中央空调水系统优化设计与运行研究（可编辑）

中央空调水系统优化设计与运行研究（可编辑） 中央空调水系统优化设计与运行研究 湖南大学 硕士学位 中央空调水系统优化设计与运行研究 姓名:陈文凭 申请学位级别:硕士 专业:供热、供燃气、通风及空调工程 指导教师:杨昌智 20080422硕士学位论文 摘 要 在公共建筑中,中央空调水系统冷冻水泵和冷却水泵的耗电量占整个空调系 统耗电量的%左右,制冷机约占%。随着技术的不断更新,制冷机组的能耗 水平已有了显著的下降,而空调水系统的能耗却未得到足够的重视,以至于 在整 个系统中所占的比例越来越大。根据有关资料统计,中央空调设备%的时间在 %负荷以下波动运行,所以实际负荷总不能达到满负荷;特别是冷气需求量较 少的情况下,主机负荷率低。保证有较好的运行状态和较高的运行效率,找出 冷 水机组的最优运行工况,并通过控制系统实现能量匹配的自动调节,将大幅 度地 降低中央空调系统能耗。 中央空调水系统优化关键问题是建立中央空调水系统的数学模型,在模型的 选择上,诸如二次模型、准优化控制模型、人工神经网络模型、黑箱模型、自适 应控制模型等,尽管形式上多种多样,但概括起来无非两类:一类是以描述物理 特性为主的模型,它虽然能够较好地描述各个部件的工作特性和整个系统的运行 特征,但由于参数辨识量大,许多甚至难以获得,因此这种模型不适合于实际系 统中的优化控制。另一类是基于统计、系统辨识或人工智能技术的系统预测性模 型,这种模型具有较强的适应性,由于模型不涉及实际系统的物理特性,需要空 调系统提供大量的信息以保证模型可靠性。随着系统集成技术的发展,数据采集 将会更加容易获得,这种方向将代表了未来的发展方向。本文选用了使用线性回 归建立的描述空调各设备性能的性能曲线作为其数学模型,以水系统总能耗 最低为目标,使用序列二次规划算法进行了最优化计算,得到了使空调水系统运 行中总能耗最低的各操纵变量的值。优化计算中,本文将计算机仿真技术应用到 研究中,利用计算机的简便、快速和低成本的特点对水系统中各设备的工作过程 进行模拟、分析和预测,并对结果进行了分析和比较,讨论和分析了对空调系统 能耗产生影响的主要因素。 本文还对冷冻水温度与温差值的进行了设计阶段的最优化计算。该优化计算 基于技术经济的观点,建立了以冷冻水温度与温差为变量的冷冻水系统各部分的 年运行费用或折旧费用模型,并利用拟牛顿法,以系统的年运行费用与折旧费用 和最小为目标,分别对不同能源价格下的优化冷冻水温度与温差进行优化计算, 较好地分析了最优冷冻水温度与温差同能源价格的关系,为设计中确定冷冻水温 与温差提供了依据。 关键词:中央空调;‘水系统;最优化;性能曲线 ?硕士学位论文 , , . . ? , ., ,? . ; , .. . : ?; ;; : ?湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 日期:九龆年西月砂日 作者签名:彭岌钐转 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 、保密口,在 年解密后适用本授权书。 、不保密囹。 请在以上相应方框内打“? 日期:州年丁月汐日 储躲他文魄 导师签名 日期:彤年月炒日硕士学位论文 第章绪论 .课题背景及意义 现在我国每年新建房屋亿平方米中,%以上是高能耗建筑;而既有的约 亿平方米建筑中,只有%采取了能源效率措施,单位建筑面积采暖能耗为发 达国家新建建筑的倍以上。根据测算,如果不采取有力措施,到年中国建 筑能耗将是现在的倍以上?。公共建筑仅占建筑总面积的%~%,但其用电量 为?/,为住宅用电的倍以上,而空调系统的能耗在公共建筑总 能耗中占了?%,其中,又以冷冻水系统能耗最大,占%以上乜,并且普遍 存在能源浪费的情况,因此公共建筑中的冷源与水系统存在巨大的节能潜 力。 对于中央空调来说,按照国家,系统的最大负载能力是按照气温最高, 负荷最大的工作环境来设计的,就系统本身来说,存在着很大的储备空间,而 实 际上系统又很少在这些极限条件下工作。根据有关资料统计,中央空调设备% 的时间在%负荷以下波动运行?,所以实际负荷总不能达到满负荷即通常所 说的“大马拉小车’’;特别是冷气需求量较少的情况下,主机负荷率低。保证 有较好的运行状态和较高的运行效率,找出冷水机组的最优运行工况,并通过控 制系统实现能量匹配的自动调节,将大幅度地降低中央空调系统能耗。 通过空调系统的优化控制,可以在不修改流程,不增加设备投资的情况下, 仅仅通过调整运行操作条件而取得明显的经济效益。对系统运行过程进行优化, 具有投资少、见效快、节能效果好的特点。目前,在国家倡导建设可持续发展社 会,节能降耗的大环境下,为系统优化的研究和推广提供了广阔的市场。而随着 计算机技术的迅猛发展,先进集散控制系统的大量应用,也为系统优化研究的快 速发展提供了可能。