一种面向传统水冷式中央空调主机系统能效优化控制方法

黄莉，范瑞祥，杨永标，陈璐，潘本仁

(1.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210000;2.国网江西省电力科学研究院，江西 南昌 330000)

一种面向传统水冷式中央空调主机系统能效优化控制方法

黄莉1，范瑞祥2，杨永标1，陈璐1，潘本仁2

(1.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210000;2.国网江西省电力科学研究院，江西 南昌 330000)

公共楼宇中央空调耗能高、季节性强、可调潜力大，是目前用户侧能源管理与能效提升的主要研究对象。针对传统水冷式中央空调的主机系统，重点研究了中央空调主机系统的能效优化方法，提出了基于实测数据能效在线实时监测和动态优化控制相结合的优化方法，分析了主机系统及分设备的能效评价指标，并建立了中央空调主机系统的能效优化控制模型，且详细构建了能效动态优化控制全过程;最后通过苏州商业楼宇的实证案例，分析了试点期间各类天气下的平均削负荷情况及综合节能量，据估综合节能量可降耗约8%～10%。

水冷式中央空调;主机系统;能效优化;能效比;优化模型

0 引言

当今严峻的能源形势已引发全球各国的密切关注，在全力寻求新型能源形式和转化技术同时，更需全力提升能源利用效率，促进节能减排。当前建筑能耗的比例逐年递增，已突破25%，其中楼宇建筑中空调的能耗约占60%以上，夏季高峰负荷时，空调用能达城市负荷的1/3。空调系统的能效优化是整个楼宇节能降耗乃至整个城市的能源优化利用都至关重要［1－2］。

楼宇建筑中的中央空调通常都按照最大冷负荷设计，但在实际运行过程中空调系统绝大多数时间都是处于部分负荷状态。特别是传统水冷式中央空调，空调系统持续运行在低负荷工作状态，热效率远远低于额定容量下的运行效率，过度冗余造成极大的能源浪费［3］。中央空调系统主机耗能约占50%，冷冻冷却水泵耗能约占30%，节能优化空间较大［4］。因此有必要针对主机系统的能效优化进行研究，通过优化中央空调主机系统的运行模式、搜寻机组最优运行工况，在实现能量供需匹配自动调节的同时，大幅度地降低中央空调系统能耗。

本文针对公共楼宇中的传统水冷式中央空调的主机系统开展能效优化方法研究，首先研究了中央空调主机系统的能效优化方法，分析了其能效评价指标并建立其能效优化控制模型，接着重点研究了其能效优化控制实现过程，最后通过实证案例分析了能效优化提升效果。

1 中央空调主机系统能效优化方法研究

1.1 能效优化评测指标

参照美国采暖、制冷和空调工程师协会(ASHRAE)的制冷机能效评价制，用于中央空调制冷系统实时评测的能效评价指标主要包括以下几项:

(1)空调主机的能效比

(2)冷冻水泵的能效比

(3)冷却泵的能效比

(4)制冷系统的能效比

式中Q为空调主机制冷量或制热量，Pchill为空调主机机组功率，Pchp为冷冻水泵功率，Qc式中为冷却水泵交换的总热量，Pcp为冷却泵的电功率，其中Q及Qc通过冷冻水泵和冷却水泵的流量和进回水温差计算获得。

1.2 能效优化控制模型

本文所构建的模型考虑影响主机系统能耗的主要运行参数，将末端人为、环境、及建筑物本体等因素统一反应为冷负荷需求变化。优化目标:

各组成部分的功率模型:

式中i表示第i台主机或水泵，Cp为水的定压比热(4.2*103J/(kg·k))，ρ为水的密度，G为冷冻/却水流量，T1为冷冻水出水温度，T2为冷冻水回水温度，T3为冷却水出水温度，T4为冷却水回水温度，H为冷冻/却水泵扬程，η为冷冻/却水泵工作点效率，g为冷冻/却水泵流量扬程系数。

此外，空调主机冷冻水的回水温度是由主机冷冻水出水温度、流量及末端的负荷交换需求决定，冷却水的回水温度由冷却水的出水温度、流量及冷却塔热负荷交换能力决定，因此可以表示为:

空调主机系统能效优化的寻优控制量为T1，T3，Gchp，Gcp。

受主机制冷能力及压缩机运行条件的限值，约束条件包含:

1.3 能效优化方法

国内外众多学者针对中央空调的能效优化展开了优化算法研究［5－8］，通过对优化算例的分析，神经网络模型比传统的二次模型更具灵活性，但因其不能微分而使用受限，遗传算法是一种基于“适者生存”的高度并行、随机和自适应的全局优化的概率搜索算法，因此本文选取遗传优化算法:

(1)依据2.2节中的公式(5)～(10)进行遗传群体编码构建;

(2)初始化种群，目标值的适应度调整，控制量的初始化范围选取，一般结合额定值及运行经验值;

(3)运行参数的设置，来源于空调系统的固定值参数及实时运行参数;

