趙廷方 鄧勤犁 單曉芳 任志剛

（1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)三亞科教創(chuàng)新園 三亞 572000）

0 引言

空調(diào)系統(tǒng)在為人們提供舒適、健康的室內(nèi)環(huán)境的同時(shí)，也消耗著大量的能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中央空調(diào)能耗占公共建筑總能耗的30%～50%，其中冷源系統(tǒng)能耗則占中央空調(diào)能耗的50%以上[1]。為降低冷源系統(tǒng)能耗，一方面減少能耗需求，另一方面提高清潔及可再生能源在建筑中的使用比重。風(fēng)冷熱泵作為一種安裝方便、初投資小且運(yùn)行效率高的空調(diào)形式，受到人們的廣泛關(guān)注。

風(fēng)冷熱泵與其他熱源（如地源熱泵、太陽(yáng)能系統(tǒng)）耦合供暖是目前的研究熱點(diǎn)。Scrapa[2]比較直膨式太陽(yáng)能聯(lián)合風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)的太陽(yáng)能平板集熱器系統(tǒng)的性能，得出雙熱源系統(tǒng)要比單熱源系統(tǒng)熱效率更高；PARDO[3]研究得出風(fēng)冷熱泵、地源熱泵以及儲(chǔ)熱器的耦合系統(tǒng)，其能耗只占單純采用風(fēng)冷熱泵的60%；顧娟[4]在不同控制策略（時(shí)間控制、溫度控制、溫差控制）下，分析夏熱冬冷地區(qū)地源與風(fēng)冷熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)的性能，得出優(yōu)先運(yùn)行3h、室外空氣干球溫度為33℃、溫差為5℃時(shí)的策略是最優(yōu)的系統(tǒng)控制策略?，F(xiàn)有研究對(duì)夏季持續(xù)時(shí)間久、需要持續(xù)性供冷的風(fēng)冷熱泵與水冷機(jī)組聯(lián)合供冷的方面資料較少。

對(duì)于多冷源系統(tǒng)，設(shè)備間的運(yùn)行是相互耦合且彼此影響聯(lián)系的，同種負(fù)荷需求下，系統(tǒng)可以有多種運(yùn)行模式來滿足，找到最佳的運(yùn)行模式使系統(tǒng)能效最高，是節(jié)能優(yōu)化的關(guān)鍵[5]。故本文從實(shí)際案例出發(fā)，以武漢某公共建筑雙冷源系統(tǒng)為對(duì)象提出一種優(yōu)化控制方法，該方法以初始運(yùn)行為基礎(chǔ)，依次進(jìn)行方案優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化，以提高冷源系統(tǒng)整體能效比。

1 計(jì)算方法

1.1 功率模型

1.1.1 水冷機(jī)組功率模型

Type225 模擬變頻水冷機(jī)組，使用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜谟?jì)算部分負(fù)荷下水冷機(jī)組的輸入功率，該模型高精度地考慮了實(shí)際運(yùn)行條件[6]。水冷機(jī)組的實(shí)際輸入功率計(jì)算式如下：

根據(jù)DOE-2 模型，部分負(fù)荷率PLR由式得：

參考劉金平等人的研究結(jié)論[7]結(jié)合機(jī)組實(shí)際變工況性能參數(shù)，按照夏季冷凍水溫度每升高1K，機(jī)組功率降低2.5%，則溫度修正系數(shù)由式（3）得出：

式中，Tlo,o=280.15K 。

根據(jù)機(jī)組樣本可以得到流量修正系數(shù)公式：

部分負(fù)荷修正系數(shù)RPLR由經(jīng)驗(yàn)公式確定：

式中，A、B、C是擬合系數(shù)，分別為0.2726、-0.08413、0.81029。

1.1.2 風(fēng)冷熱泵功率模型

風(fēng)冷熱泵機(jī)組使用Type655 模塊模擬，運(yùn)行參數(shù)的確定由外部輸入文件確定，包括部分負(fù)荷數(shù)據(jù)文件和額定負(fù)荷數(shù)據(jù)文件，均采用TRNSYS 默認(rèn)文件。其中額定負(fù)荷數(shù)據(jù)文件提供實(shí)時(shí)制冷量與額定制冷量比值（Capacityratio）以及實(shí)時(shí)cop與額定cop比值（copratio）隨機(jī)組出口溫度和空氣干球溫度的變化曲線。額定工況制冷量及額定工況cop由選定的熱泵機(jī)組提供。該模塊根據(jù)設(shè)定的出水溫度和空氣干球溫度調(diào)用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)程序，獲取copratio和Capacityratio，通過公式（6）和（7）計(jì)算實(shí)時(shí)工況下的制冷量和COP。

