周瑞芳 龔德建 朱繩杰 張成宇 諸葛陽(yáng) 麻建超 陳九法*

1 東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

2 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

隨著地源熱泵與蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)被越來(lái)越多地應(yīng)用在公共建筑空調(diào)系統(tǒng)中[1-3]，有必要針對(duì)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，使其更具有經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性。采用單一參數(shù)很難全面客觀地反映地源熱泵與蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的價(jià)值[4-5]。目前應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要有網(wǎng)絡(luò)層次分析法，灰色關(guān)聯(lián)法，遺傳粒子群算法與模糊評(píng)價(jià)法[6-9]。本文采用模糊C-均值聚類（FCM）算法建立了多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，研究地源熱泵與蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化。模糊評(píng)價(jià)是將多個(gè)特征參數(shù)，通過(guò)賦值權(quán)重，納入同一個(gè)體系中進(jìn)行優(yōu)化的模型。模糊評(píng)價(jià)體系各個(gè)參數(shù)之間存在不確定的關(guān)聯(lián)。復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)中的參數(shù)，并不相互獨(dú)立，有些不能進(jìn)行定量計(jì)算，因此采用模糊評(píng)價(jià)體系和模糊C-均值聚類優(yōu)化算法進(jìn)行復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1 研究方法

1.1 物理模型

實(shí)際工程案例為南京市某商業(yè)綜合體，總建筑面積為127807 m2。主要功能為汽車庫(kù)商業(yè)、商務(wù)辦公、酒店式公寓等。商業(yè)面積32366 m2，辦公面積26662 m2，酒店式公寓面積27072 m2，地下車庫(kù)與設(shè)備用房面積41707 m2。商業(yè)綜合體夏季空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為6.54 MW，冬季空調(diào)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為4.50 MW。商業(yè)綜合體全年空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間按供暖期11 月20～3 月15日，制冷期為6 月25～9 月17 日，辦公空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為7:00～19:00，商業(yè)區(qū)域?yàn)?:00～21:00，酒店式公寓為1:00～24:00。商業(yè)區(qū)域酒店式公寓空調(diào)系統(tǒng)工作日、節(jié)假日正常運(yùn)行，辦公區(qū)域內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)工作日運(yùn)行。商業(yè)綜合體全年空調(diào)冷熱負(fù)荷累計(jì)值為8209 MWh。

為了研究地源熱泵與蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化，構(gòu)造6 大類別共計(jì)20 種空調(diào)系統(tǒng)：

1）S1-水冷機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)。

2）蓄冰槽+水冷機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng),當(dāng)蓄能率為20%～40%時(shí)：S2-20%，S3-25%，S4-30%，S5-35%，S6-40%。

3）蓄水池+水冷機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)，當(dāng)蓄能率為20%～40%時(shí)：S7-20%，S8-25%，S9-30%，S10-35%，S11-40%。

4）蓄水池+地源熱泵系統(tǒng)，當(dāng)蓄能率為20%～50%時(shí)：S12-20%，S13-30%，S14-40%，S15-50%。

6）S20-空氣源熱泵+多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)。

對(duì)每個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的多個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，組成一個(gè)多維空間的點(diǎn)集，每一個(gè)點(diǎn)代表一種空調(diào)系統(tǒng)形式，每一個(gè)點(diǎn)都是多維向量。選擇特征差異較大的C 個(gè)空調(diào)系統(tǒng)作為聚類核心，將點(diǎn)集分為C 類，每個(gè)類別之內(nèi)的點(diǎn)具有相近的特征，在最優(yōu)的點(diǎn)集選出最優(yōu)的點(diǎn)，對(duì)地源熱泵與蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化研究。

1.2 數(shù)學(xué)模型

為了將m 個(gè)不同的空調(diào)系統(tǒng)的n 個(gè)特征參數(shù)納入一個(gè)模糊評(píng)價(jià)體系中進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，規(guī)定了前提條件：

1）公共建筑空調(diào)系統(tǒng)有明確的運(yùn)行時(shí)間表。

2）所有的空調(diào)系統(tǒng)形式提供的冷熱量滿足使用要求。

3）所有的空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)控制滿足使用要求。

4）忽略不同的空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)溫度的影響。

由表1可知，白泥的主要成分是SiO2和Al2O3，其含量分別高達(dá)68.46%和12.98%，二者通過(guò)堿液浸出獲得可溶性硅源和鋁源，能夠替代傳統(tǒng)分子篩合成過(guò)程中需要的化工原料。

5）地源熱泵系統(tǒng)滿足土壤熱平衡條件。

模糊綜合評(píng)價(jià)體系如下：n 個(gè)特征參數(shù)的權(quán)重向量為Wn=(r1，r2，...，rn)，m 個(gè)空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成的特征參數(shù)集為Sm=(Y1，Y2，...，Ym)，對(duì)于任意一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)Yj，構(gòu)成特征參數(shù)優(yōu)度集yj=(y1j，y2j，...，ynj)。

模糊C-均值聚類算法是將m 個(gè)空調(diào)系統(tǒng)分為C類，確定C 個(gè)聚類中心，每個(gè)聚類中心為Vn=(v1，v2，...，vn)，每一類之內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)差異盡可能小，類與類之間的空調(diào)系統(tǒng)差異盡可能大。使目標(biāo)函數(shù)取最小值，目標(biāo)函數(shù)計(jì)算公式如下：

