1、第37卷第7期上海交通大學學報Vol 37 No. 72003 年 7 月JOURNAL 0 F SHAN GHA I J IAO TON G UN VERSITYJul. 2003文章編號：100622467(2003)0721128205樓宇空調變水量冷媒水系統實時優化控制晉欣橋，李曉鋒，任海剛(上海交通大學機械與動力工程學院，上海200030)摘 要：為達到節能和優化系統控制的目的，在樓宇空調水系統及其局部控制仿真分析的基礎上，針對變流量系統監測點和可調參數較多的特點，提出并驗證了 3個實時優化控制方案：根據初級和二級冷媒水流量的比率，實時優化多臺冷水機組的啟停控制；利用AHU自動控制水

2、閥的閥位信息,實時優化二級水泵的控制；利用AHU自動控制水閥的閥位信息以及二級泵的工作狀況，實時優化冷水機組出水溫度的控制.結果表明，同常規的控制方案相比，這3個優化控制方案不僅能夠不同程度地達到節能的目的，而且還能夠改善系統局部控制的特性.關鍵詞:空調；冷媒水系統；優化控制中圖分類號：TU 831. 3文獻標識碼：AO n2line O ptim al Contro l of Va riable W ater VolumeSystems in HVAC SystemsJ IN X in2qiao,L I X iao2f eng, REN H ai2gang(School of M echan

3、ical Eng. , Shanghai Jiaotong U niv. , Shanghai 200030, Ch ina)A bstra ct: For the aim of saving energy and optim izing contro l of chilled systems, the perfo rmanceof VWV systems a nd characteristics of con tro l system s w ere an alyzed based o n the sm ulatio n. A ccord ing to the characteristic

4、of the m on itored param eters and con tro lled variab les in VW V system s, th ree on line op tim al contro l strategies were proposed and validated : (1) Op timal strategy fo r on off contro l of chillers accord2 ing to the ratio of sec on dary flow rate to p rim ary flow rate.(2) Op tim al strate

5、gy for the con tro l of sec2on dary pum p accord ing to value positi o nsof auto 2s on tro lled A HU vales. And (3) Optim al strategy for supply chilled w ater temperatu re contro l of chillers according to valve positi ons of auto2contro lled A HU valves an d w o rk i ng statu s of sec on dary pump

6、. The results show that the th ree optim al strategies can save en ergy and im p rove the c on tro l perfo rm a nee of system s compared w ith the conven tio nal con trol strategies. Keywords: air c on diti oning; chilled system s; optim ized c on tro l© 94-20(1 China Academic Jounial tileorMii

7、c Fubhshing House, All lilits reserved.第37卷第7期上海交通大學學報Vol 37 No. 72003 年 7 月JOURNAL 0 F SHAN GHA I J IAO TON G UN VERSITYJul. 2003© 94-20(1 China Academic Jounial tileorMiic Fubhshing House, All lilits reserved.第37卷第7期上海交通大學學報Vol 37 No. 72003 年 7 月JOURNAL 0 F SHAN GHA I J IAO TON G UN VERSITYJu

8、l. 2003樓宇空調水系統優化控制的目的是在滿足系統負荷要求和保證系統穩定性的前提下，盡可能地減少系統的能耗并提高系統的控制特性.在傳統的樓宇空調系統中，其分散而獨立的控制器之間無法進 行通信，因而要實現系統的優化控制及管理很困難.隨著米用帶通信的直接數字控制器(d irect D igital收稿日期：2002206208作者簡介:晉欣橋(19652,男,安徽滁州人，副教授,博士 ,現主要從事空調系統控制與優化方面研究.電話(Tel. ):021262933351;E2m ail: xgjin sjtu. edu. cnCon tro ller, DDC)取代氣動控制器，特別是隨著日 趨廣