然而,到目前为止,国内空调系统的控制多半还是处于数据 采集和常规控制阶段。因此,在空调系统上进行优化控制的研究,具有十分重要 的现实意义。 由于中央空调是一个复杂的系统工程,要实现中央空调系统的最佳运行和节 能,从局部去解决问题是不可能办到的,必须针对空调系统的各个环节包括主 机、冷冻水系统、冷却水系统等统一考虑,全面控制,使整个系统协调运行, 才能实现最佳综合节能。本课题的基本思想是通过建立空调水系统的模型,然后 根据模型优化空调水系统要求的最佳运行参数,确保空调水系统始终处于优化的 最佳工作点上,为有效解决中央空调系统在低负荷状态下运行效率下降的难题打 下基础。中央空调水系统优化设计与运行研究 空调节能的目的是有效利用能源,以最小的能耗创造出一个适合人居住、工 作的室内环境。空调水系统实现节能运行可以有效地减少空调系统能耗和建筑总 能耗,提高能源利用率,对减少温室气体排放,减轻环境污染,实现人类社会的 可持续发展有着积极的意义。 .国内外研究现状 所谓最优控制问题,就是在一切可能的控制中寻求最优控制方案或最优 控制规律,使控制系统最优地达到预期的目标。 中央空调系统优化控制技术的发展相对最优控制技术来说是比较晚的,真正 意义上的中央空调优化控制技术只是近二三十年的才开始出现。随着上世纪 年代石油危机的爆发,能源价格不断上涨,促使人们开始关注空调系统的节 能, 中央空调系统的优化控制技术也得到了长足的发展。可以说,能源危机给了中央 空调优化控制技术发展以足够的动力,。 上世纪七十年代,哺提出了一种基于制冷系统运行成本的二次模型, 给出制冷量的控制区间,采用于多维变量单目标函数优化的下山搜索算法: .优化算法,求出负荷在各制冷机间的最优分配求出负荷在各制冷机间 的最优化配。对算法进行了改进,利用罚函数来处理约束条 件。而运行成本模型参数则是通过将采集的大量系统运行数据进行拟合而求得的, 此种优化方式得出的年度耗能量较原来减少.%。但是,这种模型的不足是没有 考虑由于冷凝温度和流量的变化而对输出结果产生的影响,并且忽略了制冷机开 关状态的变化。 到了八十年代,和?对一大型纺织厂实际运行的冷水系统进行了 优化控制研究。同样,在其研究中运用了基于参数模型的基本优化方法。首先, 通过推导出几个可测变量之间的线性关系式建立制冷机能耗模型。然后再通过控 制制冷机冷冻水供水温度,并结合.优化算法求得使整个系统运行费用 达到最低的设定状态参数值。为了求出模型参数,作者进行了析因实验,并 使用的优化计算方法相同,同样为卜优化算法进行改进,加入惩罚因子 来处理约束条件。文章的结论是此种优化方法具有良好的节能效果,年度节能比 例达到了.%。但模型目标函数也仅仅考虑冷冻水温度变量,而忽略了流量与 冷却水温度流量等其它的相关变量,并且未考虑多台制冷机运行状态下的优化控 制情况。 在其文章中着重讨论了如何提高制冷机的制冷效率,他所提出的 方法是基于负荷与湿球温度等外部客观条件,通过改变冷冻水与冷却水的供水温 度来达到节能的目的。但是,文章并未对冷冻水与冷却水温的改变对水泵和冷却 塔等其它设备的能耗的影响进行讨论。所以此种方法仅仅只能达到制冷机而非整 中央空调水系统优化设计与运行研究 第章系统优化概述 .系统优化的概念 系统优化是系统工程学的一个重要分支,是运用系统的方法,对各类系统进 行最优设计、最优抉择、最优控制和最优管理,以达到最佳效益的一门组织管理 技术。最近几十年,随着各项工程技术、运筹学、控制论和计算机技术的发展, 系统优化技术作为系统工程学的一个分支迅速发展起来引。 .系统优化问题的内容和研究步骤 系统优化问题的构成通常有下列几个方面。圳: .定义系统的边界 一开始就必须确定所研究系统的范围,把它和周围的环境分隔开,为了便于 分析我们倾向于把复杂系统分成若干子系统,然后分别处理。由于人为地把系统 和环境之间以及于系统和于系统之间的交互联系割断了,所得到的系统只是近似 地描述。例如在空调系统中,可以选择制冷机组作为系统;也可以选择包括制冷 机组在内的水系统作为系统;甚至可以选择末端风系统作为研究对象。系统越大, 优化得到的经济效益也越好,但同时研究工作也越困难。最终研究的研究工作范 围还是由需要达到的目标和当前所具备的研究水平来综合决定。 .制订优化目标 选择判断系统设计或运行优劣的标准即优化目标,又称性能指标或优化判据。 常用的优化目标是经济指标,细分起来还有成本、利润、资金回收、益本比等; 有时也采用技术指标,如:最短生产周期、最大生产率、最小能耗等等。只求 某 一个性能指标的极大值或极小值称为单目标优化,而多目标优化则考虑在互相矛 盾的目标之间如何进行折衷,以求得到各方面均能接受的优化方案。目标不同所 得到的优化方案自然也不同。在本文研究的空调水系统中,系统运行优化的目标 则是系统能耗最低。 .确定独立变量 系统受客观条件制约,因而固定不变的量称为参数,而在制订生产或设 计方案时可以改变的量称为变量。