中央空调系统制冷机组节能优化

中央空调系统制冷机组节能优化

姜颖

山东格瑞德集团有限公司  山东省德州市  253000

摘要：近年来，我国的建筑工程建设有了很大进展，在建筑工程中，中央空调的应用十分广泛。中央空调制冷组是现代建筑中常用的空调设备之一，能够通过制冷循环降低室内温度，为人们创造一个舒适的生活和工作环境。中央空调是一种高效、节能的空调系统，可以为整个建筑提供冷热空气，使室内环境更加舒适。中央空调的使用已经成为现代建筑的标配，它不仅可以提高居住或工作环境的舒适度，还可以提高建筑物的能源利用效率，降低空调运行成本，减少对环境的污染，是一种环保、健康的空调方式。然而，由于使用时间长或者维护不当等原因，中央空调制冷组也会出现故障。文章就中央空调系统制冷机组节能优化措施进行研究，以供参考。

关键词：中央空调系统;能耗分析;节能优化

引言

随着经济的发展，人们对工作生活环境的舒适度提出了更高的要求。当前，中央空调已大规模应用于大型办公楼宇，中央空调的能耗在大型办公楼宇等大型建筑总能耗中占比可达50%，中央空调冷源系统为主要的能耗设备。中央空调冷水机组运行参数随负荷环境的变化而变化，随着时间累计，运行时产生大量的运行数据。因此，充分挖掘隐藏在数据之中的能耗关系，建立高效的能效优化模型，对中央空调冷水机组运行参数进行优化调节，具有较高的节能价值。

1中央空调系统运行工况概述

中央空调制冷系统主要由制冷压缩机系统、冷却水循环系统、冻水循环系统和风机盘管组成。该系统采用液体汽化制冷的原理集中处理冷媒为用户提供所需冷量，用以抵消室内环境热负荷以达到舒适要求。本文所研究的对象是风机盘管，其室温控制是一个反馈温控系统，该系统由室温控制器和风机盘管组成，室温控制器通过控制风机电源来启停风机，实现对室内空气的间歇式换热。

2中央空调系统制冷机组节能优化

2.1冷水机组能耗模型

影响冷水机组工作性能的各种因素可以划分内部因素和外部因素两种类型，其中内部因素主要包括冷水机组的类型、压缩机性能、制造水平、制冷剂类型等，但因为在实际工程中上述影响因素早已确定，并且不会被轻易改变，所以本研究中不再考虑内部因素，仅考虑包括冷冻水、冷却水的温度等因素，以及影响机组负荷的天气条件和建筑的负荷特性等外部因素的变化。

2.2空调系统开源节流

理解管路特性的内生因素后，空调系统各设计环节的节能设计就可以更加有的放矢。在“双碳”目标下，空调系统设计中，除对冷却塔与水处理采取了保障冷机高效运行的开源设计措施外，其余均为节流设计措施，从而实现“开源节流”。

2.3模糊PID控制器设计

在实际工作中，系统的动态特性随时可能发生变化，或受周围环境、人员操作错误等因素的影响，而出现一些扰动，导致传统PID控制器无法发挥出最佳效果。为了解决该问题，模糊控制逻辑被引入PID控制器中，形成了模糊PID控制器。该控制器可以仿照工人实际工作习惯，利用模糊规则处理不确定性以及模糊性系统，精确地控制非线性系统。

2.4改进粒子群优化算法原理

为了提高传统粒子群算法的性能，改进粒子群优化算法(IMPSO)在传统粒子群算法的基础上引入不同的改进策略和优化措施。在本研究中，通过非线性递减的惯性加权值和自然选择等方法对粒子群算法进行改进。首先为保证在粒子群算法迭代过程中局部搜索能力和全局搜索能力能够相互平衡，通过调整权重控制因子，使粒子最大速度和惯性权值能够非线性递减，且与最小速度和惯性权值保持合理的比例关系;其次，为了能够使种群在迭代过程中保持足够的多样性，将二阶震荡策略引入算法的粒子速度更新过程中;最后通过自然选择机制对粒子进行筛选和替换，从而提高算法的优化精度和适用性。在PSO算法中，由于粒子受到自身运动速度的影响会进行惯性运动。其中惯性权值ω用于衡量粒子本次迭代速度受上次迭代速度的影响程度，表现出对粒子当前运动速度的信任度。

