1、水冷式集中控制空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究第12卷第4期2010年7月銅仁學(xué)院journaloftongrenuniversity水冷式集中控制空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究臧大進一，劉增良,曹云峰(1.銅陵學(xué)院電氣工程系，安徽銅陵244000;2中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州221008;3上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240)摘要:通過對智能建筑中的水冷式集中控制空調(diào)運行控制的研究，提出了一種空調(diào) 運行節(jié)能控制方法，建立了相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運行控制模型，并基于遺傳算法和蟻群算法融合的 gaaa算法進行實現(xiàn).實驗說明木方法有較好的節(jié)能效果.關(guān)鍵詞:智能建筑設(shè)備;優(yōu)化控制;節(jié)能運行;控制模型中圖分類號:tu83

2、1文獻標(biāo)識碼:a文章編: 16739639(2010)04.012905 大量的統(tǒng)計結(jié)果表明，智能建筑系統(tǒng)中，空調(diào)設(shè)備系統(tǒng)， 給排水系統(tǒng),照明系統(tǒng)的能耗約占智能建筑運行能耗的2/3, 空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗占這三個系統(tǒng)總能耗的2/3以上，約占 樓宇電耗的40%60%【jj.然而中央空調(diào)系統(tǒng)卻是智能建筑不 可缺少的一部分,從節(jié)能降耗的角度中央空調(diào)系統(tǒng)降能減耗 自然成為重點的研究對象.1 空調(diào)設(shè)備系統(tǒng)能耗分析11空調(diào)設(shè)備系統(tǒng)能耗組成和傳遞過程木文以智能建筑中使用最廣泛的水冷式集中控制空調(diào)系 統(tǒng)為例定量分析和研究其優(yōu)化節(jié)能控制的實現(xiàn)方法其主要由以下幾部分組成：(1) 工作區(qū)(或居住區(qū))通常是指空氣調(diào)節(jié)系

3、統(tǒng)所控制范圍的工作區(qū)域或生活區(qū)域，在此空間內(nèi)，應(yīng)保持所要求的室內(nèi)空氣參數(shù).(2) 空氣的輸送和分配部分.主要是指輸送和分配空氣的送，回風(fēng)機,送風(fēng)管，送,回風(fēng)口等設(shè)備組成.(3) 空氣的處理部分.是指按照對空氣各種參數(shù)的要求， 對空氣進行過濾凈化，加熱，冷卻，加濕，減濕等處理的設(shè)備.(4) 空氣處理所需的輔助設(shè)備.這部分設(shè)備指的是為空調(diào)系統(tǒng)提供冷量和熱量的設(shè)備，如鍋爐房，冷凍站,冷水機組等.水冷式集屮控制空調(diào)系統(tǒng)的能量由熱源和冷源系統(tǒng)產(chǎn)生，經(jīng)水形態(tài)傳遞給風(fēng)系統(tǒng)，再由風(fēng)系統(tǒng)將能量傳遞給被調(diào) 節(jié)房間，以達到所要求室內(nèi)環(huán)境要求其能量傳遞過程可用 下圖1表示.圖1空調(diào)系統(tǒng)能量傳遞過程其總能耗可用下式表示

4、:的電能，包括送風(fēng)機，回風(fēng)機，新風(fēng)風(fēng)機，排風(fēng)機所耗動力 xe二+e3(11)之和.其中:為冷熱源系統(tǒng)工作所消耗的電能，為能量輸送12房間冷負(fù)荷組成過程中用于水系統(tǒng)工作的泵所消耗的電能.為風(fēng)機所消耗由空氣調(diào)節(jié)設(shè)計手冊可 知,空調(diào)冷負(fù)荷由三部分組成，收稿口期:2010.0624基金項目:安徽省20092010自然資金立項資助(90416246)作者簡介:臧大進(1968.),男，傅上，副教授啟動化設(shè)計研究所副所長,現(xiàn)從事智能控 制與現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)的研究與開發(fā).劉增良(1959 一)，男，教授，主要從事電力系統(tǒng)自動化方面的研究工作.曹云峰(1976.),男，博士后，主要從事智能控制和不確定非線性系

