基于次優(yōu)化解群的冷凍水泵組全年能耗評(píng)價(jià)方法*

劉金平 盧智濤 劉雪峰，? 邢孔祖 麥粵幫

（1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué)廣東省能源高效清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；3.廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510500）

基于次優(yōu)化解群的冷凍水泵組全年能耗評(píng)價(jià)方法*

劉金平1，2盧智濤1劉雪峰1，2，3?邢孔祖1麥粵幫3

（1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué)廣東省能源高效清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；3.廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510500）

對(duì)冷凍水泵組能耗提出一種次優(yōu)化的全年能耗評(píng)價(jià)方法，并根據(jù)此評(píng)價(jià)方法使用一種經(jīng)優(yōu)化的隨機(jī)走步法進(jìn)行水泵型號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)；通過實(shí)例計(jì)算分析了控制壓差、額定流量對(duì)全年能耗特性的影響，并對(duì)不同變頻控制方式進(jìn)行了比較.結(jié)果表明：使用隨機(jī)走步法進(jìn)行次優(yōu)化尋優(yōu)在對(duì)傳統(tǒng)優(yōu)化方法的局部最優(yōu)與收斂性問題上表現(xiàn)較好，由負(fù)荷率分布不同所造成的系統(tǒng)全年總能耗差異可達(dá)50%以上，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行能耗評(píng)估時(shí)必須考慮全年負(fù)荷率分布；控制旁通回路壓差較大、額定流量較小的系統(tǒng)，低能耗區(qū)域更寬，中能耗區(qū)域也相應(yīng)較寬，各負(fù)荷率下能耗偏離系統(tǒng)的極限最低能耗較遠(yuǎn)，能耗評(píng)價(jià)較寬松；在大部分情況下，隨著額定總流量或控制壓差的增加，使用同步變頻控制變得有利.

中央空調(diào)；冷凍水泵組；能耗評(píng)價(jià)方法；次優(yōu)化；多變量尋優(yōu)

中央空調(diào)是現(xiàn)代建筑中不可或缺的一部分，是營(yíng)造舒適工作環(huán)境、保證正常生產(chǎn)、提高工作效率的重要保障；但是與此同時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)消耗了大量能源.各類資料數(shù)據(jù)顯示，中央空調(diào)系統(tǒng)能耗占公共建筑能耗的30%～65%不等［1-6］.其中，冷凍水系統(tǒng)占中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總能耗的20%，而冷凍水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行能耗占到了中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗的30%～40%［7］，占空調(diào)總能耗的很大一部分.冷凍水系統(tǒng)作為中央空調(diào)制冷主機(jī)與空調(diào)末端用戶側(cè)的橋梁，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響中央空調(diào)制冷主機(jī)的能效與空調(diào)用戶的舒適度.因此，在滿足空調(diào)系統(tǒng)正常工作的情況下，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能潛力挖掘成為能源工作者的重要工作之一.然而，由于中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上與使用上的個(gè)性化差異，難以使用一種統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià).文中以冷凍水系統(tǒng)水泵組能耗作為中央空調(diào)系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)的切入點(diǎn)，嘗試以全年能耗為目標(biāo)，提出一種基于次優(yōu)化的能耗區(qū)域評(píng)價(jià).

由于中央空調(diào)系統(tǒng)需要長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行，使用過程中系統(tǒng)設(shè)備不能輕易改變，而實(shí)際使用的情況可能變化較大，全年運(yùn)行中空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行的時(shí)間一般不超過10%，大部分時(shí)間在低于80%的負(fù)荷率下工作.使用多臺(tái)冷凍水泵并聯(lián)運(yùn)行能較好地匹配不同工況下的負(fù)荷要求，是中央空調(diào)中水系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)［8］.在中央空調(diào)系統(tǒng)建造或節(jié)能改造中，對(duì)水泵組中各水泵的選型往往是一次性的，不能像出水溫度、旁通設(shè)定壓差等變量可進(jìn)行重復(fù)多次調(diào)節(jié)，這對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求. Durmus等［9］較全面地探討了各類提高水泵工作效率的方法，并給出了各類方法的經(jīng)濟(jì)性分析.劉金平等［10］對(duì)中央空調(diào)水系統(tǒng)管網(wǎng)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算模擬，成功地對(duì)某辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能改造.紀(jì)曉華、李小芳等［11-12］則在明確水泵設(shè)計(jì)參數(shù)下，提出了水泵選型應(yīng)用軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)方法.準(zhǔn)確的節(jié)能潛力評(píng)價(jià)是建筑節(jié)能運(yùn)行與改造的基本依據(jù)，評(píng)價(jià)方法可分為后評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，后評(píng)價(jià)方法就是根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)過去一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，而預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)則是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)未來的節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并以此為依據(jù)研究空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行控制策略，主要可以利用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真計(jì)算，雖然能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)來進(jìn)行預(yù)測(cè)，但往往忽略了氣候條件的隨機(jī)性和室內(nèi)負(fù)荷變化的隨機(jī)性對(duì)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果的影響［13］.李蓉［14］利用簡(jiǎn)化模型從理論上推導(dǎo)出冷凍水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，水泵參數(shù)的選擇原則，認(rèn)為中央空調(diào)水系統(tǒng)并聯(lián)冷凍水泵流量及揚(yáng)程的選取應(yīng)以滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的參數(shù)為準(zhǔn)，同時(shí)校核單機(jī)運(yùn)行時(shí)的水泵工況以保證所有工況點(diǎn)均在高效區(qū).Schwedler、Bahnfleth等［15-16］對(duì)一次水泵在變頻與定頻運(yùn)行下，各自對(duì)主機(jī)性能的影響進(jìn)行分析，認(rèn)為一次水泵變頻更為節(jié)能.Tuan等［17］學(xué)者認(rèn)為，傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)要滿足所有人的熱舒適性要求是很困難的，送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度、風(fēng)速、出空氣角等都直接影響人的舒適性，區(qū)域空調(diào)熱舒適性評(píng)價(jià)機(jī)制（RACM）的建立有利于空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和節(jié)能運(yùn)行.啟發(fā)式優(yōu)化計(jì)算方法，如遺傳算法和粒子群優(yōu)化在處理各種工程優(yōu)化問題時(shí)具有良好的收斂性和可靠性，研究發(fā)現(xiàn)NrGA和NrPSO算法應(yīng)用在中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，比傳統(tǒng)的GA和PSO算法具有更高的可靠性［18］.關(guān)達(dá)可等［19］把模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)應(yīng)用到冷凍水泵變頻控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，認(rèn)為將模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合能夠克服各自的局限性.沈艷等［20］將粒子群優(yōu)化算法與遺傳算法進(jìn)行比較，認(rèn)為粒子群優(yōu)化算法在尋優(yōu)效率上好于遺傳算法.段海濱等［21］分別對(duì)蟻群算法、微粒群算法、人工免疫算法以及人工魚群算法這4類仿生優(yōu)化算法進(jìn)行了比較研究，認(rèn)為此類算法的收斂性、收斂速度、局部最優(yōu)以及魯棒性分析理論仍需解決.針對(duì)冷凍水泵組水泵型號(hào)尋優(yōu)問題的離散性，以及嚴(yán)重的局部最優(yōu)等特點(diǎn)，本研究嘗試使用隨機(jī)走步法進(jìn)行尋優(yōu).