问题中必须包括影响系统运行或设计的所有重 要变量。变量的选取也取决于我们对问题研究所要求的详细程度。在空调系统中, 如水泵的转速,风机的启停等都可以作为变量。 硕士学位论文 .建立系统优化模型 优化就是根据人们期望的目标,力图使系统性能达到最佳状况。优化模型包 括目标函数和约束条件两部分。优化系统模型由基本物料和能量平衡方程、工程 设计关系和物理过程的特性方程组成。此外,还有许多有关运行范围、性能需求 限制以及资源供应可能性等不等式。系统模型应表示各变量之间的关系或所 存在 的约束。 对于最优化问题可以表述为在满足必须的约束条件的前提下如性能参数、 安全因素,操作规程及环保法规,最优化过程运行的经济指标以最小的运行 成本获得最大的收益。其一般数学表达式如式.所示: 卿厂矽 ?功 他 ‘ 。 一,他,?,肌 五石毛 式中:.厂为优化目标函数;为设计参数变量;一般为基于质量和能 为反映性能参数和安全性 量守恒关系建立的模型方程及等式约束方程;; 等因素的不等式约束方程。方程五 墨则为设计参数变量的有效取值范围。 不等式约束与等式约束统称为约束条件。 .优化计算 优化模型建立后,就要根据建立的优化模型的特点,选用合适的优化算法进 行计算。由于不同系统具有的性质不同,需要选择适合自己的计算方法。目 前, 还没有一种普遍适用的优化计算方法。优化计算算法的选择在系统优化过程 中相 当重要,它直接影响优化结果的有效性。 .结果分析 优化计算完成后,需对结果进行分析。对优化过程中各个变量的变化情况和 最终结果的合理性进行分析判断。并和非优化状态下的结果进行比较,说明优化 的意义:另外,优化结果出来后,还需要将结果应用到实际过程,检验结果的可靠 性和有效性,并找出新问题,反馈新信息,从而进一步完善优化研究。 .最优控制问题 规划与最优控制属于系统优化问题乜引,即求取极值的问题,均贯串着优化方 法的思想。最优控制问题与规划问题为系统优化问题的两大课题,在本文中,设 计优化属规划问题,而运行优化则属最优控制问题,它们的研究对象有所不同: 规划所研究的问题中目标函数和约束方程均为代数方程;最优控制研究的对象主 要是线性系统约束条件,其目标函数是积分型的泛函方程,最优控制又是以 状态空间理论为基础的现代控制理论的重要组成部分。当把动态的最优控制问题 中央空调水系统优化设计与运行研究 作为稳态来处理,微分方程转化为代数方程,控制问题转化为规划问题,所以 它 们是有共同点的,在算法上也有很多共同之处。 大量的控制问题需要按综合性能指标进行设计,从而提出了最优控制问题。 最优控制理论得到航空、宇航及海上导航率技术飞速发展的推动。它有严格的数 学表达形式,年代至年代,数学家们在经典变分法的基础上获得了辉煌的 最优控制的理论,其中苏联学者庞特里亚金的极大小值原理和美国学者贝尔 曼..的动态规划尤为突出。在按严格的理论体系求取封闭形式的解 析解的同时,在最优控制的数值计算方面,研究成果也极为丰富,使离线计算和 在线参与控制在工程实践中得到广泛应用。 ..最优控制问题的分类 ...无约束与有约束的最优化问题 研究最优控制的目的就是要求解使性能指标最优的控制作用,如果控制变量 的取值范围是不受限制的,则称为无约束的最优化问题,这类问题比较简单,问 题的最优解就是性能指标的极值。但是,在实际的控制问题中,控制变量的取值 范围总是要受一定的条件约束,控制变量在一定条件约束下来研究性能指标的最 优问题称为有约束条件的最优化问题。约束条件可划分为等式约束和不等式约束 条件,因此有约束条件的最优化问题也就可以分为等式约束下的最优化问题和不 等式约束条件下的最优化问题乜?。 ...确定最优和随机规划问题 确定性最优问题是指系统中每一个变量的变化规律是确定的,可以用一个确 定的关系式来描述。比如电路中用电器耗电量与时间的关系。随机性最优控制问 题是指系统中有些变量不能用一个确定的表达式来描述,但可以根据实验统计的 方法确定其概率分布规律。比如产品需求率,如果产品是季节性的产品,则在不 同的季节其需求率是不同的,可能无法得到确定数学描述表达式,可以采用市场 调查的手段分析其概率分布规律,表示成数学规划模型。对于某些能表示成数学 规划模型的随机最优问题,可以和确定性最优问题一样采用规划方法求解,这称 为随机规划。 ...线性和非线性最优化问题 如果目标函数和所有约束条件均为变量的线性函数线性的,则称为线性 最优化问题或线性规划问题。如果目标函数或约束条件中至少有一个变量是非线 性的,则称为非线性最优化问题或非线性规划问题。线性规划问题是非线性规划 问题的一个特例,求解线性规划问题有很成熟的方法,比较容易求解。求解非线 性规划问题则困难得多。在实际工程应用中,往往采用线性化方法,用线性函数 硕士学位论文 来近似非线性最优化中的非线性函数,把非线性最优化问题转化成线性最优化问 题。 ...静态和动态最优化问题 如果最优化问题的解不随时间而变化,则称为静态最优化参数最优化问 题。