基于集中式空调系统能效整体性优化模型研究_施赟
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
N =N (d + d (G G ) + d (G G ) + d (G G
相当于开式系统中的提升高度。因此本文对冷冻水循
)（ ) ９ ）
式中： Ne 为冷冻水泵功耗， ｋＷ； Ne,nom 为冷冻水泵额定 ｍ３／ｈ； d０、 d１、 d２、 d３ 为拟合参数。 额定流量， 1.3 冷却塔模型
ｋＷ； Ge 为冷冻水泵流量， ｍ３／ｈ； Ge,nom 为冷冻水泵 功率，
） 求出该点的无因次效率 η１， 调速后工作点的无因 （６ 的 G２、 H２、 η２，结合水泵轴功率方程就可以求出该点处
次效率就等于该点处的无因次效率。然后根据该点处 的无因次功率。这样，就可以求出一系列不同转速下 采用最小二乘法原理， 拟合出不同转速下对应工作状 态点的水泵能耗与水流量的关系式：
N =N (c + c (G G ) + c (G G ) + c (G G
Á Á Â Ã Ä Å Â Æ Ç Â Ã Ä Å Æ Ç
第 ３１ 卷第 ５ 期
式中： ChillerCapFTemp 为制冷量系数； Te,out 为冷冻水出 拟合所得的系数。
℃； Tc,in 为冷却水进水温度， ℃； a， b， c， d， e， f为 水温度， ２ ） 温度-EIR 函数曲线
第 ３１ 卷第 ５ 期 ２０１２ 年 １０ 月 文章编号： １００３－０３４４ （２０１２ ） ０５－０１２－４
建 筑 热 能 通 风 空 调 Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ ＆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
Ｖｏｌ．３１ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ． ２０１２．１２￣１５
基于集中式空调系统能效整体性优化模型研究
施赟 刘东 张超
−
似认为是常数， 将式 （１４ ） 中的 u 解出代入式 （１３ ） 得：
b 式中：
式中： c１＝b１， c２＝b１／b２， c３＝e１， 这三个参数通过实验数据来 确定。 冷却塔的风机耗功模型与水泵类似， 其拟合关系
=P (g + g (m m ) + g (m m ) + g (m m
式如下：
P
H =a +a G+a G
式中： H、 G、 η 分别为无因次扬程、无因次流量和无因 次效率。 当水泵转速发生变化时， 可以通过相似关系式计
算得出水泵转速从 n１ 变化到 n２ 后的无因次性能曲线
Á Â Á Ã Ä Á Â Ã Ä Á Á Ã Ä Å Æ Ç Ã Ä Å Æ Ç Â Â Â Á Â Â Ã Á Á Â Á Ã Â Ä Å Á Ã Â Ä Ã Â Ä Ã Ä Á Â Ã Ä Å Æ Ç ÈÁ Á Â Ã Â Ä Å Á Ã Â Ä Ã Â Ä Ã Ä ÁÁ Â Ã Â Ã Ä Å Æ Ç
ＳＨＩ Ｙｕｎ， ＬＩＵ Ｄｏｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｃｈａｏ
Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Abst r act : Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｎ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌｓ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗａｓ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｒｉａｂｌｅｓ． Keywor ds: ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌｓ， ＥＥＲｓ， ｇｌｏｂａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍａｘｉｍｕｍ ＥＥＲｓ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｏｆ ｖａｒｉａｂｌｅｓ， ｔｈｅ
