基于全局能耗的空调水系统运行策略的优化分析.docx
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图1空调水系统示意图
Fig.1Schematicdiagramofairconditioningwatersystem
基于全局能耗的空调水系统运行策略的优化分析
曾庆雄，蔡龙俊
（同济大学暖通空调燃气研究所，上海200092）
摘要：
针对多台冷水机组联合运行的一次泵定流量系统，建立其主要设备的能耗模型，以及全局能耗最优化目标函数，运用Matlab
软件进行“动态规划”求解，从而实现空调水系统运行策略的优化。
最后，结合某实际工程，与仅考虑冷水机组能耗的运行策略优化进行比较，验证了基于全局能耗的运行策略优化节能性更好。
关键词：
空调水系统；全局能耗；运行策略优化；动态规划
中图分类号：
TU831
文献标志码：
A
文章编号：
1673-7237（2010）03-0027-03
OptimalAnalysisonAir-ConditioningWaterSystemOperationStrategy
BasedontheIntegratedEnergyConsumptionZENGQing-xiong,CAILong-jun（HVACandGasInstituteofTongjiUniversity,Shanghai200092,China）
Abstract:
Fortheprimarypumpconstantflowratesystemwithmultiplechillerunitsoperatetogether,theenergyconsumptionmodelofitsmainequipmentsisestablishedwiththeoptimalobjectivefunctionofintegratedenergyconsumption.The“dynamicprogramming”iscom－putedwiththeMatlabsoftwaretooptimizetheair-conditioningwatersystemoperationstrategy.Atlast,theoptimaloperationstrategy,whichonlyconsideringtheenergyconsumptionofthechillerplants,iscomparedwitharealprojectinZhengzhouprovince,andtheoptimalopera－tionstrategybasedontheintegratedenergyconsumptionisverifiedtoachievebetterenergyefficiencyeffect.
Keywords:
air-conditioningwatersystem;integratedenergyconsumption;optimizationofoperationstrategy;dynamicprogramming
0 引言
空调水系统一般包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔等几个主要耗能部件，其能耗约占空调总能耗的40%以上，部分地区甚至高达78%[1-2]。
某系统配置一定的空调水系统，其能耗不仅由设备本身的特性决定，还与部分负荷下的运行策略有关。
因此，寻求部分负荷下的最优运行策略以提高系统能效是空调水系统节能的关键。
对于多台冷水机组联合运行的空调系统，相关文献提出了多种负荷优化分配算法：
进化策略算法[3]、遗传算法[4]、粒子群算法[5]、动态规划[6]、序贯加权因子法[7]、梯度投影法[8]。
但这些文献仅仅考虑冷水机组的能耗，忽略了空调水系统其他部件的能耗，势必会影响空调水系统运行策略的全局最优化。
文献[9-10]从全局出发建立空调水系统优化目标函数，但研究对象或过于简单或过于抽象，实际应用于多台冷水机组联合运行空调水系统的优化控制比较困难。
本文以多台冷水机组联合运行的空调水系统为研究对象，利用各主要设备耗能模型及其内在关联，建立空调水系统全局能耗优化目标函数。
采用“动态规划”最优化算法，寻找在特定空调负荷下，为使系统
能耗最小、性能最优，各部件运行参数的变化状态，从
而实现空调水系统运行策略最优化。
1 系统形式
本文研究对象是普通的一次泵定流量空调水系统，如图1所示。
冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔和冷水机组一一对应，相互之间联动控制；通过监测空调总
收稿日期：
2010-02-26；修回日期：
2010-03-08
7
2
冷负荷，进行冷水机组台数控制；冷水机组的负荷调
节通过重设供水设定温度来实现；为了保证蒸发器水流量不变和末端负荷变化不互相干扰，集、分水器之间设置了恒定压差的流量旁通控制装置；冷却塔进出水总管之间设有旁通装置，以防止在低温工况下冷却水温度过低。
系统配置如下：
3台冷水机组（两大一小）、4台冷冻水泵（两大两小，小泵一用一备）、4台冷却水泵（两大两小，小泵一用一备）、3台冷却塔（两大一小），其中水泵和冷却塔风机转速恒定不变。
2优化运行策略理论分析
多台冷水机组联合运行的空调水系统，如何根据实际总冷负荷、设备特性及其相互关系确定设备
的运行状态参数，使得空调水系统总体性能最优，是
一个很好的节能切入点。
