機(jī)場(chǎng)航站樓空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗優(yōu)化模型

趙植竹

（山東省機(jī)場(chǎng)管理集團(tuán)煙臺(tái)國(guó)際機(jī)場(chǎng)有限公司，山東煙臺(tái) 264006）

0 引言

機(jī)場(chǎng)航站樓空調(diào)系統(tǒng)用電量占航站樓總耗電量的35%～65%，其運(yùn)行能耗是機(jī)場(chǎng)建筑能耗的主要構(gòu)成部分。因?yàn)楹秸緲强照{(diào)系統(tǒng)在組件選型時(shí)大多依據(jù)設(shè)計(jì)日負(fù)荷，而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，很多組件長(zhǎng)時(shí)間處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行效率較低，造成大量能源浪費(fèi)。因此，構(gòu)建其運(yùn)行能耗優(yōu)化模型，對(duì)于降低機(jī)場(chǎng)建筑能耗、實(shí)現(xiàn)節(jié)能發(fā)展，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的優(yōu)化主要取決于對(duì)供冷需求與供應(yīng)的精準(zhǔn)對(duì)接，因此需要考慮以逐時(shí)供冷負(fù)荷預(yù)測(cè)值為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建模型，以精準(zhǔn)的冷負(fù)荷預(yù)測(cè)來(lái)降低運(yùn)行能耗支出，達(dá)到運(yùn)行能耗優(yōu)化目標(biāo)。

1 機(jī)場(chǎng)航站樓逐時(shí)供冷負(fù)荷預(yù)測(cè)

依據(jù)功能特征與圍護(hù)結(jié)構(gòu)特征，將機(jī)場(chǎng)航站樓供冷負(fù)荷分為圍護(hù)供冷負(fù)荷、太陽(yáng)輻射供冷負(fù)荷、有組織新風(fēng)供冷負(fù)荷、無(wú)組織滲風(fēng)供冷負(fù)荷、人體散熱供冷負(fù)荷與機(jī)器設(shè)備散熱供冷負(fù)荷，并根據(jù)熱量傳遞的物流過(guò)程，構(gòu)建機(jī)場(chǎng)航站樓供冷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型：

式中 K——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）

tτ-ξ-tn——溫度波作用時(shí)刻計(jì)算溫度與室內(nèi)溫度的差值，℃

F1——圍護(hù)結(jié)構(gòu)幕墻面積，m2

F2——外窗幕墻面積，m2

Xg——構(gòu)造修正系數(shù)

Iwτ——在沒(méi)有遮陽(yáng)狀態(tài)下玻璃的太陽(yáng)輻射供冷負(fù)荷，W/m2

G1——有組織新風(fēng)風(fēng)量，kg/s

G2——無(wú)組織滲風(fēng)風(fēng)量，kg/s

Hτ——室外的空氣焓值，kJ/kg

Hn——室內(nèi)的空氣焓值，kJ/kg

n——室內(nèi)人員數(shù)量，個(gè)

qs——人員輕度勞動(dòng)狀態(tài)下的顯熱發(fā)熱量，W

ql——人員輕度勞動(dòng)狀態(tài)下的潛熱發(fā)熱量，W

Wτ——所有設(shè)備設(shè)施在消耗電能時(shí)形成的發(fā)熱量總和，W

根據(jù)相關(guān)研究查，單位人員總發(fā)熱量（qs+ql）為181 W。

考慮到上述模型存在部分?jǐn)?shù)據(jù)難以獲取到準(zhǔn)確數(shù)值的問(wèn)題，因此采用回歸分析法反復(fù)對(duì)實(shí)際供冷量進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)上述模型重復(fù)計(jì)量對(duì)應(yīng)時(shí)刻的預(yù)估供冷量，將上述數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集合，以回歸模型建立二者間的回歸關(guān)系，從而獲取到較為精準(zhǔn)的未知參數(shù)，并將集中數(shù)據(jù)代入檢驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比未來(lái)運(yùn)行時(shí)刻下的實(shí)際供冷量與預(yù)估供冷量的差值大小，判斷模型的有效性。以上述方法構(gòu)建的機(jī)場(chǎng)航站樓供冷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ)，充分利用已有數(shù)據(jù)，通過(guò)回歸分析的方式推斷出無(wú)法獲取到準(zhǔn)確數(shù)值的未知參數(shù)，并將未知參數(shù)重新代入到模型中進(jìn)行檢驗(yàn)，通過(guò)實(shí)際值與預(yù)估值的對(duì)比檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)仍存在較大誤差，可獲取更多樣本量進(jìn)行模型校正，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑供冷負(fù)荷的精準(zhǔn)計(jì)算。

2 機(jī)場(chǎng)航站樓空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗優(yōu)化模型構(gòu)建

