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

2、1文獻標識碼:a文章編: 16739639(2010)04.012905 大量的統計結果表明，智能建筑系統中，空調設備系統， 給排水系統,照明系統的能耗約占智能建筑運行能耗的2/3, 空調系統的運行能耗占這三個系統總能耗的2/3以上，約占 樓宇電耗的40%60%【jj.然而中央空調系統卻是智能建筑不 可缺少的一部分,從節能降耗的角度中央空調系統降能減耗 自然成為重點的研究對象.1 空調設備系統能耗分析11空調設備系統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系 統為例定量分析和研究其優化節能控制的實現方法其主要由以下幾部分組成：(1) 工作區(或居住區)通常是指空氣調節系

3、統所控制范圍的工作區域或生活區域，在此空間內，應保持所要求的室內空氣參數.(2) 空氣的輸送和分配部分.主要是指輸送和分配空氣的送，回風機,送風管，送,回風口等設備組成.(3) 空氣的處理部分.是指按照對空氣各種參數的要求， 對空氣進行過濾凈化，加熱，冷卻，加濕，減濕等處理的設備.(4) 空氣處理所需的輔助設備.這部分設備指的是為空調系統提供冷量和熱量的設備，如鍋爐房，冷凍站,冷水機組等.水冷式集屮控制空調系統的能量由熱源和冷源系統產生，經水形態傳遞給風系統，再由風系統將能量傳遞給被調 節房間，以達到所要求室內環境要求其能量傳遞過程可用 下圖1表示.圖1空調系統能量傳遞過程其總能耗可用下式表示

4、:的電能，包括送風機，回風機，新風風機，排風機所耗動力 xe二+e3(11)之和.其中:為冷熱源系統工作所消耗的電能，為能量輸送12房間冷負荷組成過程中用于水系統工作的泵所消耗的電能.為風機所消耗由空氣調節設計手冊可 知,空調冷負荷由三部分組成，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，副教授啟動化設計研究所副所長,現從事智能控 制與現場總線測控系統的研究與開發.劉增良(1959 一)，男，教授，主要從事電力系統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、統控制等研究.292010年第4期銅仁學院是房間的冷負荷，包括由室內外溫差引起建筑物維護結構 傳入室內熱量形成的冷負荷，太陽輻射傳入熱量形成的冷負 荷,人體散熱散濕形成的冷負荷，室內燈光照明散熱形成的 冷負荷，室內設備散熱散濕形成的冷負荷，二是室外新風負 荷，為冷卻室外新鮮空氣所消耗的冷負荷，三是系統冷負荷， 由空調設備升溫產生的冷負荷.但一般情況下，在分析空調 系統能耗時,對損失的冷負荷可忽略不計，其制冷負荷為房 間冷負荷與新風負荷之和空調設備運行目的是為房間提供 定的冷量，新風量和保證空氣質量.2.水冷式集屮控制空調系統白勺節能模型研究傳統的智能建筑中的空調設備是根據季節變化采用恒定 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 設備能量管理和控制，其環境適應性差，同時控制的效果無 論是熱舒適性述是空氣品質都比較差基于以上考慮，本文 擬建立一個優化的，動態在線的空調設備節能模型,以實現 對空調設備系統節能的智能控制.2.1 空調房間數學模型推導2.1.1.空調房間數學模型推導卜】 為處理方便，可將空調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;q為室內散熱量;i為恒溫 室維護結構的熱阻;m為室外空氣溫度;l為送風量;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、室內空氣溫度(回風溫度).在變風量方式下，送風溫度f固定,送風量三變化,(21)式變為：cl:lp(t 一 tn)+q0+(2-2)若分別以to,q加,too,lo表示t,qn,to,l在穩態吋的值，則(2.2)式變為：g，0(f fo)+g0+!:0(2.3)空調房間的動態過程可用下式表示：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:為空調房間的時間常數,k1為空調房

8、間調節通道的 放大系數,k2為空調房間擾動通道的放大系數,aqf為室 內外干擾量的變化換算成室內熱量的變化考慮純滯后影響, 在變風量方式下,空調房間調節通道和干擾通道的傳遞函數 可用圖2表示.k2.p ，一 tls+11a 后 l.erl$+ 1圖2變風量系統空調房間數學模型130臧大進，劉增良,曹云峰冰冷式集中控制空調系統節能研究則有同理可得,定風量方式下即送風量三固定,送風溫度改變，空調房間數學模型可用2.6式和圖3表示.attldat n+atn=lah2ag,atn圖3定風量系統空調房間數學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,k1 +lcpc

9、 q+to為恒溫房間的放大系數,t,二一為室內外干擾換算成*l£°c送風溫度的變化,分別為輸入，輸出量的 變化.2.12表冷器模型推導在忽略建筑物對表冷器熱容影響的前提下，空調的工況傳熱可用下式表示：qw:-tj(2.7)其中,qlw為表冷器外側的傳熱量,是表冷器迎風而風量 的函數，(為表冷器的進風溫度,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荷決定，可估測.2.14風機和水泵模型般而言，風機的轉速與送風量打成正比，即r/=o*n.而電機的功率p與轉速n的關系為p二,an,所

10、以可用下式：p=2r/(2.12)來表示風機功率與流量的關系當流量變化較小吋，可視為 常數.22空調系統在線優化控制目標函數空調設備優化控制的目標是在保證房間舒適的同時盡量 減少系統的能耗,而房間的舒適性可用熱舒適性和空氣品質 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.根據國際標準化組織的研究成果表明:增加新風量的 同時，提高送風溫度可使pmv值保持穩定.般規定co2摩 h=g?z(2.8)爾濃度在10-3以下的空氣品質可以認為是舒適的,co2摩爾 其屮的參數gv,z與表冷器的外側換熱系數，內側放濃度越小,空氣質量越好.由此 可得岀系統優化控制目標函熱系數，迎風面