9、泛的樓宇管理系統 (Building M anagement Sys2 tem, BM S)的應用，使得控制器間的信息交換非常 方便,這不僅大大提高了空調系統監測和診斷的效 率,也使得各種優化控制和管理規劃以及在線控制 方案得以實施和發展.© 94-20(1 China Academic Jounial tileorMiic Fubhshing House, All lilits reserved.第7期晉欣橋，等:樓宇空調變水量冷媒水系統實時優化控制1 129對于樓宇空調水系統，當前常規的做法是采用 恒定或人工修改設定值的方式對下位機控制器進行 控制管理，系統的能耗和運行及控制特性

10、基本上依 賴于操作人員的經驗，因此在部分負荷時會出現能 量浪費以及控制特性較差的情況特別是對于采用變水量(V ariab le W ater V o lume, VW V )的樓宇 空調系統，由于其控制變量更多以及控制系統更為 復雜,依賴經驗的方式在很大程度上已經無法完成控制管理的任務，也不能很好地體現 VWV系統的 節能優勢針對當前的研究和應用狀況，本文在仿 真分析的基礎上，根據VWV系統的監測點和可調 參數較多的特點，針對冷水機組的啟停、二級水泵的供水壓差和冷水機組的出水溫度這3個對系統能耗、運行及控制特性影響較大的控制分別進行了優 化,并提出了相應的實時優化方案.1實時優化控制方案1.

11、1研究對象圖1所示是典型的 VWV系統結構示意圖系 統的二級供水采用變頻泵通過恒壓控制調節水量以 滿足用戶端(a HU )的要求；初級和二級冷媒水供水 回路間的旁通閥通過恒壓控制調節旁通水量以保持 通過每臺冷水機組蒸發器的水流量不變；冷卻塔進出水總管之間混水閥的控制用于防止在低溫工況下 過低的冷卻水溫度；各冷水機組都有一個出水溫度 控制器控制冷媒水的出水溫度；各AHU都有一個送風溫度控制器控制送風溫度.1. 2冷水機組啟停控制的優化作用，初級回路中各臺冷水機組的流量保持不變，因此在冷水機組運行臺數不變的情況下，初級回路的流量是恒定的.AHU負荷變化而產生的流量變化 要求,是由二級回路中二級泵的

12、轉速變化來達到的.當AHU的負荷增加，二級回路的流量需求增加，通 過二級泵和旁通閥的兩個恒壓控制器的調節，系統中二級回路的流量增加而旁通流量減少；反之亦然.二級流量qm2與初級流量qm1之比：_ 中2 _ Hn, 1 - Hup, 1r =qm 1Hn，2 - Hup, 2式中：H表示溫度；下標sup和rtn分別表示供水和 回水,1和2分別表示初級和二級回路.由于二級流量代表了系統的負荷要求，初級流量代表了冷水機組的產冷能力，因此，當r> 1時,說明冷水機組的產冷能力已經無法滿足系統的負荷要 求,應增開一臺冷水機組；當r< 1- 1 N時(冷水機 組相同的情況,N為當前冷水機組運行

13、的數目 ),說 明關閉一臺冷水機組后的產冷能力已經可以滿足負 荷要求，因此應關閉一臺冷水機組.13二級泵控制的優化在VWV系統中，二級泵大多采用變頻調速泵 或多臺定速泵配一臺變頻調速泵，因此都可以進行連續地調節.它由恒壓控制器通過改變變速泵的轉 速和定速泵的啟停以調節二級回路的流量 ，其控制 參數是二級供回水主管的壓差或各 AHU中進出口 壓差的最小值.若這個控制參數設定得過大，有可能 使若干個AHU水閥的開度過小，二級回路的流動 阻力增加，泵的工作點左移，造成二級泵能耗浪費； 若設定得過小，有可能使若干個 AHU的流量過小，© lChina Acasieiiik： Jouinial

14、 EieorMiic Publishing House, All riglils reserved.w.Gtiki.nat第7期晉欣橋，等:樓宇空調變水量冷媒水系統實時優化控制1 #由于初級和二級冷媒水回路之間旁通閥的調節無法滿足對送風溫度控制的要求因此，根據各捽別器© lChina Acasieiiik： Jouinial EieorMiic Publishing House, All riglils reserved.w.Gtiki.nat第7期晉欣橋，等:樓宇空調變水量冷媒水系統實時優化控制1 #© lChina Acasieiiik： Jouinial EieorM

