1、1复合通风空调系统的运行优化摘要:近年来，MATLAB 以其强大的运算功能和良好的可操作性备受关注，其应用已渗透到许多学科。本文以复合通风空调系统为例，对该系统的运行方案进行了优化，优化时使用了单纯形优化法进行了优化计算。 新风直接供冷、蒸发冷却和夜间通风蓄冷这三种供冷方式属于节能、环保型供冷方式，复合通风空调系统就是将这三种供冷方式应用到常规空调系统中改造而成的，在确定复合通风空调系统高温期的运行方案时，冷水机组运行能耗是一个主要的指标，系统的运行方式不同，其能耗亦不同。因此，在评价各个系统方案时，其运行能耗比较应是在其优化运行时得到的数值。本章通过建立其能耗数学模型，对复合通风空调系统部分
2、供冷期的运行方案进行优化，得到系统在不同负荷率的情况下使得系统能耗最小的最优方案。并以此作为方案选择的重要依据。 关键词 复合通风空调系统 能耗 运行 优化 中图分类号：TM925.12 文献标识码：A 文章编号： 1 复合通风空调系统 本文中的复合通风空调系统由以下三部分组成： 1）常规全空气空调系统，风机采用变风量运行。称此系统中的风机2为 S1 风机。 2）间接蒸发冷却系统，自带冷却塔和水泵以提供冷却水，将冷却水送到办公楼每层空调机组中的间接蒸发表冷器，它与常规的全空气空调系统的表冷段串联在一起。对于本论文中的办公建筑，根据每层间接蒸发表冷器所需的循环水量，选用了五台与机组配套的冷却塔和
3、一个冷却水泵，置于办公楼的屋顶。当室内处于部分负荷时可以完全代替空调机组，当单独运行不能满足室内负荷要求时可以用作新风预冷。系统初步方案原理图如图 1。 3）新风系统，包括一个空气过滤器和一个送风机，置于空调机房内，通过吊顶送入室内，只对空气进行过滤而不进行热湿处理。称此风机为S2 风机，风机采用定风量运行。 图 1 复合通风空调系统原理图 Fig.2-8 The sketch of compound ventilation air-conditoning system 2 优化模型的建立 2.1 优化思想 最优化是人们在工程技术、科学研究、经济管理、交通运输和国防等诸多领域中经常遇到的问题，
4、它讨论决策问题的最佳选择之特性，构造寻求最佳解的计算方法，研究这些计算方法的理论性质及实际计算表现1。2。 最优化技术是从所有可能方案中选择最合理的一种以达到最优目标3的科学。这种技术是近二、三十年来随着电子计算机的普遍应用而发展起来的。人们能够对各类较大规模的优化问题利用计算机实施求解，使最优化方法成为工程设计、决策管理的一种实用工具3.4。 本文应用最优化技术是想针对供冷期中蒸发冷却、夜间通风蓄冷和新风直接供冷无法满足的时刻，给出这些时刻的最优运行方案，所谓最优，即能耗最小，因为最大限度的降低空调系统能耗是本论文的研究目的。故本文的优化目标为系统能耗。 本文针对哈尔滨工业大学硕士学位论文5
5、中整个办公楼的设计负荷值，在该论文中已经通过比较计算确定了供冷期部分时间段的运行方案，剩余时间段将在 K3 方案和 K4 方案5之间进行选择，也就是说在单纯冷水机组制冷和有间接蒸发冷却预冷的冷水机组制冷之间进行选择。人工冷源选择了三台冷水机组，那么在不同负荷率的情况下，采用哪种方案以及这两种方案中开启哪几台冷水机组能耗最小呢？这就是本文想通过优化计算得到的结果。 2.2 数学模型 在供冷期的剩余时间内，不管采用哪种方案，系统均采用 100%定风量（最小新风比）运行，故送风系统和排风系统部分的能耗为定值，即在能耗优化模型中这部分能耗是个常数。 对于冷水机组，本文选用螺杆式冷水机组作为空调系统的冷
6、源，其部分负荷性能参数6见表 1。根据设计负荷的大小，冷水机组的台数一般为 24 台，在此选择三台机组进行组合，机组的选择不考虑任何附加因素，即以设计负荷作为确定冷水机组型号的依据，其性能参数（参考4开利 23XL 型产品）列于表 1 中。 表 1 螺杆式冷水机组部分负荷性能参数 Table 4-1 perrormance parameters of part load of screw compressor refrigerating machine 表 2 冷水机组的选择 Table 4-2 selection of screw compressor refrigerating machi
7、ne 由于本文的目的是对复合通风空调系统和常规全空气空调系统的运行能耗进行对比分析，为简化计算，现做如下假设： 1）冷水机组负荷率可在 100%10%之间无级别调节； 2）忽略系统的热惰性，认为空调动态负荷即为冷水机组和间接蒸发冷却系统所承担的负荷； 3）空调负荷各子区间的功率百分比为该区间最大负荷率所对应的数值。 由于本文供冷期方案的选择是以整个办公楼能耗最小为目的，故以整个办公楼每小时的能耗为单目标函数建立其数学模型。 系统运行能耗的优化模型表达式如下： 5系统能耗=冷水机组运行能耗+间接蒸发冷却系统运行能耗+风系统运行能耗 =（冷水机组能耗+冷冻水泵能耗+冷却水泵能耗+冷却塔风机能耗）+
8、（间接蒸发冷却系统水泵能耗+5间接蒸发冷却系统冷却塔风机能耗）+（S1 送风机能耗+排风机能耗） 初步得出运行方案能耗优化目标函数式见公式（1） 。 式中、为整型变量，取 0 或 1。取 0 表示关闭，取 1 表示开启； 冷水机组每小时能耗（kWh） ； 与冷水机组配套的冷冻水泵每小时能耗（kWh） ； 与冷水机组配套的冷却水系统每小时能耗（kWh） ； 间接蒸发冷却系统冷却水泵每小时能耗（kWh） ； 间接蒸发冷却系统冷却塔风机每小时能耗（kWh） ； 办公楼风系统总能耗（kWh） ； 冷水机组的额定功率（kW） ； 功率百分数，即部分负荷时，冷水机组的输入功率占额定功率的百分数（%） ；
9、冷冻水泵的电功率（kW） ； 冷却水泵电功率（kW） ； 6间接蒸发冷却系统冷却水泵功率（kW） ； 间接蒸发冷却系统冷却塔风机功率（kW） ； 送风机 S1 的功率（kW） ； 排风机总功率（kW） 式中下标 i 表示第 i 台冷水机组及其配套的冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机的性能参数。冷水机组及其冷冻水和冷却水系统的各项能耗计算公式见文献5。 因为是负荷率的函数，将表 4-1 的螺杆冷水机组部分负荷性能参数绘制成曲线发现，该性能曲线近似于抛物线，故用二次回归曲线对此进行拟合，冷水机组性能回归曲线方程7见公式（2）： 式中第 i 台冷水机组在部分负荷时的制冷量（kW） ； 第 i 台冷水机组的额定制冷量（kW） ； 冷源的额定制冷量（kW） ； 第 i 台冷水机组的负荷率（%） ； 第 i 台冷水机组在部分负荷时的制冷量与冷源额定制冷量之比 根据上述分析，得到最终的能耗优化数学模型见公式（5） ，其约束条件见式子（6） 。 （5） （6） 式中供冷期办公楼标准层系统峰值负荷（kW） ； 7
