基于在線辨識(shí)中央空調(diào)優(yōu)化運(yùn)行模擬

文_陳錦華 福建省合道建筑設(shè)計(jì)有限公司

集中空調(diào)系統(tǒng)能耗在大型公共建筑的建筑能耗中占25%～60%，而制冷機(jī)房系統(tǒng)的能耗占集中空調(diào)系統(tǒng)能耗的50%～80%。本文作者開發(fā)基于在線辨識(shí)中央空調(diào)優(yōu)化運(yùn)行模擬軟件，用于提升制冷系統(tǒng)的整體COP值，從而降低中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

1 中央空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)備模型建立

1.1 冷水機(jī)組模型建立

冷水機(jī)組是中央空調(diào)水系統(tǒng)的心臟，其運(yùn)行能效COP與冷凍水出水溫度、冷凍水回水溫度、冷卻水進(jìn)水溫度、冷卻水回水溫度、冷凍水流量、冷卻水流量及負(fù)荷率有關(guān)。在變質(zhì)變流量的工況下，通過對(duì)大量其相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)表值進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘分析，找出它們之間對(duì)應(yīng)關(guān)系：

式中 B0-B23—系數(shù)；T1—冷凍水出水溫度；T2—冷凍水回水溫度；T3—冷卻水進(jìn)水溫度；T4—冷卻水回水溫度；Q—冷負(fù)荷；P1—冷水機(jī)組輸入功率。

1.2 水泵模型建立

水泵是空調(diào)水系統(tǒng)的動(dòng)力輸送設(shè)備，其輸入功率與水泵流量、揚(yáng)程、頻率、效率有關(guān)，其數(shù)學(xué)模型為多項(xiàng)式表示。只要有大量其相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)表值，經(jīng)過大數(shù)據(jù)挖掘分析，找出它們之間對(duì)應(yīng)關(guān)系式：

其中 A0-A2—系數(shù)；G2—冷凍水泵流量；P2—冷凍水泵輸入功率。C0-C2—系數(shù)；G3—冷卻水泵流量；P3—冷卻水泵輸入功率。

1.3 冷卻塔模型建立

冷卻塔風(fēng)機(jī)與冷水機(jī)組的耦合參數(shù)是冷凝器的進(jìn)水溫度，應(yīng)考慮如何利用冷卻塔有效提高散熱效率，降低冷卻塔出水溫度，有利于冷水機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行。冷幅即為冷卻塔出水溫度與環(huán)境空氣濕球溫度之差，冷幅越小，冷卻塔出水溫度越低。在變工況下，通過對(duì)大量其相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)表值進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘分析，找出它們之間對(duì)應(yīng)關(guān)系式：

式中 D0-D2—系數(shù)；T?—冷幅；Ts—冷卻塔的濕球溫度。E0-E3—系數(shù)；G3—冷卻水泵流量；P4—冷卻塔風(fēng)機(jī)輸入功率。

2 中央空調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

2.1 目標(biāo)函數(shù)建立

高效制冷機(jī)房的目標(biāo)為制冷機(jī)房?jī)?nèi)冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔的功率和最小，即系統(tǒng)COP值最大。目標(biāo)函數(shù)：Max(系統(tǒng)COP)=Q/(P1+P2+P3+P4)邊界條件：T3≥冷水機(jī)組允許最低進(jìn)水溫度；T2-T1≤10；T4-T3≤10；水泵最低變頻頻率f≥30Hz。

2.2 目標(biāo)函數(shù)求解

根據(jù)以上公式，通過大數(shù)據(jù)挖掘分析算法即可求出中央空調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)解。①擬合模型輸出：模型的輸出的預(yù)測(cè)特征變量包括B0-B24、A0-A2、C0-C2、D0-D2。②差分進(jìn)化模型輸入：讀取參數(shù)擬合結(jié)果B0-B24、A0-A2、C0-C2、D0-D2作為目標(biāo)函數(shù)的確定參數(shù)，種群的規(guī)模、進(jìn)化迭代次數(shù)、交叉概率以及差分縮放因子等控制參數(shù)。③差分進(jìn)化模型輸出：優(yōu)化總功率最小值P、Max(系統(tǒng)COP)、冷凍水流量、冷卻水量、及對(duì)應(yīng)的決策變量T1、T2、T3與T4。

