商場過渡季節(jié)中央空調(diào)冷源系統(tǒng)運行參數(shù)優(yōu)化研究

閆軍威? 梁艷輝 黃揚春 喻 凡

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商場過渡季節(jié)中央空調(diào)冷源系統(tǒng)運行參數(shù)優(yōu)化研究

閆軍威? 梁艷輝 黃揚春 喻 凡

（華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院 廣州 510641）

針對夏熱冬暖地區(qū)商場過渡季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)運行特點，以廣州某商場中央空調(diào)冷源系統(tǒng)為研究對象，提出各設(shè)備單元的能耗模型，根據(jù)空調(diào)實際運行數(shù)據(jù)，利用最小二乘方法對各模型的參數(shù)進行辨識，以冷源系統(tǒng)運行設(shè)備總能耗最小為目標，探討基于遺傳算法的中央空調(diào)冷源系統(tǒng)最佳運行參數(shù)值，并將優(yōu)化的運行參數(shù)由動態(tài)變量來控制進行實驗驗證。結(jié)果表明：與原運行方式相比，參數(shù)優(yōu)化運行方式下冷源系統(tǒng)節(jié)能率為7.07%。

商場；過渡季節(jié)；空調(diào)冷源系統(tǒng)；運行參數(shù)；優(yōu)化；遺傳算法

0 引言

夏熱冬暖地區(qū)，過渡季節(jié)時間長。在大型商場建筑中，即使在過渡季節(jié)室外氣溫適宜的條件下，由商場內(nèi)人流量大、射燈多的特點，商場內(nèi)也有一定的冷負荷，為滿足商場內(nèi)舒適性要求，中央空調(diào)系統(tǒng)需長時間處于運行狀態(tài)，且目前中央空調(diào)系統(tǒng)運行控制方式大多采用恒定或者根據(jù)管理者經(jīng)驗修改運行參數(shù)設(shè)定值的方式對下位機控制器進行控制，在過渡季節(jié)部分負荷運行時，因運行參數(shù)不合理導(dǎo)致控制特性較差及能耗浪費嚴重，存在較大的節(jié)能潛力。

通常，夏熱冬暖地區(qū)商場空調(diào)系統(tǒng)能耗比重較大，占建筑總能耗約25%[1]。文獻[2-5]對夏熱冬暖地區(qū)商場空調(diào)系統(tǒng)能耗與運行管理進行了分析，提出了有針對性的節(jié)能技術(shù)措施，理論計算與實際應(yīng)用均表明具有較好的節(jié)能效果。本文針對夏熱冬暖地區(qū)大型商場過渡季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)運行時間長、能耗高的特點，探討大型商場過渡季節(jié)中央空調(diào)冷源系統(tǒng)最佳運行參數(shù)值，并以廣州某商場中央空調(diào)冷源系統(tǒng)為研究對象，選取過渡季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)常采用的運行方式進行分析，在保證商場內(nèi)舒適性和系統(tǒng)安全運行的前提下，以冷源系統(tǒng)運行設(shè)備總能耗最小為目標，得出最佳的冷水供水溫度、冷水流量、冷卻水流量及冷卻塔風(fēng)機頻率組合運行參數(shù)值，并通過動態(tài)變量控制優(yōu)化的運行參數(shù)，對該方法進行節(jié)能效果驗證。

1 研究對象

本文以廣州某商場中央空調(diào)冷源系統(tǒng)為研究對象，該空調(diào)冷源系統(tǒng)主要由4臺冷水機組、6臺冷凍泵、6臺冷卻泵及8臺冷卻塔組成。其中冷水機組采用2臺大機和2臺小機；冷凍泵、冷卻泵及冷卻塔均有兩種功率不同的型號，分別與大、小兩種冷水機組搭配使用，主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。該系統(tǒng)已搭建了一套冷源集中管理控制系統(tǒng)，配備有水溫傳感器、壓差傳感器、流量計、水泵變頻器、冷卻塔風(fēng)機變頻器、多功能電表、室外溫濕度傳感器等設(shè)備，可通過通訊接口將水溫、壓差、水流量、水泵頻率、冷卻塔風(fēng)機頻率、電量、室外溫濕度等參數(shù)進行采集并存儲至數(shù)據(jù)服務(wù)器，此外該冷源集中管理控制系統(tǒng)可對冷源運行參數(shù)進行實時控制，實驗平臺系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

表1 空調(diào)冷源系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)實驗平臺系統(tǒng)示意圖