15、iic Publishing House, All riglils reserved.w.Gtiki.nat第7期晉欣橋，等:樓宇空調變水量冷媒水系統實時優化控制1 #控制器冷朮機爼出力他 溫曲j出術溫度' 控制黙j - 二縄泵恒樂梓制盟© lChina Acasieiiik： Jouinial EieorMiic Publishing House, All riglils reserved.w.Gtiki.nat第7期晉欣橋，等:樓宇空調變水量冷媒水系統實時優化控制1 #© lChina Acasieiiik： Jouinial EieorMiic Publish

16、ing House, All riglils reserved.w.Gtiki.nat第7期晉欣橋，等:樓宇空調變水量冷媒水系統實時優化控制1 130圖1變水量系統及其控制結構示意圖F ig. 1 Schem e of VWV and its contro l system s© lChina Acasieiiik： Jouinial EieorMiic Publishing House, All riglils reserved.w.Gtiki.nat第7期晉欣橋，等:樓宇空調變水量冷媒水系統實時優化控制1 #© lChina Acasieiiik： Jouinial E

17、ieorMiic Publishing House, All riglils reserved.w.Gtiki.nat第7期晉欣橋，等:樓宇空調變水量冷媒水系統實時優化控制1 #© lChina Acasieiiik： Jouinial EieorMiic Publishing House, All riglils reserved.w.Gtiki.nat131上海交通大學學報第37卷11 ；水溫度圖3出水溫度控制的優化邏輯圖Fig. 3 Logic of op tim al contro l of chilled w atertemperatureSYS6開發的樓宇空調水系統動態仿

18、真軟件進行試驗的系統有4臺相同冷量的、帶進口導葉調節的 離心式冷水機組，2臺橫流式多風機（3個）冷卻塔， 用戶均為自動控制的AHU.考慮到計算速度以及TRN SYS對部件個數的限制，在作為試驗平臺的仿 真器中，將系統所有的A HU分成AHU 1- A HU 4, 并假定每組中各 AHU的負荷狀況相同，這樣在仿 真器中只需模擬4個AHU即可4組A HU處理風量的變化情況如圖 4所示，其 中第13組的工作時間是8: 00 20: 00,第4組全 天工作.AHU送風溫度的設定均為14 °.夏季和202412 f i h)6兩個試驗日AHU的送風量變化情況Fig. 4 Supp ly air

19、 flow rates of A HU s in two test days2 2優化方案的試驗及結果分析首先對冷水機組啟停的實時優化控制方案在仿真器上進行試驗.為防止頻繁地啟停機組，保證系統運行的穩定性，在優化控制程序中針對機組的 啟停,一方面進行了啟停間隔時間的約束；另一方AHU負荷的變化實時優化該控制參數有節約二級 泵能耗和提高系統控制特性的潛在能力.自動控制的AHU水閥的閥位代表了各自 AHU相對負荷的變化3,保持各水閥中最大的閥位 處于接近100%的開度，可以在保證系統控制特性 的前提下最大地減少二級回路的阻力.圖2是控制參數2壓差實時優化的邏輯圖.考慮到實際的應用和 控制的穩定性，

20、在優化的邏輯中采用了兩個PID運算器,通過將最大閥位 Vm ax控制在接近100% H lim , L lim 范圍內，計算出優化的壓差設定圖2二級泵控制的優化邏輯圖Fig. 2 Logic of optimal contro l of secondary pump1. 4冷水機組出水溫度控制的優化冷水機組出水溫度控制的調節方式依賴于主機 的機型：離心式調節入口導葉；螺桿式調節滑閥位 置;往復式采用多缸卸載或調節制冷劑旁通量（帶變頻器主機調節輸入頻率）：吸收式調節蒸汽量或燃 油、燃氣量.無論何種調節方式，當出水溫度設定得 較低時，主機的蒸發溫度較低,因此COP較低,相同 負荷時主機的能耗較大；

