建筑能耗中30% 为空调系统及其辅助设备电力消耗[1] 。空调系统总能耗中冷水机组的运行能耗约占整个空调系统能耗的30% ~40%。大型建筑中为了提高空调系统在不同负荷条件下的灵活性,往往会采用多台冷水机组。在这种情况下,多台冷水机组的运行控制策略十分重要。目前对于冷水机组运行策略的研究集中于最优冷机序列和最优冷机负荷。
最优冷机序列( OCS, optimal chiller sequencing),即在建筑空调负荷变动时,通过合理的开关冷机,使机组整体能效维持在较高水平,以节约能耗[2] 。例如ASHARE Handbook 中的一种简化方法:当需要增加机组时开启处于待机状态下峰值COP 最大的机组。该方法称作最大峰值COP 法(MPCOP method,maximal peak COP method)[3] 。
最优冷机负荷(OCL,optimal chiller loading),即通过给各台冷机合理地分配负荷,使机组整体效率最高,能耗最低。例如Beghi 利用多相遗传算法(MPGA,multi - phase genetic algorithm) 同时解决OCL 和OCS 问题,并在机组动态模型上与传统的控制策略进行对比。
现有的优化方法一般以当前能耗费用最低为优化目标,往往忽略对于机组运行时间的均匀分布,此类优化策略会造成机组的磨损程度不一,导致部分机组提前报废,影响机组整体服役年限。因此,在优化策略中有必要考虑各台主机运行时间的均匀性,以尽可能延长机组整体的服役年限。
本文基于对上海地区多种类型建筑的调研结果,整理出了3种常见的冷机运行策略,并以上海某办公建筑的制冷系统为基础,在TRNSYS 上建立了制冷系统基准模型,对3种常用的冷水机组运行策略进行模拟分析与比较。
一、3 种常见运行控制策略介绍
目前现场运行控制所采用的控制策略有:负荷控制、优化排期控制、COP 优化控制3种。(1)负荷控制,通过获取的冷负荷结合机组的制冷量判断机组的启停;(2)优化排期控制,通过对全年负荷分布的估测制定初步的运行计划并且保证各台机组的运行时长相对均匀(排期控制),运行中为了保证室内环境,在冷负荷过高时增加机组运行台数;(3) COP 优化控制,通过COP - PLR 曲线计算出最大COP 下的负荷分布,通过调节供水温度调节机组的负荷分配(本文采用的COP 优化控制策略,使用拉格朗日算法确定最优负荷分配,并通过控制机组的冷冻水出水温度来实现负荷的分配[4] 。
二、3 种运行控制策略具体实现
2.1 负荷控制策略
该策略的控制逻辑为简单的随着负荷的变化增减机组,根据逐时负荷与机组的额定制冷量的大小关系来控制机组开启,控制逻辑框图如图1 所示。图中机组的开启用1表示,关闭用0表示;从左到右分别表示第一、第二、第三台机组,如100表示第一台机组开启,第二、第三台机组关闭;RT 为冷机的额定制冷量(kW),CL 为实时负荷(kW)。
图1 负荷控制策略
2.2 优化排期策略
常见的优化排期策略一般以月为单位对每天开启的机组进行安排,设置常规开启机组以及辅助机组。常规机组在工作时间始终保持开启,当负荷过高时开启辅助机组提供足够的制冷量。具体排期表如表1所示。
表1 排期计划表
2.3 COP 优化策略
在满足冷负荷要求的同时,冷水机组的COP 最大时可实现系统的最优控制。本文采用的COP 优化控制策略,使用拉格朗日算法确定最优负荷分配,并通过控制机组的冷冻水出水温度来实现负荷的分配。COP 优化策略流程如图2 所示,图中Twoi 为第i 台冷机的冷冻水出水温度(℃ ),其最佳设定点可由拉格朗日法确定,Twou与Twob为冷冻水供水温度下限(℃ ),该值由实际使用的机组的设备信息决定,CL 为总冷负荷(kW),RTi 为第i 台冷机的额定冷量(kW),PLRi为第i 台冷机的负荷率,λ 为中间变量。
离心式冷水机组在一定的湿球温度下的COP -PLR 曲线为一条凸函数曲线(见图3)。COP 可以用PLR 的二阶多项式表示[5] ,见式(1),其中a、b、c 三个参数可从厂家获得。
图3 机组COP性能曲线
公式（1）
拉格朗日法[7] 可以用来寻找凸函数的最优解,拉格朗日算子可以表示为建筑的冷负荷(CL)、第i 台冷水机组的制冷量及其参数,见公式(2),其中l 为总机组台数。
公式（2）
因此通过公式(2)可确定每一台机组的最佳冷负荷率为:
公式（3）
每台机组的冷负荷率确定后,便可依据式(4)计算出每台冷水机组的最佳出水温度设定点:
公式（4）
式中:
- cp 为水的比热容(kJ / kg·K -1);
- Fi 为第i 台冷机的冷冻水流量(m3 / s);
- ρ 为水密度(kg / m3)。
三、模拟分析各控制策略的运行效果
3.1 系统模型
本文以上海某办公建筑的一次泵定流量制冷系统为案例,在TRNSYS 中建立冷水机组系统模型(见图4、表2)。该模型使用该建筑实测的负荷数据作为负荷输入数据,并通过MATLAB 对系统进行控制,最后依据模拟结果来比较与评价各个现有策略。
图4 模拟平台中的冷水机组系统图
表2 设备列表
3.2 模拟结果
由表3可见,优化排期控制策略的总能耗最高,COP优化控制策略总能耗最低,负荷控制策略能耗居中。优化排期策略在算法设置上仅对负荷过大正常开启机组不满足室内环境时,增开机组进行优化,没有为提高机组效率而分配负荷,因此在3种策略中能耗最高。负荷控制策略根据负荷开启机组,因此与优化排期相比一天内负荷较低时,开启的机组较少,所以机组能耗有所降低。COP优化控制保证机组长时间运行在最大COP,所以总能耗低。
表3 模拟结果
机组运行时间通过机组每小时能耗得出,系统中机组的运行时间均匀性与系统整体寿命有密切关系,若运行时间不均匀导致某台机组提前损坏,则会缩短系统的整体寿命。优化排期策略在对机组运行进行排期时,预先根据负荷分布对每个月需要开启的机组以及辅助开启的机组进行安排,可以很好地提高机组运行时间的均匀性。而负荷控制策略以及COP 优化策略在运行中不考虑机组运行均匀,系统整体寿命将大大缩短。
由冷冻水供水温度(见图6)可知,优化排期策略可以有效控制冷冻水供水温度处于较低水平,有助于末端制冷与除湿,负荷控制策略仅依靠冷负荷数据控制冷水机组启停,因此在湿负荷较大的情形下,负荷控制策略有时会无法保证末端有效除湿,进而影响室内舒适性。
图6 三种运行策略下的冷冻水供水温度
四、结论
本文对3种常用的典型冷水机组运行策略———简单排期控制策略、优化排期控制策略、负荷控制策略进行了详述,并以上海市某办公建筑为案例,建立了TRNSYS 制冷系统模型,将3种运行策略分别应用于该模型中。模拟结果显示,3种典型运行策略各有优劣,COP优化运行策略的节能性最佳,优化排期策略能最大限度保证室内舒适性,并减小冷机间运行时间方差,降低机组提前报废的风险。
作者简介: 张炜杰(1995),男,彝族,云南人,建筑环境与能源应用工程专业,研究方向为建筑能耗模拟需求侧响应(weijiezhang15@ gmail.com)。
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