5、統(tǒng)控制等研究.292010年第4期銅仁學(xué)院是房間的冷負(fù)荷，包括由室內(nèi)外溫差引起建筑物維護結(jié)構(gòu) 傳入室內(nèi)熱量形成的冷負(fù)荷，太陽輻射傳入熱量形成的冷負(fù) 荷,人體散熱散濕形成的冷負(fù)荷，室內(nèi)燈光照明散熱形成的 冷負(fù)荷，室內(nèi)設(shè)備散熱散濕形成的冷負(fù)荷，二是室外新風(fēng)負(fù) 荷，為冷卻室外新鮮空氣所消耗的冷負(fù)荷，三是系統(tǒng)冷負(fù)荷， 由空調(diào)設(shè)備升溫產(chǎn)生的冷負(fù)荷.但一般情況下，在分析空調(diào) 系統(tǒng)能耗時,對損失的冷負(fù)荷可忽略不計，其制冷負(fù)荷為房 間冷負(fù)荷與新風(fēng)負(fù)荷之和空調(diào)設(shè)備運行目的是為房間提供 定的冷量，新風(fēng)量和保證空氣質(zhì)量.2.水冷式集屮控制空調(diào)系統(tǒng)白勺節(jié)能模型研究傳統(tǒng)的智能建筑中的空調(diào)設(shè)備是根據(jù)季節(jié)變化采用恒定 或人

6、工修正的方式通過對下位機控制器管理,間接進行空調(diào) 設(shè)備能量管理和控制，其環(huán)境適應(yīng)性差，同時控制的效果無 論是熱舒適性述是空氣品質(zhì)都比較差基于以上考慮，本文 擬建立一個優(yōu)化的，動態(tài)在線的空調(diào)設(shè)備節(jié)能模型,以實現(xiàn) 對空調(diào)設(shè)備系統(tǒng)節(jié)能的智能控制.2.1 空調(diào)房間數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)2.1.1.空調(diào)房間數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)卜】 為處理方便，可將空調(diào)房間看作一個恒溫室，其能量儲 存量的變化率可用卜式表示：cl 魯=(l 眠)一 lpc (2.1)式中,cl為恒溫室的容量系數(shù);q為室內(nèi)散熱量;i為恒溫 室維護結(jié)構(gòu)的熱阻;m為室外空氣溫度;l為送風(fēng)量;p為 空氣密度，可取p=1.2;c為空氣定壓比，可取c=1.01;t 為

7、室內(nèi)空氣溫度(回風(fēng)溫度).在變風(fēng)量方式下，送風(fēng)溫度f固定,送風(fēng)量三變化,(21)式變?yōu)椋篶l:lp(t 一 tn)+q0+(2-2)若分別以to,q加,too,lo表示t,qn,to,l在穩(wěn)態(tài)吋的值，則(2.2)式變?yōu)椋篻，0(f fo)+g0+!:0(2.3)空調(diào)房間的動態(tài)過程可用下式表示：rd(tno+atn)二+(fo+a)+o+aq)+(foo+ato)(fo+a)lope tno)+0+二+f 力 口) 一 +(2.4)+a+_atn=(f 一)+ag+_ato告警地:+警令c1,1gr:zg+,則有：datn+at=lat+2ag,(2.5)其中:為空調(diào)房間的時間常數(shù),k1為空調(diào)房