(4)种群评价，遗传群体的自适应度函数构建，依据公式(11)的约束条件引入惩罚项，进行变异、劣质个体的筛除，保证下代遗传的优良性。

(5)目标值判别，结束种群优化、输出最优控制量。

1.4 能效优化控制过程

本文提出中央空调主机系统的能效优化控制过程是一个动态在线实时优化过程，主要涵盖设备用能分析与监测、能效动态优化计算、控制策略生成与执行几大部分，具体如图1及图2所示。空调主机系统多数时间处于用能分析与监测状态，实时监测设备能效及异常用能状况，如图1所示。空调系统在刚启动时，冷负荷需求远大于系统的制冷量供应，系统多处于额定容量运行状态，此时空调系统处于高效运行状态，随着空调工作时间的延长冷负荷需求的降低，空调系统能效指标下降，开始启动能效优化控制过程，如图2所示。

图1 用能分析与监测过程图

图2 能效动态优化控制过程图

2 中央空调主机系统能效优化案例

苏州某大楼总建筑面积约8万平方米，包含餐饮、住宿、娱乐多服务类型，24时营业。空调主机系统包括4台主机(2台400 kW离心式冷水机组、2台255.9 kW螺杆式冷水机组)，8台冷冻水泵(55 kW泵6台、22 kW泵2台)，4台冷却水泵(55 kW泵3台、30 kW泵1台)。

针对该空调系统的能效优化试点时间为2013年7－9月。根据空调的天气敏感性及以往空调运行经验，将天气分为高温天气、正常天气及凉爽天气，表1为试点期间各项控制策略的执行情况统计。

如表1所示，主机能耗占比大，优化空间也最大;更换或关闭小主机，可提升主机运行效率降低能耗，据监测数据分析主机负荷80%的时候，能效比最高，低于60%时，机组性能急速下降;在不影响用户舒适度情况降低主机出水温度可显著降低电功率;更换或关闭水泵，也可提升水泵运行效率降低能耗;水泵的流量对能耗的影响非常显著，据监测数据分析当水泵流量减少25%时，能耗降低约45%;同时降低流量可提高主机的出回水温差，提高主机系统能效。

表1 中央空调主机系统能效优化统计

图3为三类天气状况下的平均降负荷情况统计，其中各条基线为依靠往年同类型天气空调运维数据推测得到，能效优化曲线为依据监测数据统计分析得到。表2为综合节能量统计，按以往运行习惯预测空调的总耗电量约为850 000 kWh，空调电量削减量约为79 000 kWh，降低能耗9.3%左右;对各个时段的节能量进行评估，平均降能区间在8% ～10%之间。

表2 7－9月空调能效综合节能量结果

图3 各类天气的空调负荷平均优化情况

3 结束语

本文通过对楼宇中央空调主机系统进行能效优化研究以达到削峰降荷、提升能源利用效率、节能减排的目的。文中提出了基于实测数据的能效在线实时监测和动态优化控制相结合的优化方法，构建了主机系统及分设备的能效评价指标及中央空调主机系统的能效优化控制模型，并详细分析了能效优化的操作全过程。以苏州某楼宇的空调系统实证为例，分析了试点期间的优化控制策略、负荷平均优化情况、综合节能量等，试点期间该系统平均降能8% ～10%，综合降能9.3%。

［1］刘清江，韩学庭.中央空调运行管理节能问题的研究［J］.上海节能，2006，25(3):59 －61.

［2］宋宏坤，唐国庆，卢毅，等.江苏省夏季空调负荷分析及需求侧管理措施的削峰效果测算［J］.电网技术，2006，30(17):88 －92.

［3］辛洁晴，吴亮.商务楼中央空调周期性暂停分档控制策略［J］.电力系统自动化，2013，37(5):49－54.

［4］张韵辉，岳献芳.冷水机组的优化运行［J］.暖通空调，2004，34(3):13－16.

［5］ H ZIMMER. Chiller control using on-line allocation for energy conservation［C］.ISA Annual Conference Proceedings，1976，308－313.

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An Optim ization ControlMethod for Energy Efficiency of TraditionalWater-cooled Central Air-Conditioning Host System s

HUANG Li1，FAN Rui-xiang2，YANG Yong-biao1，CHEN Lu1，PAN Ben-ren2

(1.State Grid NARITechnology Development Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu210000，China;2.State Grid Jiangxi Province Electric Power Research Institute，Nanchang Jiangxi330000，China)

Central air-conditioning in public buildings，with its high energy consumption，obvious seasonal characteristics and high potential adjustability，is amajor research subject in the field of user-side energymanagementand energy efficiency improvement.For the host system of traditional water-cooled central air-conditioning，this paper discusses the method for optimizing its energy efficiency，presents an optimizationmethod combining real-time onlinemonitoring of energy efficiency and dynamic optimization control，analyzes energy efficiency evaluation indicators for the host system and subsets，establishes an energy efficiency optimization controlmodel for the host system of central air conditioning，and constructs in detail the whole control process for dynamic optimization of energy efficiency.Finally，using commercial buildings in Suzhou as an empirical example，it analyses average load cutting and comprehensive energy saving under various weather conditions during the experimental period.As estimated，the comprehensive consumption reduction can reach 8%～10%.

water-cooled central air-conditioning;host system;energy efficiency optimization;energy efficiency ratio;optimization model

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.029

TM925

A

1000－3886(2015)06－0090－03

定稿日期:2015－01－08

“十一五”国家科技支撑计划重大项目2013BAA01B01;国家电网公司2012年科技项目:以电网低碳化为特征的智能电网综合集成技术研究与示范。

黄莉(1985－)，女，江苏徐州人，硕士，工程师，主要研究方向:电力需求与智能能源管理。