文中對(duì)中央空調(diào)冷凍水泵組能耗進(jìn)行分析，提出基于全年能耗的新評(píng)價(jià)方法.同時(shí)對(duì)冷源端實(shí)際管網(wǎng)進(jìn)行模擬，以隨機(jī)走步法對(duì)水泵組型號(hào)進(jìn)行優(yōu)化，探討不同負(fù)荷分布下水泵組系統(tǒng)的能耗規(guī)律.

1 冷凍水系統(tǒng)水力模型分析

1.1 冷凍水管網(wǎng)模型

文中以異程布置的冷凍水系統(tǒng)冷源端管網(wǎng)為研究對(duì)象，其管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 冷凍水系統(tǒng)冷源端管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Pipe network topology of the cold source side in the chilled water system

根據(jù)冷凍水系統(tǒng)冷源端管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，管網(wǎng)內(nèi)各冷凍水泵及各制冷主機(jī)依次從1～n進(jìn)行編號(hào)，依次標(biāo)記為BPa1-b1、BPa2-b2、BPa3-b3、BPa4-b4、BPa5-b5、BPa6-b6、BPa7-b7、BPa8-b8、BPc1-d1、BPc2-d2、BPc3-d3、BPc4-d4、BPc5-d5、BPc6-d6、BPc7-d7和BPc8-d8，相鄰冷凍水泵及各制冷主機(jī)進(jìn)水管節(jié)點(diǎn)的連接干管標(biāo)記為：MPa1-a2、MPa2-a3、MPa3-a4、MPa4-a5、MPa5-a6、MPa6-a7和MPa7-a8及MPc1-c2、MPc2-c3、MPc3-c4、MPc4-c5、MPc5-c6、MPc6-c7和MPc7-c8，相鄰冷凍水泵及各制冷主機(jī)出水管節(jié)點(diǎn)的連接干管標(biāo)記為：MPb1-b2、MPb2-b3、MPb3-b4、MPb4-b5、MPb5-b6、MPb6-b7和MPb7-b8及MPd1-d2、MPd2-d3、MPd3-d4、MPd4-d5、MPd5-d6、MPd6-d7和MPd7-d8，每個(gè)冷凍水泵及制冷主機(jī)的支路管路都包含了各種閥門及連接管道等元件.

根據(jù)劉雪峰等［22-23］對(duì)中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)水力模型建構(gòu)的研究，基于冷凍水管路的比摩阻，可以直觀地進(jìn)行空調(diào)水系統(tǒng)管路水力計(jì)算［24-26］.其中央空調(diào)冷凍水冷源端管網(wǎng)運(yùn)行特性仿真運(yùn)算模型方程組如下.

總體方程組：

干管管路部分方程組：

主機(jī)組部分方程組：

其中，n=1，2…，i.

旁通回路約束條件方程組：

（1）Gbypass＞0時(shí)，有

（2）Gbypass=0時(shí)，有

Δpbypass_act≤Δpbypass_set.

上述方程組中各變量意義如表1所示.

1.2 水泵組計(jì)算模型

為了進(jìn)行水泵組型號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，文中針對(duì)市面上超過300款不同型號(hào)的水泵進(jìn)行數(shù)字化擬合［22］，單臺(tái)水泵流量覆蓋范圍為1～1 500m3/h，揚(yáng)程覆蓋范圍為1～130m，建立水泵性能曲線數(shù)據(jù)庫(kù).水泵組模型方程組如下：

上述方程組中各變量名意義如表2所示.

表1 冷凍水冷源端管網(wǎng)運(yùn)行特性仿真過程中各變量的意義Table 1 Meaning of the variables in the characteristics simulation of cold source side network of the chilled water system performance

表2 水泵組模型方程組中各變量的意義Table 2 Meaning of the variables of equation system in the pumps group operationmodel

1.3 能耗結(jié)算模型

將全年的不同負(fù)荷工況分為若干離散工況，將此若干工況下的能耗使用該負(fù)荷下的時(shí)間頻數(shù)進(jìn)行加乘運(yùn)算.假設(shè)系統(tǒng)主機(jī)冷凍水進(jìn)出口溫差不變，則該系統(tǒng)負(fù)荷率與系統(tǒng)冷凍水用戶側(cè)流量呈線性關(guān)系，即中央空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷率與冷凍水泵組負(fù)荷率相等.該系統(tǒng)全年能耗為

其中，tm為系統(tǒng)在負(fù)荷率m下的運(yùn)行時(shí)數(shù)，Pm為冷凍水泵組系統(tǒng)在負(fù)荷率m下的能耗，Wyearly為冷凍水泵組系統(tǒng)的全年總能耗.文中以冷凍水泵組全年總能耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出一種次優(yōu)化的能耗區(qū)域化評(píng)價(jià)方法.

2 能耗區(qū)域化分析

2.1 全年能耗次優(yōu)化分析

中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化中涉及的變量十分龐大，同時(shí)變量存在離散性、突變性等特點(diǎn)，使用傳統(tǒng)最優(yōu)求解方法難以得到很好的結(jié)果，文中放棄以最優(yōu)解為目標(biāo)的評(píng)價(jià)方法，探索次優(yōu)方法在能耗評(píng)價(jià)中的使用.

該次優(yōu)方法在冷凍水泵組的選型中具體描述為：由于同時(shí)對(duì)系統(tǒng)在所有負(fù)荷率下的全年能耗進(jìn)行最優(yōu)求解的優(yōu)化效果不理想，所以弱化對(duì)各個(gè)負(fù)荷率下的最優(yōu)化要求為次優(yōu)化要求，從而在各個(gè)負(fù)荷率下形成一定的次優(yōu)化區(qū)域.不同的弱化條件形成不同的次優(yōu)化能耗區(qū)域，弱化程度的大小決定了能耗區(qū)域的大小，同時(shí)決定了全負(fù)荷率下系統(tǒng)型號(hào)的可選性與求解的穩(wěn)健性.

