办公建筑中央空调系统节能运行优化研究

摘要

我国建筑用能占全国能源消费总量的27.5％，并将随着人民生活水平的提高逐步增加到30%以上，其中，公共建筑用能数量巨大且浪费严重。公共建筑的全年能耗中，供暖空调系统的能耗占40%-60%。自2015年10月1日起实施的《公共建筑节能设计标准》GB50189规定全年供暖、通风、空气调节和照明的总能耗约须在上一版（2005年版）基础上降低20%-23%。其中，供暖空调系统分担的节能率约为7%-10%，除去冷热源配置、设备制造水平的提升及设计达到节能要求外，必须辅以空调系统设备的合理运行才能实现。而实际工程中，合理运行策略的制定又是空调系统运行管理中的薄弱环节。伴随着越来越多的存量建筑，在保证一定舒适度的前提下，降低空调系统运行能耗的要求日益迫切。
　　本文对位于重庆市的一个小型的一级泵定流量空调系统进行了改造，将其改造为一级泵变流量空调系统实验平台。在夏季连续相似日对实验平台空调系统进行了不同运行策略下的测试，以研究不同运行策略对设备的运行情况、总耗电量、室内温湿度及人员舒适性的影响。通过实测数据发现，空调主机的节能降耗是空调系统优化运行的重点和核心；一定负荷下空调系统存在着对应的优化运行策略，可以达到降低系统耗电量的目的。在实验平台的基础上，利用TRNSYS仿真软件，构建了建筑物-空调系统仿真平台，利用主机稳定运行阶段的实验数据完成了模型的校验。此外，为给运行人员视天气状况制定运行策略提供参考，采用逐步多元回归方法，对模型建筑物的负荷与6个气象因素的相关性进行了分析，得出：干球温度、湿球温度及降水这三个因素在所分析的6个气象因素中对负荷影响最为显著，三个自变量共同解释了变异量的34.8%。
　　在建立基准模型及优化模型的基础上，针对一个选定的空调水系统，选择以下3个单一优化变量及其中两个变量或三个变量组成的多因素优化变量进行运行工况优化。即针对以下五种优化情况：①优化空调主机侧冷冻水出水温度(CHW)；②优化冷却水流量(CLR)；③优化空调主机侧冷冻水出、回水温度(CHW\CRW)；④优化空调主机侧冷冻水出水温度和冷却水流量(CHW\CLR)；⑤优化空调主机侧冷冻水出、回水温度和冷却水流量(CHW\CRW\CLR)，在定义全天预计不满意者百分数之和（DPPD）的约束条件下，以分析日空调系统总耗电量为目标，分别采用虎克-捷夫算法（Hooke-Jeeves algorithm）、带惯性权重的粒子群算法（Particle Swarm Optimizationwith Ineria Weightalgorithm）或视上述两种优化算法的优化结果再辅以两种算法的混合优化算法进行优化，并引用福利经济学领域的“卡尔多-希克斯改进”准则对优化后空调系统耗电量降低的现象进行了经济学角度的解释。上述五种情况的优化结果表明：
　　从分析日空调系统总能耗的角度，五种优化方案中，对冷冻水出水温度(CHW)和冷却水流量(CLR)的二因素协同优化相对于基准能耗节能14%，是五种方案中节能效果最好的一种；其次为三因素(CHW\CRW\CLR)协同优化，得出的优化结果相对于基准能耗节能13.9%；而针对单一变量冷却水流量(CLR)的优化结果次之，节能效果为9.4%；再次为对冷冻水出(CHW)、回水温度(CRW)的优化方案，采用混合优化算法得出的结果相对于基准能耗节能8.8%；五种情况的优化结果汇总中，节能效果最差的是针对单一优化变量冷冻水出水温度(CHW)的优化方案，但也已比基准能耗节约了5.3%的耗能量。从优化变量的角度，针对分析日负荷工况，冷冻水出水温度设置的优化结果为10℃，冷却水流量设置的优化结果在冷却水流量的下限值处取得，即100m3/h，冷冻水回水温度设置的优化结果为12℃。从优化算法的角度，由于虎克-捷夫算法精于局部寻优，而粒子群算法强于全局搜索，当两种单一优化算法的结果差别稍大时，采用混合优化算法比单一优化算法得出的总耗电量结果更低，说明混合优化更具备完备性与精细性。
　　依据上述五种运行策略的节能效果并结合实际运行中参数的可调性，制定出了分析日运行策略选择流程图。这一分析方法为其它负荷工况或类似工程中优化运行策略的制定提供了参考。
　　以上优化结果说明，在空调系统的运行中，要对设备的耗电量进行得失轻重的权衡分析以达到系统总耗电量最低的目的。通过优化变量设置值，在不改变现有空调系统设备配置的情况下，是实现以低成本方法降低空调系统运行能耗的有效手段。
　　另外，针对新风负荷占空调系统总负荷比重大的情况，使用空气-空气能量回收装置已成为降低新风负荷的主要手段。然而，在实际运行中，空气-空气能量回收装置的回收量与多种因素相关，如：室内、外空气状态参数、新排风量等。由于空气-空气能量回收装置的回收量一直处于动态过程，而装置本身又是一个耗能部件，因此有必要对空气-空气能量回收装置的运行进行优化。论文通过构建TRNSYS仿真模型，对空气-空气能量回收装置的动态能量回收量进行了分析。根据回收能量的大小，提出了空气-空气能量回收装置优化运行工况区的概念。针对模型结果得出：若空气-空气能量回收装置若仅在所定义的工况区III区和IV区运行，相比于全工况运行，回收装置的节能量增加65.23%且装置的运行时间减少31.18%。因此，应根据当地的气象情况、空调系统及空气-空气回收装置自身情况，制定合理的空气-空气能量回收装置的运行策略，并通过控制手段的使用达到节能量最大化的目的。