本文設(shè)計(jì)提出的航站樓空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化模型有制冷機(jī)組、冷卻塔、蓄冰罐等組成。系統(tǒng)運(yùn)行耗能優(yōu)化模型設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同系統(tǒng)組件進(jìn)行了模型設(shè)計(jì)。

2.1 制冷機(jī)組能耗優(yōu)化模型

制冷機(jī)組是空調(diào)系統(tǒng)中的關(guān)鍵能耗部分，其耗能約占整體的70%以上，因此有必要對(duì)該部件能耗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化中以制冷能耗比EER 作為負(fù)荷性能先進(jìn)指標(biāo)，其計(jì)算方法如下：

制冷機(jī)組在不同工況條件下的部分負(fù)荷率為：

其中，EER 為制冷機(jī)組額定工況下的能效比；QCHLR為第i 時(shí)刻下機(jī)組的制冷或蓄冰量；X（j）為第j臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷分配系數(shù)；CCAP 為機(jī)組制冷或蓄冰的最大供冷量。

機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中冷卻系統(tǒng)的進(jìn)水溫度會(huì)直接影響冷凝溫度，而機(jī)組中冷凍水的出水溫度則會(huì)影響其蒸發(fā)溫度。航站樓空調(diào)系統(tǒng)多臺(tái)制冷機(jī)組在滿足基本制冷需求的前提下，通過(guò)聯(lián)合運(yùn)行模式可滿足最低能耗要求，提升機(jī)組的能效比，不僅可以有效降低系統(tǒng)的啟停次數(shù)，還可以提高機(jī)組的運(yùn)行效率。因此，確定多臺(tái)制冷機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行的能耗優(yōu)化模型如下：

其約束條件為：

其中，i=1，2，…，N。

2.2 冷卻塔能耗優(yōu)化模型

考慮到其運(yùn)行的熱交換原理，電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇工作后會(huì)帶走冷卻水中的熱量，從而有效降低冷凝器的出口溫度。因此，冷卻塔能耗與電機(jī)運(yùn)行效率與冷凝器的熱負(fù)荷具有直接關(guān)系，冷卻塔的能耗優(yōu)化設(shè)計(jì)模型為：

2.3 蓄冰罐能耗優(yōu)化模型

設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中通常會(huì)在低電價(jià)時(shí)期進(jìn)行蓄冰，在高電價(jià)時(shí)期進(jìn)行融冰，從而達(dá)到制冷降溫的效果。該設(shè)備由直接蓄冰和間接蓄冰系統(tǒng)共同構(gòu)成，對(duì)蓄冰罐的能耗研究主要以分析融冰性能速率為主。在航站樓空調(diào)系統(tǒng)蓄冰設(shè)備應(yīng)用過(guò)程中，本文在分析融冰速率時(shí)引入蓄冰罐狀態(tài)變量r 和變化率u，則融冰速率：

其中，u（i）為第i 時(shí)刻的融冰率，r（i）為第i 時(shí)刻的剩余冰量。

u（i）在不同時(shí)刻的變化是唯一存在的，因此可計(jì)算確定融冰速率的最大值和最小值：

集合多項(xiàng)式擬合的方法，以蓄冰罐融冰時(shí)間作為自變量，第i 時(shí)刻的已融冰總量R（i）為因變量，因此可確定在i 時(shí)刻最大融冰速率下的能耗優(yōu)化模型為：

2.4 最小化運(yùn)行費(fèi)用優(yōu)化模型

航站樓空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用由電度電費(fèi)和需量電費(fèi)組成，開(kāi)展系統(tǒng)能耗優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)以降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)，在多類能耗設(shè)備運(yùn)行下結(jié)合能耗優(yōu)化模型可計(jì)算得出航站樓空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最小優(yōu)化模型為：

其約束條件為：

其中，i=1，2，…，N，e（i）為第i 時(shí)刻電價(jià)；Psys為某時(shí)刻總用電量；QTES（i）為第i 時(shí)刻蓄冰罐供冷量。

考慮到航站樓空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題為多目標(biāo)問(wèn)題，因此采用自適應(yīng)權(quán)重wk將其轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)問(wèn)題：

充分利用種群中有利信息進(jìn)行權(quán)重的動(dòng)態(tài)更新，根據(jù)目標(biāo)值的最大解與最小解不斷迫近正理想點(diǎn)，最終求得動(dòng)態(tài)的最大極限點(diǎn)與最小極限點(diǎn)，而二者的變化也將引起wk的變化：

因此，可以將最小化運(yùn)行費(fèi)用問(wèn)題通過(guò)等價(jià)轉(zhuǎn)化為最大化問(wèn)題，并將式（14）代入單目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式，得到新的目標(biāo)函數(shù)為：