如果最优化问题的解随时间而变化,则称为动态最优化最优控制问题。 解决静态最优化问题可以用线性规划和非线性规划方法,解决动态最优化问题可 以用动态规划或极小值原理。事实上,动态最优化问题和静态最优化方法不是完 全对立的。如果动态最优化问题可以表示为线性规划的数学模型,则完全可以用 线性规划的方法来求解动态最优化问题。动态规划不但可以用来求解动态最优化 问题,而且可以用来求解静态最优化问题。 ...网络最优化问题 如果最优化问题的模型可以用网络图表示,则在网络图上寻优称为网络最优 化问题。网络最优化问题是一种复杂系统的规划方法,在运输、通信、电路、计 算机网络以及工程施工的分析、设计、规划中得到非常广泛的应用。 ..最优控制系统的结构 对于某一最优控制系统,用一种单一的模型和统一的算法对系统实现建模、 控制、优化和管理一体化几乎是不可能的。比较现实的做法是采用功能上和层次 上的分解,这对于多数工业过程是适合的。因此,我们可以将一个极其复杂的计 算机集成生产系统在应用功能上分解成控制、操作优化、自适应、自组织决策等 几个层次,对于不同层次所提出的实际问题如何应用控制理论等方面的研究成果 有效地解决,将给我们提供广阔的研究和应用天地。 模型结珥剿馈 模型参数修正值 反馈 优化层 慢扰动匕爿 设定值 校正值 调节层 快扰动匕 操作值 测量值 过程 图.多层控制系统结构图 中央空调水系统优化设计与运行研究 为了建立一个切实可行的优化控制系统,【乜提出将控制任务进行分 解,即将一个复杂任务按不同控制功能纵向分解为若干个简单的控制任务,这就 是多级控制结构。任何一个控制任务一般可划分为四层,即:调节层,优化层、自 适应层和自组织层,其结构关系如上图.,各层功能如下: .调节层 调节层位于最底层,它负责控制任务在过程中的调节与实现,采用参数优化 值对系统运行状态进行重新设置,并消除外界的快扰动,使运行状态参数保持在 设定值或一定波动范围以内。 .优化层 优化层是整个控制结构的核心层,它负责对模型进行优化求解,得出系统最 优运行状态参数值;优化层处在中间环节,担负着“承上启下”的作用,它将上层 的决策组织信息转化为控制信息,是整个系统按照某种经济指标的要求运行在最 优工况之下。 . 自适应层 自适应层即模型参数修正层,它通过与调节层和优化层相结合,实现对模型 参数的修正,从而使模型更加准确地描述实际过程。 . 自组织层 自组织层位于最顶层,它负责对整个系统和周围环境的影响进行预测,并定 义其它各层的结构关系,是系统能否达到优化的根本所在。对整个控制任务的实 现起着掌控全局的至关重要作用。由于系统运行过程结构不止一个,系统越复杂, 可供选择的方案就越多,待求变量的维数就越高。所以,自组织层是最复杂也是最 难实现的一层。 同时,以上所有相邻层与层之间均存在输入与反馈的关系,层与层之间相互 联系,相互配合,共同完成系统优化运行的任务。 ..最优控制问题的求解方法 最优控制在控制模型建立之后,主要问题就是如何找到一个方法解决寻优问 题,这也是最优控制研究的主要问题。最优化问题的求解方法大致可以分为 如下 四类乜引: .解析法 解析法的求解方法是先按照函数极值的必要条件,用求导或变分法求出其解 析解,然后按照充要条件或问题的实际物理意义确定其最优解。这种方法适合于 目标函数和约束条件具有简单而明确的数学表达式一类的最优化问题。 中央空调水系统优化设计与运行研究 第章空调系统各部件模型的建立 对任一系统进行优化研究之前,首先要对所研究的系统的原理、规律和特点 等进行全面且深入的分析和了解。优化模型的建立和优化算法的选择都是建在对 实际系统的充分了解的基础上的。而要建立优化模型并对系统进行优化之研究, 我们也需要首选建立反映系统各部件特征的数学模型。然后,把这些部件的模型 结合在一起,并根据优化的特点,进行辨识和计算,从而达到优化研究的目的, 本章的主要内容,是对中央空调系统各部件的原理和特性进行阐述分析,并在此 基础上建立各个部件的数学模型。 .制冷主机模型 ..冷水机组性能概述 冷水机组是中央空调系统中的主要能耗设备,其耗能量要占中央空调系统的 %左右,建立准确的冷水机组模型,对系统优化控制研究是非常重要的。冷水 机组在全年大部分的时候,都是以部分负荷下运行的,因此,研究部分负荷下冷 水机组的性能以及部分负荷下冷水机组与空调系统其它部分的匹配关系,对于挖 掘空调系统的节能潜力是非常重要的。 图.冷水机组性能影响图 图.为冷水机组影响因素示意图,具体到每个参数,即为冷冻水温、冷却 水温、冷却水量、冷冻水量和冷负荷。建立冷水机组的模型,就是确定每个参数 对冷水机组的制冷量与耗电量的影响的数学描述。 