2.5环路水力与系统阻力的内在联系

经以上对环路水力特性与系统阻力特性的分析，可知在理想的水系统中，环路平衡只是系统低阻的必要条件，而非充分条件；Sj、Sg、Q2是环路平衡和系统低阻的核心要素；系统既要阻力小，又要水力平衡性好，还要水力可调性高，且系统合理。需做到以下系统综合设计。1）系统低阻性由高效机房Sj、环路干管Sg及大温差小流量Q的设计来保证。2）在系统低阻性的基础上，系统平衡性主要由科学合理划分环路系统和同程设计来保证。3）水力可调性主要由Sm的设计来保证。4）系统合理性主要由n、x、m的最优化设计来保证。

2.6节能改造咨询运行策略

改造咨询过程中，发现各项目物业运营方在中央空调的节能管理和运行策略上都有自己的理解和相应的措施。需说明的是，他们的运行策略往往是优先满足各个空调末端用户的舒适性需求，从而避免引起投诉，其次满足管理上便利的需要，特别是对于经常有加班、夜班或 24 h 运行的项目，最后的选项才是节能。文献[9]指出“设计冷负荷几乎百分百高于实际需求，而且往往高出的程度不低，导致冷源设备容量配置普遍过大，造成运行中大量的冷机处于闲置状态以及匹配不合理的问题。”因此，对于空调负荷远小于冷机负载下限的情况，建议可充分利用冷水系统余冷，且当最小容量水泵变频至35 Hz 仍有较大过剩流量时，可增设 1 台更小的变频水泵全覆盖极低负荷，以上运行策略在过渡季节尤其适用。对于科学合理的节能运行策略，从建筑全寿命周期视角考虑，设计、施工、运维各个阶段均责无旁贷，任一方的缺失，都会导致节能失效。

2.7中央空调系统优化结果分析

针对上述目标函数和约束条件，分别利用粒子群优化算法和改进粒子群优化算法对中央空调系统的最佳工作点进行优化，中央空调系统的优化是根据实时的冷负荷及室外湿球温度作为输入参数，模拟一系列运行参数组合对应的系统的运行总能耗，并找出使其能耗最小的运行参数设定值。相比于粒子群算法，利用改进粒子群算法迭代速度更快，优化效果更好，在相同负荷下寻找中央空调系统最佳工作点时，IMPSO算法的粒子的迭代次数优于PSO，IMPSO达到最优解时粒子迭代次数相对更少，且最优解更小。实线表示中央空调系统的原始能耗，方点线表示用PSO算法优化后的能耗，长划线表示用IMPSO算法优化后的能耗。粒子群算法和改进粒子群算法均对空调系统的能耗起到了优化作用。并且IMPSO算法能够以更快的速度搜索到全局最优解同时又能保持较高的搜索精度，IMPSO算法优化效果明显优于PSO算法。采用粒子群算法优化后中央空调系统平均节能5%左右，采用改进粒子群算法优化后能耗可以降低10%左右。

结语

总而言之，通过对中央空调系统分户计费模式的研究，可以获得以下结论：空调风机盘管供冷量与耗电量之间存在非线性关系，其能电比主要与风机运行功率、 进风口温度有关；所提方法可实现空调用户使用冷量的精准计费，有效促使用户主动节能，降低空调运行费用，实现系统的主动、被动节能和业主与物业共赢，对国家节能减排任务的推广具有现实意义。

参考文献

［1］胡蓝青，晋欣桥，杜志敏．基于运行数据的冷水机组系统建模及优化控制［J］．制冷技术，2022，42(03):13-20．

［2］邢杉硕，张吉礼，于昊．空调冷水系统最小能耗粒子群组合优化方法研究［J］．暖通空调，2021，51(01):108-113+22．

［3］易检长，任中俊，黄鹤，等．基于运行数据的大型空调冷站优化控制研究与应用［J］．建筑节能(中英文)，2022，50(02):23-27．