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1、变水量空调系统优化控制策略的能耗评估与分析 - 暖通论 文 摘要：由于受气象条件等因素变化的影响，在实际运行过程中，空 调系统的负荷大多小于其设计负荷。为达到节能和优化系统控制的 目的，对三个实时优化控制策略进行能耗评估与分析：实时控制优 化冷媒水供水温度；实时控制优化二级泵供水压力；以及供水压力 和供水温度串级优化控制。同常规的控制策略相比，这三个优化控 制策略都能具有一定的节能效果，而且能够改善系统局部的控制特 性，但它们都未使系统达到最佳的运行工况。要使系统最大程度地 节能，应对影响系统能耗的控制变量同时进行优化。关键词：变水量 冷媒水系统 优化 控制策略引言在空调系统的实际运行过程中，
2、由于受气象条件等因素变化 的影响，在多数的运行时间里空调负荷远小于其设计负荷1 .特别 是对于采用变水量（Variable Water Volume ，VWV）的楼宇空调系 统，由于其控制变量更多以及控制系统更为复杂的特点，依赖经验 的控制方式在很大程度上已经无法完成控制管理的任务，也不能很 好地体现 VWV 系统的节能优势。因此，根据空调负荷的变化情况，针对变流量系统监测点和 可调参数较多的特点，在部分负荷时段调整制冷系统的某些运行参 数，在满足系统负荷要求和保证系统稳定性的前提下，尽可能地减 少系统的能耗并提高系统的控制特性。本文选取冷水机组的供水温度和二级泵的供水压差作为监测点，在负荷发
3、生变化时，实时调节 控制这两个参数，在保证负荷要求的情况下，与固定策略相比，三 种优化策略都能够达到节能的目的，同时系统的控制特性比较稳定。 但它们都未使系统达到最佳的运行工况，要使系统最大程度地节能， 应对影响系统能耗的控制变量同时进行优化。1、研究对象系统的二级供水采用变频泵通过恒压控制调节水量以满足 AHU 的要求；初级和二级冷媒水供水回路之间的旁通阀通过恒压控 制调节旁通水量以保持通过每台冷水机组蒸发器的水流量不变；冷 却塔进出水总管之间混水阀的控制用于防止在低温工况下过低的冷 却水温度；各冷水机组都有一个出水温度控制器控制冷媒水的出水 温度；各 AHU 都有一个送风温度控制器控制送风
4、温度。（a）室外温度条件（b）AHU 的送风量变化情况图2、室外温度条件及 AHU 的送风量变化情况3、三种优化策略3.1 供水压力优化控制在 VWV 系统中，二级泵大多采用变频调速泵或多台定速泵 配以一台变频调速泵，因此都可以进行连续地调节。它由恒压控制 器通过改变变速泵的转速和定速泵的启停以调节二级回路的流量， 其控制参数是二级供回水主管的压差或各 AHU 中进出口压差的最 小值。根据各 AHU 负荷的变化实时优化该控制参数有节约二级泵能耗和提高系统控制特性的潜在能力4 .自动控制的 AHU 水阀的阀 位代表了各自 AHU 相对负荷的变化，保持各水阀中最大的阀位处 于接近 100%的开度，
5、可以在保证系统控制特性的前提下最大地减少 二级回路的阻力。3.2 供水温度优化控制当出水温度设定得较低时，主机的蒸发温度较低，因此 COP 较低，相同负荷时主机的能耗较大；反之设定得较高，主机的 COP 较高，相同负荷时的能耗较小。单从主机的能耗角度而言，应尽可 能地提高出水温度的设定5 .但是，过高的设定会使若干个甚至所 有的 AHU 水阀开到最大也无法满足负荷的要求，同时也增加了二 级泵的能耗6 .因此最佳的出水温度设定应是保持各水阀中最大的 阀位处于接近 100%开度时的设定4 .3.3 供水压力与供水温度串级优化控制将供水压力和冷水机组供水温度进行串级优化控制，即利用 各用户水阀的阀位