在建立具体的数学模型之前,我们首先对这些参数与冷水机组性能的关系作 一个概述:在其它条件不变时,提高冷冻水的温度时,冷水机组的蒸发温度同时 提高,冷水机组的制冷系数提高,即单位制冷量消耗的电量减少,冷冻 水的温度降低时反之;冷却水的温度变化对冷水机组性能影响与冷冻水相反,冷 却水温越低,制冷系数越高;冷冻水流量与冷却水流量增大时,蒸发器与冷凝器. ‰;舄国四恸耽删尺 式中:‰盯。??冷水机组功率; ??制冷机在额定工况下满负荷运行时的。 ..冷水机组实例分析本文选用 .冷水机组进行分析, 其额定参数如下 表.所示: 表.冷水机组额定参数表‘ 额定参数 值 制冷量 一 似 淄 冷水出水温度。 冷却水出水温度 ~ 冷却水量/ 一 冷冻水量/ 一 最大负荷率 最小负荷率 哪 压缩机轴效率 冷水机组性能曲线的各系数如下表.所示: 表.冷水机组性能曲线系数值表‘ 硕士学位论文 续上表 根据以上参数和思路,编制了冷水机组能耗与功率的仿真模拟程序,由于模 型的输入输出参数较多,输入与输出关系为多维关系,为了便于观察分析,本文 编程绘制了冷水机组输入与输出关系的三维图。 图.中,是假定冷水机组处于最大制冷量状态下,水量不变时,最大制冷 量与冷冻水出水温度和冷却水出水温度的关系图。可以看到,最大制冷量大体上 随冷却水温降低和冷冻水温升高而增加,通过这组曲线,可以根据系统需求的冷 冻水温和冷却水温度对制冷机冷量进行修正,选择最合适的冷水机组,避免冷水 机组选型过大,发生“大马拉小车”的情况。 . 型,? 船冷却水出水温度? 冷冻水出水温度。 图.制冷量与出水温度的关系 图.为是冷水机组在最大制冷量时能耗与冷冻水和冷却水出水温度之问的 关系,由图可知,机组能耗随冷冻水出水温度升高反而升高,这是因为冷水机组 虽然随冷冻水出水温度升高升高,但是制冷量也同时增大。中央空调水系统 优化设计运行研究 辜坦 器浏 冷却水出水温度 冷冻水出水温度。 图.最大制冷量下制冷机能耗与出水温关系图 得出以上两个参数后,就可以计算最大制冷量下制冷主机的: ? 冷却水出水温度。 冷冻水出水温度 图.最大制冷量下制冷主机与出水温关系图 从图.中冷水机组与水温度关系图上可以看到,机组与冷却水出 水温度和冷冻水出水温度均大致成线性关系,且随冷却水出水温度降低与冷冻水 出水温度升高呈线性增长。 在实际使用中,全年大部分时间内,冷水机组都是处于部分负荷下运行的, 因此我们更关心的是部分负荷下制冷主机的性能。由上述的制冷主机的性能曲线, 我们可以得出在部分负荷制冷主机的性能与各参数之间的关系。图.和图. 表示冷冻水出水温度为和冷却水出水温度与。时,该冷水机组在部分负 荷下的性能,从图中可以看到,该机组的最佳性能为满负荷状态时,随着负荷减 少,在较高部分负荷下,值变化较慢,部分负荷系数越小,降低越快。硕士学位论文 图.冷水机组能耗与部分负荷系数的关系 图.冷水机组与部分负荷系数的关系 .循环水泵模型 ..水泵变量流概述 在中央空调系统中,水泵的耗电量占总耗%乜刀左右。在空调系统中的能耗 第二大户,在以前的中央空调系统设计中,由于技术条件限制、能源价格、和观 念点等多种因素限制,水泵多为定流量设计,当部分负荷时,水泵的流量不因负 荷改变,造成“大马拉小车”的现象,造成能源浪费。随着技术的进步和能源价格 中央空调水系统优化设计与运行研究 的提高,使用变流量水泵的中央空调系统逐渐多了起来。一般说来,变流量系统 较之定流量系统能够较大程度上减少水泵能耗。 目前,变流量系统大多只在冷冻水系统中采用,控制主要有两种,分别为温 差控制法与压差控制法乜: .温差控制法 在部分负荷下,供回水温差减小,供回水干管间的温度传感器将温度信号传 至控制器,控制器按预选设定的算法计算输出偏差,并产生输出信号控制冷 冻水 泵电机的频率降低,从而通过冷冻水泵流量的降低使供回水干管问温差升高或降 低,回到设定值。这种控制方式使得水泵流量与负荷成正比变化,因而具有较高 的节能效果;缺点是由于水力失调的因素,当流量过小时,不利环路上的系统末 端会因为水量太小而阻力太大而导致的水量很小或是无水通过的情况。因此,温 差控制法需控制水流量变化范围不应太大,以保证所有末端均有冷水通过。 .压差控制法 压差控制法分干管压差控制方式和最不利环路末端压差控制法两种。在部分 负荷下,室内温度传感器根据室内温度的变化减小二通调节阀的开度,从而引起 供回水干管压差或最不利环路末端压差增大,通过传感器感应后经控制器控制冷 冻水泵电机的频率,使压差回到设定值。末端压控制法的基本思想是保证最不利 环路上的末端通过的水量恒定,避免了温差控制方式时水失调原因导致的部分末 端无水的情况,但是水量并不随负荷呈比例变化,因而节能效果不如温差控制法。 干管定压差控制法是当末端定压差控制方式条件不允许时,最不利环路太远,或 不能确定最不利环路时的备用策略,其节能效果不如末端定压定控制法。 冷却水变流量系统在目前使用比较少,很大一部分原是因冷水机组厂家不允 许冷却水变流量,理由是冷却水变流量会导致冷凝器换热状况恶化导致冷水机组 效率下降。