8、間調(diào)節(jié)通道的 放大系數(shù),k2為空調(diào)房間擾動通道的放大系數(shù),aqf為室 內(nèi)外干擾量的變化換算成室內(nèi)熱量的變化考慮純滯后影響, 在變風(fēng)量方式下,空調(diào)房間調(diào)節(jié)通道和干擾通道的傳遞函數(shù) 可用圖2表示.k2.p ，一 tls+11a 后 l.erl$+ 1圖2變風(fēng)量系統(tǒng)空調(diào)房間數(shù)學(xué)模型130臧大進，劉增良,曹云峰冰冷式集中控制空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究則有同理可得,定風(fēng)量方式下即送風(fēng)量三固定,送風(fēng)溫度改變，空調(diào)房間數(shù)學(xué)模型可用2.6式和圖3表示.attldat n+atn=lah2ag,atn圖3定風(fēng)量系統(tǒng)空調(diào)房間數(shù)學(xué)模型效果和冷凍水的供水溫度t可用下式表示: 其中:t三l一為恒溫房間的時間常數(shù),k1 +lcpc

9、 q+to為恒溫房間的放大系數(shù),t,二一為室內(nèi)外干擾換算成*l£°c送風(fēng)溫度的變化,分別為輸入，輸出量的 變化.2.12表冷器模型推導(dǎo)在忽略建筑物對表冷器熱容影響的前提下，空調(diào)的工況傳熱可用下式表示：qw:-tj(2.7)其中,qlw為表冷器外側(cè)的傳熱量,是表冷器迎風(fēng)而風(fēng)量 的函數(shù)，(為表冷器的進風(fēng)溫度,f為表冷器表面的平均 溫度，可用下式表示：0+一tcon)j(2.11)其中，分別是額定工作情況下的制冷效果和供水溫度值,由冷凝條件和制冷負(fù)荷決定，可估測.2.14風(fēng)機和水泵模型般而言，風(fēng)機的轉(zhuǎn)速與送風(fēng)量打成正比，即r/=o*n.而電機的功率p與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為p二,an,所

10、以可用下式：p=2r/(2.12)來表示風(fēng)機功率與流量的關(guān)系當(dāng)流量變化較小吋，可視為 常數(shù).22空調(diào)系統(tǒng)在線優(yōu)化控制目標(biāo)函數(shù)空調(diào)設(shè)備優(yōu)化控制的目標(biāo)是在保證房間舒適的同時盡量 減少系統(tǒng)的能耗,而房間的舒適性可用熱舒適性和空氣品質(zhì) 來衡量為討論問題方便，這里將房間的舒適溫度定為常溫 25°c.根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的研究成果表明:增加新風(fēng)量的 同時，提高送風(fēng)溫度可使pmv值保持穩(wěn)定.般規(guī)定co2摩 h=g?z(2.8)爾濃度在10-3以下的空氣品質(zhì)可以認(rèn)為是舒適的,co2摩爾 其屮的參數(shù)gv,z與表冷器的外側(cè)換熱系數(shù)，內(nèi)側(cè)放濃度越小,空氣質(zhì)量越好.由此 可得岀系統(tǒng)優(yōu)化控制目標(biāo)函熱系數(shù)，迎風(fēng)面

11、風(fēng)速，通過表冷器的水流速度等及表冷器的數(shù)為：結(jié)構(gòu)徂事冀的制剛的僖抽ts,tg,17):j 0+伽+(2.)同樣可得表冷器的內(nèi)水側(cè)的傳熱為: tnpj(2.9)在上式中,0,c,分別是空調(diào)能耗p,熱舒適性p,其中，為表冷器外側(cè)的傳熱量，是表冷器迎風(fēng)面風(fēng)量空氣品質(zhì)x的影響系數(shù)，其取 值的不同一般由建筑物的使用的函數(shù),mi為表冷器的進口水溫度,trip為表冷器表面的平性質(zhì)決定，不失一般性, 木研究統(tǒng)一將其取為1 以下主要討均溫度，可用下式表示:論空調(diào)能耗p,熱舒適性p,空氣品質(zhì)三個主要參數(shù).g?z內(nèi)溫差言其中的參數(shù)gn,z與表冷器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)側(cè)換熱系數(shù),pmv值與人體舒適度的對比 關(guān)系.其中,pmv值