21、反之,設定得較高，主機的 COP較高，相同負荷時的能耗較小.單從主機的能 耗角度而言，應盡可能地提高出水溫度的設定4,但是,過高的設定會使若干個甚至所有的A HU水閥開到最大也無法滿足負荷的要求，同時也增加了二級泵的能耗 因此,最佳的出水溫度設定應是保持 各水閥中最大的閥位處于接近100%開度.圖3是控制參數2出水溫度實時優化的邏輯圖. 在優化的邏輯中，同樣采用兩個PID運算器，計算將vm ax控制在接近100% H lim, L lim 時設定的上升 或下降，同時考慮到二級泵在過高頻率而流量較小 以及過低頻率而流量較大工況下效率較低的情況，還需對設定的優化進行約束.圖中的f和Ht分別代 表二

22、級泵的輸入頻率和出水溫度設定；f min、max以及qm,min、Qn ,m ax分別是f和中2對求解 壓t的約束；上 標工和2+ 1分別表示當前時刻和下一時刻2優化方案的驗證2. 1試驗條件優化控制方案的試驗平臺是作者基于TRN 2過渡季試驗日的干球溫度 （h球）、溫球溫度（j濕球）如圖5 所示.歩94-20(19 f.'hina Acadenik Jounial Electronic Fubhshicig Housis, ALL reserved,w,第7期晉欣橋，等:樓宇空調變水量冷媒水系統實時優化控制1 132證了機組滿足系統負荷的要求.為分析優化方案的節能效果，本文同時還試驗

23、了固定啟 停的方案，即在夏季試驗日8: 0（7 20: 00運行4臺機組；在過渡季試驗日 8: 0（7 20: 00運行第7期晉欣橋，等:樓宇空調變水量冷媒水系統實時優化控制1 #%4 S 12162024fih20季 4夏側«lo2or3 1 1F 立、£<24fo r on off contro l chillers從圖6初級回路的流量變化可以看出，優化控制方案在兩個試驗日里都可以合理地根據負荷的變 化調整機組的運行臺數：在負荷減小時實時地減少 了運行的臺數，使運行機組的負荷相對增加，從而提 高了主機的 COP，同時，也使旁通流量最大程度地 減小，從而因進水溫度的

24、提高也提高了主機的 CO P；在負荷增加時實時地增加運行的臺數，從而保圖7二級泵控制實時優化方案的試驗結果F ig 7 R esults of testing online op tim al strategy fo rcontro l of secondary pump（和過渡予圖5兩個試驗日室外溫度條件F ig 5 Conditi ons of outdoo r air temperature-v.HF i"野邈in two test days面對判據r給予5%的裕度.在試驗中，冷水機組出 水溫度控制器的設定為7 °二級泵恒壓控制器的設定夏季為 400 kPa,過渡季為

25、250 kPa;旁通閥的 恒壓控制器通過調節旁通閥的開度，將每臺運行的機組冷媒水的流量控制在130 kg s左右試驗結果如圖6所示，其中qm3為旁通閥中流量。04&12 1G 2024/ / h（bj過孩季圖6冷水機組啟停控制實時優化方案的試驗結果F ig 6 Results of testing online op tim al strategy3臺機組.優化方案和固定方案的能耗對比情況如 表1所示.表1冷水機組啟停控制優化的能耗對比Tab. 1 Comparison of energy consumption using optimal strategy for on off co

26、n trol of ch illers項目夏季試驗日能耗Mw ? h）節能%過渡季試驗節能%日能耗 固定 方案Mw ? h）優化方案固定 方案優化方案冷水機組27. 62426.8622. 7619 82618. 6785 79冷卻塔1. 2711 2670. 311 0081. 012 -0 40泠卻水泵4. 4374 2264. 763 7013. 3479 56冷媒水初級泵2. 6762 4966. 732 1401. 87612 34冷媒水二級泵3. 6023 611 -Q 251 6291. 6210 49總能耗39. 61038. 4622. 9028 30426. 5346 25

