自然供冷空調(diào)系統(tǒng)冷卻水動態(tài)流量控制策略研究

曾曉慶 晉欣橋 杜志敏

自然供冷空調(diào)系統(tǒng)冷卻水動態(tài)流量控制策略研究

曾曉慶 晉欣橋 杜志敏

上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院

利用瞬態(tài)仿真軟件Trnsys建立簡化的電子廠房自然供冷空調(diào)系統(tǒng)模型，以全局系統(tǒng)能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，提出了空調(diào)冷卻水系統(tǒng)動態(tài)流量分配策略。最后，與固定流量控制策略進(jìn)行對比，驗(yàn)證了基于系統(tǒng)能耗的冷卻水動態(tài)流量分配策略的節(jié)能性更好。

自然供冷控制策略能耗

0 引言

電子廠房空調(diào)系統(tǒng)有別于一般的空調(diào)系統(tǒng)，需要全年供冷。在冬季或者過渡季節(jié)，外界的低溫環(huán)境剛好可以用來消除部分甚至全部空調(diào)負(fù)荷，這為系統(tǒng)節(jié)能提供了良好的自然條件。即當(dāng)室外氣象參數(shù)滿足一定的條件時(shí)，理論上可以采用冷卻塔供冷（又稱自然供冷），考慮到機(jī)組能耗是空調(diào)系統(tǒng)能耗的主要組成部分，采用自然供冷可以減少機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，從而達(dá)到節(jié)能目的。

JC Hensley[1]提出冷卻塔自然供冷的節(jié)能潛力很大程度上依賴于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和設(shè)備的選擇。馬最良[2]等模擬了冷卻塔供冷系統(tǒng)在全國七個(gè)典型城市的應(yīng)用情況。孫敏生、王旭輝[3]等針對冷卻塔供冷的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了分析。馬最良、孫宇輝[4]等研究了影響冷卻塔供冷系統(tǒng)能耗的因素并進(jìn)行了分析。何克青[5]等提出了自然供冷率的概念，并分析了影響自然供冷率的因素。

本文以上海地區(qū)某電子廠房空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，以系統(tǒng)全局能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，提出了冷卻水動態(tài)流量分配策略，進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能的目的。

1 研究對象

本文的研究對象是一個(gè)位于上海的典型電子廠房空調(diào)系統(tǒng)。電子廠房建筑的冷負(fù)荷來源分為三個(gè)部分，生產(chǎn)設(shè)備負(fù)荷，人員負(fù)荷及外部環(huán)境負(fù)荷。整個(gè)電子廠房的空調(diào)面積為7500m2，冬夏季空調(diào)的室內(nèi)設(shè)計(jì)工況相同，均為干球溫度25±5℃，相對濕度50%±5%?？照{(diào)系統(tǒng)配備5臺離心式冷水機(jī)組，各臺的容量相同均為2793kW，每臺機(jī)組冷凍水和冷卻水的設(shè)計(jì)流量分別為130kg/s和133kg/s；系統(tǒng)共配備了5臺冷卻塔，每臺冷卻塔包含4臺額定功率為15kW的風(fēng)扇。

水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在夏季，冷凍水回水不通過板式換熱器直接流向制冷機(jī)組；在冬季和過渡季節(jié)時(shí)，當(dāng)室外氣象條件滿足自然供冷條件時(shí)，冷凍水先通過板式換熱器進(jìn)行預(yù)冷，負(fù)荷不足的部分再由機(jī)組承擔(dān)。