3 中央空調(diào)水系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)實(shí)例

某商場(chǎng)利用華電源全年負(fù)荷軟件計(jì)算出的逐項(xiàng)逐時(shí)冷負(fù)荷，由于篇幅關(guān)系摘抄一部分的冷負(fù)荷，見表1。

表1

經(jīng)過動(dòng)態(tài)模擬軟件設(shè)備數(shù)據(jù)擬合參數(shù)表見表3-表6。

表3 冷水機(jī)組系數(shù)（制冷工況）

表4 冷凍水泵系數(shù)

表5 冷卻水泵系數(shù)

表6 冷卻塔系數(shù)擬合

由表2～6可知，對(duì)設(shè)備P1、P2、P3、P4進(jìn)行參數(shù)擬合后的評(píng)價(jià)指標(biāo)MAPE都在5%以內(nèi)，說明對(duì)參數(shù)B0-B23、A0-A2、C0-C2、D0-D2、E0-E2的擬合效果較好。

表2 根據(jù)負(fù)荷選擇設(shè)備表

在冷水機(jī)組允許進(jìn)水溫度的情況下，利用冷卻塔的散熱能力盡可能降低冷卻塔的出水溫度（自動(dòng)計(jì)算，前數(shù)據(jù)）與冷水機(jī)組和冷卻塔“一對(duì)一”模式（后數(shù)據(jù)）分別優(yōu)化計(jì)算。

綜上所述，對(duì)指定計(jì)算公式下參數(shù)B0-B23、A0-A2、C0-C2、D0-D3進(jìn)行擬合是可行的方法。而在得到擬合參數(shù)后，利用差分進(jìn)化算法對(duì)總功率P進(jìn)行求解，可以快速、準(zhǔn)確地收斂到一個(gè)近似最優(yōu)解。從表7可以看出，本軟件可對(duì)全年負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化模擬計(jì)算且絕大部分時(shí)間的系統(tǒng)COP在5.5以上，說明本軟件可求解系統(tǒng)的最優(yōu)解。對(duì)比表7，在其他因數(shù)一樣的情況下，冷卻塔的出水溫度越低，系統(tǒng)的COP越大。

表7 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果表如下

4 結(jié)語

①中央空調(diào)水系統(tǒng)的水泵是變頻運(yùn)行的，因各型號(hào)水泵的性能曲線不同，水泵在變頻過程中，其揚(yáng)程不同，同時(shí)考慮水泵間互為備用（可減少備用機(jī)），因此建議并聯(lián)水泵選擇同一型號(hào)。

②因變頻冷水機(jī)組節(jié)能效果明顯，目前大型中央空調(diào)系統(tǒng)均選擇變頻冷水機(jī)組。考慮到同型號(hào)的冷水機(jī)組冷凝器側(cè)及蒸發(fā)器側(cè)的壓降損失相同，而且冷水機(jī)組間可互為備用，因此建議并聯(lián)變頻冷水機(jī)組選擇同一型號(hào)。

③目前項(xiàng)目上大多采用冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻，即便冷卻塔風(fēng)機(jī)電耗會(huì)減少，但因冷凝器冷卻水側(cè)外部環(huán)境得到改善，冷水機(jī)組電耗的減少量比冷卻塔風(fēng)機(jī)電耗的減少量要大得多。總的來說，就是有效提高了冷卻塔效率，低投入高回報(bào)，中央空調(diào)水系統(tǒng)效率提高。

④以上計(jì)算模型經(jīng)驗(yàn)公式僅對(duì)某廠家某類型某系列的設(shè)備適用，不同廠家不同類型的設(shè)備需做局部調(diào)整，使其模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的偏差率控制在5%以內(nèi)。