2.2 建立能耗解群

能耗區(qū)域化分析是一種基于大量仿真模擬系統(tǒng)全年能耗數(shù)據(jù)的能耗評(píng)價(jià)方法.由于系統(tǒng)物理特性、使用情況等個(gè)體差異巨大，若對(duì)不同系統(tǒng)間能耗參數(shù)進(jìn)行直接的橫向比較，則極易導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)偏差.文中提出的區(qū)域化分析方法則是根據(jù)各系統(tǒng)自身進(jìn)行模擬運(yùn)算.在對(duì)中央空調(diào)冷凍水泵組全年能耗運(yùn)算中，通過改變多個(gè)變量的組合（如水泵組中各水泵的型號(hào)），獲得大量系統(tǒng)變量與能耗之間關(guān)系的數(shù)據(jù).對(duì)大量的能耗數(shù)據(jù)的分布進(jìn)行分析，并據(jù)此建立一定的規(guī)則對(duì)能耗的分布進(jìn)行區(qū)域化評(píng)價(jià)，從而得到不同區(qū)域化評(píng)價(jià)要求下的能耗解群，了解個(gè)別變量搭配下的節(jié)能空間，對(duì)實(shí)際中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制、節(jié)能改造進(jìn)行較客觀的指導(dǎo).

水泵型號(hào)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)存在離散性、不連續(xù)、多變量、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，是中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的典型難題.文中以冷凍水泵組水泵型號(hào)優(yōu)化選型為例，使用隨機(jī)走步法求解解群空間.

2.3 能耗差控制裕度

由于對(duì)水泵組的選型優(yōu)化必須考慮所有負(fù)荷率下的各種工況，而能耗的計(jì)算每次只能針對(duì)某單一的負(fù)荷率，而對(duì)單獨(dú)負(fù)荷率下進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算也顯然不能滿足優(yōu)化全年能耗的要求.因此，對(duì)各個(gè)負(fù)荷率下工況的選型優(yōu)化都不能僅僅使用最優(yōu)化計(jì)算，只能使用次優(yōu)化的解群評(píng)價(jià).

假設(shè)Tk（Tk=｛tk，1，tk，2…tk，n｝，為含有n臺(tái)泵的泵組）為第k次計(jì)算時(shí)的泵型組合，其中tk，n為組內(nèi)第n臺(tái)水泵的型號(hào)序號(hào).若可選泵型最大序號(hào)為i，則tk，n?［1，i］.可通過水力計(jì)算模型對(duì)每一Tk求出對(duì)應(yīng)組合下，負(fù)荷率為m時(shí)的對(duì)應(yīng)能耗Pk，m.對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)走步優(yōu)化中所得所有Tk的集合定義為該負(fù)荷下的解群.文中為將此解群進(jìn)行次優(yōu)化，引入能耗差控制裕度這一概念.

在此規(guī)定某負(fù)荷率下解群的能耗差控制裕度為經(jīng)篩選后次優(yōu)解群中最大能耗相比較最小能耗高出的百分比，即

式中，Gall，m為負(fù)荷率為m時(shí)對(duì)應(yīng)的全解群，Gsub，m為負(fù)荷率為m時(shí)對(duì)應(yīng)的次優(yōu)解群，Sm為該次優(yōu)解群的能耗差控制裕度.

由于全年負(fù)荷的不均勻性，對(duì)不同負(fù)荷下使用同一能耗差控制裕度明顯不合理.例如，10%負(fù)荷率的解群使用的能耗差控制裕度對(duì)于100%負(fù)荷率的解群明顯不適用，而全年出現(xiàn)20%的負(fù)荷率對(duì)應(yīng)的解群能耗差控制裕度也不應(yīng)該與全年出現(xiàn)2%的負(fù)荷率對(duì)應(yīng)的解群一致.所以，文中提出使用全年負(fù)荷分布對(duì)各負(fù)荷下的能耗差控制裕度進(jìn)行修正，即

其中，m為負(fù)荷率為m下的時(shí)間頻數(shù)，Pm為負(fù)荷率m下消耗的功率，tm為負(fù)荷率m下的總運(yùn)行時(shí)間，tyearly為全年總運(yùn)行時(shí)間.

規(guī)定時(shí)間頻數(shù)、控制裕度與該負(fù)荷率下解群的最低能耗三者的積為常量，保證了對(duì)時(shí)間頻數(shù)不大、能耗不高的系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷工況下的選型更為寬裕，而時(shí)間頻數(shù)大、能耗較高的負(fù)荷下選型將更為嚴(yán)格，且各負(fù)荷率下的全年控制能耗差保持為一常量，符合解群穩(wěn)健性及負(fù)荷適應(yīng)性的要求.

2.4 冷凍水能耗區(qū)域化分析

針對(duì)某工況進(jìn)行隨機(jī)走步次優(yōu)求解釋，經(jīng)大量計(jì)算后將求解路徑進(jìn)行記錄分析，則可得出一系列負(fù)荷下各能耗區(qū)間內(nèi)可用水泵型號(hào)組合搭配數(shù)量的分布曲線.由于該數(shù)量分布曲線呈若干峰值，將各負(fù)荷率下最低能耗的型號(hào)頻數(shù)峰值點(diǎn)Ppeak，m（此對(duì)應(yīng)能耗簡(jiǎn)稱峰值能耗）進(jìn)行連接，可得該系統(tǒng)在全年各負(fù)荷下?lián)碛锌捎盟眠x型搭配最多的能耗曲線Ppeak（m），此曲線命名為頻數(shù)峰值能耗曲線.假設(shè)在頻數(shù)峰值能耗曲線上有足夠數(shù)量的可用水泵型號(hào)組合以供其余負(fù)荷率下組合進(jìn)行搭配，則可要求任意冷凍水泵組在各個(gè)負(fù)荷率下的能耗均不高于頻數(shù)峰值能耗曲線，即對(duì)于某一確定的負(fù)荷率分布曲線存在一組最小Sm，使得對(duì)于所用負(fù)荷率m，均存在Ppeak，m≤（1+Sm）·min（Pm）.其中對(duì)于出現(xiàn)頻數(shù)最高的負(fù)荷率有一能耗差控制裕度Smax，使Ppeak，max=（1+Smax）·min（Pmax）.由此Smax能得出一組面對(duì)全負(fù)荷率下的能耗差控制裕度，對(duì)于全負(fù)荷率則存在能耗曲線PS（m）=（1+Sm）·min（Pm）.對(duì)各負(fù)荷率下的最低能耗進(jìn)行連接得到曲線Plowest（m），能耗曲線Plowest（m）、Ppeak（m）與PS（m）將全負(fù)荷能耗空間分為了4個(gè)區(qū)域，在P=0與Plowest（m）之間的區(qū)域稱之為不可實(shí)現(xiàn)區(qū)域，系統(tǒng)即使進(jìn)行優(yōu)化后也無法實(shí)現(xiàn)在此區(qū)域的能耗；Plowest（m）與Ppeak（m）之間的區(qū)域稱之為低能耗區(qū)域，系統(tǒng)運(yùn)行在低于普遍選型的能耗之內(nèi)；Ppeak（m）與PS（m）之間的區(qū)域稱之為中能耗區(qū)域，定義PS（m）為中能耗區(qū)最大能耗曲線，說明系統(tǒng)雖運(yùn)行在高于普遍選型能耗的區(qū)域，但仍在可接受范圍；高于PS（m）的區(qū)域稱之為高能耗區(qū)域，系統(tǒng)亟需改善.

