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【摘 要】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。
【关键词】变水量冷媒水系统；控制变量；优化节能
1.研究对象
选择一个典型的 VWV 系统，其二级供水采用变频泵，通过恒压控制调节水量以满足空气处理装置（Air Handle Unit，AHU）的要求；一级冷媒水回路的供回水恒压控制器可以根据压差的变化自动调节旁通管上阀门的开度，从而改变流经旁通管的冷媒水流量，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。
2.试验条件
优化控制策略的试验平台是基于TRNSYS开发的楼宇空调水系统动态仿真软件。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，均为自动控制的 AHU。考虑到计算速度以及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，即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。
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。若这个控制参数设定得过大，有可能使若干个AHU水阀的开度过小，二级回路的流动阻力增加，泵的工作点左移，造成二级泵能耗浪费；若设定得过小，有可能使若干个AHU的流量过小，无法满足对送风温度控制的要求。因此，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。
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。考虑到实际的应用和控制的稳定性，在优化的逻辑中采用了两个PID运算器，通过将最大阀位Vmax控制在接近100%的[Hlim，Llim]范围内，计算出优化的压差设定。
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，因此性能系数（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。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。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。在优化的逻辑中，同样采用两个PID运算器，计算将Vmax控制在接近100%的[Hlim，Llim]范围内，同时考虑到二级泵在过高频率而流量较小以及过低频率而流量较大工况下效率较低的情况，还需对设定的优化进行约束。
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，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，在二级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。三种优化控制策略的运行结果与固定控制策略运行结果的比较表明，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。固定控制策略相关的设定值为：冷媒水供水温度设定为 7℃，二级泵供水压差设定为250kPa，送风温度设定为13℃。能耗情况如表1 所示。
表 1 能耗对比
4.1供水压力优化控制策略结果
优化控制策略的能耗结果与固定策略相比，其中固定策略供水压力和供水温度分别是250kPa和7℃，优化控制策略供水温度设定在7 ℃，供水压力随系统负荷变化在50～250kPa范围内实时进行调整。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%，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控制策略相比如表 1 所示。其中固定控制策略供水压力和供水温度取值分别是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。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供水温度增加可以提高冷水机组的COP值，从而减少冷水机组的能耗。然而，在负荷件相同的情况下，供水温度的提高使得冷媒水需求量增大，二级泵能耗增加。因此，适当调节供水温度，使得当冷水机组能耗的减少量大于二级泵能耗增加量时，与固定控制策略相比系统总体是节能的。
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所示。其中固定策略供水压力和供水温度值分别设定为250kPa和7℃，优化控制策略的供水压力在50kPa～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。供水温度和供水压力是影响系统能耗的重要参数，系统对压力调整反应较快，因此在串级控制策略中将压力控制作为一级控制，当压力调整接近其极限时启动供水温度调节，两个参数同时进行调节控制。
5.结论
三种优化控制策略相对于固定策略都能够节能。（1）供水压力优化策略中，根据负荷的变化实时地改变供水压差的设定，冷媒水供水温度不变，相同负荷下所需供水量不变，压差的调整（下转第149页）（上接第64页）减小了管路的阻力，可以减少二级泵的能耗；（2）供水温度优化策略中，供水压力固定不变，在部分负荷时，适当的提高冷媒水供水温度，可以提高COP 值，提高冷水机组的效率，避免了“小流量，大供回水温差”的严重不节能现象；（3）在第三种优化策略中，按照二级泵的电机频率在不同的范围内对供水温度和供水压力分别进行实时调节，节能效果也是很明显的。三种优化控制策略均以供水压力和供水温度两个参数为控制变量。仿真结果表明这两个参数对系统运行及能耗情况影响很大，是空调水系统优化控制研究的两个重要参数。
【参考文献】
[1]陆琼文，刘传聚，曹静.浦东国际机场变空调供水温度节能运行策略分析[J].暖通空调，2003，33（2）：123-125.