实际上,只要冷却水泵与冷水机组的消耗功率比值在%乜以上时, 均可以采变流量方式运行,而且随着比值的提高,其冷却水系统的节能效率也大 幅度增加。目前,很多空调主机厂商也改变了以往冷却水量决不可变的态度,也 在积极推广冷却水变流量技术,一般来说,冷却水流量范围可在%左右。一般 采用如下控制方式乜引: .冷却水出水温度控制方法 所谓冷却水出水温度控制法,是控制冷凝器的出水温度,由设于冷凝器出口 的温度传感器测得冷凝器出水温度,反馈到控制器,控制系统根据设定的冷凝器 出水温度和测得的数据进行比较分析,通过变频器控制水泵的转速,增加或减少 系统水量,以保证冷凝器出水温度为定值。这种控制方式由于冷却水出温始终比 较高,在部分负荷时变流量范围比较大,在较高的冷水机组部分负荷下也会 使水 硕士学位论文 要正确反映水泵能耗规律及其与流量之间的确定关系,必须对模型中的各个 参数进行识别,在实际工程中,需要在当水泵连接至管路中后进行实验获得 实验 数据后,进行拟合而得到实验模型。 ..最小二乘法原理 在科学实验的统计分析研究工作中?羽,常常需要从一组观测数据 “,咒“,,?,刀中,求得变量与之间的某种近似关系妒功,从几何图形 上看,就是根据个给定的点‘,咒一’,?,?求一条近似曲线,这类问题称为 曲线拟合问题。常见的数据拟合问题可描述为,给定离散数据表: 表.离散数据表 求拟合函数妒曲口。%砷劬砷?口一蛾。善口竹? 使得 . 善印列 善善口,哆“弗 达到最小。这里函数驴称为拟合函数,式.称为拟合条件。 通常假设式.中%曲,%工,?,%是已给定的函数。在数据拟合问题 中以条件式.作为准则,确定式.中的组合系数%,口。,口:?口。。由于 式.所表示的函数具有线性组合的形式,所以称这类拟合问题为数据拟合 的线性模型。拟合函数是一元函数时,所对应的函数图形是平面图形。数据 拟合 的几何背景是寻找一条近似通过给定离散点的曲线,故称为曲线拟合问题。 设函数%,魄,?,%已选定,根据拟合条件式.确定拟合函数式 .中系数口。,,口:?口。的方法也称最小二乘法。拟合函数与数据表示函数在 各结点上的差值 . 一妒一,『一’,?小 组成的向量称为残差,记为 仰“一,妒恐一儿,?,妒‰一‰ . 残差向量,的分量平方和为 . %,口,口,?%善善口竹一 中央空调水系统优化设计与运行研究 式.是一个以口。,口,?,口。为自变量的非负二次函数。所以,根据拟合条件给 出一个二次函数的最小值问题,即确定口,,?,口。使残差平方和最小。为了确定最 小值点,令 . 要;:,’,?,甩 % 即善讫善口,%毛一咒卜 由于口,,?,口。是未知数,将上式整理为著荟铱而%鼍 善铱葺咒七,’?,力 方程组.称为正规方程组,由它的解口,色,?,口。可以确定拟合函数,如式 .所示: 妒力一口。%力口孵?口。% . 这种方法也称为数据拟合的最小二乘法。 在中,采用最小二乘法进行多项式的拟合用函数来实现。 函数的调用格式如下: 【,】,, 表示用最小二乘法对已知数据,进行阶拟合,以求得阶多项式的系数 向量,输入参数中的即为拟要拟合的多项式的阶次,为返回要拟合的多项式 的系数向量,向量为使用函数获得的错误预估计值。 ..水泵性能曲线计算实例 本文选取一冷却水管路系统,其管路特征曲线如下: 日 . 水泵选取长沙佳能制泵有限公司生产的..型水泵,根据水泵 厂家提供的水泵性能曲线图,,得到水泵额定转速下流量、扬程和效率性能 表, 如表.所示: 表.水泵额定转速下性能表阳们硕士学位论文 续上表 效率% 流量/ 扬程 . . . . . . . . . . . . . . 堑堡坚丛 墼垩丝 整鎏里堡型 鎏量巡型苎 塑?塑圣巡笙里 . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . ... . . .. . . . .. . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . 从表中提出扬程与功率,使用最小二乘法拟合得该水泵变转速能耗模型方程 中央空调水系统优化设计与运行研究 乞一.眨一.眨. . 其拟合曲线如图所示: 图.水泵性能曲线 .冷却塔模型 ..冷却塔性能概述 冷却塔作为空调水系统的重要组成部分之一,其作用是使来自冷水机组的冷 却水与空气进行热、质交换,把冷水机组中产生的废热排放到大气中去,从而 降 低冷却水温度,冷却水再进入冷水机组中循环使用。冷却塔出口水温可以冷 却到 比环境湿球温度高出约.??;冷却塔中水的冷却是热、质传递过程,塔中喷嘴、 溅水板和薄片状填充料给予气.水非常大的接触表面积,环境空气由风机强迫对 流、自然风对流和喷射的诱导引流进行循环。 ‰ 出水温度 ?。 .进水温度乞 图.冷却塔简化模型 由于冷却塔内水和空气的传热、传质过程过于复杂,这给研究带来了很大的 困难,不利于将其应用于整个空调水系统的模拟和调节中。硕士学位论文 图.