3 實(shí)例應(yīng)用

某航站樓共有3 臺(tái)制冷機(jī)組與1 臺(tái)蓄冰罐，根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)制冷與蓄冷設(shè)備運(yùn)行情況，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入模型（1）中計(jì)算得到冷負(fù)荷預(yù)測(cè)值，并選擇冷負(fù)荷的100%、75%、50%、25%四種狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)，所選取的狀態(tài)涵蓋了冷負(fù)荷的不同情況，從而可以確保在不同狀態(tài)下均可以確定最優(yōu)運(yùn)行模式。

（1）在100%冷負(fù)荷下，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷最大，所有冷機(jī)均處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，由蓄冷設(shè)備完成剩余冷量供應(yīng)，即蓄冷設(shè)備與制冷設(shè)備處于聯(lián)合運(yùn)行模式，此時(shí)的優(yōu)化控制結(jié)果與冷機(jī)優(yōu)先一致（圖1）。

圖1 100%冷負(fù)荷下的運(yùn)行優(yōu)化策略

（2）在75%冷負(fù)荷下，系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷偏大，此時(shí)通過(guò)Matlab 變成求解可得到運(yùn)行優(yōu)化策略：冷機(jī)3 僅在負(fù)荷高峰期開(kāi)啟，且3 臺(tái)冷機(jī)的優(yōu)先啟動(dòng)權(quán)以天為單位進(jìn)行循環(huán)，可以保證冷機(jī)的總運(yùn)行時(shí)間保持一致，此時(shí)所有冷機(jī)均接近滿負(fù)荷運(yùn)行且處于節(jié)能狀態(tài)（圖2）。

圖2 75%冷負(fù)荷下的運(yùn)行優(yōu)化策略

（3）在50%冷負(fù)荷下，系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷處于中間狀態(tài)，系統(tǒng)大部分時(shí)間處于該狀態(tài)下，此時(shí)可有效縮短機(jī)組高峰段運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)費(fèi)用最小化的目標(biāo)。在此狀態(tài)下，空調(diào)系統(tǒng)同時(shí)包含和蓄冰罐融冰模式與聯(lián)合供冷模式，且有效借助前一種模式來(lái)控制機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間（圖3）。

圖3 50%冷負(fù)荷下的運(yùn)行優(yōu)化策略

（4）在25%冷負(fù)荷下，系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷較小，此時(shí)蓄冰罐融冰模式完全可以滿足冷負(fù)荷需求，因此在夜間不需要蓄滿蓄冷罐，在白天進(jìn)行釋冷，此時(shí)與蓄冰罐融冰優(yōu)先一致，無(wú)需冷機(jī)運(yùn)行（圖4）。

圖4 25%冷負(fù)荷下的運(yùn)行優(yōu)化策略

因此，在不同負(fù)荷狀態(tài)下均可以找到空調(diào)系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行模式，且與傳統(tǒng)的冷機(jī)優(yōu)先模式進(jìn)行對(duì)比，75%冷負(fù)荷下單日可減少2107 元的運(yùn)行費(fèi)，50%冷負(fù)荷下單日可減少1399 元，25%冷負(fù)荷下單日可減少1316 元，因此在4 種負(fù)荷狀態(tài)下均滿足優(yōu)化控制目標(biāo)。同時(shí)，從能耗方面進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)雖然優(yōu)化控制的日運(yùn)行能耗更高，75%冷負(fù)荷下單日耗電量增加了248 kW·h，50%冷負(fù)荷下單日耗電量增加了3072 kW·h，25%冷負(fù)荷下單日耗電量增加了1435 kW·h，但考慮到政府電價(jià)調(diào)控問(wèn)題，75%、50%、25%冷負(fù)荷下的電費(fèi)分別為0.527 元、0.410 元、0.314 元，分別低了0.146 元、0.358元、0.451 元，優(yōu)化控制下的日運(yùn)行費(fèi)用整體更低，分別低了2 101.79元、1 397.56 元、1 316.225 元，因此優(yōu)化控制運(yùn)行策略仍然較為合理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了基于機(jī)場(chǎng)航站樓逐時(shí)供冷負(fù)荷預(yù)測(cè)的機(jī)場(chǎng)航站樓空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗優(yōu)化模型，包括多臺(tái)制冷機(jī)組能耗優(yōu)化模型、蓄冰罐模型、冷卻塔能耗模型以及最小化運(yùn)行費(fèi)用優(yōu)化模型等，屬于非線性優(yōu)化控制問(wèn)題，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)成本與運(yùn)行模式最優(yōu)，可以在不同負(fù)荷狀態(tài)下確定最優(yōu)運(yùn)行策略，且可以有效降低成本支出，滿足優(yōu)化控制目標(biāo)。