對(duì)于任意確定的能耗區(qū)域分布而言，最低能耗曲線代表了各負(fù)荷率下，經(jīng)優(yōu)化選型的最低能耗.由于各負(fù)荷率下的優(yōu)化選型不一定能滿足其他負(fù)荷率下的要求，所以最低能耗曲線只代表了各負(fù)荷率下經(jīng)優(yōu)化后的最低能耗，是系統(tǒng)的理想能耗.頻數(shù)峰值能耗曲線代表了在型號(hào)搭配次優(yōu)解群求解中，最接近最低能耗的選型數(shù)量的峰值.經(jīng)正態(tài)處理后，頻數(shù)峰值能耗曲線上的各點(diǎn)與各最低能耗之間，至少存在接近最低能耗側(cè)選型數(shù)量50%的可選型號(hào)數(shù)量，這是在保證選型數(shù)量的基礎(chǔ)上得出的能耗曲線，此曲線與最低能耗曲線之間的區(qū)域，即低能耗區(qū)域代表了解群中能耗的分布情況，范圍越小代表越多能耗接近最低能耗，而范圍越大則代表大部分選型遠(yuǎn)離最低能耗.對(duì)于一固有的系統(tǒng)，低能耗區(qū)域越窄越好.中能耗區(qū)最大能耗曲線代表了在保證各負(fù)荷率下選型頻數(shù)均不低于50%（即能耗不低于峰值能耗）時(shí)，各負(fù)荷率下能耗與最低能耗之差的全年累計(jì)能耗差相等情況下的能耗范圍.在此曲線之上，各負(fù)荷的選型數(shù)量均保證不低于50%，這樣就保證了型號(hào)選擇在全年負(fù)荷中的適用性；同時(shí)全年總能耗的偏差均相等，則充分地權(quán)衡了各負(fù)荷率下由于出現(xiàn)頻率不一造成的選型不公平，保證了負(fù)荷率分布變化不大的能耗情況，保證了系統(tǒng)全年能耗的穩(wěn)健性.

3 隨機(jī)走步優(yōu)化解群

在能耗區(qū)域化分析中需要求解次優(yōu)化解群，求解的方法多種多樣.水泵組選型優(yōu)化中，變量參數(shù)與目標(biāo)能耗之間存在高度的非線性關(guān)系而難以應(yīng)用傳統(tǒng)的解析式尋優(yōu)，而其他方法大多存在容易陷入局部最優(yōu)或計(jì)算量過大等缺陷.經(jīng)多番嘗試，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)走步法是較為理想的優(yōu)化方法.文中以經(jīng)優(yōu)化的隨機(jī)走步法為例，求解冷凍水泵組全年能耗的區(qū)域化分析.

水泵組型號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)的隨機(jī)走步尋優(yōu)模型大致如下.

求解容量為i的n臺(tái)水泵組型號(hào)解群S={T}i，其中：

使得目標(biāo)函數(shù)F（T）≤Favailable，F(xiàn)available為評(píng)價(jià)函數(shù)的約束值，且滿足其他約束條件.這里Ti為水泵組整體的型號(hào)組合，其中tn代表泵組內(nèi)每一臺(tái)泵的型號(hào).目標(biāo)函數(shù)F（T）是優(yōu)化問題的評(píng)價(jià)函數(shù)，如改造成本、運(yùn)行費(fèi)用等，由于設(shè)計(jì)必須滿足約束條件，所以目標(biāo)函數(shù)中必須考慮懲罰因子.在文中為水泵組運(yùn)行全年能耗與懲罰因子的綜合.

在運(yùn)算的開始階段首先建立一初始變量T1，第K+1步的變量TK+1由第K步的變量走步獲得，即

式中：λ為一與步長(zhǎng)相關(guān)的量，初始值為i/2；UK為一與走步方向相關(guān)的單位向量，其中：

式中，an為一個(gè)范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，則UK為模為1的單位方向向量.針對(duì)冷凍水泵組水泵型號(hào)組合尋優(yōu)這一特定問題，對(duì)隨機(jī)走步中的走步進(jìn)行優(yōu)化.以基點(diǎn)為中心，在隨機(jī)向各方向走步尋優(yōu)時(shí)，當(dāng)找到更優(yōu)點(diǎn)時(shí)，并不馬上把基點(diǎn)移動(dòng)到該點(diǎn)處，而是繼續(xù)按一定數(shù)量進(jìn)行走步搜尋，最后在所有更優(yōu)點(diǎn)中以最優(yōu)點(diǎn)為下一步的基點(diǎn).當(dāng)進(jìn)行規(guī)定數(shù)量的搜尋后，仍不能發(fā)現(xiàn)更優(yōu)點(diǎn)時(shí)，則對(duì)步長(zhǎng)進(jìn)行縮減，繼續(xù)進(jìn)行更仔細(xì)的搜索，直到滿足尋優(yōu)要求.將搜尋過程中的各可用點(diǎn)進(jìn)行記錄，作為走步尋優(yōu)的解群.

4 實(shí)例計(jì)算

4.1 基本計(jì)算條件

文中以容量在8臺(tái)以下的并聯(lián)水泵組作為計(jì)算分析對(duì)象.計(jì)算中以多臺(tái)水泵同步變頻加以變頻水泵開啟臺(tái)數(shù)控制與單臺(tái)水泵變頻加以工頻水泵開啟臺(tái)數(shù)控制兩種運(yùn)行調(diào)節(jié)方式為計(jì)算運(yùn)行調(diào)節(jié)方式.可選泵的型號(hào)共317款，分別編以1-317號(hào)泵.假設(shè)用戶側(cè)的控制供、回水壓差分別為50、300 kPa，用戶側(cè)額定冷凍水流量分別為500、1000m3/h.對(duì)此容量系統(tǒng)分別配以不同的負(fù)荷率分布，則可得出各自的能耗特性，分別針對(duì)兩種控制方式進(jìn)行比較.

文中將冷凍水泵組運(yùn)行一年下不同的負(fù)荷率等分為10份，分別對(duì)多類不同建筑的供冷負(fù)荷率進(jìn)行分析［24，27-30］，對(duì)其中3種具有特色的供冷負(fù)荷率分布進(jìn)行了重構(gòu)，重構(gòu)后全年負(fù)荷分布如圖2所示.