圖1 電子廠房自然供冷系統(tǒng)水系統(tǒng)示意圖

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可被分為三種模式：完全自然供冷模式（MODE 1）；機(jī)組+冷卻塔聯(lián)合供冷模式（MODE 2）；機(jī)組單獨(dú)供冷模式（MODE 3）。每種運(yùn)行模式對應(yīng)的冷卻水流向如圖2所示。當(dāng)機(jī)組的運(yùn)行模式為MODE 1時(shí)，冷卻水全部進(jìn)入板換與冷凍水換熱，機(jī)組關(guān)閉；當(dāng)機(jī)組的運(yùn)行模式為MODE 2時(shí)，冷卻水部分進(jìn)入板換與冷凍水換熱，降低蒸發(fā)器側(cè)的進(jìn)水溫度，部分進(jìn)入機(jī)組冷凝器；當(dāng)機(jī)組的運(yùn)行模式為MODE 3時(shí)，冷卻水全部進(jìn)入機(jī)組冷凝器。

圖2 電子廠房自然供冷系統(tǒng)的三種運(yùn)行模式

系統(tǒng)運(yùn)行模式的控制是由冷卻塔出水溫度Tct,out、用戶側(cè)回水溫度Tret,1、冷水機(jī)組供水溫度設(shè)定值Tsup,set及冷凍水回水經(jīng)過板式換熱器換熱后的溫度Tret,2決定的。控制邏輯如圖3所示。

圖3 電子廠房自然供冷系統(tǒng)運(yùn)行模式控制邏輯圖

該控制邏輯根據(jù)室外氣象參數(shù)（干球溫度Tdb、濕球溫度Twb）、用戶側(cè)的回水溫度Tret,1以及由冷卻塔和板式換熱器預(yù)測模型預(yù)測出的冷卻塔出水溫度Tct,out和冷卻水經(jīng)板式換熱器換熱后出水溫度Tret,2。當(dāng)Tret,1＞Tct,out時(shí)，說明利用冷卻塔和板式換熱器可以降低冷水機(jī)組的回水溫度，即減少冷水機(jī)組的負(fù)荷，因此可以達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)Tsup,set＞Tret,1t時(shí)，說明利用冷卻塔和板式換熱器完全可以替代冷水機(jī)組供冷，即可進(jìn)入完全自然供冷模式MODE 1。若Tret,1＜Tct,out時(shí)，即無法利用冷卻塔降低冷水機(jī)組的回水溫度，此時(shí)進(jìn)入機(jī)組單獨(dú)供冷模式MODE3。

在完全自然供冷模式MODE 1和機(jī)組單獨(dú)供冷模式MODE 3時(shí)，冷卻塔的冷卻水出水流量控制相對簡單，要么完全流向板式換熱器，要么完全流向冷水機(jī)組。而在聯(lián)合供冷模式MODE 2時(shí)，冷卻水出水流量控制比較復(fù)雜。若流向板式換熱器的流量增加，板式換熱器獲得的冷量增加，減少了冷水機(jī)組的負(fù)荷，進(jìn)而減少冷水機(jī)組的能耗；然而，流向板式換熱器的流量增加就意味著流向冷水機(jī)組的流量減少，冷水機(jī)組的冷凝壓力就會增加，冷水機(jī)組的COP就會降低，這又增加了冷水機(jī)組的能耗。因此，合理地調(diào)節(jié)冷卻水的流向板式換熱器和機(jī)組的流量，可以達(dá)到最佳的節(jié)能效果。

2 冷卻水流量分配控制策略

2.1系統(tǒng)能耗目標(biāo)方程

自然供冷空調(diào)系統(tǒng)的水側(cè)能耗設(shè)備有水泵、壓縮機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)。為了最大限度地利用環(huán)境中的冷量，冷卻塔的4臺風(fēng)機(jī)保持全部開啟，因此可以認(rèn)為冷卻塔風(fēng)機(jī)的能耗是固定的。流向板換的冷卻水流量變化不僅影響壓縮機(jī)的能耗同時(shí)也影響著水泵的能耗，然而對整個(gè)系統(tǒng)而言，水泵的能耗變化較小，整個(gè)系統(tǒng)的能耗Psystem主要還是取決于壓縮機(jī)的功耗Pcomp,i，因此能耗目標(biāo)方程可最終簡化為如下所示：