是一个简化的冷却塔模型,由图中可以看出影响冷却塔性能的主要因 素,由于冷却塔的中水与空气的热交换主要以水的蒸发换热为主,因此对冷却性 能影响的空气状态主要是空气湿球温度,而不是干球温度。进入冷却塔的水量, 水温和空气量对冷却效果均产生影响。 ..冷却塔冷却性能模型 变转速冷却塔的数学模型建立也是基于经验的拟合性能曲线和厂家样本的性 能数据或实验结果拟合而得。在建立冷却塔的性能曲线时,要首先得知冷却 塔的 一些额定参数,包括:冷却塔进口空气干球温度,最大风量,水量,风机功率, 出口水温和设计状况下各的各参数。下面部分是对冷却塔的性能曲线如何定 义的 详细描述心: 由于冷却塔性能影响因素较多,且耦合性复杂,所以其参数与拟合系数也较 多。性能曲线包含个系数与四个独立变量,如式.所示: :印,以一?,:尺,?,匕?,‘巩衙?,。巩衙 ?磅’风灯?,咤衙?打’,吒舸?屯衙‘乙‘玩’% 。珑,。%。砜河。%‘耽如‘巩,。。乙’飓扣‘巩,。。乙 ?磁研?瓦?瑶?巩扣?吒?巩舸?毪?吒扣。?躲’。风衍’?扣。巩册。霉?《衙‘霉 。%。霉?巩‰?乃‘砜解‘乙‘霉?瑶??乙?职用衙’砰‘‰’彳‘ . 式中:??冷却塔出口水温与风机入口的空气温度之差; 巩扣??空气流量率,为实际空气流量除以额定空气流量; 捌御??水流量率,为实际水流量除以额定水量; ??冷却塔进出口水温温差; 乙??空气湿球温度。; 一??相互关系的系数。 由式.可知,冷却塔性能曲线包含空气流量、水流量、空气湿球温度和 冷却塔出口温度这几个对冷却塔影响最大的几个参数。每单个变量都包含有 三次 项,并且每两个和三个耦合性较大的参数均有耦合项,能较精确的模拟冷却塔运 行状况。 ..冷却塔模型实例分析 乜软件中提供了一种横流式冷却塔的拟合所得系数,如表.所示: 砉羹羹耋丽弼璧誉能黼羹萋冀羹茎羹 毪:雾一羹薹瑟龋器塑雾氆蠼璺髫掣冀强疆鑫驰鲤囊霞盔雾霸 耄,基襄裹雾需雾集基舅。薹鬻黔阳髦;羹弗鞘鬟蠹叁霸萋耋缝攀蚋; 乳骛舌懿粼烘姑蕊菇蜃鞘黼型蕊戮褊溺渤描邂;醐萎鼙馇雀复善薹继铝糍 琴鑫毹羹辔禹阙薹爵锄椭拦羞鬓 鋈,霉一雾丛运四龊虱氆蒸攫毽冀繁卤萧塞;薹甫霰 暑赢酵薪矧冀静鞴萱蓁 舶瓣酹割人 蓁孺玛遑滢崩渲濡。篓篝篓羹酣冀掣蠹氛风曼现夔窿。一型墓秘 蕉卿硝铆毋蓁臻缨瓣跨沂旆羁副墓雾冀憎煅鬯辇却效果有较嚣缝硕上.学位论义 , 一。一州醚暇辑卿科奸嘎长?丑姆话垒风量比率 水量比率 图.冷却塔冷却性能图一 图.为最大水量比率等于.与最大风量时冷却塔的冷却能力与空气 湿球温度和入口水温的关系,由图可见,冷却能力与空气湿球温度和入口水温均 呈线性变化关系。 伫 佃 粥 一蝴醚嚷暂蜡圹削埽嘿?丑导千话延 入口水温。 空气湿球温度。 图.冷却塔冷却性能图二 ..冷却塔风机能耗模型 冷却塔的风机一般采用轴流式风机,与离心式水泵类似,轴流式风机也用性 能曲线来描述风机的性能特点,如图所示,跟离心式水泵与风机相比,轴流式 风 机性能曲线有其自身的特点阳。:硕士学位论文 .小结 本章介绍了空调系统各部分的数学模型,为建立和求解中央空调水系统的优 化模型打下了必要的基础。并通过对每个部件的一个具体实例进行模拟,分 析了 影响各部件性能的主要因素,和这些因素如何对设备性能产生影响的。中央 空调水系统优化设计与运行研究 第章空调水系统运行优化模型与求解 如前面第一章所述,系统优化一般来说包括以下方面的内容: .定义系统的边界 .制订优化目标 .确定独立变量 .建立系统优化模型 .优化计算 .结果分析 在对具体的系统进行优化分析的时候,一般也按照上述步骤进行分析和计算, 本章首先对优化计算算法和使用的软件工具进行简单介绍,然后照以上步骤,对 空调水系统的运行优化进行分析。 .优化算法 ..常用优化算法简介 优化问题可分为过程优化问题和参数优化问题。优化问题可以分为过程优化 问题和参数优化问题,过程优化问题又称作动态优化问题、最优控制问题就 是求解泛函函数的自变量是函数,则该函数称为泛函极值问题;参数优化问题 是求解一般的函数极值问题。 中央空调水系统严格地说是个过程优化问题,可以用过程优化问题的各种方 法求解,也可以用参数优化的问题求解。由于中央空调水系统优化问题本身的复 杂性,用过程优化方法求解困难,因此,我们水系统优化问题转化为参数优化问 题,然后用是参数优化数值算法进行求解。工业和民用系统的优化问题多为有约 束的非线性规划问题。目前求解这类问题的方法主要有三类,一类是将条件极值 问题转化为无约束的条件极值进行求解,如拉格朗日乘子法和罚函数法:第二类是 将非线性规划问题转化成线性规划问题或二次规划问题求解,如序列二次规划法 ;近年来,随着智能系统的发展,也出现了有如遗传算法的各类智能算 法。 罚函数法是一种近似的但很实用的求解非线性规划问题的方法,它的函数构 造简单,易于理解,能够很好地处理等式和不等式约束条件,并满足工程上的精 度要求。其实质是通过选择惩罚因子,将有约束的非线性规划问题转变成一系列 无约束的极值问题。