6、信息5 ，根据其中的最大阀位及系统运行状况， 通过控制优先级别的分定，确定两个优化设定值。控制策略将二级 泵供水压力优化作为优先级控制，供水温度优化作为第二级控制。 由于温度的调节系统反应较慢，故将供水温度的优化控制调节作为 二级控制调节，在二机泵供水压力的调节已接近极限时，启动供水 温度的优化控制调节。4、仿真结果及分析本文中的两个优化控制参数的调整主要影响冷水机组和冷媒水二级泵的能耗情况。三种优化控制策略的运行结果表明，监测参 数的调整是在满足负荷要求及保证控制稳定性的基础上进行的。4.1 供水压力优化控制策略结果此优化控制策略的能耗结果与固定策略相比如表 1 所示。其 中固定策略供水压力
7、和供水温度值分别是 250kPa 和 7，优化控制 策略的供水温度设定在 7，供水压力随负荷的变化在 50 至 250kPa 范围内实时进行调整。（a）供水压力变化情况（b） 最大阀位变化情况图 3 供水压力及 AHU 阀位变化情 况冷媒水的供水温度不变，故在相同的负荷条件下冷媒水的流 量理论上应该是不变的，根据 AHU 最大阀位的变化情况实时调节 其供回水压差从而调整二级泵的压头，由于供水压力优化使 AHU 的阀位比固定方案更接近 100% ，供水阻力减小，故二级泵的压头降 低，从而使得二级泵的能耗减少。4.2 供水温度优化控制策略结果其中固定策略供水压力和供水温度值分别是 250kPa 和
8、 7， 优化控制策略的供水压力设定在 250kPa，供水温度随负荷的变化在 7至 10范围内实时进行调整。（a）供水温度变化情况（b） 最大阀位变化情况二级泵的供水压力不变，根据负荷的变化引起的 AHU 的阀位变化实时调整供水温度。理论上讲，在其他条件不变的情况下可 以提高冷水机组的 COP 值，从而减少冷水机组的能耗。从供水温度 优化策略的能耗情况来看，单纯的调整供水温度并不能够很好的使 冷水机组节能。因此要想取得更好的节能效果，应该对影响系统能 耗的参数同时进行优化控制。4.3 供水温度和供水压力串级优化控制策略结果其中固定策略供水压力和供水温度值分别是 250kPa 和 7， 优化控制策
9、略的供水压力在 50kPa 至 250kPa 范围内实时调整，供水 温度在 7至 10范围内随负荷的变化实时进行调整。（a）供水压力及最大阀位变化情况（b）供水温度变化情况虽然这种控制策略相比固定策略有明显的节能效果，但是控 制程序中系数的不同设定可以得到不同的节能效果，可见这种依据 一定经验的调整并非最优的控制方案。5、结论从以上的优化控制策略运行结果可以看出，三种优化控制策 略相对于固定策略都能够节能。虽然三种优化控制策略相对于固定 策略都能够节能，却不是系统优化控制节能的最好方案。从系统总 体来讲，对某一参数的调整可能会影响系统其他参数向不节能方向 变化。在供水温度优化控制策略中，供水温度的提高并不一定能够 提高冷水机组的 COP 值，不同程度的调整供水温度其节能情况也不 同，甚至供水温度的调整使系统不节能，原因是影响 COP 值的其他因素导致 COP 值没有提高；在供水温度和供水压力的串级优化策略 中，控制程序中不同的系数设定其能耗情况也是不同的。由此可见 本文所述的三种优化控制策略并非最好的控制方案。因此，有必要根据影响系统能耗的参数的变化对系统能耗的 影响，确立一个目标函数，并写出相应的约束条件，利用合理的寻 优方法，通过总体上的寻优，得出节能控制的最佳策略。