2015年該商場中央空調(diào)冷源系統(tǒng)總用電量為346.73萬kWh，其中過渡季節(jié)（3～5月份及10～11月份）冷源系統(tǒng)總用電量為130.30萬kWh，耗電量較高，占冷源系統(tǒng)全年總用電量的37.58%。通常，商場冷負荷不同，冷源系統(tǒng)設(shè)備組合運行方式也不同，而不同負荷條件下存在最佳的冷源運行參數(shù)組合，使得冷源系統(tǒng)能耗最小[7]。在過渡季節(jié)該商場中央空調(diào)冷源系統(tǒng)通常開啟1臺大機，1臺75kW冷凍泵、1臺90kW的冷卻泵及若干臺冷卻塔，本文對該商場過渡季節(jié)冷源系統(tǒng)設(shè)備組合運行方式進行分析，在滿足末端負荷需求的前提下，得出該運行方式下冷源系統(tǒng)最佳運行參數(shù)值，進一步挖掘該商場冷源系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

2 中央空調(diào)冷源系統(tǒng)各設(shè)備單元能耗模型

2.1 冷水機組能耗模型

冷水機組是中央空調(diào)系統(tǒng)的供冷設(shè)備。其實際功率計算表達式如下：

式中，e為冷水機組制冷量，kW；chiller為冷水機組功率，kW；為冷水機組運行能效。

其中，冷水機組運行能效有多種經(jīng)驗?zāi)Ｐ停琓ong-Shing Lee等[8]對不同的COP模型進行比較，發(fā)現(xiàn)Reddy等[9]提出的多元多項式經(jīng)驗?zāi)Ｐ停∕P模型）精度較好，該模型與冷水機組制冷量、冷水回水溫度、冷卻水回水溫度三個參數(shù)有關(guān)，其表達式如下：

式中，chwr、cwr分別為冷水回水溫度、冷卻水回水溫度，℃；0～9為模型系數(shù)。

2.2 水泵能耗模型

水泵是中央空調(diào)系統(tǒng)中冷水和冷卻水的動力設(shè)備。對變頻水泵而言，水泵實際功率不僅與流量、揚程、水泵效率及電機效率有關(guān)，還與變頻器效率有關(guān)，其理論計算表達式如下：

式中，pump為水泵實際功率，kW；為水密度，kg/m3；為重力加速度，m/s2；p為水泵實際體積流量，m3/h；p為水泵實際揚程，m；為水泵全效率；為水泵效率；為電機效率；為變頻器效率。

文獻[10]指出電機效率和變頻器效率為水泵頻率的辨識模型，水泵揚程為水泵流量和頻率的辨識模型，而辨識這些模型的模型系數(shù)所需數(shù)據(jù)很難獲取，且將辨識模型代入（3）中，水泵能耗模型相對復(fù)雜，工程實用性低。文獻[11]提出水泵能耗可表示為水泵頻率及水泵流量的多項式模型，其表達式如下：

冷凍泵能耗模型：

冷卻泵能耗模型：

式中，0～3、0～3為模型系數(shù)；chw、cw分別為冷水和冷卻水流量，m3/h；chwo、cwo為冷凍泵和冷卻泵額定流量，m3/h；chwp、cwp為冷凍泵和冷卻泵比轉(zhuǎn)速；chwp、cwp為冷凍泵和冷卻泵電機實際運行轉(zhuǎn)速；chwpo、cwpo為冷凍泵和冷卻泵電機額定轉(zhuǎn)速；chwp、cwp為冷凍泵和冷卻泵電機實際運行頻率，Hz；chwpo、cwpo為冷凍泵和冷卻泵電機額定頻率，Hz。

2.3 冷卻塔風(fēng)機能耗模型

冷卻塔是中央空調(diào)系統(tǒng)的散熱設(shè)備。其風(fēng)機功率理論計算公式類似于水泵功率理論計算公式，表達式如下：

式中，fan為風(fēng)機功率，kW；a為風(fēng)量，m3/h；為冷卻塔進出口風(fēng)壓差，Pa；為風(fēng)機效率。

針對變頻冷卻塔風(fēng)機，風(fēng)量與冷卻塔進出口風(fēng)壓差難以準確獲取。在忽略冷卻塔風(fēng)機自身發(fā)熱的情況下，文獻[12]提出變速冷卻塔風(fēng)機能耗可表示為風(fēng)機比轉(zhuǎn)速的多項式模型，其計算表達式如下：

式中，0～3為模型系數(shù)；fan為風(fēng)機比轉(zhuǎn)速；fan為風(fēng)機實際轉(zhuǎn)速；fano為風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速；fan為風(fēng)機實際運行頻率，Hz；fano為風(fēng)機額定運行頻率，Hz。