2.2 冷卻水流量動態(tài)分配控制策略

通過前面分析可知，在滿足用戶側(cè)負(fù)荷需求的條件下，冷卻水的流量分配存在一個(gè)最佳的值使得整個(gè)系統(tǒng)的能耗最小。假設(shè)冷卻水流向板式換熱器的流量比例為x，而使得整個(gè)系統(tǒng)能耗最小的x值由冷卻水流量動態(tài)分配控制優(yōu)化控制器給定，設(shè)計(jì)的動態(tài)分配優(yōu)化控制器邏輯如圖4所示。

冷卻水流量動態(tài)分配控制器通過變流量板式換熱器模型預(yù)測出冷卻水和冷凍水經(jīng)過板式換熱器換熱后的出口溫度，再由機(jī)組模型預(yù)測出冷水機(jī)組的COP及壓縮機(jī)的能耗。通過Fibonacci優(yōu)化算法獲取使得整個(gè)系統(tǒng)能耗最低時(shí)的分配比例x。

圖4 動態(tài)比例分配優(yōu)化控制器邏輯圖

由于x值的變化將引起下一時(shí)刻冷卻塔的進(jìn)水溫度的變化，進(jìn)而影響冷卻塔的出水水溫，并對下一時(shí)刻系統(tǒng)的能耗產(chǎn)生影響。因此，為了防止冷卻塔出水水溫的劇烈變化，應(yīng)將x的值限定在一定的范圍內(nèi)。冷卻塔出水水溫預(yù)測模型用于預(yù)測冷卻塔出水溫度，得到的結(jié)果作為約束條件，限定x的取值范圍。同時(shí)還應(yīng)考慮冷凝器的冷凝壓力，用冷凝溫度作為約束條件，防止冷凝器壓力過低。

3 預(yù)測模型與優(yōu)化算法

3.1冷卻塔出水溫度預(yù)測模型

冷卻塔利用水和空氣，通過蒸發(fā)作用散去制冷空調(diào)所產(chǎn)生的熱量。在冷卻塔結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的情況下，冷卻塔的換熱量主要與室外空氣的濕球溫度、冷卻塔的水流量等因素有關(guān)。這意味著冷卻塔的出水溫度主要與室外空氣的濕球溫度Twb、通過冷卻塔的水流量Mct、冷卻塔的進(jìn)水溫度Tct,in等因素有關(guān)[6]，即

通過冷卻塔供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)對系數(shù)a0、a1、a2、a3進(jìn)行回歸，得到的系數(shù)如表1所示。

表1 冷卻塔出口水溫預(yù)測模型參數(shù)表

3.2機(jī)組模型

在冷凍水量和冷卻水量一定的情況下，由于冷凍水供回水溫差和冷卻水供回水溫差的變化都是與機(jī)組部分負(fù)荷率相關(guān)聯(lián)的，因此，用機(jī)組的部分負(fù)荷率PLR可以基本表述機(jī)組COP的變化情況。在冷卻水量變化的情況下，僅僅用PLR預(yù)測機(jī)組的COP是不夠的。由于機(jī)組的能耗與制冷量、冷凍水的出口溫度及冷卻水的進(jìn)口溫度Tcdin有關(guān)[7]。

由于蒸發(fā)器出口溫度即為用戶側(cè)供水溫度Tsup,set，該溫度由用戶側(cè)確定，可認(rèn)為是固定值。同時(shí)將冷卻水流量Mcd變化引起的影響考慮進(jìn)去，因此，

通過冷水機(jī)組供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)對系數(shù)c0、c1、c2、c3、c4、c5進(jìn)行回歸，得到系數(shù)如表2所示。

表2 機(jī)組COP預(yù)測模型相關(guān)參數(shù)