热量也可以通过总热阻来计算， 具体表达式为［９］：
·１４·
动。因此， 空气与水之间的传热可以看作是强迫对流。 假设水流断面的当量直径为 D， 则水侧热阻 Rw 与水流 量 mcw 通过下式计算：
） （１４ 式中： Rw 为水侧对流传热热阻， ℃／Ｗ； hw 为水侧对流表
２ ２
面传热系数， Ｗ/（ｍ· ℃）； Aw 为水侧对流传热面积， ｍ； Ｒｅ、 Ｐｒ 分 别 为 雷 诺 数 和 普 朗 特 数 ； λ 为导热系数， Ｗ/（ｍ · ℃）； u 为流体平均速度， ｍ／ｓ； μ 为流体的动力粘
（３ ）
H、 η、 N。最后根据求得的各组数据， 水泵工作点的 G、
)) （８ ）
1 (ChillerEIRFTemp)(ChillerEIRFPLR) （４ ） COP
式中： Nc 为冷却水泵功率， ｋＷ； Nc,nom 为冷却水泵额定 ｍ３／ｈ； c０、 c１、 c２、 c３ 为拟合参数。 额定流量，
Ｓｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｎ Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｏ ｆ Ｃｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ ｉ ｚｅ ｄ Ａ ｉ ｒ Ｃｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｓｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｇｌ ｏ ｂ ａ ｌ Ｏｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｅｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｅｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ
P
通过这三条曲线， 可以得到制冷机压缩机的耗功
=Q
式中： PChiller 为制冷主机压缩机耗功率， ｋＷ； Qavail 为制冷 ｋＷ； COPr 为 制 冷 主 机 的 额 定 机最大可用制冷量， COP。
1.2 空调水泵模型
由于水泵能耗在空调系统总能耗中占有相当的 比例， 水系统的节能显得尤为重要， 需要建立水泵的 能耗模型。
３
度， Ｐａ · ｓ； D 为水流断面当量直径， ｍ； ρ 为流体的密度， ｋｇ／ｍ ； mcw 为冷却水流量， ｋｇ／ｓ； C、 e１、 e２ 为待确定参数。 对于稳定流动， Aw、 ρ、 u 均视为常数； μ、 cpw、 λ 也近
C ⋅4 ⋅c ⋅λ 1 =m ( )A = b m π ⋅µ − ⋅D + R
部分负荷率-EIR 函数曲线确定了 EIR 随部分负 式：
荷率的函数变化情况。部分负荷率 EIR 函数曲线如下
C hillerE IR F P LR = a + b ( P L R ) + c ( P L R )
式中： ChillerEIRFPLR 为 EIR 部分负荷系数； PLR 为部 分负荷率， 即实际冷负荷与制冷机最大可用制冷量的 PLR＝Qe/Qavail； a， b， c 为拟合所得的参数。 比， 率为：
管路特性曲线求出调速后水泵的扬程（对于确定的管 定与转速为 n２ 等效率的转速为 n１ 时的工作点：
H G H = G H = b + b G + b G
路， H０ 和 S 均可计算得出） ；最后解下面的方程组， 确
)(T ) （２ ）
求出上述两条曲线的交点 （H１， G１ ） ，然后根据式
施赟等： 基于集中式空调系统能效整体性优化模型研究 ·１３·
方程为：
n n a = ( ) a ; a = ( )a ; a = a 式中： n n
H =a +a G +a G
（７ ）
。
Leabharlann Baidu
为了求出水泵调速后的轴功率， 需要求出调速后
水泵的效率。 首先将额定转速为 n１ 时无因次水泵性能
） 和式 （６ ） ； 然后根据 曲线和效率曲线分别拟合为式 （５
同济大学机械工程学院
摘
