機(jī)制冷量或制熱量，Pchill為空調(diào)主機(jī)機(jī)組功率，Pchp為冷凍水泵功率，Qc式中為冷卻水泵交換的總熱量，Pcp為冷卻泵的電功率，其中Q及Qc通過(guò)冷凍水泵和冷卻水泵的流量和進(jìn)回水溫差計(jì)算獲得。

1.2 能效優(yōu)化控制模型

本文所構(gòu)建的模型考慮影響主機(jī)系統(tǒng)能耗的主要運(yùn)行參數(shù)，將末端人為、環(huán)境、及建筑物本體等因素統(tǒng)一反應(yīng)為冷負(fù)荷需求變化。優(yōu)化目標(biāo):

各組成部分的功率模型:

式中i表示第i臺(tái)主機(jī)或水泵，Cp為水的定壓比熱(4.2*103J/(kg·k))，ρ為水的密度，G為冷凍/卻水流量，T1為冷凍水出水溫度，T2為冷凍水回水溫度，T3為冷卻水出水溫度，T4為冷卻水回水溫度，H為冷凍/卻水泵揚(yáng)程，η為冷凍/卻水泵工作點(diǎn)效率，g為冷凍/卻水泵流量揚(yáng)程系數(shù)。

此外，空調(diào)主機(jī)冷凍水的回水溫度是由主機(jī)冷凍水出水溫度、流量及末端的負(fù)荷交換需求決定，冷卻水的回水溫度由冷卻水的出水溫度、流量及冷卻塔熱負(fù)荷交換能力決定，因此可以表示為:

空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)能效優(yōu)化的尋優(yōu)控制量為T(mén)1，T3，Gchp，Gcp。

受主機(jī)制冷能力及壓縮機(jī)運(yùn)行條件的限值，約束條件包含:

1.3 能效優(yōu)化方法

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)中央空調(diào)的能效優(yōu)化展開(kāi)了優(yōu)化算法研究［5－8］，通過(guò)對(duì)優(yōu)化算例的分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型比傳統(tǒng)的二次模型更具靈活性，但因其不能微分而使用受限，遺傳算法是一種基于“適者生存”的高度并行、隨機(jī)和自適應(yīng)的全局優(yōu)化的概率搜索算法，因此本文選取遺傳優(yōu)化算法:

(1)依據(jù)2.2節(jié)中的公式(5)～(10)進(jìn)行遺傳群體編碼構(gòu)建;

(2)初始化種群，目標(biāo)值的適應(yīng)度調(diào)整，控制量的初始化范圍選取，一般結(jié)合額定值及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)值;

(3)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置，來(lái)源于空調(diào)系統(tǒng)的固定值參數(shù)及實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù);

(4)種群評(píng)價(jià)，遺傳群體的自適應(yīng)度函數(shù)構(gòu)建，依據(jù)公式(11)的約束條件引入懲罰項(xiàng)，進(jìn)行變異、劣質(zhì)個(gè)體的篩除，保證下代遺傳的優(yōu)良性。

(5)目標(biāo)值判別，結(jié)束種群優(yōu)化、輸出最優(yōu)控制量。

1.4 能效優(yōu)化控制過(guò)程

本文提出中央空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)的能效優(yōu)化控制過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)在線(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化過(guò)程，主要涵蓋設(shè)備用能分析與監(jiān)測(cè)、能效動(dòng)態(tài)優(yōu)化計(jì)算、控制策略生成與執(zhí)行幾大部分，具體如圖1及圖2所示?？照{(diào)主機(jī)系統(tǒng)多數(shù)時(shí)間處于用能分析與監(jiān)測(cè)狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備能效及異常用能狀況，如圖1所示。空調(diào)系統(tǒng)在剛啟動(dòng)時(shí)，冷負(fù)荷需求遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的制冷量供應(yīng)，系統(tǒng)多處于額定容量運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)空調(diào)系統(tǒng)處于高效運(yùn)行狀態(tài)，隨著空調(diào)工作時(shí)間的延長(zhǎng)冷負(fù)荷需求的降低，空調(diào)系統(tǒng)能效指標(biāo)下降，開(kāi)始啟動(dòng)能效優(yōu)化控制過(guò)程，如圖2所示。

圖1 用能分析與監(jiān)測(cè)過(guò)程圖

圖2 能效動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制過(guò)程圖

2 中央空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)能效優(yōu)化案例

蘇州某大樓總建筑面積約8萬(wàn)平方米，包含餐飲、住宿、娛樂(lè)多服務(wù)類(lèi)型，24時(shí)營(yíng)業(yè)。空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)包括4臺(tái)主機(jī)(2臺(tái)400 kW離心式冷水機(jī)組、2臺(tái)255.9 kW螺桿式冷水機(jī)組)，8臺(tái)冷凍水泵(55 kW泵6臺(tái)、22 kW泵2臺(tái))，4臺(tái)冷卻水泵(55 kW泵3臺(tái)、30 kW泵1臺(tái))。

