變水量空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略的能耗評估與分析

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摘要：由于受氣象條件等因素變化的影響，在實際運行過程中，空調(diào)系統(tǒng)的負荷大多小于其設(shè)計負荷。為達到節(jié)能和優(yōu)化系統(tǒng)控制的目的，對三個實時優(yōu)化控制策略進行能耗評估與分析：實時控制優(yōu)化冷媒水供水溫度；實時控制優(yōu)化二級泵供水壓力；以及供水壓力和供水溫度串級優(yōu)化控制。同常規(guī)的控制策略相比，這三個優(yōu)化控制策略都能具有一定的節(jié)能效果，而且能夠改善系統(tǒng)局部的控制特性，但它們都未使系統(tǒng)達到最佳的運行工況。要使系統(tǒng)最大程度地節(jié)能，應(yīng)對影響系統(tǒng)能耗的控制變量同時進行優(yōu)化。

　　關(guān)鍵詞：變水量 冷媒水系統(tǒng) 優(yōu)化 控制策略

　　引言

　　在空調(diào)系統(tǒng)的實際運行過程中，由于受氣象條件等因素變化的影響，在多數(shù)的運行時間里空調(diào)負荷遠小于其設(shè)計負荷[1] .特別是對于采用變水量（Variable Water Volume，VWV）的樓宇空調(diào)系統(tǒng)，由于其控制變量更多以及控制系統(tǒng)更為復(fù)雜的特點，依賴經(jīng)驗的控制方式在很大程度上已經(jīng)無法完成控制管理的任務(wù)，也不能很好地體現(xiàn)VWV系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢。

　　因此，根據(jù)空調(diào)負荷的變化情況，針對變流量系統(tǒng)監(jiān)測點和可調(diào)參數(shù)較多的特點，在部分負荷時段調(diào)整制冷系統(tǒng)的某些運行參數(shù)，在滿足系統(tǒng)負荷要求和保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，盡可能地減少系統(tǒng)的能耗并提高系統(tǒng)的控制特性。本文選取冷水機組的供水溫度和二級泵的供水壓差作為監(jiān)測點，在負荷發(fā)生變化時，實時調(diào)節(jié)控制這兩個參數(shù)，在保證負荷要求的情況下，與固定策略相比，三種優(yōu)化策略都能夠達到節(jié)能的目的，同時系統(tǒng)的控制特性比較穩(wěn)定。但它們都未使系統(tǒng)達到最佳的運行工況，要使系統(tǒng)最大程度地節(jié)能，應(yīng)對影響系統(tǒng)能耗的控制變量同時進行優(yōu)化。

　　1、研究對象

　　系統(tǒng)的二級供水采用變頻泵通過恒壓控制調(diào)節(jié)水量以滿足AHU的要求；初級和二級冷媒水供水回路之間的旁通閥通過恒壓控制調(diào)節(jié)旁通水量以保持通過每臺冷水機組蒸發(fā)器的水流量不變；冷卻塔進出水總管之間混水閥的控制用于防止在低溫工況下過低的冷卻水溫度；各冷水機組都有一個出水溫度控制器控制冷媒水的出水溫度；各AHU都有一個送風溫度控制器控制送風溫度。

　　（a）室外溫度條件

　　（b）AHU的送風量變化情況圖

　　2、室外溫度條件及AHU的送風量變化情況

　　3、三種優(yōu)化策略

　　3.1 供水壓力優(yōu)化控制

　　在VWV系統(tǒng)中，二級泵大多采用變頻調(diào)速泵或多臺定速泵配以一臺變頻調(diào)速泵，因此都可以進行連續(xù)地調(diào)節(jié)。它由恒壓控制器通過改變變速泵的轉(zhuǎn)速和定速泵的啟停以調(diào)節(jié)二級回路的流量，其控制參數(shù)是二級供回水主管的壓差或各AHU中進出口壓差的最小值。根據(jù)各AHU負荷的變化實時優(yōu)化該控制參數(shù)有節(jié)約二級泵能耗和提高系統(tǒng)控制特性的潛在能力[4] .自動控制的AHU水閥的閥位代表了各自AHU相對負荷的變化，保持各水閥中最大的閥位處于接近100%的開度，可以在保證系統(tǒng)控制特性的前提下最大地減少二級回路的阻力。

　　3.2 供水溫度優(yōu)化控制

　　當出水溫度設(shè)定得較低時，主機的蒸發(fā)溫度較低，因此COP較低，相同負荷時主機的能耗較大；反之設(shè)定得較高，主機的COP較高，相同負荷時的能耗較小。單從主機的能耗角度而言，應(yīng)盡可能地提高出水溫度的設(shè)定[5] .但是，過高的設(shè)定會使若干個甚至所有的AHU水閥開到最大也無法滿足負荷的要求，同時也增加了二級泵的能耗[6] .因此最佳的出水溫度設(shè)定應(yīng)是保持各水閥中最大的閥位處于接近100%開度時的設(shè)定[4] .