要： 本文对集中式空调系统的各部件进行了详细的能效特性分析， 并且建立了各部件的数学模型。提出了以
系统综合能效比最高为评价标准的目标函数， 根据能量守恒定律以及系统变量的控制区间， 得出了系统的约束条 使系统整体性优化问题得到简化。 件。最后通过合理选择系统的控制变量， 关键词： 集中式空调系统 数学模型 系统综合能效比 整体性优化
在空调系统优化研究中， 冷却塔模型普遍采用的
（５ ） （６ ）
是 Ｂｒａｕｎ ［８］于 １９８９ 年提出的基于部件的冷却塔模型， 该模型表达式非常复杂，最终可以简化为如下表达 式：
Q = f ((T − T ), ( m m ))
η =b +b G +b G
（１０ ）
根据热传递以及能量平衡理论， 通过冷却塔的散
［５］
温度-制冷量函数曲线确定了制冷主机最大制冷 温度-制冷量函数曲线如下式：
量与冷冻水出水温度和冷却水进水温度的函数关系 。
ChillerCapFTemp = a +b(T ) +c(T ) +d(T ) +e(T ) + f (T )(T )（１ ）
收稿日期： ２０１２－３－１１ 作者简介： 施赟 （１９８８～ ） ， 男， 硕士研究生； 上海四平路 １２３９ 号济阳楼 ４０８ 室 （２０００９２ ） ； ０２１－６５９８１３９０； Ｅ－ｍａｉｌ： ｓｈｉｙｕｎ＿ｕｐ＠１６３．ｃｏｍ
Pt,fan 为冷却塔风机功率， ｋＷ； Pt,fan,nom 为冷却塔风 式中： 气额定质量流量， ｍ３／ｈ； g０、 g１、 g２、 g３ 为拟合参数。 1.4 空调箱表冷器模型
机额定功率， ｋＷ； ma 为空气质量流量， ｍ３／ｈ； ma,nom 为空
采用二次函数的线性回归方程， 预测了冷却水系统的 能耗； Ｗａｎｇ 和 Ｊｉｎ ［４］基于预测整个系统环境响应及能 量特性，对变风量空调系统控制点进行了优化研究； 孟华等人 针对集中式空调水系统， 建立了系统层次 实时在线的优化控制预测模型。 本文分析了集中式空调系统各部件的能效特性， 它们包括： 制冷机组、 冷冻水泵、 冷却水泵、 冷却塔以及 空调箱表冷器等。从系统整体性优化的角度出发， 提 出了以系统综合能效比最高为评价标准的目标函数，
0
引言
人们为了提高空调系统的运行效率， 对空调系统
并且结合系统的约束条件， 确定了系统的控制变量， 最 终使优化问题得到简化。
进行各种优化研究， 但多数研究都是着重于提高各子 系统的效率。 Ｃｈｅｎ 和 Ｘｕ 基于耗散理论对冷冻水系统
［１］
1
空调耗能设备数学模型
进行了优化； Ｌｕ Ｌｕ 等人［２］针对集中式空调系统的冷却 水循环提出了基于模型的优化方法； Ａｈｎ 和 Ｍｉｔｃｈｅｌｌ
对于闭式水系统， 水泵等效率曲线与管路特性曲
线完全重合， 水泵的能耗模型相对比较简单 。但对于 如果要建立纯物理关系的能耗方程， 其推导过程较复 最小二乘的曲线拟合方法， 建立简单水泵能耗方程。 因次性能曲线方程［７］：
开式水系统，水泵的轴功率与流量不成三次方关系 。 杂， 不易求解。本文基于相关的物理特性关系式， 通过 选择二次函数作为拟合曲线， 建立拟合的水泵无
功率， ｋＷ； Gc 为冷却水泵流量， ｍ３／ｈ； Gc,nom 为冷却水泵
对于蒸发器侧， 水系统通常为闭式循环， 理论上水
泵功率与水流量可以按三次方关系式进行计算。但在
系统进行实际控制的过程中， 为了平衡用户侧和冷源
侧的流量及温差采用恒定干管压差旁通法， 此压差值 环也按照开式系统进行处理， 通过最小二乘法得出拟 合关系式：
温度-EIR 函数曲线确定了 EIR （输入功率与输出 与冷冻水出口温度和冷 冷量的比率， 是 ＣＯＰ 的倒数） 下式：
却水进口温度的函数变化关系。 温度 －EIR 函数曲线如
ChillerEIRFtemp = a + b(T ) + c(T ) + d(T ) + e(T ) + f (T
式中： ChillerEIRFtemp 为 EIR 系数； a， b， c， d， e， f 为拟 合所得的参数。 ３ ） 部分负荷率-EIR 函数曲线
［３］
1.1 空调制冷主机模型
冷水机组的数学模型采用性能曲线模型， 该模型 是基于建筑能耗模拟软件 Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｌｕｓ 里的压缩制冷 机建立的， 根据参考条件下用户提供的性能信息以及 关于制冷量和效率的三条性能曲线， 模拟制冷机在非 参考条件下的工作性能。三条性能曲线分别是［６］： １ ） 温度-制冷量函数曲线