3 基于遺傳算法的中央空調(diào)冷源系統(tǒng)運行參數(shù)優(yōu)化分析

選取2016年過渡季節(jié)1典型日（4月2日）空調(diào)冷源系統(tǒng)設(shè)備組合運行方式進行分析，當(dāng)天商場空調(diào)冷源系統(tǒng)運行設(shè)備為：1#冷水機組、3#冷凍泵、3#冷卻泵及5#～7#冷卻塔。根據(jù)中央空調(diào)運行情況，辨識運行設(shè)備單元模型、選取優(yōu)化參數(shù)、確定優(yōu)化目標和約束條件及編寫優(yōu)化算法程序。

3.1 模型參數(shù)辨識

利用該中央空調(diào)冷源集中管理控制系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，采用最小二乘法分別對1#冷水機組能效模型、3#冷凍泵能耗模型、3#冷卻泵能耗模型及冷卻塔能耗模型的模型系數(shù)進行辨識，各設(shè)備單元模型系數(shù)如下：（1）1#冷水機組能效模型系數(shù)0～9分別為：46.2686，-1.2341，-2.5441，-0.0073，0.0106，0.0906，1.1700×10-6，0.0091，2.2408×10-4，-1.7805×10-4；（2）3#冷凍泵能耗模型系數(shù)0～3分別為：113.3043，-90.5927，70.0571，-18.4323；（3）3#冷卻泵能耗模型系數(shù)0～3分別為：125.8799，-0.1351，1.7730×10-4，-8.2124×10-8；（4）冷卻塔能耗模型系數(shù)0～3分別為：-0.4130，2.1866，0.7474，1.9708。

根據(jù)模型精度判斷準則[13]，將期望誤差百分比EEP和95%置信區(qū)間作為模型的評價指標，表2給出了各設(shè)備單元模型驗證精度。由表2可知，各設(shè)備模型的相對誤差在95%的置信區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)均超過92%，EEP均低于3.5%，因此建立的各設(shè)備模型具有較高的精度。

表2 模型驗證精度

3.2 優(yōu)化參數(shù)的選取

中央空調(diào)冷源系統(tǒng)能耗包括冷水系統(tǒng)能耗和冷卻水系統(tǒng)能耗。從理論上講，當(dāng)空調(diào)末端冷負荷需求一定時，對冷水系統(tǒng)而言，存在某一確定的冷水供水溫度和冷水流量參數(shù)組合，使得冷水系統(tǒng)設(shè)備運行能耗最??；當(dāng)冷水機組冷凝器散熱量及室外氣象參數(shù)一定情況下，對冷卻水系統(tǒng)而言，存在某一確定的冷卻水流量和冷卻水回水溫度參數(shù)組合，使得冷卻水系統(tǒng)設(shè)備運行能耗最小，而冷卻水回水溫度取決于冷卻塔風(fēng)量，風(fēng)量大小可通過冷卻塔風(fēng)機運行頻率來調(diào)節(jié)，因此冷卻塔風(fēng)機頻率可間接反映冷卻水回水溫度；對整個空調(diào)冷源系統(tǒng)而言，冷水機組冷凝器散熱量與空調(diào)末端冷負荷需求及冷水機組壓縮機對制冷劑做的功相關(guān)，因此中央空調(diào)冷源系統(tǒng)的運行優(yōu)化問題可以表示為空調(diào)運行中冷水供水溫度、冷水流量、冷卻水流量及冷卻塔風(fēng)機頻率的尋優(yōu)過程。綜合考慮以上因數(shù)，選取冷水供水溫度chws、冷水流量chw、冷卻水流量cw及冷卻塔風(fēng)機頻率fan作為空調(diào)冷源系統(tǒng)節(jié)能運行的優(yōu)化參數(shù)。

3.3 目標函數(shù)及約束條件

以冷源系統(tǒng)所有運行設(shè)備總能耗最下為優(yōu)化目標，其數(shù)學(xué)表達式為：

式中，total為冷源系統(tǒng)所有運行設(shè)備總能耗，kW；為第臺冷卻塔風(fēng)機運行功率，kW，由于所運行的3臺冷卻塔型號規(guī)格相同且為同步變頻控制，可認為。

在空調(diào)系統(tǒng)實際運行過程中，為滿足冷負荷需求及系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，需考慮系統(tǒng)本身的物理約束條件及系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系。根據(jù)研究對象實際運行情況，約束條件有：