圖2 3個(gè)不同區(qū)域的全年負(fù)荷率分布曲線Fig.2 Distribution curves of annual load rates in 3 different area

圖2中的3組全年負(fù)荷率分布曲線分別取自深圳的某區(qū)域制冷、廈門某辦公樓以及廣州某辦公樓的中央空調(diào)系統(tǒng).由廈門某辦公樓的全年負(fù)荷分布曲線可見，低負(fù)荷率時(shí)間頻數(shù)高、中高負(fù)荷率時(shí)間頻數(shù)低，系統(tǒng)長(zhǎng)期處于低負(fù)荷運(yùn)行工況，在設(shè)計(jì)選型中應(yīng)當(dāng)更多考慮低負(fù)荷運(yùn)行的效率；由廣州某辦公樓的全年負(fù)荷分布曲線可見，中低負(fù)荷率時(shí)間頻數(shù)較高、高負(fù)荷率運(yùn)行時(shí)間頻數(shù)低，系統(tǒng)在額定負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)間極少，在設(shè)計(jì)選型當(dāng)中不宜過多考慮額定負(fù)荷下的工況；而深圳某區(qū)域制冷的全年負(fù)荷分布較前兩種情況均勻，在設(shè)計(jì)選型當(dāng)中則必選慎重考慮所有工況.使用能耗差控制裕度的概念能量化各負(fù)荷率影響設(shè)計(jì)選型的權(quán)重，為針對(duì)全年能耗進(jìn)行設(shè)計(jì)提供了可行性.

5.2 解群特性分析

由于水泵型號(hào)的離散性，以及水泵型號(hào)間性能曲線各異，使用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法極容易陷入局部最優(yōu)，或存在計(jì)算時(shí)間極長(zhǎng)甚至不收斂.文中回歸本源，對(duì)水泵型號(hào)按不同的工況要求重新排列，使用隨機(jī)走步法對(duì)冷凍水泵組水泵組型號(hào)搭配進(jìn)行優(yōu)化.其中額定流量為500m3/h、控制壓差為50 kPa的冷凍水系統(tǒng)，使用隨機(jī)走步法對(duì)系統(tǒng)水泵組能耗進(jìn)行優(yōu)化，負(fù)荷率為50%時(shí)得到其解群分布如圖3所示.

圖3 解群特性分布Fig.3 Characteristic of solution group

圖3反應(yīng)了計(jì)算過程中解群中能耗的分布規(guī)律.可以看出，水泵組系統(tǒng)以不同型號(hào)搭配運(yùn)行時(shí)，其總能耗的分布呈多峰值的特性.出現(xiàn)頻數(shù)越高的能耗，說明在此能耗之下可用的水泵組型號(hào)搭配越多.在出現(xiàn)頻數(shù)較高的區(qū)域，容易使傳統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算陷入局部最優(yōu).圖中的多峰值說明使用隨機(jī)走步法進(jìn)行多次走步運(yùn)算時(shí)，不僅僅能搜索出局部最優(yōu)能耗下的各個(gè)水泵組型號(hào)搭配，而且能夠跳出一個(gè)個(gè)局部最優(yōu)，搜索出下一個(gè)更為節(jié)能的搭配區(qū)域.在這個(gè)層面而言，使用隨機(jī)走步法解決水泵組型號(hào)搭配是一個(gè)可行的方法.

4.3 控制壓差對(duì)全年能耗特性的影響

對(duì)優(yōu)化過程中走步過程出現(xiàn)的重復(fù)搭配進(jìn)行篩選，對(duì)其最接近最低能耗的第一個(gè)峰值下所有搭配進(jìn)行保留，對(duì)其分布規(guī)律作正態(tài)化處理，則可對(duì)系統(tǒng)全負(fù)荷下的能耗進(jìn)行分析.

系統(tǒng)壓差旁通調(diào)節(jié)閥設(shè)定值為50和300 kPa時(shí)，系統(tǒng)使用單臺(tái)變頻控制，冷凍水泵組在全負(fù)荷率下的能耗特性如圖4、5所示.為統(tǒng)一計(jì)算及優(yōu)化能耗，運(yùn)算中變頻控制的旁通回路流量Gbypass=0，冷凍水管網(wǎng)供回水壓差等于旁通調(diào)節(jié)閥設(shè)定值.通過運(yùn)算，得出各負(fù)荷率下的最低能耗、接近最低能耗且出現(xiàn)頻率最高的峰值能耗以及各負(fù)荷分布下考慮能耗差控制裕度的各能耗分布中能耗區(qū)最高能耗，幾條曲線將能耗空間分為不可實(shí)現(xiàn)區(qū)域、低能耗區(qū)域、中能耗區(qū)域及高能耗區(qū)域.

圖4 控制壓差為50 kPa時(shí)500m3/h單臺(tái)變頻控制系統(tǒng)的能耗特性Fig.4 Energy consumption characteristics of500m3/h single frequency conversion control system with bypass pressure of50 kPa

比較不同的旁通回路控制壓差，控制壓差較大的系統(tǒng)低能耗區(qū)域更寬，導(dǎo)致中能耗區(qū)域也相應(yīng)較寬，說明在高旁通壓差系統(tǒng)中，不同的水泵型號(hào)選擇可能導(dǎo)致較大的能耗差別，同時(shí)也反映了在中能耗區(qū)域中的可選搭配更多，更容易出現(xiàn)滿足中能耗區(qū)域的型號(hào)搭配.相比較不同的負(fù)荷分布，出現(xiàn)頻數(shù)較低的負(fù)荷率相對(duì)能耗差控制裕度較大，如在模擬廈門某辦公樓的負(fù)荷分布中，明顯地在30%負(fù)荷率下，由于其極低的時(shí)間頻數(shù)，出現(xiàn)了巨大的能耗差控制裕度.這反映了在全年能耗出現(xiàn)較低的負(fù)荷率工況，對(duì)系統(tǒng)節(jié)能的要求相對(duì)較低，滿足能耗要求的設(shè)備選型可以更為多樣.

將各系統(tǒng)中各負(fù)荷率下的能耗以全年供冷時(shí)間4000h進(jìn)行全年能耗運(yùn)算，對(duì)各系統(tǒng)的最低能耗、選型數(shù)峰值能耗以及各負(fù)荷分配下的中能耗區(qū)最大能耗進(jìn)行比較，如圖6所示.

