公共建筑中央空调的优化运行策略研究

1公共建筑中央空调的优化运行策略研究摘要:现代建筑节能问题已经越来越重要，研究空调系统的节能问题具有很大的意义。为了实现空调系统在某一负荷下运行时的最优状态，本文分空调系统建模和优化策略分析两个步骤来实现，主要是从提高总的能源利用效率上面来着手，使能源能够得到更大程度上的利用。分析了EMC这一新型能源管理模式，实现了暖通空调系统能耗最低的控制，为暖通空调的节能运行提供一些参考。关键词:系统建模；中央空调；优化策略；EMC中央空调系统是建筑内部的耗能大户，空调系统在节能方面有很大潜力，如果可以让中央空调系统的能耗得到降低，将会对建筑能耗有很大改善。空调冷冻水泵变频节能，在国内外都是一个令人感兴趣的问题很多空调专业人士对此进行了研究。但是多数的研究只是针对变频水泵变频的调节从而节省能耗这个方向，对系统的研究只是单一部件的研究，或者对系统的仿真建模的研究，也只是对不同的中央空调系统进行模拟，很少考虑到其调节各个组件的控制方法来建立整个系统的节能运行方法。中央空调系统大部分时候都在部分负荷下运行，而只有在满负荷下运行的时候，空调系统才是最大效率下运行。如果空调系统在部分负荷下运行的时候也能是最优运行状态，可以大大提高能量的利用效率。1系统动态模型的建立空调系统的模型是以上几个模块连接在一起构成的，各个模块之间通过相互传热和耦合关系把输出量和输入量相连，构成一个完整的系统，考虑整个系统运行的最优化状态，所以把整个系统的耗能量总和作为输出函数，也就是机组能耗、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔的耗能量的和，通过优化算法找出系统最优化的控制策略。如图1所示中央空调系统主要由制冷机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和冷却塔组成。各部分的作用及工作原理如下：制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷，冷冻泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中，由风机吹送达到降温的目的。经蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量成气态，冷却泵将冷却水送到冷却塔上由水塔风机对图1中央空调系统模型2其进行喷淋冷却，与大气之间进行热交换，将热量散发到大气中去。中央空调系统主要由以下几个部分组成：1.冷水机组。这是中央空调的“制冷源”，通往各个房间的循环水由冷水机组进行“内部交换”。2.冷却水塔，用于为冷水机组提供冷却水。3.外部热交换系统。由两个循环水系统组成：（1）冷冻水循环系统。由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷水机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，在个房间内进行热交换，带走房间内热量，使房间内的温度下降。（2）冷却水循环系统。由冷却泵及冷却水管道及冷却塔组成。冷水机组进行热交换，使制冷剂冷却的同时，必将释放大量的热量，该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。冷却泵将升温后的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降温后的冷却水，送回到冷水机组。如此不断循环，带走冷水机组释放的热量。4.风机。有两种情况：（1）室内风机。安装于所需要降温的房间内，用于将由冷冻水冷却了的空气吹入房间，加速房间内的热交换。（2）冷却塔风机。用于降低冷却塔的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。2优化方法以整个系统的能耗作为目标变量的，最终的目的就是要使系统的总能耗达到最小，在本系统中即是冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵和压缩机的能耗总和最小。本文是以最简单的空调系统为基础，以系统总能耗为目标变量，对系统的各主要组成部分进行分开建模，然后把各模块连起来就得到系统的模型。对模型进行运行数据的提取。只考虑空调系统在某一个负荷下运行的情况，把蒸发器出口温度、冷凝器进口温度、冷冻水流量、冷却水流量四个量作为变量，系统总能耗作为目标变量进行研究，考虑变量在各个运行状态时对应的系统能耗，并用一个for函数的小程序来把这些数据提取出来。