27、從表1中可以看出，采用了優化控制方案后，冷 水機組（不包括水泵）、冷卻水泵和冷媒水初級泵的 能耗都有不同程度的節約，夏季和過渡季兩個試驗 日的總能耗分別節約了2 90%和6 25%.在采用了冷水機組啟停控制優化方案的系統上,再分別對二級泵控制的實時優化方案和冷水機 組出水溫度控制的實時優化方案進行仿真試驗.試驗二級泵實時優化控制方案時，維持7 °的出水溫度設定，二級泵恒定控制器的設定在100 400 kPa調整試驗出水溫度實時優化控制方案，二級泵恒壓 控制器分別維持400 kPa （夏季）和250 kPa （過渡季）的設定，出水溫度的設定在7 10 °調整.兩個優化方案的試

28、驗結果分別如圖7和8所示.(.'Ilina Acatlenik J<iunwl t-iecirGok PuHchicle lkxi松 All riirlus. reitrved500r1132上海交通大學學報第37卷04812162024Fig 8圖8岀水溫度控制實時優化方案的試驗結果Results of testing online op tim al strategyr contro lof supp ly ch illed w ater temperature從圖7的結果可以看出，優化控制方案在兩個 試驗日里都可以根據各 AHU負荷的變化實時地改變二級泵壓差的設定，實際的壓

29、差也能夠隨設定的 變化而變化,控制狀況較為穩定.同時，在設定的可 調范圍內，優化控制方案基本上能夠將最大的閥位 控制在85%95%.同樣，從圖8的結果可以看出， 出水溫度優化控制方案也可以根據負荷的變化實時 地改變出水溫度的設定，在設定的可調范圍內，基本 上能夠將最大的閥位控制在85%95%.在兩種優化控制方案下系統的能耗情況如表2所示.對比于恒定設定控制方案，在采用二級泵優化 控制方案的系統中，冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵以 及冷媒水初級泵的能耗基本上沒有變化,但二級泵-i| 寸I” 滬馭的能耗大大地減少了 ，兩個試驗日系統的總能耗分 別節約了 3 85%和3 90%;在采用出水溫度優化控 制

30、方案的系統中，冷卻塔、冷卻水泵以及冷媒水初級 泵的能耗基本上沒有變化,但冷水機組和二級泵的 能耗有一定幅度地減少了，兩個試驗日系統的總能耗分別節約了 2 53%和3 38%.© <.'hina Acadenik Jounial Eleciroiiic J'uthshicig Housis, AIL reserved,www,enki.nisc#上海交通大學學報第37卷表2二級泵控制優化和出水溫度控制優化的能耗和節能Tab. 2 Energy con sum ption and savng of the opti m al strateg ies for cont

31、rol of secondary and con trol ofsupply ch illed water tem perature© <.'hina Acadenik Jounial Eleciroiiic J'uthshicig Housis, AIL reserved,www,enki.nisc#上海交通大學學報第37卷© <.'hina Acadenik Jounial Eleciroiiic J'uthshicig Housis, AIL reserved,www,enki.nisc#上海交通大學學報第37卷項目能耗(M

32、W ? h)固定方案二級泵控制節能%出水溫度控制能耗（MW ? h）節能夏季試驗日冷水機組26. 86226 5351 2226 1642 60冷卻塔1. 2671. 2600 541 265Q 14冷卻水泵4. 2264. 1721 284 231-0 12冷媒水初級泵2 4962. 4561 602 500-0 16冷媒水二級泵3 6112. 55829 163 3287. 84總能耗38. 46236. 9813 8537 4882 53過渡季試驗日冷水機組18.67818603040179284.02冷卻塔1.0121.0001221009033冷卻水泵33473.3240693348-003冷媒水初級泵1.8761.8590911878-011冷媒水二級泵1.6210.71455931474906總能耗26.53425.50039025637338© <.'hina Acadenik Jounial Eleciroiiic J'