11、風速，通過表冷器的水流速度等及表冷器的數為：結構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水側的傳熱為: tnpj(2.9)在上式中,0,c,分別是空調能耗p,熱舒適性p,其中，為表冷器外側的傳熱量，是表冷器迎風面風量空氣品質x的影響系數，其取 值的不同一般由建筑物的使用的函數,mi為表冷器的進口水溫度,trip為表冷器表面的平性質決定，不失一般性, 木研究統一將其取為1 以下主要討均溫度，可用下式表示:論空調能耗p,熱舒適性p,空氣品質三個主要參數.g?z內溫差言其中的參數gn,z與表冷器的結構及內側換熱系數,pmv值與人體舒適度的對比 關系.其中,pmv值

12、的計算內側放熱系數，迎風面風速，通過表冷器的水流速度等有關考慮了室內空氣速度 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荷不大的情況下，冷水機組的制冷6 2010年第4期銅仁學院著裝多少(/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炎熱',，本研究中為簡化運算的復雜度，主要考慮室內溫度和風量兩個影響因素，并設其影響系數分別為崩，假設mpm=0時的溫度和新風量分別為tm:o,rim:0,則有：mpm二崩(f 一 tm二0):0)(2.14)室內空氣品質評估模型】使用下

13、式：:tanhf 一 1(2.15)1cc.j 其中 表示室內c02濃度，為影響因子空調系統能耗 主要由兩部分組成，即制冷能耗和風機能耗,其中風機能耗 可由(2.12)式求得.由能量守恒定律和由熱力學模型知道，定大小的空調房間所需制冷量為：q=,【f1)(2.16)結合(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空調系統的總能耗為：p:+p2:+(2.18)lfp+y2exp系統優化控制口標函數為：ji5s,tg,l:+3.空調系統節能優化控制算法實現由于gaaa算法】在時間和效率上優于蟻群

14、算法19.-, 在求解效率上優于遺傳算法，故本文將其應用于空調系統節 能優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工具箱對空調系統的節能優化控制系統進行在線仿 真.相應的目標函數求解流程可用圖4表示.圖4 口標函數求解流程圖132n.l rr 黠臧大進，劉增良,曹云峰:水冷式集中控制空調系統節能研究4 .實驗及分析木實驗的主要研究目的是為比較在線優化控制的空調系 統能耗與目前廣泛使用的常規控制空調系統的能耗情況，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) 選擇環境條件

15、基本一致的兩個等面積空調房間，面積約60m,分別叫區域甲和區域乙,h區域甲使用在線優 化控制方法，區域乙使用常規控制方法，并設定送風溫度為 13°c,供水溫度為90c,新風量為0.8m/s,室內溫度保持25°c.(2) 在6月份選取15天需要開空調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天需要開空調的fi子作為本實驗 的第二組采樣點，并令區域甲/1二1.3,0:0.75,=0.75, 區域乙二=: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化控制.42實驗結果為直觀表示甲乙兩區域在

16、不同控制方式下和不同參數下的節能效果，現將實測數據分別用圖5和圖6表示.由圖可以看出，在其他條件相同的前提下，本研究的優化控制方法比傳統方法更節能，平均日節電636度,若全年 需開空調的天數為200,則面積為10,000m的空調房間約可 節電6.36200十lo000/60:21.2萬度.在環境條件和同，且都 采用在線優化控制方法的前提下，由于系數的不同,其能耗 也不同，經在線模擬可以得出丘1.16,1.38】,e0.61,0.81, gto.63,0.781,節能效果較好.5 結論本文在分析了智能建筑中能耗分布的基礎上，主要研究圖5甲優化控制與乙常規控制口用電量133了空調設備系統節能控制方

17、法建立了相應的空調系統節能 運行控制模型和空調系統在線優化控制目標函數，并通過仿 真實驗和實際測量表明:與傳統的空調運行控制方法相比， 本方案具有較好節能效果，且節能效果也與優化控制目標函 數的系數有關.參考文獻：1 魏新業.中國建筑產業地位和發展水平分析j.哈爾濱工業大學， 2004,36(1):124.128.2 顏全生.屮央空調節能系統的設計與實現j.電力系統及其自動化學 報,2003,(1):91.94,3 李冬輝.樓宇自控系統中節能控制的研究【j.低壓電器,2004,：1574 吳志明.建筑設備監控系統的設計fjl.計算機工程,2004,30(20): 195196.5 劉戰國等變頻

18、節能原理及其在空調系統中的應用【j1 建筑電氣,20085 :100.103.6 伊應德.空調水系統的模擬和節能調節研究【d】.湖南大學碩士學位 論文,2005年4月.7 蔡忠法等基于口適應神經網絡的諧波分析模型與算法【j1.電工技術 ,2008,(7):118-124.8 陳為勝，李俊民全局自適應神經網絡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測中的應用j】.計算 機測量與控制,2007,(6): 121.124.11 徐文嫁等用于連續函數優化的改進蟻群算法j.機械與電子,2008,:】13 20.圖6不同系數下優化控制日用電量2010年第4期銅仁學院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.中小學圖書情報世界,2004,(7)2 林英.與時俱進，推進圖書館工作發展創新j】中小學圖書情報世界2004,(7).howtoimprovelendingratioofschoollibrarybookzhenshi.