1）冷水機組制冷量與冷水流量、冷水供回水溫度之間關(guān)系應(yīng)滿足：

式中，為水比熱容，kJ/(kg·℃)；chws為冷水供水溫度，℃。

2）由于5#～7#冷卻塔型號規(guī)格相同且為同步變頻控制，可認為3臺冷卻塔的散熱性能基本一致，若忽略冷卻水管路熱損及冷卻塔風(fēng)機自身發(fā)熱，則冷卻塔散熱量與冷卻水流量、冷卻水進出水溫度之間關(guān)系應(yīng)滿足：

式中，c為總散熱量；為空氣側(cè)的傳熱效率；a為單臺冷卻塔風(fēng)量，m3/h；為空氣密度，kg/m3；ao,s為冷卻塔出口空氣達到冷卻水出水溫度時所對應(yīng)的飽和狀態(tài)的焓值，ai為冷卻塔入口空氣焓值，KJ/kg。

根據(jù)文獻[14]，空氣側(cè)傳熱效率為風(fēng)水比、冷卻塔入口水溫與空氣濕球溫度之差的函數(shù)，表達式如下：

式中，0～5為模型系數(shù)；a為空氣質(zhì)量流量，kg/h；cw為冷水流量，kg/h；tw,i為冷卻塔入口水溫，近似等于冷卻水出水溫度，℃；wb為空氣濕球溫度，℃。

3）冷水供水溫度、冷卻水回水溫度應(yīng)滿足：

4）冷水流量、冷卻水流量應(yīng)滿足：

5）冷卻塔風(fēng)機運行頻率應(yīng)滿足：

為了便于優(yōu)化求解，引入帶懲罰因子的懲罰函數(shù)，將有約束的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束的優(yōu)化問題[15]，則參數(shù)優(yōu)化模型為：

3.4 基于遺傳算法的中央空調(diào)冷源系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化流程

針對上述多變量非線性問題，本文利用遺傳算法進行尋優(yōu)計算。首先需確定算法的編碼方式、操作參數(shù)及適應(yīng)度函數(shù)[15,16]：

1）編碼。采用二進制編碼方式對chws，chw，cw，fan四個變量進行編碼，編碼長度為10；

2）遺傳算法操作參數(shù)。遺傳算法操作參數(shù)包括種群大小、交叉概率P、變異概率P、最大迭代次數(shù)等，這些參數(shù)的取值對遺傳算法有很大影響[15]。結(jié)合本文優(yōu)化目標并綜合考慮尋優(yōu)的準確性、優(yōu)化變量的解空間大小及收斂性，本文選取種群大小為100，交叉概率為0.5，變異概率0.01，最大迭代次數(shù)為150；

3）適應(yīng)度函數(shù)。因本文的目標函數(shù)為最小值優(yōu)化問題，選取適應(yīng)度函數(shù)為：

式中，()為適應(yīng)度函數(shù)；o為足夠大的正數(shù)；()為目標函數(shù)。

根據(jù)上述確定的條件，編寫基于遺傳算法的中央空調(diào)冷源系統(tǒng)運行參數(shù)優(yōu)化程序，其流程如圖2所示：

圖2 遺傳算法求解冷源參數(shù)的優(yōu)化流程

4 仿真優(yōu)化結(jié)果與實驗驗證

采用上述優(yōu)化算法對4月2日空調(diào)冷源系統(tǒng)運行參數(shù)進行仿真優(yōu)化。當(dāng)天冷負荷變化曲線如圖3所示，室外氣象參數(shù)如圖4所示。

圖3 4月2日空調(diào)末端瞬時冷負荷

圖4 4月2日與4月3日室外氣象參數(shù)

4月2日（原運行方式日：日期1）該商場中央空調(diào)系統(tǒng)開機時間為9:30，基本達到穩(wěn)定運行狀態(tài)時間為10:00。為保證仿真結(jié)果準確性，采用空調(diào)系統(tǒng)運行穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，優(yōu)化時間范圍為10:00～19:00，優(yōu)化周期與該空調(diào)冷源管理控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集周期相同，為3min。

為驗證采用優(yōu)化參數(shù)運行的節(jié)能效果，選取4月3日（參數(shù)優(yōu)化運行方式日：日期2）進行實驗驗證。在實驗驗證過程中，通過一些動態(tài)變量來控制優(yōu)化的運行參數(shù)，即通過設(shè)定冷凍泵變頻器頻率和冷水供回水壓差控制冷水流量，通過設(shè)定冷卻泵變頻器頻率控制冷卻水流量，冷水供水溫度與冷卻塔風(fēng)機頻率可直接設(shè)定，確?？照{(diào)系統(tǒng)正常運行。實驗驗證條件如下：

