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。
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。
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)。
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
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
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 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 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 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。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
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
5 結(jié)論