當(dāng)風(fēng)冷熱泵未在額定負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，則需要使用部分負(fù)荷率（PLR）及能耗與額定功率比值（FFLP），兩者之間的關(guān)系由部分負(fù)荷數(shù)據(jù)文件提供，算式如下：

式中：Qload為實(shí)時(shí)冷負(fù)荷（已知），kW。

風(fēng)冷熱泵的實(shí)際輸入功率由式（9）確定：

1.1.3 系統(tǒng)能耗模型

系統(tǒng)整體的性能系數(shù)由方程（10）計(jì)算得到：

式中：Qload為實(shí)時(shí)冷負(fù)荷（已知）；Wtotal為總輸入功率，包括各臺(tái)機(jī)組、水泵和冷卻塔的輸入功率之和。

1.2 冷源系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法

1.2.1 拉丁超立方抽樣

由Mckay 等人提出的拉丁超立方抽樣方法（LHS）是一種運(yùn)用在抽樣實(shí)驗(yàn)中的方法[8]，其想要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是在工作區(qū)內(nèi)部抽取一組樣本點(diǎn)，使得該樣本點(diǎn)可以均勻的分布在實(shí)驗(yàn)區(qū)域中。抽樣方法抽取的樣本都是具有典型性的樣本，減少了重復(fù)的沒有意義的勞動(dòng)。

該實(shí)驗(yàn)假定輸入點(diǎn)x=(x,...,xs)?Cs和輸出值y有明確的關(guān)系y=f(x)。設(shè)定試驗(yàn)區(qū)大小為單位立方體Cs=[0,1]s，則y在其上的總均值為：

輸出變量y在所試驗(yàn)點(diǎn)上的均值為：

式中，Dn={x1,...,xn}代表n個(gè)點(diǎn)的一個(gè)設(shè)計(jì)。

1.2.2 BP 耦合粒子群算法

圖1是利用BP 網(wǎng)絡(luò)耦合粒子群算法進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)的程序圖。將抽樣得到的樣本輸入BP 網(wǎng)絡(luò)，建立合適的BPNN 模型；再用粒子群算法調(diào)用BPNN 模型，經(jīng)過個(gè)體和群體歷史最優(yōu)位置更新、粒子的速度和位置更新之后，判斷其是否滿足最優(yōu)解條件，若不滿足，則繼續(xù)循環(huán)；若滿足，則終止運(yùn)行，輸出最優(yōu)解以及其對(duì)應(yīng)的參數(shù)組合。

圖1 BPNN 與粒子群算法耦合程序圖Fig.1 Program diagram of BPNN and particle swarm optimization

1.3 空調(diào)冷源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方法

以初始運(yùn)行方案為基礎(chǔ)，空調(diào)冷源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方法如圖2所示。

圖2 空調(diào)冷源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方法Fig.2 Optimal control method of air conditioning cold source system

2 基于TRNSYS 的冷源系統(tǒng)模型及優(yōu)化

2.1 研究對(duì)象

本文以武漢某公共建筑中央空調(diào)多冷源系統(tǒng)為研究對(duì)象，該多冷源系統(tǒng)有水冷和風(fēng)冷兩組冷源系統(tǒng)，水冷側(cè)系統(tǒng)主要由2 臺(tái)水冷機(jī)組、2 臺(tái)冷凍泵、1 臺(tái)冷卻塔和2 臺(tái)冷卻泵組成；風(fēng)冷側(cè)系統(tǒng)主要由2 臺(tái)風(fēng)冷熱泵和2 臺(tái)冷凍泵組成。該系統(tǒng)在冬季使用風(fēng)冷熱泵供暖，夏季以水冷機(jī)組為主、風(fēng)冷熱泵為輔聯(lián)合供冷，系統(tǒng)原理如圖3所示。表1給出主要設(shè)備參數(shù)表。