本文提出的运行策略优化理论，是通过建立水系统总能耗目标函数，利用“动态规划（DynamicProgramming）”进行求解，从而优化运行策略。
2.1设备能耗模型的建立
2.1.1冷水机组
空调系统绝大部分时间都是处于部分负荷状态下运行，满负荷运行的情况极少，所以冷水机组的部分负荷性能对机组运行能耗的影响非常大。
部分负荷率R是机组实际制冷量Q与其额定制冷量Qr的比值，其表达式如下：
式中：
Ai为与第i台冷水机组相对应的冷冻水泵功
率；Ari为与第i台冷水机组相对应的冷冻水泵额定功率；Xi为自定义函数。
2.1.3 冷却水泵在整个冷却水系统的阻力构成中，管路阻力所占
比例较小，而其他部分的阻力基本保持不变，因此改变冷却水泵运行台数对系统阻力影响不大，可以认为冷却水泵扬程为定值。
冷却水泵常为定流量运行，以提高冷凝器的换热强度，确保冷水机组冷凝器的散热效果。
因此，冷却水泵的耗能方程也可以写为：
Bi=BriXi
（5）
式中：
Bi为与第i台冷水机组相对应的冷却水泵功
率；Bri为与第i台冷水机组相对应的冷却水泵额定功率。
2.1.4 冷却塔为了尽可能降低冷却水回水温度，以提高冷水机
能的性能系数，冷却塔风机恒速运行且全开，其耗能方程如下：
Ci=CriXi
（6）
式中：
Ci为与第i台冷水机组相对应的冷却塔功率；
Cri为与第i台冷水机组相对应的冷却塔额定功率。
2.2 能耗目标函数的建立
对于图1所示的空调水系统运行策略最优化，就是在满足空调总负荷需求的前提下，保证系统稳定运行，减少动力部分的能耗，尽可能地节能。
综合考虑冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔的耗能模型，建立能耗目标函数如下：
N
R=Q/Qr
（1）
冷水机组的能耗是制冷量、冷冻水供水温度、冷
却水回水温度的函数[11]，冷冻水、冷却水供回水温差的变化及R的不同都会引起机组性能系数COP的变化。
在冷冻水量和冷却水量一定的情况下，冷冻水、冷却水供回水温差的变化都是与机组部分负荷率R相关联的，因此，直接用机组的部分负荷率R基本可以反映机组COP的变化情况[3]，即：
minΣ（Wi+Ai+Bi+Ci）
i=1
Wi=QriRi/COPi i=1，2，…，N
（7）
（8）
式中：
Wi为第i台冷水机组实际输入功率；Qri为第i
台冷水机组额定制冷量；N为冷水机组台数。
为了保证冷水机组稳定、高效的运行，都有一个适宜的冷量调节范围，综合考虑不同厂家、不同类型机组的容量调节能力，取部分负荷率25%为最小输出负荷。
因此，对于上述最优化问题而言，就必须满足下列不等式约束条件：
COPi=fi（Ri）
（2）
式中：
fi为第i台冷水机组COP与R的函数关系。
2.1.2 冷冻水泵
为了防止冷水机组蒸发器因结冰而裂管，通过蒸发器的冷冻水流量恒定不变，因此冷冻水泵定流量运行，设计流量为与之对应的冷水机组冷冻水额定流量。
为了保证各个末端负荷变化调节控制阀开度时不互相干扰，供回水总管压差保持恒定，集分水器之间设置压差旁通装置。
考虑到冷源侧管网阻力运行过程中变化较小，因此冷冻水泵扬程变化也不大。
根据水泵功率与流量、扬程的关系可知：
冷冻水泵运行过程中的输入功率基本不变，其耗能方程如下：
0.25≤Ri≤1.0胰Ri=0 i=1，2，…，N
（9）
此外，所有冷水机组的制冷量之和必须满足用户实
际需求的冷负荷L，这样就构成了一个等式约束条件：
N
ΣQriRi=L
（10）
i=1
因此，空调水系统运行策略的优化问题最终归结为求解上述“带有等式约束和不等式约束的非线性规划问题”，优化变量为冷水机组的部分负荷率Ri。
2.3 优化算法—动态规划[6]
针对上述非线性最优化问题，作者采用“动态规划”
Ai=AriXi
（3）
Xi=≠
0，Ri=0
（4）
1，Ri≠0
28
进行求解，即人为地赋予“时段”概念，将多台冷水机组
排序，首先考虑第1台机组制冷量，然后考虑第2台机组制冷量，依此类推，将其转换为一个多阶段决策过程最优化问题。
此动态规划模型的建立过程具体如下：
（1）阶段i：
每台冷水机组为一个阶段，取1，2，…，
i，…，N；
（2）状态变量Si：
第i阶段初应由第i台机组到第
N台机组承担的总冷负荷；
（10）基本方程为：
∈
∈fi（si）=min[gi（ui）+fi+1（si+1）] i=N，N-1，…，i，…，2，1
∈
ui∈Di
∈
∈
∈
∈
∈
∈
∈f
（s ）=0
∈N+1N+1
上述动态规划模型为连续确定性问题，再考虑到
冷水机组COP与R的函数关系复杂，所以最优指标函数的求解比较困难，全过程最优策略的得到也就相当不容易。
为了简化上述问题的求解过程，作者将连续变量进行离散化处理，即将机组的负荷率以为间隔划分为若干个离散点，再按逆序方法，逐步递推求出fN（sN），fN-1（sN-1），…，直至求出能耗最小的最优运行策略。
3工程实例分析
以郑州某办公楼为例，该建筑总冷负荷4850kW，其冷源系统的配置具体如下：
①2台550RT离心式冷
水机组、1台300RT螺杆式冷水机组，其部分负荷性能
参数如表1所示；②2台45kW冷冻水泵、1台30kW
冷冻水泵；③2台55kW冷却水泵、1台37kW冷却水泵；④2台15kW冷却塔、1台7.5kW冷却塔。
（3）状态集合：
Si=≤si
0≤si≤L≤；
（4）决策变量ui=Ri：
第i台冷水机组的部分负荷率；
（5）状态转移方程：
s
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