圖5 控制壓差為300 kPa時(shí)500m3/h單臺(tái)變頻控制系統(tǒng)的能耗特性Fig.5 Energy consumption characteristics of 500m3/h single frequency conversion control system with bypass pressure of300kPa

圖6 不同控制壓差下全年能耗的比較Fig.6 Comparison of annual energy consumption under different control pressures

對(duì)于上述兩個(gè)不同控制壓差的系統(tǒng)，在低負(fù)荷率運(yùn)行時(shí)間頻數(shù)較高的廈門某辦公樓的3個(gè)能耗區(qū)的能耗均為3種負(fù)荷率中的最低，同時(shí)在高負(fù)荷時(shí)間頻數(shù)較高的深圳某區(qū)域制冷系統(tǒng)則為3種負(fù)荷分布中的最高.全年能耗下，深圳某區(qū)域制冷系統(tǒng)較廈門某辦公樓在50 kPa與300 kPa控制壓差下的最低能耗分別高64%、57%，峰值能耗高61%、56%，中能耗區(qū)最大能耗高54%、62%.這說明對(duì)于同樣容量的系統(tǒng)，由于負(fù)荷率分布造成全年能耗的差異相當(dāng)大，在制定相關(guān)評(píng)價(jià)以及進(jìn)行節(jié)能改造評(píng)估時(shí)，必須根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際使用情況進(jìn)行考慮.

圖7為圖6中各能耗與對(duì)應(yīng)最低能耗的百分比.圖中，對(duì)比各自的最低能耗而言，當(dāng)控制壓差增大時(shí)，各能耗評(píng)價(jià)區(qū)域的相對(duì)寬度變大.在50 kPa下，峰值能耗平均比例寬度為14.2%，中能耗區(qū)最大能耗平均比例寬度為26.5%；在300 kPa下，峰值能耗平均比例寬度為18.7%，中能耗區(qū)最大能耗平均比例寬度為32.1%.這反映了在控制壓差升高時(shí)，不同型號(hào)組合的全年能耗分布范圍變廣，在對(duì)冷凍水泵組能耗評(píng)價(jià)時(shí)必須考慮到控制壓差的不同.

圖7 不同控制壓差下全年能耗的標(biāo)準(zhǔn)化比較Fig.7 Standard comparison of annual energy consumption under different control pressures

4.4 額定流量對(duì)全年能耗特性的影響

圖8反映了系統(tǒng)壓差旁通調(diào)節(jié)閥設(shè)定值為50 kPa，額定流量為1000m3/h下，系統(tǒng)使用單臺(tái)變頻控制，冷凍水泵組在全負(fù)荷率下的能耗特性.與圖4進(jìn)行對(duì)比，水泵組在不同負(fù)荷率下各負(fù)荷曲線在1000m3/h下更為緊湊，反映了隨著額定流量的增加，不同能耗分布及不同能耗區(qū)域各負(fù)荷率下能耗差異減小.

圖8 控制壓差50 kPa時(shí)1000m3/h單臺(tái)變頻控制系統(tǒng)的能耗特性Fig.8 Energy consumption characteristics of 1000m3/h single frequency conversion control system with bypass pressure of 50kPa

不同額定流量下全年能耗的比較如圖9所示.由圖9可見，對(duì)于上述兩個(gè)不同控制壓差的系統(tǒng)，在低負(fù)荷率運(yùn)行時(shí)間頻數(shù)較高的廈門某辦公樓的3個(gè)能耗區(qū)的能耗均為3種負(fù)荷率中的最低，同時(shí)在高負(fù)荷時(shí)間頻數(shù)較高的深圳某區(qū)域制冷系統(tǒng)則為3種負(fù)荷分布中的最高.全年能耗下，深圳某區(qū)域制冷系統(tǒng)較廈門某辦公樓在額定流量為500m3/h與1000m3/h下的最低能耗分別高64%、62%，在峰值能耗下高61%、61%，在中能耗區(qū)最大能耗下高54%、69%.

圖10為圖9中各能耗與對(duì)應(yīng)最低能耗的百分比.圖中，對(duì)比各自的最低能耗而言，當(dāng)額定流量增大時(shí)，各能耗評(píng)價(jià)區(qū)域的相對(duì)寬度變小.在500m3/h下，峰值能耗平均比例寬度為14.2%，中能耗區(qū)最大能耗平均比例寬度為26.5%；在1000m3/h下，峰值能耗平均比例寬度為12.8%，中能耗區(qū)最大能耗平均比例寬度為23.0%.這反映了在額定流量增大時(shí)，不同型號(hào)組合的全年能耗分布范圍變窄，在對(duì)冷凍水泵組能耗評(píng)價(jià)時(shí)必須考慮到控制壓差的不同.

圖9 不同額定流量下全年能耗的比較Fig.9 Comparison of annual energy consumption under different rated flows

圖10 不同額定流量下全年能耗的標(biāo)準(zhǔn)化比較Fig.10 Standard comparison of annual energy consumption under different rated flows

4.5 不同變頻控制方式的比較

對(duì)多臺(tái)同步變頻控制與單臺(tái)變頻控制的全年能耗進(jìn)行對(duì)比，不同額定參數(shù)的系統(tǒng)中，水泵組使用同步變頻控制與單臺(tái)變頻控制經(jīng)優(yōu)化選型搭配后的全年能耗比如表3所示.

由表3可見，在計(jì)算的各個(gè)系統(tǒng)中，除了在高流量高控制壓差的最低全年能耗外，其余系統(tǒng)使用優(yōu)化解群水泵選型同步變頻控制的全年能耗均比單臺(tái)變頻控制高，高出2%～21%不等.在高流量高控制壓差區(qū)域，由于同步變頻控制中每臺(tái)泵都接近工頻運(yùn)行，所以此處兩種控制方式差異不大.

表3 多臺(tái)同步變頻控制與單臺(tái)變頻控制全年能耗之比Table 3 Ratio of the annual energy consumption ofmulti synchronous frequency control and single frequency conversion control

解群的性質(zhì)與管網(wǎng)數(shù)據(jù)設(shè)定以及水泵型號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)可選的型號(hào)有關(guān).在最低能耗與峰值能耗中，無論流量的增加還是控制壓差的上升，都會(huì)使兩種控制方式的全年總能耗比減小.由于中能耗區(qū)最大能耗與不同負(fù)荷分布有關(guān)，兩種控制方式的全年總能耗比變化趨勢(shì)不明顯.

4.6 同步變頻泵組型號(hào)設(shè)計(jì)

針對(duì)同步變頻控制，對(duì)優(yōu)化運(yùn)算中水泵數(shù)據(jù)庫(kù)里各型號(hào)水泵在解群中出現(xiàn)的頻數(shù)進(jìn)行分析，同時(shí)以深圳某區(qū)域制冷的全年負(fù)荷分布為例，以各水泵出現(xiàn)的頻數(shù)與負(fù)荷分布進(jìn)行加乘運(yùn)算的結(jié)果為綜合指標(biāo)進(jìn)行排序.在同頻控制，控制壓差為50 kPa，額定流量為500 m3/h的解群中，前10位水泵型號(hào)序號(hào)以及出現(xiàn)的情況如表4所示.

