風冷熱泵-水冷機組雙冷源系統(tǒng)運行優(yōu)化方法研究

趙廷方 鄧勤犁 單曉芳 任志剛

（1.武漢理工大學土木工程與建筑學院 武漢 430070；2.武漢理工大學三亞科教創(chuàng)新園 三亞 572000）

0 引言

空調系統(tǒng)在為人們提供舒適、健康的室內環(huán)境的同時，也消耗著大量的能源。據統(tǒng)計，中央空調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。風冷熱泵作為一種安裝方便、初投資小且運行效率高的空調形式，受到人們的廣泛關注。

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

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

1 計算方法

1.1 功率模型

1.1.1 水冷機組功率模型

Type225 模擬變頻水冷機組，使用半經驗模型用于計算部分負荷下水冷機組的輸入功率，該模型高精度地考慮了實際運行條件[6]。水冷機組的實際輸入功率計算式如下：

根據DOE-2 模型，部分負荷率PLR由式得：

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

式中，Tlo,o=280.15K 。

根據機組樣本可以得到流量修正系數(shù)公式：

部分負荷修正系數(shù)RPLR由經驗公式確定：

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

1.1.2 風冷熱泵功率模型

風冷熱泵機組使用Type655 模塊模擬，運行參數(shù)的確定由外部輸入文件確定，包括部分負荷數(shù)據文件和額定負荷數(shù)據文件，均采用TRNSYS 默認文件。其中額定負荷數(shù)據文件提供實時制冷量與額定制冷量比值（Capacityratio）以及實時cop與額定cop比值（copratio）隨機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由選定的熱泵機組提供。該模塊根據設定的出水溫度和空氣干球溫度調用動態(tài)數(shù)據程序，獲取copratio和Capacityratio，通過公式（6）和（7）計算實時工況下的制冷量和COP。

當風冷熱泵未在額定負荷下運行時，則需要使用部分負荷率（PLR）及能耗與額定功率比值（FFLP），兩者之間的關系由部分負荷數(shù)據文件提供，算式如下：

式中：Qload為實時冷負荷（已知），kW。

風冷熱泵的實際輸入功率由式（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）計算得到：

式中：Qload為實時冷負荷（已知）；Wtotal為總輸入功率，包括各臺機組、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）是一種運用在抽樣實驗中的方法[8]，其想要實現(xiàn)的目標是在工作區(qū)內部抽取一組樣本點，使得該樣本點可以均勻的分布在實驗區(qū)域中。抽樣方法抽取的樣本都是具有典型性的樣本，減少了重復的沒有意義的勞動。

該實驗假定輸入點x=(x,...,xs)?Cs和輸出值y有明確的關系y=f(x)。設定試驗區(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在所試驗點上的均值為：

式中，Dn={x1,...,xn}代表n個點的一個設計。

1.2.2 BP 耦合粒子群算法

圖1是利用BP 網絡耦合粒子群算法進行參數(shù)尋優(yōu)的程序圖。將抽樣得到的樣本輸入BP 網絡，建立合適的BPNN 模型；再用粒子群算法調用BPNN 模型，經過個體和群體歷史最優(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，則終止運行，輸出最優(yōu)解以及其對應的參數(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 空調冷源系統(tǒng)運行優(yōu)化方法

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

圖2 空調冷源系統(tǒng)運行優(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 研究對象

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

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

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

2.2 運行方案優(yōu)化

在初始運行基礎上，進行方案優(yōu)化（見表2）：一方面改變水冷機組與風冷熱泵的啟停順序，另一方面對四臺冷凍泵采取定溫差控制。通過修改機組群控策略，根據部分負荷信號的遞增，優(yōu)先開啟風冷熱泵，部分負荷信號超過風冷熱泵總額定制冷量的90%時，開啟水冷機組補充冷量；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，根據負荷信號及設定溫差信號計算水泵所需流量，然后把該流量輸入冷凍泵變頻控制器，經過分析計算得到各冷凍泵頻率信號，從而實現(xiàn)對冷凍泵的變頻控制。

表2 運行方案對比Table 2 Comparison of operation schemes

根據流程圖與運行方案建立多冷源系統(tǒng)的TRNSYS 仿真平臺，如圖4所示。整個模型應用的模塊如表3所示。TRNSYS 模塊之間通過線連接，實現(xiàn)信號、能量、物質的傳遞。通過機組群控對水冷機組和風冷熱泵進行啟停控制；冷凍側控制系統(tǒng)根據流量信號控制各水泵的啟停，改進后則控制供回水溫差來控制變頻水泵的流量；冷卻側控制系統(tǒng)綜合考慮部分負荷信號和流量信號對冷卻泵、冷卻塔風機的啟停進行控制。

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

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

2.3 運行參數(shù)優(yōu)化

在方案優(yōu)化基礎上進行參數(shù)優(yōu)化，本文根據冷源系統(tǒng)特點，選取3 個溫度、2 個頻率作為待優(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給出基本策略下負荷側供回水溫度。整個制冷季節(jié)冷凍水平均環(huán)路溫差為3.22℃，可見制冷季的大部分時間，冷源系統(tǒng)運行在大流量、小溫差的運行工況下，使得大量水泵功率浪費，因此通過不同優(yōu)化對水泵節(jié)能有著重大意義。

圖5 基本策略下負荷側供回水溫度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

算法預測的系統(tǒng)COP 與TRNSYS 模擬的系統(tǒng)COP 誤差為0.5%，驗證了BP 耦合粒子群算法進行優(yōu)化的可靠性。

基本控制下系統(tǒng)COP 為3.32，通過改變風冷熱泵和水冷機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%，達到3.85。在運行方案優(yōu)化的基礎上，通過算法進行參數(shù)尋優(yōu)，進一步使系統(tǒng)COP 提高9.1%，達到4.20。

由優(yōu)化后的運行參數(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定值7℃，且風冷側和水冷側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：

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，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)在除風冷熱泵和水冷機組外的其它部件。經過方案優(yōu)化，風冷熱泵能耗大幅增加，水冷機組能耗大幅降低，兩者能耗之和基本相同；水冷側的各臺冷凍泵、冷卻泵以及風機均有所降低，且降低幅度超過50%。方案優(yōu)化相對于基本控制可節(jié)能14.4%。

（3）與方案優(yōu)化相比，參數(shù)優(yōu)化后，風冷熱泵、冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔風機能耗均進一步降低，四者總體降低幅度為11%；水冷機組能耗略微增加，增加幅度為2.6%這是由于參數(shù)優(yōu)化后水冷側冷凍水供回水溫差超過5℃，導致水冷側冷凍水流量減小，冷水機組運行能耗隨之增加。因此，就系統(tǒng)整體而言，參數(shù)優(yōu)化相對于方案優(yōu)化可進一步節(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。當階段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，系統(tǒng)COP 達到最大值。

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 結論

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

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

（2）方案優(yōu)化后，風冷和水冷各臺機組能耗之和變化不大，水泵、風機等輔助設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，水冷機組能耗略有升高，其它設備能耗均進一步降低，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)各設備和系統(tǒng)的能耗明顯降低，整體運行效率明顯提高，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，冷卻塔風機頻率37.92Hz。