表1 空調(diào)冷源系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)Table 1 Equipment parameters of air conditioning cold source system

圖3 空調(diào)冷源系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of air conditioning cold source system

2.2 運(yùn)行方案優(yōu)化

在初始運(yùn)行基礎(chǔ)上，進(jìn)行方案優(yōu)化（見表2）：一方面改變水冷機(jī)組與風(fēng)冷熱泵的啟停順序，另一方面對(duì)四臺(tái)冷凍泵采取定溫差控制。通過修改機(jī)組群控策略，根據(jù)部分負(fù)荷信號(hào)的遞增，優(yōu)先開啟風(fēng)冷熱泵，部分負(fù)荷信號(hào)超過風(fēng)冷熱泵總額定制冷量的90%時(shí)，開啟水冷機(jī)組補(bǔ)充冷量；修改冷凍泵控制策略，通過控制供回水溫差來控制輸送流量，根據(jù)負(fù)荷信號(hào)及設(shè)定溫差信號(hào)計(jì)算水泵所需流量，然后把該流量輸入冷凍泵變頻控制器，經(jīng)過分析計(jì)算得到各冷凍泵頻率信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凍泵的變頻控制。

表2 運(yùn)行方案對(duì)比Table 2 Comparison of operation schemes

根據(jù)流程圖與運(yùn)行方案建立多冷源系統(tǒng)的TRNSYS 仿真平臺(tái)，如圖4所示。整個(gè)模型應(yīng)用的模塊如表3所示。TRNSYS 模塊之間通過線連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)、能量、物質(zhì)的傳遞。通過機(jī)組群控對(duì)水冷機(jī)組和風(fēng)冷熱泵進(jìn)行啟?？刂?；冷凍側(cè)控制系統(tǒng)根據(jù)流量信號(hào)控制各水泵的啟停，改進(jìn)后則控制供回水溫差來控制變頻水泵的流量；冷卻側(cè)控制系統(tǒng)綜合考慮部分負(fù)荷信號(hào)和流量信號(hào)對(duì)冷卻泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)的啟停進(jìn)行控制。

圖4 雙冷源系統(tǒng)TRNSYS 仿真平臺(tái)Fig.4 TRNSYS simulation model of air conditioning cold source system

表3 多冷源空調(diào)系統(tǒng)模型部件列表Table 3 List of model components of multi cooling source air conditioning system

2.3 運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

在方案優(yōu)化基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，本文根據(jù)冷源系統(tǒng)特點(diǎn)，選取3 個(gè)溫度、2 個(gè)頻率作為待優(yōu)化參數(shù)，表4給出待優(yōu)化參數(shù)的范圍。

表4 參數(shù)優(yōu)化范圍Table 4 Parameter optimization range

3 結(jié)果與分析

考慮到該冷源系統(tǒng)冷凍水泵較多且功率較大，圖5給出基本策略下負(fù)荷側(cè)供回水溫度。整個(gè)制冷季節(jié)冷凍水平均環(huán)路溫差為3.22℃，可見制冷季的大部分時(shí)間，冷源系統(tǒng)運(yùn)行在大流量、小溫差的運(yùn)行工況下，使得大量水泵功率浪費(fèi)，因此通過不同優(yōu)化對(duì)水泵節(jié)能有著重大意義。

圖5 基本策略下負(fù)荷側(cè)供回水溫度Fig.5 Temperature of chilled water supply and return water at load side under basic control

不同優(yōu)化下冷源系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)與系統(tǒng)COP 由表5與圖6給出：

表5 不同控制下運(yùn)行參數(shù)和系統(tǒng)COPTable 5 Operating parameters and COP of system under different control

圖6 冷源系統(tǒng)在不同優(yōu)化下的系統(tǒng)COPFig.6 COP of cold source system under different control

算法預(yù)測(cè)的系統(tǒng)COP 與TRNSYS 模擬的系統(tǒng)COP 誤差為0.5%，驗(yàn)證了BP 耦合粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化的可靠性。

基本控制下系統(tǒng)COP 為3.32，通過改變風(fēng)冷熱泵和水冷機(jī)組的啟停順序以及所有冷凍水泵的變頻，使得系統(tǒng)COP 提高16%，達(dá)到3.85。在運(yùn)行方案優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過算法進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)，進(jìn)一步使系統(tǒng)COP 提高9.1%，達(dá)到4.20。