12、的計算內(nèi)側(cè)放熱系數(shù)，迎風(fēng)面風(fēng)速，通過表冷器的水流速度等有關(guān)考慮了室內(nèi)空氣速度 re,輻射溫度trad,居住者活動強度，2.1.3.冷水機組模型在冷凝條件和制冷負(fù)荷不大的情況下，冷水機組的制冷6 2010年第4期銅仁學(xué)院著裝多少(/el),溫度和相對濕度只八等如表1所示.表1pmv值與人體舒適度的對比情況mpmv 32.10123舒適度冷涼微涼舒適微熱執(zhí)炎熱',，本研究中為簡化運算的復(fù)雜度，主要考慮室內(nèi)溫度和風(fēng)量兩個影響因素，并設(shè)其影響系數(shù)分別為崩，假設(shè)mpm=0時的溫度和新風(fēng)量分別為tm:o,rim:0,則有：mpm二崩(f 一 tm二0):0)(2.14)室內(nèi)空氣品質(zhì)評估模型】使用下

13、式：:tanhf 一 1(2.15)1cc.j 其中 表示室內(nèi)c02濃度，為影響因子空調(diào)系統(tǒng)能耗 主要由兩部分組成，即制冷能耗和風(fēng)機能耗,其中風(fēng)機能耗 可由(2.12)式求得.由能量守恒定律和由熱力學(xué)模型知道，定大小的空調(diào)房間所需制冷量為：q=,【f1)(2.16)結(jié)合(2.11)式和(2.16)式，令 1=e?,2= 1crtc)可得:l 弋:(2.17)1exp.6.tg+epcrtc.n 1 yltg+y2e空調(diào)系統(tǒng)的總能耗為：p:+p2:+(2.18)lfp+y2exp系統(tǒng)優(yōu)化控制口標(biāo)函數(shù)為：ji5s,tg,l:+3.空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制算法實現(xiàn)由于gaaa算法】在時間和效率上優(yōu)于蟻群

14、算法19.-, 在求解效率上優(yōu)于遺傳算法，故本文將其應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)節(jié) 能優(yōu)化控制算法中為使所編制的程序具有通用性,本文選 用c+builder作為算法的編程語言，并使用matlab7.0的 sinwlink工具箱對空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)進行在線仿 真.相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)求解流程可用圖4表示.圖4 口標(biāo)函數(shù)求解流程圖132n.l rr 黠臧大進，劉增良,曹云峰:水冷式集中控制空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究4 .實驗及分析木實驗的主要研究目的是為比較在線優(yōu)化控制的空調(diào)系 統(tǒng)能耗與目前廣泛使用的常規(guī)控制空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況，以證 實本研究的有效性,同時研究幾0,對運行能耗的影響.4.1.實驗條件(1) 選擇環(huán)境條件

15、基本一致的兩個等面積空調(diào)房間，面積約60m,分別叫區(qū)域甲和區(qū)域乙,h區(qū)域甲使用在線優(yōu) 化控制方法，區(qū)域乙使用常規(guī)控制方法，并設(shè)定送風(fēng)溫度為 13°c,供水溫度為90c,新風(fēng)量為0.8m/s,室內(nèi)溫度保持25°c.(2) 在6月份選取15天需要開空調(diào)的口子作為本實驗的第一組采樣點，并令:二f°=i,采樣吋長為全采樣 時刻為下午6點.(3) 在7月份選取15天需要開空調(diào)的fi子作為本實驗 的第二組采樣點，并令區(qū)域甲/1二1.3,0:0.75,=0.75, 區(qū)域乙二=:1,采樣時長為全天，采樣時刻為下午6點， 控制方式都為在線優(yōu)化控制.42實驗結(jié)果為直觀表示甲乙兩區(qū)域在