針對(duì)該空調(diào)系統(tǒng)的能效優(yōu)化試點(diǎn)時(shí)間為2013年7－9月。根據(jù)空調(diào)的天氣敏感性及以往空調(diào)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將天氣分為高溫天氣、正常天氣及涼爽天氣，表1為試點(diǎn)期間各項(xiàng)控制策略的執(zhí)行情況統(tǒng)計(jì)。

如表1所示，主機(jī)能耗占比大，優(yōu)化空間也最大;更換或關(guān)閉小主機(jī)，可提升主機(jī)運(yùn)行效率降低能耗，據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析主機(jī)負(fù)荷80%的時(shí)候，能效比最高，低于60%時(shí)，機(jī)組性能急速下降;在不影響用戶(hù)舒適度情況降低主機(jī)出水溫度可顯著降低電功率;更換或關(guān)閉水泵，也可提升水泵運(yùn)行效率降低能耗;水泵的流量對(duì)能耗的影響非常顯著，據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析當(dāng)水泵流量減少25%時(shí)，能耗降低約45%;同時(shí)降低流量可提高主機(jī)的出回水溫差，提高主機(jī)系統(tǒng)能效。

表1 中央空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)能效優(yōu)化統(tǒng)計(jì)

圖3為三類(lèi)天氣狀況下的平均降負(fù)荷情況統(tǒng)計(jì)，其中各條基線(xiàn)為依靠往年同類(lèi)型天氣空調(diào)運(yùn)維數(shù)據(jù)推測(cè)得到，能效優(yōu)化曲線(xiàn)為依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到。表2為綜合節(jié)能量統(tǒng)計(jì)，按以往運(yùn)行習(xí)慣預(yù)測(cè)空調(diào)的總耗電量約為850 000 kWh，空調(diào)電量削減量約為79 000 kWh，降低能耗9.3%左右;對(duì)各個(gè)時(shí)段的節(jié)能量進(jìn)行評(píng)估，平均降能區(qū)間在8% ～10%之間。

表2 7－9月空調(diào)能效綜合節(jié)能量結(jié)果

圖3 各類(lèi)天氣的空調(diào)負(fù)荷平均優(yōu)化情況

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)樓宇中央空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行能效優(yōu)化研究以達(dá)到削峰降荷、提升能源利用效率、節(jié)能減排的目的。文中提出了基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的能效在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制相結(jié)合的優(yōu)化方法，構(gòu)建了主機(jī)系統(tǒng)及分設(shè)備的能效評(píng)價(jià)指標(biāo)及中央空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)的能效優(yōu)化控制模型，并詳細(xì)分析了能效優(yōu)化的操作全過(guò)程。以蘇州某樓宇的空調(diào)系統(tǒng)實(shí)證為例，分析了試點(diǎn)期間的優(yōu)化控制策略、負(fù)荷平均優(yōu)化情況、綜合節(jié)能量等，試點(diǎn)期間該系統(tǒng)平均降能8% ～10%，綜合降能9.3%。

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An Optim ization ControlMethod for Energy Efficiency of TraditionalWater-cooled Central Air-Conditioning Host System s

HUANG Li1，F(xiàn)AN Rui-xiang2，YANG Yong-biao1，CHEN Lu1，PAN Ben-ren2

(1.State Grid NARITechnology Development Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu210000，China;2.State Grid Jiangxi Province Electric Power Research Institute，Nanchang Jiangxi330000，China)

Central air-conditioning in public buildings，with its high energy consumption，obvious seasonal characteristics and high potential adjustability，is amajor research subject in the field of user-side energymanagementand energy efficiency improvement.For the host system of traditional water-cooled central air-conditioning，this paper discusses the method for optimizing its energy efficiency，presents an optimizationmethod combining real-time onlinemonitoring of energy efficiency and dynamic optimization control，analyzes energy efficiency evaluation indicators for the host system and subsets，establishes an energy efficiency optimization controlmodel for the host system of central air conditioning，and constructs in detail the whole control process for dynamic optimization of energy efficiency.Finally，using commercial buildings in Suzhou as an empirical example，it analyses average load cutting and comprehensive energy saving under various weather conditions during the experimental period.As estimated，the comprehensive consumption reduction can reach 8%～10%.

water-cooled central air-conditioning;host system;energy efficiency optimization;energy efficiency ratio;optimization model

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.029

TM925

A

1000－3886(2015)06－0090－03

定稿日期:2015－01－08

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目2013BAA01B01;國(guó)家電網(wǎng)公司2012年科技項(xiàng)目:以電網(wǎng)低碳化為特征的智能電網(wǎng)綜合集成技術(shù)研究與示范。

黃莉(1985－)，女，江蘇徐州人，碩士，工程師，主要研究方向:電力需求與智能能源管理。