相当于开式系统中的提升高度。因此本文对冷冻水循
)（ ) ９ ）
式中： Ne 为冷冻水泵功耗， ｋＷ； Ne,nom 为冷冻水泵额定 ｍ３／ｈ； d０、 d１、 d２、 d３ 为拟合参数。 额定流量， 1.3 冷却塔模型
ｋＷ； Ge 为冷冻水泵流量， ｍ３／ｈ； Ge,nom 为冷冻水泵 功率，
） 求出该点的无因次效率 η１， 调速后工作点的无因 （６ 的 G２、 H２、 η２，结合水泵轴功率方程就可以求出该点处
次效率就等于该点处的无因次效率。然后根据该点处 的无因次功率。这样，就可以求出一系列不同转速下 采用最小二乘法原理， 拟合出不同转速下对应工作状 态点的水泵能耗与水流量的关系式：
N =N (c + c (G G ) + c (G G ) + c (G G
Á Á Â Ã Ä Å Â Æ Ç Â Ã Ä Å Æ Ç
第 ３１ 卷第 ５ 期
式中： ChillerCapFTemp 为制冷量系数； Te,out 为冷冻水出 拟合所得的系数。
℃； Tc,in 为冷却水进水温度， ℃； a， b， c， d， e， f为 水温度， ２ ） 温度-EIR 函数曲线
第 ３１ 卷第 ５ 期 ２０１２ 年 １０ 月 文章编号： １００３－０３４４ （２０１２ ） ０５－０１２－４
建 筑 热 能 通 风 空 调 Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ ＆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
Ｖｏｌ．３１ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ． ２０１２．１２￣１５
基于集中式空调系统能效整体性优化模型研究
施赟 刘东 张超
−
似认为是常数， 将式 （１４ ） 中的 u 解出代入式 （１３ ） 得：
b 式中：
式中： c１＝b１， c２＝b１／b２， c３＝e１， 这三个参数通过实验数据来 确定。 冷却塔的风机耗功模型与水泵类似， 其拟合关系
=P (g + g (m m ) + g (m m ) + g (m m
式如下：
P
H =a +a G+a G
式中： H、 G、 η 分别为无因次扬程、无因次流量和无因 次效率。 当水泵转速发生变化时， 可以通过相似关系式计
算得出水泵转速从 n１ 变化到 n２ 后的无因次性能曲线
Á Â Á Ã Ä Á Â Ã Ä Á Á Ã Ä Å Æ Ç Ã Ä Å Æ Ç Â Â Â Á Â Â Ã Á Á Â Á Ã Â Ä Å Á Ã Â Ä Ã Â Ä Ã Ä Á Â Ã Ä Å Æ Ç ÈÁ Á Â Ã Â Ä Å Á Ã Â Ä Ã Â Ä Ã Ä ÁÁ Â Ã Â Ã Ä Å Æ Ç
ＳＨＩ Ｙｕｎ， ＬＩＵ Ｄｏｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｃｈａｏ
Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Abst r act : Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｎ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌｓ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗａｓ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｒｉａｂｌｅｓ． Keywor ds: ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌｓ， ＥＥＲｓ， ｇｌｏｂａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍａｘｉｍｕｍ ＥＥＲｓ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｏｆ ｖａｒｉａｂｌｅｓ， ｔｈｅ
热量也可以通过总热阻来计算， 具体表达式为［９］：