將上述10個(gè)型號(hào)水泵各自組成1～8臺(tái)同型號(hào)組合的水泵組，分別對(duì)這10種型號(hào)水泵組以全年供冷4000 h的深圳某區(qū)域制冷負(fù)荷率分布類型進(jìn)行全年負(fù)荷計(jì)算，除個(gè)別型號(hào)水泵容量太小不能獨(dú)立進(jìn)行同型號(hào)組合運(yùn)行外，可用的序號(hào)有231、214、216、256，其組合在最節(jié)能臺(tái)數(shù)開啟下全年總能耗如圖11所示.

由圖11可見，4種同型號(hào)搭配下的水泵組全年能耗基本處于優(yōu)化計(jì)算中最低能耗與峰值能耗之間.通過對(duì)同步變頻控制中優(yōu)化解群里各型號(hào)出現(xiàn)頻數(shù)進(jìn)行分析，可以得到實(shí)際可用的型號(hào)組合，同時(shí)能耗在較低的范圍內(nèi).

圖11 全年能耗比較Fig.11 Comparison of annual energy consumption

5 結(jié)論

（1）使用隨機(jī)走步法對(duì)傳統(tǒng)的優(yōu)化方法所面臨的局部最優(yōu)與收斂性問題進(jìn)行次優(yōu)化尋優(yōu)，能得到較佳的結(jié)果；

（2）由負(fù)荷率分布不同所造成的系統(tǒng)全年總能耗差異可達(dá)50%以上，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行能耗評(píng)估時(shí)必須考慮全年負(fù)荷率分布；

（3）控制旁通回路壓差較大、額定流量較小的系統(tǒng)，低能耗區(qū)域更寬，中能耗區(qū)域也相應(yīng)較寬，各負(fù)荷率下能耗偏離系統(tǒng)的極限最低能耗較遠(yuǎn)，能耗評(píng)價(jià)較寬松；

（4）比較同步變頻控制與單臺(tái)變頻控制兩種方式，在大部分情況下，隨著額定總流量或控制壓差的增加，使用同步變頻控制變得更有利；

（5）對(duì)解群進(jìn)行分析，可以根據(jù)解群內(nèi)各型號(hào)的出現(xiàn)頻數(shù)進(jìn)行二次選型，所得的全年能耗在整體優(yōu)化計(jì)算中位于最低能耗與峰值能耗之間.

［1］ 陳小花.我國(guó)建筑中央空調(diào)能耗現(xiàn)狀及節(jié)能措施研究［J］.科技信息，2013，20（14）：241-242. Chen Xiao-hua.Energy consumption status and energy savingmeasures of central air conditioning system in China［J］.Science&Technology Information，2013，20（14）：241-242.

［2］ Pérez-Lombard L，Ortiz J，Pout C.A review on building energy consumption information［J］.Energy Buildings，2008，40：394-398.

［3］ 何花.廣州某高校建筑能耗現(xiàn)狀及節(jié)能策略分析［J］.制冷，2014，33（1）：33-36. He Hua.Energy consumption and energy-savingmeasures for on college in Guangzhou［J］.Refrigeration，2014，33（1）：33-36.

［4］ 趙書杰.蘇州市辦公類典型建筑能耗現(xiàn)狀調(diào)查及分析［J］.建筑節(jié)能，2010，38（9）：73-76. Zhao Shu-jie.Energy consumption status and energy-saving of typical office building in Suzhou［J］.Building Energy Efficiency，2010，38（9）：73-76.

［5］ 連志強(qiáng)，趙有民，安錦鋒.西安中貿(mào)廣場(chǎng)中央空調(diào)方案設(shè)計(jì)探討及節(jié)能分析［J］.制冷，2010，29（3）：77-80. Lian Zhi-qiang，Zhao You-min，An Jing-feng.Xi'an trade square of centralair conditioning design and energy saving［J］.Refrigeration，2010，29（3）：77-80.

［6］ 李思秀，胡嘉慶.空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的探討［J］.制冷，2011，30（1）：84-87. Li Si-xiu，Hu Jia-qing.Discussion of central air conditioning system for energy-saving technology［J］.Refrigeration，2011，30（1）：84-87.

［7］ 董曉麗.降低空調(diào)冷凍水系統(tǒng)輸送能耗的研究［D］.上海：東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，2012.

［8］ 劉雪峰，劉金平，陳星龍，等.同程布置冷水系統(tǒng)管網(wǎng)水力特性計(jì)算機(jī)分析［J］.暖通空調(diào)，2012，42（10）：121-127. Liu Xue-feng，Liu Jin-ping，Chen Xing-long，et al.Computer calculationmethod of hydraulic characteristics of reversed return chilled water system［J］.Heating Ventilating&Air Conditioning，2012，42（10）：121-127.

［9］ Durmus K E，Alptekin Y K，Suleyman Yigit，etal.Energy efficiency in pumps［J］.Energy Conversion and Management，2008，49（22/23）：1662-1673.

［10］ 劉金平，劉磊，劉雪峰，等.辦公建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能改造分析［J］.建筑科學(xué)，2012，28（2）：23-28. Liu Jin-ping，Liu Lei，Liu Xue-Feng，et al.Analysis on energy-saving retrofit of air-conditioning system of an office building［J］.Building Science，2012，28（2）：23-28.

［11］ 紀(jì)曉華，鄢碧鵬，劉超.水泵選型專家系統(tǒng)研究與開發(fā)［J］.江蘇農(nóng)業(yè)研究，2001，22（4）：77-79. Ji Xiao-hua，Yan Bi-peng，Liu Chao.Study and development on the expert system of pump selection［J］.Jiangsu Agricultural Research，2001，22（4）：77-79.

［12］ 李小芳，張書琦.水泵選型應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)［J］.科技信息，2013（15）：296-297. Li Xiao-fang，Zhang Shu-qi.Design of application software for pump selection［J］.Science&Technology Information，2013（15）：296-297.

［13］ Chang Chenchen，Zhao Jing，Zhu Neng.Energy saving effect prediction and post evaluation of air-conditioning system in public buildings［J］.Energy and Buildings，2011，43：3243-3249.

［14］ 李蓉.中央空調(diào)水系統(tǒng)并聯(lián)冷凍水泵流量和揚(yáng)程的選取及分析［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2004，29（10）：48-49. Li Rong.Selection and analysis of flow and lift of the central air conditioning water system［J］.Construction& Design for Project，2004，29（10）：48-49.