由優(yōu)化后的運(yùn)行參數(shù)可以看出，在最優(yōu)系統(tǒng)COP 條件下，階段1 和2 的冷凍水供水溫度均高于設(shè)定值7℃，且風(fēng)冷側(cè)和水冷側(cè)的冷凍水供回水溫差均超過5℃。

圖7和圖8給出不同優(yōu)化下系統(tǒng)總能耗和各部件能耗的變化趨勢(shì)：

圖7 冷源系統(tǒng)在不同優(yōu)化下的總能耗Fig.7 Total energy consumption under different control

圖8 冷源系統(tǒng)在不同優(yōu)化下的各設(shè)備能耗Fig.8 Energy consumption of each equipment of cold source system under different control

（1）隨著控制方式的不斷改進(jìn)，系統(tǒng)總能耗逐漸降低。與基本控制相比，參數(shù)優(yōu)化后的能耗僅為前者的78.4%，可見經(jīng)過層層優(yōu)化，總體的節(jié)能效果顯著。

（2）方案優(yōu)化的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在除風(fēng)冷熱泵和水冷機(jī)組外的其它部件。經(jīng)過方案優(yōu)化，風(fēng)冷熱泵能耗大幅增加，水冷機(jī)組能耗大幅降低，兩者能耗之和基本相同；水冷側(cè)的各臺(tái)冷凍泵、冷卻泵以及風(fēng)機(jī)均有所降低，且降低幅度超過50%。方案優(yōu)化相對(duì)于基本控制可節(jié)能14.4%。

（3）與方案優(yōu)化相比，參數(shù)優(yōu)化后，風(fēng)冷熱泵、冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)能耗均進(jìn)一步降低，四者總體降低幅度為11%；水冷機(jī)組能耗略微增加，增加幅度為2.6%這是由于參數(shù)優(yōu)化后水冷側(cè)冷凍水供回水溫差超過5℃，導(dǎo)致水冷側(cè)冷凍水流量減小，冷水機(jī)組運(yùn)行能耗隨之增加。因此，就系統(tǒng)整體而言，參數(shù)優(yōu)化相對(duì)于方案優(yōu)化可進(jìn)一步節(jié)能8.4%。

圖9給出系統(tǒng)COP 隨階段1 和階段2 供水溫度的變化（其他參數(shù)為優(yōu)化后的數(shù)值），觀察到系統(tǒng)COP 均隨冷凍水供水溫度的增加呈現(xiàn)先升高，后降低的趨勢(shì)。當(dāng)階段1 冷凍水供水溫度在8.5℃～9℃之間以及階段2 供水溫度在9℃～9.5℃之間時(shí)，系統(tǒng)COP 達(dá)到最大值。

圖9 系統(tǒng)COP 隨階段1（2）供水溫度變化Fig.9 Variation of cop with water supply temperature in stage 1（2）

4 結(jié)論

本文搭建某冷源系統(tǒng)的TRNSYS 模型，在初始運(yùn)行方案基礎(chǔ)上依次進(jìn)行方案優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果表明：

（1）水冷為主、風(fēng)冷為輔且定水量的初始運(yùn)行方案會(huì)浪費(fèi)大量能量，大量冷凍水泵的電能被浪費(fèi)，其系統(tǒng)能效比偏低（系統(tǒng)COP=3.32）。

（2）方案優(yōu)化后，風(fēng)冷和水冷各臺(tái)機(jī)組能耗之和變化不大，水泵、風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備能耗降低幅度均超過50%，系統(tǒng)能效比顯著升高（系統(tǒng)COP=3.85）；參數(shù)優(yōu)化后，水冷機(jī)組能耗略有升高，其它設(shè)備能耗均進(jìn)一步降低，系統(tǒng)COP 升至4.20。通過該冷源系統(tǒng)優(yōu)化控制方法優(yōu)化后，系統(tǒng)各設(shè)備和系統(tǒng)的能耗明顯降低，整體運(yùn)行效率明顯提高，節(jié)能顯著。

（3）冷源系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)組合為：階段1 供水溫度8.87℃，階段2 供水溫度9.46℃，冷凍水回水溫度14.88℃，冷卻泵頻率31.88Hz，冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率37.92Hz。