約束條件：

ρ 為模糊因子，取ρ=2.0。

dij為第j 個(gè)空調(diào)系統(tǒng)Yj與聚類中心的歐氏距離，計(jì)算公式如下：

uij為第j 個(gè)空調(diào)系統(tǒng)Yj屬于第i 類的隸屬度值，計(jì)算公式如下：

由于歐氏距離與隸屬度值計(jì)算存在相互嵌套的情形，采用迭代的方法計(jì)算。首先選定初始聚類中心，計(jì)算式（6）～（12），然后更新聚類中心，新的聚類中心的計(jì)算公式：

設(shè)定迭代終止條件，假如存在ε>0，使||Jk+1-Jk||<ε成立或者達(dá)到最大迭代次數(shù)K，則輸出結(jié)果，否則重新計(jì)算式（1）～（8）。

2 特征參數(shù)與權(quán)重

空調(diào)系統(tǒng)9 個(gè)特征參數(shù)：初投資指標(biāo)（Y1）、年運(yùn)行費(fèi)用（Y2）、壽命周期年總費(fèi)（Y3）、由地源熱泵提供的冷熱量比例（Y4）、轉(zhuǎn)移高峰負(fù)荷率（Y5）、一次能源消耗量（Y6）、碳排放量指標(biāo)（Y7）、環(huán)境噪音（Y8）、熱島效應(yīng)（Y9）。

空調(diào)系統(tǒng)特征參數(shù)權(quán)重見(jiàn)表1[10]：

表1 空調(diào)系統(tǒng)特征參數(shù)權(quán)重

3 模擬計(jì)算結(jié)果

3.1 空調(diào)系統(tǒng)特征參數(shù)模擬計(jì)算

模擬計(jì)算每個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的特征參數(shù)，S1～S20系統(tǒng)特征參數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2：

表2 S1～S20 系統(tǒng)特征參數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果

3.2 地源熱泵與蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)多參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

利用模糊C-均值聚類算法對(duì)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化，按3 類進(jìn)行分類，初始聚類核心為C1，C2，C3，為了使初始聚類核心差異足夠大，聚類核心C1取S1～S4的平均值，C2取S11～S15的平均值，C3取S16～S20的平均值。經(jīng)過(guò)30 次迭代，得到S1～S20系統(tǒng)歸屬于不同類別的隸屬模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，S1～S20系統(tǒng)分類結(jié)果見(jiàn)表4：

表3 S1～S20 系統(tǒng)歸屬于不同類別的隸屬度模擬計(jì)算結(jié)果

表4 S1～S20 系統(tǒng)分類結(jié)果

由于C1

4 分析與討論

4.1 蓄能率對(duì)地源熱泵與蓄能復(fù)合系統(tǒng)的影響

進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化研究發(fā)現(xiàn)，蓄能率在蓄能系統(tǒng)中的影響較小。在案例建筑中S2～S11均設(shè)置了蓄冷系統(tǒng)，與沒(méi)有設(shè)置蓄冷系統(tǒng)的S1與S20相比，不具備明顯的優(yōu)勢(shì)。南京市峰谷電價(jià)差較小，模擬計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)節(jié)省的電費(fèi)有限。因?yàn)樾钅苈试礁撸罾溲b置的初投資與折舊費(fèi)越高，機(jī)房占用的面積較大，機(jī)房土建成本也較高，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高。綜合多方面因素考慮，蓄能率在復(fù)合系統(tǒng)中的影響弱化了很多。案例建筑蓄能率與初投資，年運(yùn)行費(fèi)用，全壽命周期年總費(fèi)的關(guān)系具體見(jiàn)圖1：

圖1 蓄能率與初投資、年運(yùn)行費(fèi)用、全壽命周期年總費(fèi)的關(guān)系

4.2 由可再生能源提供的冷熱量比例對(duì)地源熱泵與蓄能復(fù)合系統(tǒng)的影響

進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化研究發(fā)現(xiàn)，由可再生能源提供的冷熱量比例對(duì)復(fù)合系統(tǒng)的影響較大。案例建筑夏季累計(jì)冷量大于冬季累計(jì)熱量，有一部分夏季冷量是在冷卻塔運(yùn)行的狀態(tài)下提供，這一部分冷量不屬于由可再生能源提供的冷量。由再生能源提供的冷熱量比例為76%時(shí)，復(fù)合系統(tǒng)服務(wù)的空調(diào)面積為100%。多參數(shù)優(yōu)化結(jié)果顯示由可再生能源提供的冷熱量比例為76%、蓄能率為43.57%時(shí)，與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，雖然初投資增加7.4%，但是年運(yùn)行費(fèi)用降低35.6%、壽命周期年總費(fèi)降低29.0%、一次能源消耗量與碳排放降低10%。案例建筑當(dāng)由可再生能源提供的冷熱量比例與初投資、年運(yùn)行費(fèi)用、全壽命周期年總費(fèi)關(guān)系見(jiàn)圖二：

圖2 由可再生能源提供的冷熱量比例與初投資年運(yùn)行費(fèi)用、全壽命周期年總費(fèi)的關(guān)系

5 結(jié)論

1）在公共建筑中合理采用地源熱泵與蓄能復(fù)合系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟(jì)效°C，能源效°C與環(huán)境效°C。案例建筑中，由可再生能源提供的冷熱量比例為76%，蓄能率為45.73%時(shí)地源熱泵與蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)具有最優(yōu)的綜合效°C。

2）在公共建筑中采用地源熱泵與蓄能復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化研究很有必要。案例建筑中，多參數(shù)優(yōu)化研究之后的地源熱泵與蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，雖然初投資增加7.4%，但是年運(yùn)行費(fèi)用降低35.6%、壽命周期年總費(fèi)降低29.0%、一次能源消耗量與碳排放降低10%，地源熱泵與蓄能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)具有較大的工程應(yīng)用前景。