1）室外溫濕度與4月2日基本一致，如圖4所示；2）空調(diào)系統(tǒng)開機時間、運行設(shè)備及設(shè)備運行臺數(shù)與4月2日完全相同；3）實驗驗證時間為10:00至18:00；4）考慮到實驗驗證過程中運行參數(shù)工作點變動過于頻繁會影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，故以60min共20組優(yōu)化值的平均值作為該時間段空調(diào)冷源系統(tǒng)運行參數(shù)的設(shè)定值，結(jié)果如表3所示；5）實驗驗證過程中，對商場內(nèi)溫濕度進行記錄，以驗證商場內(nèi)空調(diào)環(huán)境的舒適性。

表3 空調(diào)冷源系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)表

通過空調(diào)系統(tǒng)的電量采集模塊對各設(shè)備能耗進行實時采集，表4為該商場空調(diào)冷源系統(tǒng)各設(shè)備在原運行方式下（日期1）和參數(shù)優(yōu)化運行方式下（日期2）的能耗統(tǒng)計與節(jié)能率分析，圖5為在兩種不同運行方式下冷源系統(tǒng)逐時能耗對比。

表4 不同運行方式下各設(shè)備能耗統(tǒng)計與節(jié)能率分析

圖5 不同運行方式下冷源系統(tǒng)逐時能耗對比

表4得知，冷水機組與冷卻塔運行能耗減少，節(jié)能率分別為9.34%和25.93%，而冷凍泵與冷卻泵運行能耗增加，增加比例分別為2.45%和5.08%，空調(diào)冷源系統(tǒng)總體節(jié)能率為7.07%。這是由于參數(shù)優(yōu)化運行方式是從冷源整體的角度出發(fā)，綜合考慮冷源各運行參數(shù)并進行合理設(shè)定，從而達到降低中央空調(diào)冷源系統(tǒng)整體運行能耗的目的，也表明整個冷源系統(tǒng)的優(yōu)化并不一定使單個運行設(shè)備得到優(yōu)化。由圖5也可得知，原運行方式下冷源的能耗明顯低于參數(shù)優(yōu)化運行方式下冷源的能耗。

圖6 不同運行方式下冷水機組與空調(diào)冷源系統(tǒng)各時段能效對比

由圖6得知，與原運行方式相比，參數(shù)優(yōu)化運行方式下冷水機組能效比COP與冷源能效比EERr有不同程度的提高，這是由于過渡季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)運行處于部分負荷下，適當(dāng)提高了冷水出水溫度，因此冷水機組與空調(diào)冷源系統(tǒng)能效比均有所提高。

5 結(jié)論

針對夏熱冬暖地區(qū)商場過渡季節(jié)中央空調(diào)系統(tǒng)運行時間長、能耗高的問題，提出基于遺傳算法的中央空調(diào)冷源系統(tǒng)運行參數(shù)優(yōu)化研究。在滿足商場內(nèi)舒適性及安全運行的前提下，對冷源系統(tǒng)冷水供水溫度、冷水流量、冷卻水流量及冷卻塔風(fēng)機頻率進行了優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于實驗研究。結(jié)果表明，冷源系統(tǒng)優(yōu)化運行總能耗與原運行方式相比降低7.07%，具有良好的節(jié)能效果，為夏熱冬暖地區(qū)商場過渡季節(jié)中央空調(diào)冷源系統(tǒng)運行參數(shù)優(yōu)化設(shè)定提供參考。

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Operating Parameters Optimization of Central Air-conditioning Cold Source System of Shopping Mall in the Transitional Season

Yan Junwei Liang Yanhui Huang Yangchun Yu Fan

( School of Mechanical & Automotive Engineering, SCUT, Guangzhou, 510641 )

In hot summer and warm winter area, aiming at the operating characteristics of the air-conditioning system of a shopping mall in the transitional season, taking the central air-conditioning cold source system of a shopping mall in Guangzhou as the research object, proposes the energy consumption model of the equipment unit, based on the actual running data of air-conditioning, identifies the parameters of each model by using the least squares method. On this basis, taking the minimum total energy consumption of central air-conditioning cold source system as the goal, obtains the optimum operating parameters of central air-conditioning cold source system based on the genetic algorithm, and the optimized operation parameters are controlled by the dynamic variables to verify the experiment results. The results show that: compared with the original operation mode, the energy saving rate of the cold source system of parameter optimized operation mode is about 7.07%.

shopping mall; transitional season; central air-conditioning cold source system; operating parameters; optimization; genetic algorithm

1671-6612（2016）06-677-07

TB65

A

閆軍威（1968-），男，教授級高級工程師，E-mail：mmjwyan@scut.edu.cn

梁艷輝（1990-），男，在讀碩士研究生，E-mail：lyhyanhui@163.com

2016-10-10