3.3變流量工況下的換熱器模型

在計(jì)算系統(tǒng)的能耗時(shí)，需要確定蒸發(fā)器進(jìn)口處的冷凍水溫度，即冷凍水經(jīng)過換熱器換熱之后溫度Tret,2。當(dāng)電子廠房空調(diào)系統(tǒng)處于機(jī)組與冷卻塔聯(lián)合供冷模式時(shí)，進(jìn)入板式換熱器與冷凍水進(jìn)行換熱的冷卻水流量是變化的。此時(shí)，若仍然采用傳統(tǒng)的換熱器模型，由于其忽略了兩側(cè)流量變化對對流傳熱系數(shù)的影響，則會造成系統(tǒng)能耗計(jì)算方面的誤差。因此，需要建立一個(gè)能反映變流量工況下系統(tǒng)特性的換熱器模型。

可利用相對傳熱系數(shù)來反映變流量工況下傳熱系數(shù)的變化。相對傳熱系數(shù)的定義為變流量工況下的實(shí)際傳熱系數(shù)與設(shè)計(jì)工況下的傳熱系數(shù)之比[8]。

式中：α1和α2是實(shí)際情況下一次側(cè)和二次側(cè)對流換熱系數(shù)分別與設(shè)計(jì)工況下對應(yīng)的對流換熱系數(shù)的比值；e是設(shè)計(jì)工況下一次側(cè)與二次側(cè)換熱系數(shù)的比值，可由實(shí)驗(yàn)或者生產(chǎn)廠家數(shù)據(jù)獲得（本文根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，取e=0.85）。

求取Tret,2及相關(guān)的換熱器傳熱過程參數(shù)可由式（5）～（11）獲取：

式中：CC表示冷卻水側(cè)的水當(dāng)量；CH表示冷凍水側(cè)的水當(dāng)量；Mcc、Mch分別為當(dāng)前通過換熱器的冷卻水流量和冷凍水流量；Cpw為水的比熱容；Qhex為換熱器當(dāng)前的換熱量。

3.4Fibonacci優(yōu)化算法和罰函數(shù)法

由于每一時(shí)刻的冷卻塔出水溫度值Tct,out和用戶側(cè)回水溫度值Tret,1可由溫度傳感器測得，因此影響整個(gè)系統(tǒng)能耗的變量只有x的值。x的值的搜索區(qū)間為[0,1]，系統(tǒng)能耗目標(biāo)方程即為其對應(yīng)的優(yōu)化函數(shù)。在區(qū)間[0,1]上選取兩個(gè)初始點(diǎn)x1和x2，x1和x2是關(guān)于區(qū)間[0,1]的對稱點(diǎn)：

若f(x1)≤f(x2)，則極小點(diǎn)在[0,x2]上，x1為保留點(diǎn)；若f(x1)＞f(x2)，則極小點(diǎn)在[0,x1]上，x2為保留點(diǎn)。通過不斷的收縮區(qū)間，可最終獲得最小值點(diǎn)。

目標(biāo)函數(shù)中的各參數(shù)可由模型計(jì)算或是預(yù)測出，考慮到相應(yīng)的約束條件，可通過在目標(biāo)函數(shù)中加入罰函數(shù)可將尋優(yōu)過程變成無約束條件下的尋優(yōu)，優(yōu)化函數(shù)表達(dá)式應(yīng)為：

式中：σ為懲罰因子；Tcd,min為冷凝器所允許的最低壓力對應(yīng)的冷凝溫度；T'cd,out為x對應(yīng)的下一時(shí)刻的冷卻塔出水溫度預(yù)測值，為了確保冷卻塔出水溫度短時(shí)間無劇烈波動，限定預(yù)測值與當(dāng)前值的差值在1℃以內(nèi)。

取x的收斂精度為0.01，則根據(jù)Fibonacci數(shù)列可知，F(xiàn)n+1=144，F(xiàn)n-1=55，經(jīng)過11次迭代計(jì)算后可得最小值對應(yīng)的x值。