用公式表示为以下形式：其中，Pmin-系统总能耗的最小值；Pct-冷却塔的耗功量；Pchill1—冷冻水泵的耗功量；Pchill2—冷却水泵的耗功量；Pcom—压缩机的耗功量。在系统中，冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵都是要直接对其输入外界的能量来带动它们的运转，而对于冷水机组，其主要的动力源是压缩机，压缩机的转动来带动机组的运转，所以，冷水机组的耗功量近似等于压缩机的耗功量，这里就直接用压缩机耗功量来代替冷水机组的耗功量。因此，本模型在做优化分析的时候，优化的目标系统总能耗就等于冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵和压缩机的耗功量之和，而系统能耗最小值就等于这几者耗功量之和的最小值。优化是在模型的基础上进行的，优化是建立在已经建好的空调系统的模型的基础上的，通过系统的运行过程获取运行结果，然后在结果的基础上进行优化分析，并用一定的优化方法来实现优化目标。本文的优化过程可以分为以下几步：1.从已经建好的matlab模型的基础上，根据系统的运行情况以及变量的取值范围，提取出来一系列空调系统的运行结果，即各个变量在不同的运行状态所对应的空调系统的总能耗3值。2.对数据进行曲线的拟合。根据已经提取出来的数据，拟合出系统能耗量与各个变量的关系图，从而为求出系统能耗的最小值打下基础。3.用1stopt软件对曲线的极小值进行求解。运用该软件中嵌入的优化算法，对拟合出的曲线进行优化分析，从而得到系统能耗最小的那个点。以上三个步骤是层层递进的，且相互影响的。只有前面的步骤做好了，才能更好的实现后面的优化目标。3EMCEMC（EnergyMechanismConservation），即“合同能源管理”，是一种基于市场运作的节能新机制。该模式由能源服务单位与客户签定能源项目服务合同，以合同期内客户的节能效益来支付当前的节能项目成本，为客户实施节能项目。EMC的实质，就是把节能当作一种投资，将埋在浪费中的利润挖出来，使之转化清晰可量化的节能效益,用减少的能源费用来支付节能项目的全部成本和投资回报。通过协议，参与投资的各方可以分享节能效益。EMC在中央空调系统获取节能效益的途径，主要是在系统设计阶段的合理优化，和在系统运行阶段的科学管理，EMC在设计选型阶段对行为节能的作用1）EMC模式追求的是节能效益的最大化，设计的合理性直接关系到能源服务方的收益，因此其在设计阶段就必须把暖通空调系统合理化、精细化作为追求，深入的挖掘节能空间。2)在空调系统的设计上，引入一体化设计的理念,用系统的思维统筹建筑结构与建筑设备的组合,从而打破以往建筑和结构设计处于垄断地位，而建筑设备处于从属地位的格局。3)通过对建筑物负荷的模拟分析，设计者能够合理配置制冷机组及水泵的台数及功率，优化水系统和风系统的设计，使设备尽可能满负荷高效率的运转；采用合理的BAS系统，对制冷机、管道阀门、水泵进行预测控制。在EMC模式下,能源服务方和业主的获益来自于能耗费用的减少部分,因此双方都会关注能耗的来源和变化,这就促使双方建立完备的能耗监控和分项计量设施。能源服务方利用网络和通信技术自动收集、储存实时记录的各项能耗数据，并运用数据库及节能软件进行统计分析，最终形成系统及各组成部分的逐月/逐季度/逐年的能源消费数据，和运行能效报告，业主可以充分了解能耗水平和节能潜力，考核服务方的工作绩效。能源服务方为使节能效益最大化，必须采取各种行为节能措施对中央空调系统进行管理和控制，实现系统运行与建筑负荷变化的协调，达到尽量高的能效比。4结论建立了中央空调系统的简单模型，然后在该模型的基础上进行提取出系统模型运行的数据，对这些数据进行了优化研究和分析，得到了系统运行的耗能最小的状态。解决这些弊端4的办法是引入EMC模式。该模式是对现有的管理运行体制的重大改革，是促进中央空调系统行为节能的有效途径，具有广阔的发展前景。参考文献[1]姚国梁.空调变频水泵节能问题探讨[J].暖通空调,2004,34(6):32-34[2]王寒栋.中央空调冷冻水泵变频调速运行特性研究[J].制冷,2003,22(2):15-20[3]唐军,肖丽萍,陈代杰.中央空调系统全局寻优节能控制原理[J].贵州科学,2007,12,25(4):80-83[4]李明海,鲁娟,任庆昌.智能建筑暖通空调系统优化方法研究[J].中国科技信息.2005,15:161-163[5]侯军.智能建筑暖通空调系统优化方法探析[J].建筑科学,2007,35:69[6]何厚键.中央空调水系统的建模与优化研究[D]:硕士论文.沈阳:沈阳工业大学图书馆,2005[7]马娟丽.中央空调系统的最优化运行[D]:硕士论文.西安:西安科技大学图书馆,[8]施灵.多台冷水机组空调系统的优化控制.暖通空调,2005，35（5）：79-81