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1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 行业规范及政策对运行节能的规定

1.3 办公建筑空调系统能耗及空调系统运行现状

1.4 空调系统节能运行及国内外研究综述

1.5 空气-空气能量热回收技术研究综述

1.6 研究内容及技术路线

2 空调系统实验平台改造及测试

2.1 实验平台现状诊断及改造方案

2.2 空调系统参数

2.3 实验方案设计及实验测试方法

2.4 实验结果分析

2.5 本章小结

3 实验平台理论模型的建立及校验

3.1 建筑物及系统模型

3.2 校验模拟的方法

3.3 模拟结果与实验结果对比及校验

3.4 气象数据与负荷的逐步多元回归分析

3.5 本章小结

4 优化策略的制订及系统模型的建立

4.1 系统模型优化变量-冷冻水出水温度

4.2 变冷冻水出水温度与变流量的可行性与耦合性

4.3 变冷却水流量对系统运行的影响

4.4 用于系统优化分析仿真模型的建立

4.5 智能优化算法及优化系统介绍

4.6 本章小结

5 优化结果分析

5.1 基准模型与优化模型

5.2 冷冻水出水温度（CHW）优化分析

5.3 冷却水流量(CLR)优化分析

5.4 冷冻水出(CHW)/回水温度(CRW)优化

5.5 冷冻水出水温度(CHW)与冷却水流量(CLR)协同优化

5.6 三因素优化变量分析：CHW/CLR/CRW

5.7 优化结果汇总

5.8 本章小结

6 空气-空气能量回收装置的优化运行

6.1 模拟建筑及模型验证

6.2 气象条件

6.3 空气-空气能量回收模型及模型验证

6.4 分析方法

6.5 计算结果分析

6.6 本章小结

7 结论与展望

7.1 本文的主要结论

7.2 本文的主要创新点

7.3 研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文与专利

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目及参编图书

C. 优化算法分类与对比