变水量空调系统优化控制策略的能耗评估与分析

摘要：由于受气象条件等因素变化的影响，在实际运行过程中，空调系统的负荷大多小于其设计负荷。为达到节能和优化系统控制的目的，对三个实时优化控制策略进行能耗评估与分析：实时控制优化冷媒水供水温度；实时控制优化二级泵供水压力；以及供水压力和供水温度串级优化控制。同常规的控制策略相比，这三个优化控制策略都能具有一定的节能效果，而且能够改善系统局部的控制特性，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。

0 引言
在空调系统的实际运行过程中，由于受气象条件等因素变化的影响，在多数的运行时间里空调负荷远小于其设计负荷[1] 。特别是对于采用变水量(Variable Water Volume，VWV)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的特点，依赖经验的控制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。
因此，根据空调负荷的变化情况，针对变流量系统监测点和可调参数较多的特点，在部分负荷时段调整制冷系统的某些运行参数，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。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。
1 研究对象
图1所示是典型的VWV系统的结构示意图。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AHU的要求；初级和二级冷媒水供水回路之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。

2 试验条件
优化控制策略的试验平台是基于TRNSYS[2] 开发的楼宇空调水系统动态仿真软件[3] 。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，用户均为自动控制的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：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。图（2）中的（a）是试验日的室外温度变化情况，（b）是各个AHU的送风量变化情况。

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。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[4] 。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 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。
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[5] 。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[6] 。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[4] 。
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[5] ，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