基于在线辨识中央空调优化运行模拟

2022-09-23 09:31陈锦华福建省合道建筑设计有限公司
节能与环保 2022年8期
关键词:冷水机组冷却塔变频

文_陈锦华 福建省合道建筑设计有限公司

集中空调系统能耗在大型公共建筑的建筑能耗中占25%~60%,而制冷机房系统的能耗占集中空调系统能耗的50%~80%。本文作者开发基于在线辨识中央空调优化运行模拟软件,用于提升制冷系统的整体COP值,从而降低中央空调系统的能耗。

1 中央空调水系统设备模型建立

1.1 冷水机组模型建立

冷水机组是中央空调水系统的心脏,其运行能效COP与冷冻水出水温度、冷冻水回水温度、冷却水进水温度、冷却水回水温度、冷冻水流量、冷却水流量及负荷率有关。在变质变流量的工况下,通过对大量其相关联的数据表值进行大数据挖掘分析,找出它们之间对应关系:

式中 B0-B23—系数;T1—冷冻水出水温度;T2—冷冻水回水温度;T3—冷却水进水温度;T4—冷却水回水温度;Q—冷负荷;P1—冷水机组输入功率。

1.2 水泵模型建立

水泵是空调水系统的动力输送设备,其输入功率与水泵流量、扬程、频率、效率有关,其数学模型为多项式表示。只要有大量其相关联的数据表值,经过大数据挖掘分析,找出它们之间对应关系式:

其中 A0-A2—系数;G2—冷冻水泵流量;P2—冷冻水泵输入功率。C0-C2—系数;G3—冷却水泵流量;P3—冷却水泵输入功率。

1.3 冷却塔模型建立

冷却塔风机与冷水机组的耦合参数是冷凝器的进水温度,应考虑如何利用冷却塔有效提高散热效率,降低冷却塔出水温度,有利于冷水机组的节能运行。冷幅即为冷却塔出水温度与环境空气湿球温度之差,冷幅越小,冷却塔出水温度越低。在变工况下,通过对大量其相关联的数据表值进行大数据挖掘分析,找出它们之间对应关系式:

式中 D0-D2—系数;T∆—冷幅;Ts—冷却塔的湿球温度。E0-E3—系数;G3—冷却水泵流量;P4—冷却塔风机输入功率。

2 中央空调水系统运行参数优化

2.1 目标函数建立

高效制冷机房的目标为制冷机房内冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔的功率和最小,即系统COP值最大。目标函数:Max(系统COP)=Q/(P1+P2+P3+P4)边界条件:T3≥冷水机组允许最低进水温度;T2-T1≤10;T4-T3≤10;水泵最低变频频率f≥30Hz。

2.2 目标函数求解

根据以上公式,通过大数据挖掘分析算法即可求出中央空调水系统运行参数解。①拟合模型输出:模型的输出的预测特征变量包括B0-B24、A0-A2、C0-C2、D0-D2。②差分进化模型输入:读取参数拟合结果B0-B24、A0-A2、C0-C2、D0-D2作为目标函数的确定参数,种群的规模、进化迭代次数、交叉概率以及差分缩放因子等控制参数。③差分进化模型输出:优化总功率最小值P、Max(系统COP)、冷冻水流量、冷却水量、及对应的决策变量T1、T2、T3与T4。

3 中央空调水系统优化运行参数实例

某商场利用华电源全年负荷软件计算出的逐项逐时冷负荷,由于篇幅关系摘抄一部分的冷负荷,见表1。

表1

经过动态模拟软件设备数据拟合参数表见表3-表6。

表3 冷水机组系数(制冷工况)

表4 冷冻水泵系数

表5 冷却水泵系数

表6 冷却塔系数拟合

由表2~6可知,对设备P1、P2、P3、P4进行参数拟合后的评价指标MAPE都在5%以内,说明对参数B0-B23、A0-A2、C0-C2、D0-D2、E0-E2的拟合效果较好。

表2 根据负荷选择设备表

在冷水机组允许进水温度的情况下,利用冷却塔的散热能力尽可能降低冷却塔的出水温度(自动计算,前数据)与冷水机组和冷却塔“一对一”模式(后数据)分别优化计算。

综上所述,对指定计算公式下参数B0-B23、A0-A2、C0-C2、D0-D3进行拟合是可行的方法。而在得到拟合参数后,利用差分进化算法对总功率P进行求解,可以快速、准确地收敛到一个近似最优解。从表7可以看出,本软件可对全年负荷进行优化模拟计算且绝大部分时间的系统COP在5.5以上,说明本软件可求解系统的最优解。对比表7,在其他因数一样的情况下,冷却塔的出水温度越低,系统的COP越大。

表7 优化计算结果表如下

4 结语

①中央空调水系统的水泵是变频运行的,因各型号水泵的性能曲线不同,水泵在变频过程中,其扬程不同,同时考虑水泵间互为备用(可减少备用机),因此建议并联水泵选择同一型号。

②因变频冷水机组节能效果明显,目前大型中央空调系统均选择变频冷水机组。考虑到同型号的冷水机组冷凝器侧及蒸发器侧的压降损失相同,而且冷水机组间可互为备用,因此建议并联变频冷水机组选择同一型号。

③目前项目上大多采用冷却塔风机变频,即便冷却塔风机电耗会减少,但因冷凝器冷却水侧外部环境得到改善,冷水机组电耗的减少量比冷却塔风机电耗的减少量要大得多。总的来说,就是有效提高了冷却塔效率,低投入高回报,中央空调水系统效率提高。

④以上计算模型经验公式仅对某厂家某类型某系列的设备适用,不同厂家不同类型的设备需做局部调整,使其模拟计算值与实验值的偏差率控制在5%以内。

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