16、不同控制方式下和不同參數(shù)下的節(jié)能效果，現(xiàn)將實測數(shù)據(jù)分別用圖5和圖6表示.由圖可以看出，在其他條件相同的前提下，本研究的優(yōu)化控制方法比傳統(tǒng)方法更節(jié)能，平均日節(jié)電636度,若全年 需開空調(diào)的天數(shù)為200,則面積為10,000m的空調(diào)房間約可 節(jié)電6.36200十lo000/60:21.2萬度.在環(huán)境條件和同，且都 采用在線優(yōu)化控制方法的前提下，由于系數(shù)的不同,其能耗 也不同，經(jīng)在線模擬可以得出丘1.16,1.38】,e0.61,0.81, gto.63,0.781,節(jié)能效果較好.5 結(jié)論本文在分析了智能建筑中能耗分布的基礎(chǔ)上，主要研究圖5甲優(yōu)化控制與乙常規(guī)控制口用電量133了空調(diào)設(shè)備系統(tǒng)節(jié)能控制方

17、法建立了相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能 運行控制模型和空調(diào)系統(tǒng)在線優(yōu)化控制目標(biāo)函數(shù)，并通過仿 真實驗和實際測量表明:與傳統(tǒng)的空調(diào)運行控制方法相比， 本方案具有較好節(jié)能效果，且節(jié)能效果也與優(yōu)化控制目標(biāo)函 數(shù)的系數(shù)有關(guān).參考文獻：1 魏新業(yè).中國建筑產(chǎn)業(yè)地位和發(fā)展水平分析j.哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2004,36(1):124.128.2 顏全生.屮央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)j.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué) 報,2003,(1):91.94,3 李冬輝.樓宇自控系統(tǒng)中節(jié)能控制的研究【j.低壓電器,2004,：1574 吳志明.建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計fjl.計算機工程,2004,30(20): 195196.5 劉戰(zhàn)國等變頻

18、節(jié)能原理及其在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用【j1 建筑電氣,20085 :100.103.6 伊應(yīng)德.空調(diào)水系統(tǒng)的模擬和節(jié)能調(diào)節(jié)研究【d】.湖南大學(xué)碩士學(xué)位 論文,2005年4月.7 蔡忠法等基于口適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波分析模型與算法【j1.電工技術(shù) ,2008,(7):118-124.8 陳為勝，李俊民全局自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)跟蹤控制及逼近域確定j1 控 制與決策,2009,(1):18-23.9 j acksonde,holcombem,ratnieksflwtrailgeometrygivespolarity toantforagingnetworks.nature,2004,432(7019):907-90

19、9.10 臧大進，王耀才蟻群算法在煤與瓦斯突出預(yù)測中的應(yīng)用j】.計算 機測量與控制,2007,(6): 121.124.11 徐文嫁等用于連續(xù)函數(shù)優(yōu)化的改進蟻群算法j.機械與電子,2008,:】13 20.圖6不同系數(shù)下優(yōu)化控制日用電量2010年第4期銅仁學(xué)院researchonenergyconservationofairconditioningsystemwithwater-cooledcentralizedcontroizangda-jin,liuzeng. 1 iang,caoyun 一feng(l.departmentofelectronicengineering,tonglingu

20、niversity,tongling,anhui244000,c hina;2.chinauniversityofminingandtechnology,xuzhou jiangsu22100&china;3.schoolofelectronicandelectricengineering,shangha ijiaotonguniversity,shanghai20 0240,china)abstract: anenergyconservationcontrolmethodofairconditioningisputforwardthroughth eresearchofrunning

21、controlof water-cooiedairconditioningwithcentralizedcontrolinintelligentbuilding.thushecorre spondingenergyconservationcontrolmodel ofair-conditioningsystemisestablishedandachievedbythegaaaalgorithmwhichisthefu sionofgeneticalgorithmandantcolonyalgorithm,experimentshowsthatthismethodhasbetterenergyconservationefficiency.keywords:intelligentbuildingfacilities;optimizedcontrol;energy-savingoperation;contr ollingmodel(責(zé)任編輯毛志)(上接128頁)參考文獻：1 李紅莉.提高少兒圖書借閱率的思考j.中小學(xué)圖書情報世界,2004,(7)2 林英.與時俱進，推進圖書館工作發(fā)展創(chuàng)新j】中小學(xué)圖書情報世界2004,(7).howtoimprovelendingratioofschoollibrarybookzhenshi.