　　3.3 供水壓力與供水溫度串級優(yōu)化控制

　　將供水壓力和冷水機組供水溫度進行串級優(yōu)化控制，即利用各用戶水閥的閥位信息[5] ，根據(jù)其中的最大閥位及系統(tǒng)運行狀況，通過控制優(yōu)先級別的分定，確定兩個優(yōu)化設(shè)定值。控制策略將二級泵供水壓力優(yōu)化作為優(yōu)先級控制，供水溫度優(yōu)化作為第二級控制。由于溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)反應(yīng)較慢，故將供水溫度的優(yōu)化控制調(diào)節(jié)作為二級控制調(diào)節(jié)，在二機泵供水壓力的調(diào)節(jié)已接近極限時，啟動供水溫度的優(yōu)化控制調(diào)節(jié)。

　　4、仿真結(jié)果及分析

　　本文中的兩個優(yōu)化控制參數(shù)的調(diào)整主要影響冷水機組和冷媒水二級泵的能耗情況。三種優(yōu)化控制策略的運行結(jié)果表明，監(jiān)測參數(shù)的調(diào)整是在滿足負荷要求及保證控制穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上進行的。

　　4.1 供水壓力優(yōu)化控制策略結(jié)果

　　此優(yōu)化控制策略的能耗結(jié)果與固定策略相比如表1所示。其中固定策略供水壓力和供水溫度值分別是250kPa和7℃，優(yōu)化控制策略的供水溫度設(shè)定在7℃，供水壓力隨負荷的變化在50至250kPa范圍內(nèi)實時進行調(diào)整。

　?。╝）供水壓力變化情況

　?。╞） 最大閥位變化情況圖3 供水壓力及AHU閥位變化情況

　　冷媒水的供水溫度不變，故在相同的負荷條件下冷媒水的流量理論上應(yīng)該是不變的，根據(jù)AHU最大閥位的變化情況實時調(diào)節(jié)其供回水壓差從而調(diào)整二級泵的壓頭，由于供水壓力優(yōu)化使AHU的閥位比固定方案更接近100%，供水阻力減小，故二級泵的壓頭降低，從而使得二級泵的能耗減少。

　　4.2 供水溫度優(yōu)化控制策略結(jié)果

　　其中固定策略供水壓力和供水溫度值分別是250kPa和7℃，優(yōu)化控制策略的供水壓力設(shè)定在250kPa，供水溫度隨負荷的變化在7℃至10℃范圍內(nèi)實時進行調(diào)整。

　?。╝）供水溫度變化情況

　?。╞） 最大閥位變化情況

　　二級泵的供水壓力不變，根據(jù)負荷的變化引起的AHU的閥位變化實時調(diào)整供水溫度。理論上講，在其他條件不變的情況下可以提高冷水機組的COP值，從而減少冷水機組的能耗。從供水溫度優(yōu)化策略的能耗情況來看，單純的調(diào)整供水溫度并不能夠很好的使冷水機組節(jié)能。因此要想取得更好的節(jié)能效果，應(yīng)該對影響系統(tǒng)能耗的參數(shù)同時進行優(yōu)化控制。

　　4.3 供水溫度和供水壓力串級優(yōu)化控制策略結(jié)果

　　其中固定策略供水壓力和供水溫度值分別是250kPa和7℃，優(yōu)化控制策略的供水壓力在50kPa至250kPa范圍內(nèi)實時調(diào)整，供水溫度在7℃至10℃范圍內(nèi)隨負荷的變化實時進行調(diào)整。

　?。╝）供水壓力及最大閥位變化情況

　?。╞）供水溫度變化情況

　　雖然這種控制策略相比固定策略有明顯的節(jié)能效果，但是控制程序中系數(shù)的不同設(shè)定可以得到不同的節(jié)能效果，可見這種依據(jù)一定經(jīng)驗的調(diào)整并非最優(yōu)的控制方案。

　　5、結(jié)論

　　從以上的優(yōu)化控制策略運行結(jié)果可以看出，三種優(yōu)化控制策略相對于固定策略都能夠節(jié)能。雖然三種優(yōu)化控制策略相對于固定策略都能夠節(jié)能，卻不是系統(tǒng)優(yōu)化控制節(jié)能的最好方案。從系統(tǒng)總體來講，對某一參數(shù)的調(diào)整可能會影響系統(tǒng)其他參數(shù)向不節(jié)能方向變化。在供水溫度優(yōu)化控制策略中，供水溫度的提高并不一定能夠提高冷水機組的COP值，不同程度的調(diào)整供水溫度其節(jié)能情況也不同，甚至供水溫度的調(diào)整使系統(tǒng)不節(jié)能，原因是影響COP值的其他因素導致COP值沒有提高；在供水溫度和供水壓力的串級優(yōu)化策略中，控制程序中不同的系數(shù)設(shè)定其能耗情況也是不同的。由此可見本文所述的三種優(yōu)化控制策略并非最好的控制方案。

　　因此，有必要根據(jù)影響系統(tǒng)能耗的參數(shù)的變化對系統(tǒng)能耗的影響，確立一個目標函數(shù)，并寫出相應(yīng)的約束條件，利用合理的尋優(yōu)方法，通過總體上的尋優(yōu)，得出節(jié)能控制的最佳策略。