·１４·
动。因此， 空气与水之间的传热可以看作是强迫对流。 假设水流断面的当量直径为 D， 则水侧热阻 Rw 与水流 量 mcw 通过下式计算：
） （１４ 式中： Rw 为水侧对流传热热阻， ℃／Ｗ； hw 为水侧对流表
２ ２
面传热系数， Ｗ/（ｍ· ℃）； Aw 为水侧对流传热面积， ｍ； Ｒｅ、 Ｐｒ 分 别 为 雷 诺 数 和 普 朗 特 数 ； λ 为导热系数， Ｗ/（ｍ · ℃）； u 为流体平均速度， ｍ／ｓ； μ 为流体的动力粘
（３ ）
H、 η、 N。最后根据求得的各组数据， 水泵工作点的 G、
)) （８ ）
1 (ChillerEIRFTemp)(ChillerEIRFPLR) （４ ） COP
式中： Nc 为冷却水泵功率， ｋＷ； Nc,nom 为冷却水泵额定 ｍ３／ｈ； c０、 c１、 c２、 c３ 为拟合参数。 额定流量，
Ｓｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｎ Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｏ ｆ Ｃｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ ｉ ｚｅ ｄ Ａ ｉ ｒ Ｃｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｓｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｇｌ ｏ ｂ ａ ｌ Ｏｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｅｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｅｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ
P
通过这三条曲线， 可以得到制冷机压缩机的耗功
=Q
式中： PChiller 为制冷主机压缩机耗功率， ｋＷ； Qavail 为制冷 ｋＷ； COPr 为 制 冷 主 机 的 额 定 机最大可用制冷量， COP。
1.2 空调水泵模型
由于水泵能耗在空调系统总能耗中占有相当的 比例， 水系统的节能显得尤为重要， 需要建立水泵的 能耗模型。
３
度， Ｐａ · ｓ； D 为水流断面当量直径， ｍ； ρ 为流体的密度， ｋｇ／ｍ ； mcw 为冷却水流量， ｋｇ／ｓ； C、 e１、 e２ 为待确定参数。 对于稳定流动， Aw、 ρ、 u 均视为常数； μ、 cpw、 λ 也近
C ⋅4 ⋅c ⋅λ 1 =m ( )A = b m π ⋅µ − ⋅D + R
部分负荷率-EIR 函数曲线确定了 EIR 随部分负 式：
荷率的函数变化情况。部分负荷率 EIR 函数曲线如下
C hillerE IR F P LR = a + b ( P L R ) + c ( P L R )
式中： ChillerEIRFPLR 为 EIR 部分负荷系数； PLR 为部 分负荷率， 即实际冷负荷与制冷机最大可用制冷量的 PLR＝Qe/Qavail； a， b， c 为拟合所得的参数。 比， 率为：
管路特性曲线求出调速后水泵的扬程（对于确定的管 定与转速为 n２ 等效率的转速为 n１ 时的工作点：
H G H = G H = b + b G + b G
路， H０ 和 S 均可计算得出） ；最后解下面的方程组， 确
)(T ) （２ ）
求出上述两条曲线的交点 （H１， G１ ） ，然后根据式
施赟等： 基于集中式空调系统能效整体性优化模型研究 ·１３·
方程为：
n n a = ( ) a ; a = ( )a ; a = a 式中： n n
H =a +a G +a G
（７ ）
。
Leabharlann Baidu
为了求出水泵调速后的轴功率， 需要求出调速后
水泵的效率。 首先将额定转速为 n１ 时无因次水泵性能
） 和式 （６ ） ； 然后根据 曲线和效率曲线分别拟合为式 （５
同济大学机械工程学院
摘
要： 本文对集中式空调系统的各部件进行了详细的能效特性分析， 并且建立了各部件的数学模型。提出了以
