楼宇空调变水量冷媒水系统实时优化控制

1、第37卷第7期上海交通大学学报Vol 37 No. 72003 年 7 月JOURNAL 0 F SHAN GHA I J IAO TON G UN VERSITYJul. 2003文章编号：100622467(2003)0721128205楼宇空调变水量冷媒水系统实时优化控制晋欣桥，李晓锋，任海刚(上海交通大学机械与动力工程学院，上海200030)摘 要：为达到节能和优化系统控制的目的，在楼宇空调水系统及其局部控制仿真分析的基础上，针对变流量系统监测点和可调参数较多的特点，提出并验证了 3个实时优化控制方案：根据初级和二级冷媒水流量的比率，实时优化多台冷水机组的启停控制；利用AHU自动控制水

2、阀的阀位信息,实时优化二级水泵的控制；利用AHU自动控制水阀的阀位信息以及二级泵的工作状况，实时优化冷水机组出水温度的控制.结果表明，同常规的控制方案相比，这3个优化控制方案不仅能够不同程度地达到节能的目的，而且还能够改善系统局部控制的特性.关键词:空调；冷媒水系统；优化控制中图分类号：TU 831. 3文献标识码：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期上海交通大学学报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期上海交通大学学报Vol 37 No. 72003 年 7 月JOURNAL 0 F SHAN GHA I J IAO TON G UN VERSITYJu

8、l. 2003楼宇空调水系统优化控制的目的是在满足系统负荷要求和保证系统稳定性的前提下，尽可能地减少系统的能耗并提高系统的控制特性.在传统的楼宇空调系统中，其分散而独立的控制器之间无法进 行通信，因而要实现系统的优化控制及管理很困难.随着米用带通信的直接数字控制器(d irect D igital收稿日期：2002206208作者简介:晋欣桥(19652,男,安徽滁州人，副教授,博士 ,现主要从事空调系统控制与优化方面研究.电话(Tel. ):021262933351;E2m ail: xgjin sjtu. edu. cnCon tro ller, DDC)取代气动控制器，特别是随着日 趋广

9、泛的楼宇管理系统 (Building M anagement Sys2 tem, BM S)的应用，使得控制器间的信息交换非常 方便,这不仅大大提高了空调系统监测和诊断的效 率,也使得各种优化控制和管理规划以及在线控制 方案得以实施和发展.© 94-20(1 China Academic Jounial tileorMiic Fubhshing House, All lilits reserved.第7期晋欣桥，等:楼宇空调变水量冷媒水系统实时优化控制1 129对于楼宇空调水系统，当前常规的做法是采用 恒定或人工修改设定值的方式对下位机控制器进行 控制管理，系统的能耗和运行及控制特性

10、基本上依 赖于操作人员的经验，因此在部分负荷时会出现能 量浪费以及控制特性较差的情况特别是对于采用变水量(V ariab le W ater V o lume, VW V )的楼宇 空调系统，由于其控制变量更多以及控制系统更为 复杂,依赖经验的方式在很大程度上已经无法完成控制管理的任务，也不能很好地体现 VWV系统的 节能优势针对当前的研究和应用状况，本文在仿 真分析的基础上，根据VWV系统的监测点和可调 参数较多的特点，针对冷水机组的启停、二级水泵的供水压差和冷水机组的出水温度这3个对系统能耗、运行及控制特性影响较大的控制分别进行了优 化,并提出了相应的实时优化方案.1实时优化控制方案1.