［15］ Schwedler，Mick，Bradley，et al.Variable primary flow in chilled-water systems［J］.Heating，Piping，Airconditioning Engineering，2003，75（3）：37-45.

［16］ Bahnfleth，William P.Peyer.Varying views on variableprimary flow chilled-water systems［J］.Heating，Piping，Airconditioning Engineering，2004，76（3）：55-59.

［17］ Tuan N A，Huang K D，Airflow circulation cell study of an air-conditioning energy-saving mechanism［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31：3956-3962.

［18］ Fong SY，Yuen S Y，Chow C K，et al.Energy management and design of centralized air-conditioning systems through the non-revisiting strategy for heuristic optimization methods［J］.Applied Energy，2010，87（11）：3494-3506.

［19］ 關(guān)達(dá)可，朱棟華.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的冷凍水泵變頻調(diào)速研究［J］.科技廣場(chǎng)，2010，17（1）：23-25. Guan Da-ke，Zhu Dong-hua.Based on fuzzy neural network study of chilled water pumps VVVF［J］.Science Mosaic，2010，17（1）：23-25.

［20］ 沈艷，郭兵，古天祥.粒子群優(yōu)化算法及其與遺傳算法的比較［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，34（5）：696-699. Shen Yan，Guo Bing，Gu Tian-xiang.Particle swarm optimization algorithm and comparison with genetic algorithm［J］.Journal of University of Electronic Science and Technology of China，2005，34（5）：696-699.

［21］ 段海濱，王道波，于秀芬.幾種新型仿生優(yōu)化算法的比較研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2007，24（3）：169-172. Duan Hai-bin，Wang Dao-bo，Yu Xiu-fen.Rsearch on some novel bionic optimization algorithms［J］.Computer Simulation，2007，24（3）：169-172.

［22］ 劉雪峰.中央空調(diào)冷源系統(tǒng)變負(fù)荷運(yùn)行控制機(jī)理與應(yīng)用研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)電力學(xué)院，2012.

［23］ 劉金平，文建良，劉雪峰.空調(diào)冷水系統(tǒng)變頻調(diào)節(jié)節(jié)能效果的試驗(yàn)研究［J］.暖通空調(diào)，2010，40（3）：68-72. Liu Jin-ping，Wen Jian-liang，Liu Xue-feng.Experimental research on energy saving effects of variablefrequency chilled water system of air conditioning［J］.Heating Ventilating&Air Conditioning，2010，40（3）：68-72.

［24］ 康英姿，華賁.區(qū)域供冷系統(tǒng)制冷主機(jī)設(shè)計(jì)容量的優(yōu)化分配［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，32（2）：117-127. Kang Ying-zi，Hua Ben.Optimal distribution of chiller design capacityin district cooling system［J］.Journal of South China University of Technology：Natural Science Edition，2008，36（2）：117-127.

［25］ 董哲生.空調(diào)水系統(tǒng)阻力計(jì)算及水泵選型若干問題［J］.暖通空調(diào)，2006，36（9）：45-47. Dong Zhe-sheng.Some problems about resistance calculation andcirculating pump selection in air conditioning water systems［J］.Heating Ventilating&Air Conditioning，2006，36（9）：45-47.

［26］ 孫多斌，王樹剛，韓俊，等.商業(yè)建筑空調(diào)水系統(tǒng)中環(huán)路阻力分布模擬分析［J］.大連大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27（4）：92-96. Sun Duo-bin，Wang Shu-gang，Han Jun，etal.Smiulation analysis of loop resistance distribution of air conditioning water systems in commercial buildings［J］.Journal of Dalian University，2006，27（4）：92-96.

［27］ 顧中煊，劉運(yùn)潔，黃都育，等.溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)在北京地區(qū)大型公共建筑中的應(yīng)用［J］.暖通空調(diào)，2011，41（1）：52-53. Gu Zhong-xuan，Liu Yun-jie，Huang Du-yu，et al.Application of temperature and humidity independen tcontrol air conditioning system to large-scalepublic buildings in Beijing［J］.Heating Ventilating&Air Conditioning，2011，41（1）：52-53.

［28］ 游江林.廣州某辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)能耗分析計(jì)算［D］.廣州：廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，2012.

［29］ 劉玨，趙國(guó)平.上海某辦公樓空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能潛力及經(jīng)濟(jì)分析［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（15）：104-105. Liu Jue，Zhao Guo-ping.Energy saving potentialand economic analysis of air conditioning system of an office building in Shanghai［J］.Science and Technology Innovation Herald，2008（15）：104-105.

［30］ 溫珊珊.中央空調(diào)系統(tǒng)全年綜合能效比計(jì)算方法的研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，2011.

An Evaluation M ethod of Annual Energy Consum ption of Chilled W ater Pumps Group Based on Suboptimal Solutions

Liu Jin-ping1，2Lu Zhi-tao1Liu Xue-feng1，2，3Xing Kong-zu1Mai Yue-bang3
（1.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2.Guangdong Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization，Guangzhou 510640，Guangdong，China；3.Guangdong Provincial Academy of Building Research Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510500，Guangdong，China）

Proposed in this paper is an evaluation method of energy consumption suboptimization with chilled water pump group，and according to this evaluationmethod，an optimized random step optimizationmethod is used to optimize the design of themodel in pumps group.Then，the influences of control pressure difference and rated flow on annual energy consumption characteristics are analyzed by an example，and different frequency conversion control modes are compared.The results show that（1）the optimized random step optimization method performs better in coping with locally-optimal and convergent problems than traditional optimization methods do；（2）the annual total energy consumption differences caused by different load rate distribution can reach more than 50%，so the annual load distribution mustbe taken into account in the energy consumption evaluation of system；（3）the system of bigger bypass pressure and lower rated flow has wider low and middle energy regions，its energy consumption under different load rate limits is far away from the lowest energy consumption and the corresponding energy consumption evaluation ismore tolerant；and（4）inmost cases，adopting synchronous frequency conversion control becomes advantageouswith the increase of flow or control bypass pressure rating.

central air conditioning；chilled water pumps group；energy evaluation method；sub-optimization；multi-variable optimization

TK 1；TU111

10.3969/j.issn.1000-565X.2015.07.015

1000-565X（2015）07-0106-12

2014-11-07

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAJ06B06）；廣東省重大科技專項(xiàng)（2012A010800024）

Foundation items：Supported by the National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China（2012BAJ06B06）and Guangdong Provincial Major Science and Technology Projects（2012A010800024）

劉金平（1962-），男，博士，教授，主要從事中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理研究.E-mail：mpjpliu@scut.edu.cn

?通信作者：劉雪峰（1976-），男，博士，副教授，主要從事中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理研究.E-mail：lyxfliu@scut.edu.cn