硕士学位论文 年,和用单纯形法与罚函数法结合,每步迭代用单纯 形法求无约束极值,而罚项上加的权因子由前次迭代结果给出。这种方法称为序 列加权因子 曲 ,法。 方法无需计算函数导数,方法简单,收敛快,适用于变量较少的工程设计问题。 序列二次规划法是由无约束最优化问题的拟牛顿法推广到有约束最 优化问题而发展起来的一种先进优化算法。这种算法的计算原理是通过给出初始 迭代点,利用目标函数的二次近似与约束函数的一次近似构成的一个二次规划, 通过计算这个二次规划而获得下一个迭代点,以此类推,直到最终求解出优化模 型的最优解。 年,等人首先将物理中固体退火过程的思想引入组合优化领 域,提出一种求解大规模组合优化问题,特别是完全问题的有效算法。该算法 基于邻域搜索算法,借鉴退火过程的思想,对每个解进行邻域搜索,并引入 准则判断是否接受某个邻域解为新的解。由于是模拟退火的过程,故称 算法为模拟退火算法 ,。模拟退火算法是一种通用的优 化算法,具有广泛的应用性,可用于求解许多组合优化问题如:旅行家问题、最大 截问题、背包问题、调度问题等。模拟退火算法能够有效地解决连续变量和离散 变量的全局寻优问题。 遗传算法 年教授提出一类借鉴生物界自然 选择和自然遗传机制的随机、高度并行、自适应搜索算法。遗传算法与其它优化 算法一样,也是一种迭代算法.从选定初始解出发,通过不断的迭代,逐步改 进当 前解,直到最后搜索到最优解或满意解。其迭代过程是从一组初始解群体出 发,采用类似于自然选择和有性繁殖的方法,在继承原有优良基因的基础上生成 具有更好性能的下一代解的群体。对于以往难于解决的优化问题,遗传算法为最 有效的方法之一,它简单,通用,鲁棒性强,适用于并行处理,因此得到了广泛 地应用。 序列二次规划法是求解约束极值问题最有效的方法之一,本文使用序列二次 规划法计算中央空调水系统优化问题取得了很好的效果,因此,重点对序列二次 规划法进行介绍。 ..序列二次规划算法简介 ...基本原理 为了使问题易于求解,常在某一点处用一个近似模型特别是二次规划模型代 替一般带约束非线性最优化模型,以一系列二次规划的解逼近一般带约束非线性 最优化问题的解。这种方法称为序列二次规划 , 中央空调水系统优化设计与运行研究 则令“;‘’‘’并由公式计算日??,七七,转第二步;否则转到第 步; 一维搜索:解一维最优化问题 ‘‘’‘,,. . 珏 求出最优步长九,令‘“‘’九‘’‘; 更新矩阵日‘:用公式更新矩阵日,确定新的正定对称矩阵日, 令七。七,返回第步。 . 及最优化工具箱简介 是进行参数优化的强大工具口,其自带的最优化工具箱优化方法 在工程中的实际应用提供了更方便、快捷的途径。本文的优化编程计算均使用 完成。 是由公司于年推出的一套科学计算软件,分为 总包和若干个工具箱。它具有强大的矩阵计算和数据可视化能力,一方面可以实 现数值分析、优化、统计、偏微分方程数值解、自动控制、信号处理等若干个领 域的数学计算,另一方面可以实现二维、三维图形绘制,三维场景创建和渲染、 科学计算可视化、图像处理、虚拟现实和地图制作等图形图像方面的处理。 .. 的基本特点 近年来,在国内的知名度越来越大,并已被广泛地应用于教学和 科研。该软件的特点可以归纳为以下几点凹。 .简单易学 是一门编程语言,其语法规则与一般的结构化高级编程语言,如 语言等大同小异,而且使用更方便,具有一般语言基础的用户很快就可以掌握。 .代码短小高效 由于已经将数学问题的具体算法编成了现成的函数,用户只要熟 悉算法的特点、使用场合、函数的调用格式和参数意义等,通过调用函数很快就 可以解决问题,而不必花大量的时间纠缠于具体算法的实现。 .计算功能非常强大 该软件具有强大的矩阵计算功能,利用一般的符号和函数就可以对矩阵进行 加、减、乘、除运算以及转置和求逆运算,而且可以处理稀疏矩阵等特殊的矩阵,硕士学位论文 曲啦以‖,耵‖ . 豇&矿 &’,一,,?, ,?,?,朋 ;四 四 目标函数中的:‘,‘‘’可能不是正定而且计算复杂,目前流行的做法是将 :‘,九‘‘’换为一个与之接近的正定矩阵日‘‘’进行计算。采用约束极值问题的 公式可保证日‘的正定性。公式为 ‖川圳~竺堕篡竺攀唑鲨 ‘’船‘‘ ?‘’?‘‘’ ?‘:‘“一‘ ?‘ . 乒‘“,‘‘’一工石四,九作’ 叩‘‘’嚷船‘‘’一嚷日‘‘’缸‘‘’ 肼‘’船‘七苫.缸仲’日缸仲 一 .缸四日四血? 缸’船‘.缸佧’日七缸体 血’日缸四一血’衄‘ 约束极值问题中,‘七’通常不是可行解,有时不应要求厂‘“’厂‘‘’,而 应要求‘’更靠近可行域。这就需要一个综合评价迭代解优劣的精确罚函数 五,.善蝴卅磊‘‰ ...计算步骤 初始化:选取初始点?,计算精度,足够大的常数,初始矩 阵日‘’一?。。,令七一; 求解子问题:解二次规划子问题式,求出满足子问题的.条 件的解‘,‘‘’; 若忙‘,则‘’一‖’忙’为最优解,计算结束。否则,如果 石‘‘’‘,‘?,厂 .