11、1研究对象图1所示是典型的 VWV系统结构示意图系 统的二级供水采用变频泵通过恒压控制调节水量以 满足用户端(a HU )的要求；初级和二级冷媒水供水 回路间的旁通阀通过恒压控制调节旁通水量以保持 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.1. 2冷水机组启停控制的优化作用，初级回路中各台冷水机组的流量保持不变，因此在冷水机组运行台数不变的情况下，初级回路的流量是恒定的.AHU负荷变化而产生的流量变化 要求,是由二级回路中二级泵的

12、转速变化来达到的.当AHU的负荷增加，二级回路的流量需求增加，通 过二级泵和旁通阀的两个恒压控制器的调节，系统中二级回路的流量增加而旁通流量减少；反之亦然.二级流量qm2与初级流量qm1之比：_ 中2 _ Hn, 1 - Hup, 1r =qm 1Hn，2 - Hup, 2式中：H表示温度；下标sup和rtn分别表示供水和 回水,1和2分别表示初级和二级回路.由于二级流量代表了系统的负荷要求，初级流量代表了冷水机组的产冷能力，因此，当r> 1时,说明冷水机组的产冷能力已经无法满足系统的负荷要 求,应增开一台冷水机组；当r< 1- 1 N时(冷水机 组相同的情况,N为当前冷水机组运行

13、的数目 ),说 明关闭一台冷水机组后的产冷能力已经可以满足负 荷要求，因此应关闭一台冷水机组.13二级泵控制的优化在VWV系统中，二级泵大多采用变频调速泵 或多台定速泵配一台变频调速泵，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，© lChina Acasieiiik： Jouinial

14、 EieorMiic Publishing House, All riglils reserved.w.Gtiki.nat第7期晋欣桥，等:楼宇空调变水量冷媒水系统实时优化控制1 #由于初级和二级冷媒水回路之间旁通阀的调节无法满足对送风温度控制的要求因此，根据各捽別器© lChina Acasieiiik： Jouinial EieorMiic Publishing House, All riglils reserved.w.Gtiki.nat第7期晋欣桥，等:楼宇空调变水量冷媒水系统实时优化控制1 #© lChina Acasieiiik： Jouinial EieorM

15、iic Publishing House, All riglils reserved.w.Gtiki.nat第7期晋欣桥，等:楼宇空调变水量冷媒水系统实时优化控制1 #控制器冷朮机爼出力他 温曲j出术温度' 控制黙j - 二縄泵恒乐梓制盟© lChina Acasieiiik： Jouinial EieorMiic Publishing House, All riglils reserved.w.Gtiki.nat第7期晋欣桥，等:楼宇空调变水量冷媒水系统实时优化控制1 #© lChina Acasieiiik： Jouinial EieorMiic Publish

16、ing House, All riglils reserved.w.Gtiki.nat第7期晋欣桥，等:楼宇空调变水量冷媒水系统实时优化控制1 130图1变水量系统及其控制结构示意图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期晋欣桥，等:楼宇空调变水量冷媒水系统实时优化控制1 #© lChina Acasieiiik： Jouinial E

17、ieorMiic Publishing House, All riglils reserved.w.Gtiki.nat第7期晋欣桥，等:楼宇空调变水量冷媒水系统实时优化控制1 #© lChina Acasieiiik： Jouinial EieorMiic Publishing House, All riglils reserved.w.Gtiki.nat131上海交通大学学报第37卷11 ；水温度图3出水温度控制的优化逻辑图Fig. 3 Logic of op tim al contro l of chilled w atertemperatureSYS6开发的楼宇空调水系统动态仿

18、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（3个）冷却塔， 用户均为自动控制的AHU.考虑到计算速度以及TRN SYS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A HU分成AHU 1- A HU 4, 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4组A HU处理风量的变化情况如图 4所示，其 中第13组的工作时间是8: 00 20: 00,第4组全 天工作.AHU送风温度的设定均为14 °.夏季和202412 f i h)6两个试验日AHU的送风量变化情况Fig. 4 Supp ly air

19、 flow rates of A HU s in two test days2 2优化方案的试验及结果分析首先对冷水机组启停的实时优化控制方案在仿真器上进行试验.为防止频繁地启停机组，保证系统运行的稳定性，在优化控制程序中针对机组的 启停,一方面进行了启停间隔时间的约束；另一方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3,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.图2是控制参数2压差实时优化的逻辑图.考虑到实际的应用和 控制的稳定性，