4 控制策略的仿真驗(yàn)證與結(jié)果分析

本文對自然供冷空調(diào)系統(tǒng)冷卻水動態(tài)流量控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真驗(yàn)證試驗(yàn)是在基于TRNSYS開發(fā)的電子廠房自然供冷空調(diào)水系統(tǒng)動態(tài)仿真器上進(jìn)行的[5]。本文選取了上海地區(qū)11月15日的氣象數(shù)據(jù)分別對采用固定流量分配策略（x=0、0.5、1）的系統(tǒng)和采用動態(tài)流量分配策略的系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

圖5為11月15日的室外氣象參數(shù)，圖6為電子廠房的冷負(fù)荷。工廠的空調(diào)工作時(shí)間為早上8點(diǎn)到晚上8點(diǎn)。

圖5 室外氣象參數(shù)（11.15）

圖6系統(tǒng)負(fù)荷（11.15）

圖7 為采用動態(tài)流量分配策略得出的最佳分配比例示意圖（其中x為冷卻塔出水流向板換的比例）。圖8為采用不同流量分配策略時(shí)的系統(tǒng)能耗對比圖。

圖7 最佳流量配比

圖8 不同流量分配控制策略系統(tǒng)能耗對比

由圖8，x=1時(shí)采用機(jī)組單獨(dú)供冷，此時(shí)雖可以滿足系統(tǒng)的冷負(fù)荷，但卻未有效地利用環(huán)境中的冷量；x=0.5時(shí)則既能滿足系統(tǒng)負(fù)荷同時(shí)也能部分利用環(huán)境冷量，比x=1時(shí)更加節(jié)能。而與固定流量分配策略相比，采用動態(tài)流量分配策略可以更有效地減小系統(tǒng)能耗，15日系統(tǒng)的節(jié)能率可達(dá)17%。而x=0時(shí)，即所有的系統(tǒng)負(fù)荷由板換承擔(dān)，此時(shí)機(jī)組不開，系統(tǒng)能耗雖然最低，但卻無法滿足系統(tǒng)的能耗，無法滿足用戶側(cè)回水溫度的需求，如圖9所示。

圖9 x=0時(shí)的用戶側(cè)回水溫度

進(jìn)一步選取11月16日、17日的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)（固定分配策略只取x=0.5），發(fā)現(xiàn)采用動態(tài)流量分配策略分別可節(jié)省系統(tǒng)能耗23%、22%。因此，對于需要常年供冷電子廠房，利用冷卻塔自然供冷進(jìn)行節(jié)能改造時(shí)，可采用動態(tài)流量分配控制策略，在滿足系統(tǒng)負(fù)荷的同時(shí)，進(jìn)一步地節(jié)能降耗。圖10為11月15日至17日采用不同流量分配策略時(shí)系統(tǒng)能耗對比圖。

圖10 采用不同分配策略時(shí)系統(tǒng)能耗對比（11.15～11.17）

5 結(jié)論

本文在仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于系統(tǒng)能耗最低的動態(tài)流量分配策略，用于電子廠房自然供冷空調(diào)系統(tǒng)的冷卻塔出水流量控制。仿真試驗(yàn)表明，采用此動態(tài)流量分配策略，可以有效地減少系統(tǒng)能耗，節(jié)能效果明顯。

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Study on Cooling Wa te r Flow Control Stra te gy of Ele c tronic Pla nt HVAC Sys te m w ith Fre e Cooling

ZENG Xiao-qing,JIN Xin-qiao,DU Zhi-min
School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University

A simplified model of electronic plant HVAC system with free cooling was build based on TRNSYS platform.In order to minimize the power consumption of the system,a cooling water flow control strategy was presented and validated.The test results show that it can save more energy than the fixed flow strategies.

free cooling,control strategy,power consumption

1003-0344（2014）06-001-5

2013-9-22

曾曉慶（1989～），女，碩士研究生；上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院（200240）；E-mail:yiyunwhite@sjtu.edu.cn