【关键词】变水量冷媒水系统；控制变量；优化节能
1.研究对象
选择一个典型的 VWV 系统，其二级供水采用变频泵，通过恒压控制调节水量以满足空气处理装置（Air Handle Unit，AHU）的要求；一级冷媒水回路的供回水恒压控制器可以根据压差的变化自动调节旁通管上阀门的开度，从而改变流经旁通管的冷媒水流量，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。
2.试验条件
优化控制策略的试验平台是基于TRNSYS开发的楼宇空调水系统动态仿真软件。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，均为自动控制的 AHU。考虑到计算速度以及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，即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。
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。若这个控制参数设定得过大，有可能使若干个AHU水阀的开度过小，二级回路的流动阻力增加，泵的工作点左移，造成二级泵能耗浪费；若设定得过小，有可能使若干个AHU的流量过小，无法满足对送风温度控制的要求。因此，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。
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。考虑到实际的应用和控制的稳定性，在优化的逻辑中采用了两个PID运算器，通过将最大阀位Vmax控制在接近100%的[Hlim，Llim]范围内，计算出优化的压差设定。
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，因此性能系数（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。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。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。在优化的逻辑中，同样采用两个PID运算器，计算将Vmax控制在接近100%的[Hlim，Llim]范围内，同时考虑到二级泵在过高频率而流量较小以及过低频率而流量较大工况下效率较低的情况，还需对设定的优化进行约束。
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，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，在二级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。三种优化控制策略的运行结果与固定控制策略运行结果的比较表明，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。固定控制策略相关的设定值为：冷媒水供水温度设定为 7℃，二级泵供水压差设定为250kPa，送风温度设定为13℃。能耗情况如表1 所示。
表 1 能耗对比
4.1供水压力优化控制策略结果
优化控制策略的能耗结果与固定策略相比，其中固定策略供水压力和供水温度分别是250kPa和7℃，优化控制策略供水温度设定在7 ℃，供水压力随系统负荷变化在50～250kPa范围内实时进行调整。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%，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控制策略相比如表 1 所示。其中固定控制策略供水压力和供水温度取值分别是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。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供水温度增加可以提高冷水机组的COP值，从而减少冷水机组的能耗。然而，在负荷件相同的情况下，供水温度的提高使得冷媒水需求量增大，二级泵能耗增加。因此，适当调节供水温度，使得当冷水机组能耗的减少量大于二级泵能耗增加量时，与固定控制策略相比系统总体是节能的。
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所示。其中固定策略供水压力和供水温度值分别设定为250kPa和7℃，优化控制策略的供水压力在50kPa～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。供水温度和供水压力是影响系统能耗的重要参数，系统对压力调整反应较快，因此在串级控制策略中将压力控制作为一级控制，当压力调整接近其极限时启动供水温度调节，两个参数同时进行调节控制。
5.结论
三种优化控制策略相对于固定策略都能够节能。（1）供水压力优化策略中，根据负荷的变化实时地改变供水压差的设定，冷媒水供水温度不变，相同负荷下所需供水量不变，压差的调整（下转第149页）（上接第64页）减小了管路的阻力，可以减少二级泵的能耗；（2）供水温度优化策略中，供水压力固定不变，在部分负荷时，适当的提高冷媒水供水温度，可以提高COP 值，提高冷水机组的效率，避免了“小流量，大供回水温差”的严重不节能现象；（3）在第三种优化策略中，按照二级泵的电机频率在不同的范围内对供水温度和供水压力分别进行实时调节，节能效果也是很明显的。三种优化控制策略均以供水压力和供水温度两个参数为控制变量。仿真结果表明这两个参数对系统运行及能耗情况影响很大，是空调水系统优化控制研究的两个重要参数。
【参考文献】
[1]陆琼文，刘传聚，曹静.浦东国际机场变空调供水温度节能运行策略分析[J].暖通空调，2003，33（2）：123-125.