20、在优化的逻辑中采用了两个PID运算器,通过将最大阀位 Vm ax控制在接近100% H lim , L lim 范围内，计算出优化的压差设定图2二级泵控制的优化逻辑图Fig. 2 Logic of optimal contro l of secondary pump1. 4冷水机组出水温度控制的优化冷水机组出水温度控制的调节方式依赖于主机 的机型：离心式调节入口导叶；螺杆式调节滑阀位 置;往复式采用多缸卸载或调节制冷剂旁通量（带变频器主机调节输入频率）：吸收式调节蒸汽量或燃 油、燃气量.无论何种调节方式，当出水温度设定得 较低时，主机的蒸发温度较低,因此COP较低,相同 负荷时主机的能耗较大；

21、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4,但是,过高的设定会使若干个甚至所有的A HU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.图3是控制参数2出水温度实时优化的逻辑图. 在优化的逻辑中，同样采用两个PID运算器，计算将vm ax控制在接近100% H lim, L lim 时设定的上升 或下降，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.图中的f和Ht分别代 表二

22、级泵的输入频率和出水温度设定；f min、max以及qm,min、Qn ,m ax分别是f和中2对求解 压t的约束；上 标工和2+ 1分别表示当前时刻和下一时刻2优化方案的验证2. 1试验条件优化控制方案的试验平台是作者基于TRN 2过渡季试验日的干球温度 （h球）、温球温度（j湿球）如图5 所示.歩94-20(19 f.'hina Acadenik Jounial Electronic Fubhshicig Housis, ALL reserved,w,第7期晋欣桥，等:楼宇空调变水量冷媒水系统实时优化控制1 132证了机组满足系统负荷的要求.为分析优化方案的节能效果，本文同时还试验

23、了固定启 停的方案，即在夏季试验日8: 0（7 20: 00运行4台机组；在过渡季试验日 8: 0（7 20: 00运行第7期晋欣桥，等:楼宇空调变水量冷媒水系统实时优化控制1 #%4 S 12162024fih20季 4夏側«lo2or3 1 1F 立、£<24fo r on off contro l chillers从图6初级回路的流量变化可以看出，优化控制方案在两个试验日里都可以合理地根据负荷的变 化调整机组的运行台数：在负荷减小时实时地减少 了运行的台数，使运行机组的负荷相对增加，从而提 高了主机的 COP，同时，也使旁通流量最大程度地 减小，从而因进水温度的

24、提高也提高了主机的 CO P；在负荷增加时实时地增加运行的台数，从而保图7二级泵控制实时优化方案的试验结果F ig 7 R esults of testing online op tim al strategy fo rcontro l of secondary pump（和过渡予图5两个试验日室外温度条件F ig 5 Conditi ons of outdoo r air temperature-v.HF i"野邈in two test days面对判据r给予5%的裕度.在试验中，冷水机组出 水温度控制器的设定为7 °二级泵恒压控制器的设定夏季为 400 kPa,过渡季为

25、250 kPa;旁通阀的 恒压控制器通过调节旁通阀的开度，将每台运行的机组冷媒水的流量控制在130 kg s左右试验结果如图6所示，其中qm3为旁通阀中流量。04&12 1G 2024/ / h（bj过孩季图6冷水机组启停控制实时优化方案的试验结果F ig 6 Results of testing online op tim al strategy3台机组.优化方案和固定方案的能耗对比情况如 表1所示.表1冷水机组启停控制优化的能耗对比Tab. 1 Comparison of energy consumption using optimal strategy for on off co

