变水量空调系统优化控制策略的能耗评估与分析
肖晓坤 杜志敏 晋欣桥
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
0 引言
在空调系统的实际运行过程中，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
图1所示是典型的VWV系统的结构示意图。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温度。
图1 变水量系统及其控制结构示意图
2 试验条件
优化控制策略的试验平台是基于TRNSYS[2] 开发的楼宇空调水系统动态仿真软件[3] 。进行试验的系统有4台相同冷量的、带进口导叶调节的离心式冷水机组，2台横流式多风机冷却塔，用户均为自动控制的AHU。考虑到速度以及TRNSYS对部件个数的限制，在作为试验平台的仿真器中，将系统所有的AHU分成4组：AHU1～AHU4，并假定每组中各AHU的负荷状况相同，这样在仿真器中只需模拟4个AHU即可。图（2）中的（a）是试验日的室外温度变化情况，（b）是各个AHU的送风量变化情况。
（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，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。能耗情况如表1所示。
表1 能耗情况固定策略能耗kW·h | 供水压力优化能耗kW·h | 节能（%） | 供水温度优化能耗kW·h | 节能（%） | 串级优化能耗kW·h | 节能（%） | |
冷水机组 | 16400 | 16300 | 0.61 | 16200 | 1.22 | 16200 | 1.22 |
二级泵 | 1440 | 333 | 76.88 | 1490 | -3.47 | 515 | 64.24 |
总计 | 17840 | 16633 | 6.77 | 17690 | 0.84 | 16715 | 6.31 |
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。供水压力变化情况及AHU最大阀位（包括控制策略和固定策略的阀位信息）的变化情况如图3所示。
（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%，如图3（b），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
此优化控制策略的能耗结果与固定策略相比如表1。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。供水温度变化情况及AHU最大阀位的变化情况如图4所示。
（a）供水温度变化情况
(b) 最大阀位变化情况
图4 供水温度及AHU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
此优化控制策略的能耗结果与固定策略相比如表1。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。供水压力、供水温度变化情况及AHU最大阀位的变化情况如图5所示。
（a）供水压力及最大阀位变化情况
(b)供水温度变化情况
图5 供水温度、压力及AHU阀位变化情况
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。
[1] 陆琼文，刘传聚，曹静.暖通空调，2003，33(2): 123~125.
[2] Klein S A. TRNSYS: A Transient system simulation program--Version 13.1[M] , USA: University of Wisconsin-Madison，1990.
[3] 晋欣桥，惠广海，肖晓坤. 暖通空调，2003，33(6).
[4] 晋欣桥, 李晓锋, 任海刚.上海大学学报，2003，37(7): 1128~1132
[5] 晋欣桥.上海：上海交通大学动力与能源工程学院博士, 1999.