系统综合能效比最高为评价标准的目标函数， 根据能量守恒定律以及系统变量的控制区间， 得出了系统的约束条 使系统整体性优化问题得到简化。 件。最后通过合理选择系统的控制变量， 关键词： 集中式空调系统 数学模型 系统综合能效比 整体性优化
在空调系统优化研究中， 冷却塔模型普遍采用的
（５ ） （６ ）
是 Ｂｒａｕｎ ［８］于 １９８９ 年提出的基于部件的冷却塔模型， 该模型表达式非常复杂，最终可以简化为如下表达 式：
Q = f ((T − T ), ( m m ))
η =b +b G +b G
（１０ ）
根据热传递以及能量平衡理论， 通过冷却塔的散
［５］
温度-制冷量函数曲线确定了制冷主机最大制冷 温度-制冷量函数曲线如下式：
量与冷冻水出水温度和冷却水进水温度的函数关系 。
ChillerCapFTemp = a +b(T ) +c(T ) +d(T ) +e(T ) + f (T )(T )（１ ）
收稿日期： ２０１２－３－１１ 作者简介： 施赟 （１９８８～ ） ， 男， 硕士研究生； 上海四平路 １２３９ 号济阳楼 ４０８ 室 （２０００９２ ） ； ０２１－６５９８１３９０； Ｅ－ｍａｉｌ： ｓｈｉｙｕｎ＿ｕｐ＠１６３．ｃｏｍ
Pt,fan 为冷却塔风机功率， ｋＷ； Pt,fan,nom 为冷却塔风 式中： 气额定质量流量， ｍ３／ｈ； g０、 g１、 g２、 g３ 为拟合参数。 1.4 空调箱表冷器模型
机额定功率， ｋＷ； ma 为空气质量流量， ｍ３／ｈ； ma,nom 为空
采用二次函数的线性回归方程， 预测了冷却水系统的 能耗； Ｗａｎｇ 和 Ｊｉｎ ［４］基于预测整个系统环境响应及能 量特性，对变风量空调系统控制点进行了优化研究； 孟华等人 针对集中式空调水系统， 建立了系统层次 实时在线的优化控制预测模型。 本文分析了集中式空调系统各部件的能效特性， 它们包括： 制冷机组、 冷冻水泵、 冷却水泵、 冷却塔以及 空调箱表冷器等。从系统整体性优化的角度出发， 提 出了以系统综合能效比最高为评价标准的目标函数，
0
引言
人们为了提高空调系统的运行效率， 对空调系统
并且结合系统的约束条件， 确定了系统的控制变量， 最 终使优化问题得到简化。
进行各种优化研究， 但多数研究都是着重于提高各子 系统的效率。 Ｃｈｅｎ 和 Ｘｕ 基于耗散理论对冷冻水系统
［１］
1
空调耗能设备数学模型
进行了优化； Ｌｕ Ｌｕ 等人［２］针对集中式空调系统的冷却 水循环提出了基于模型的优化方法； Ａｈｎ 和 Ｍｉｔｃｈｅｌｌ
对于闭式水系统， 水泵等效率曲线与管路特性曲
线完全重合， 水泵的能耗模型相对比较简单 。但对于 如果要建立纯物理关系的能耗方程， 其推导过程较复 最小二乘的曲线拟合方法， 建立简单水泵能耗方程。 因次性能曲线方程［７］：
开式水系统，水泵的轴功率与流量不成三次方关系 。 杂， 不易求解。本文基于相关的物理特性关系式， 通过 选择二次函数作为拟合曲线， 建立拟合的水泵无
功率， ｋＷ； Gc 为冷却水泵流量， ｍ３／ｈ； Gc,nom 为冷却水泵
对于蒸发器侧， 水系统通常为闭式循环， 理论上水
泵功率与水流量可以按三次方关系式进行计算。但在
系统进行实际控制的过程中， 为了平衡用户侧和冷源
侧的流量及温差采用恒定干管压差旁通法， 此压差值 环也按照开式系统进行处理， 通过最小二乘法得出拟 合关系式：
温度-EIR 函数曲线确定了 EIR （输入功率与输出 与冷冻水出口温度和冷 冷量的比率， 是 ＣＯＰ 的倒数） 下式：
却水进口温度的函数变化关系。 温度 －EIR 函数曲线如
ChillerEIRFtemp = a + b(T ) + c(T ) + d(T ) + e(T ) + f (T
式中： ChillerEIRFtemp 为 EIR 系数； a， b， c， d， e， f 为拟 合所得的参数。 ３ ） 部分负荷率-EIR 函数曲线
［３］
1.1 空调制冷主机模型
冷水机组的数学模型采用性能曲线模型， 该模型 是基于建筑能耗模拟软件 Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｌｕｓ 里的压缩制冷 机建立的， 根据参考条件下用户提供的性能信息以及 关于制冷量和效率的三条性能曲线， 模拟制冷机在非 参考条件下的工作性能。三条性能曲线分别是［６］： １ ） 温度-制冷量函数曲线