26、n trol of ch illers项目夏季试验日能耗Mw ? h）节能%过渡季试验节能%日能耗 固定 方案Mw ? h）优化方案固定 方案优化方案冷水机组27. 62426.8622. 7619 82618. 6785 79冷却塔1. 2711 2670. 311 0081. 012 -0 40泠却水泵4. 4374 2264. 763 7013. 3479 56冷媒水初级泵2. 6762 4966. 732 1401. 87612 34冷媒水二级泵3. 6023 611 -Q 251 6291. 6210 49总能耗39. 61038. 4622. 9028 30426. 5346 25

27、从表1中可以看出，采用了优化控制方案后，冷 水机组（不包括水泵）、冷却水泵和冷媒水初级泵的 能耗都有不同程度的节约，夏季和过渡季两个试验 日的总能耗分别节约了2 90%和6 25%.在采用了冷水机组启停控制优化方案的系统上,再分别对二级泵控制的实时优化方案和冷水机 组出水温度控制的实时优化方案进行仿真试验.试验二级泵实时优化控制方案时，维持7 °的出水温度设定，二级泵恒定控制器的设定在100 400 kPa调整试验出水温度实时优化控制方案，二级泵恒压 控制器分别维持400 kPa （夏季）和250 kPa （过渡季）的设定，出水温度的设定在7 10 °调整.两个优化方案的试

28、验结果分别如图7和8所示.(.'Ilina Acatlenik J<iunwl t-iecirGok PuHchicle lkxi松 All riirlus. reitrved500r1132上海交通大学学报第37卷04812162024Fig 8图8岀水温度控制实时优化方案的试验结果Results of testing online op tim al strategyr contro lof supp ly ch illed w ater temperature从图7的结果可以看出，优化控制方案在两个 试验日里都可以根据各 AHU负荷的变化实时地改变二级泵压差的设定，实际的压

29、差也能够随设定的 变化而变化,控制状况较为稳定.同时，在设定的可 调范围内，优化控制方案基本上能够将最大的阀位 控制在85%95%.同样，从图8的结果可以看出， 出水温度优化控制方案也可以根据负荷的变化实时 地改变出水温度的设定，在设定的可调范围内，基本 上能够将最大的阀位控制在85%95%.在两种优化控制方案下系统的能耗情况如表2所示.对比于恒定设定控制方案，在采用二级泵优化 控制方案的系统中，冷水机组、冷却塔、冷却水泵以 及冷媒水初级泵的能耗基本上没有变化,但二级泵-i| 寸I” 沪驭的能耗大大地减少了 ，两个试验日系统的总能耗分 别节约了 3 85%和3 90%;在采用出水温度优化控 制

30、方案的系统中，冷却塔、冷却水泵以及冷媒水初级 泵的能耗基本上没有变化,但冷水机组和二级泵的 能耗有一定幅度地减少了，两个试验日系统的总能耗分别节约了 2 53%和3 38%.© <.'hina Acadenik Jounial Eleciroiiic J'uthshicig Housis, AIL reserved,www,enki.nisc#上海交通大学学报第37卷表2二级泵控制优化和出水温度控制优化的能耗和节能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#上海交通大学学报第37卷© <.'hina Acadenik Jounial Eleciroiiic J'uthshicig Housis, AIL reserved,www,enki.nisc#上海交通大学学报第37卷项目能耗(M

32、W ? h)固定方案二级泵控制节能%出水温度控制能耗（MW ? h）节能夏季试验日冷水机组26. 86226 5351 2226 1642 60冷却塔1. 2671. 2600 541 265Q 14冷却水泵4. 2264. 1721 284 231-0 12冷媒水初级泵2 4962. 4561 602 500-0 16冷媒水二级泵3 6112. 55829 163 3287. 84总能耗38. 46236. 9813 8537 4882 53过渡季试验日冷水机组18.67818603040179284.02冷却塔1.0121.0001221009033冷却水泵33473.3240693348-003冷媒水初级泵1.8761.8590911878-011冷媒水二级泵1.6210.71455931474906总能耗26.53425.50039025637338© <.'hina Acadenik Jounial Eleciroiiic J'