270 一种小型过冷式冰蓄冷空调系统的近优化控制方法

1、一种小型过冷式冰蓄冷系统的近优化控制方法华中科技大学 舒朝晖 林建泉 谢军龙 陈焕新摘 要：本文提出了一种基于逻辑判断的小型过冷式冰蓄冷空调系统的优化运行控制方法逐步逻辑判断优化法，并通过实例对比分析了该优化法与主机优先法下的日运行费用，结果表明该优化法优于主机优先法，能够达到简单有效地实现优化运行目的，对实际工程应用具有参考意义。关键词：过冷式 小型冰蓄冷 逻辑判断 优化控制1 引言冰蓄冷系统具有“移峰填谷”的作用，能够有效缓解夏季空调用电紧张的局面，具有良好的节能和环保效应，能产生巨大的社会效益和经济效益。采用有效的控制方法，充分利用峰谷电价差使得系统运行费用最低，已成为国内外冰蓄冷系统设

2、计人员、研究人员和广大用户最关心的问题之一。目前，国内外许多学者建立了不同的冰蓄冷系统控制数学模型，提出了各自的优化控制策略15。但这些运行控制策略大多是针对大型常规冰蓄冷空调系统的，对于采用蓄冰槽作为制冷循环过冷器的小型过冷式冰蓄冷空调系统的优化控制策略研究目前尚未见报道，鉴于采用优化控制理论建立数学模型实现优化的方法比较复杂，而且在实际工程应用中难于实现，本文提出一种新型简单有效的优化方法逐步逻辑判断优化法，为实际工程中的优化控制提供参考。2 逐步逻辑判断优化法在运行优化控制研究中，目前采用最多的就是利用传统的优化控制理论即建立一个数学模型来描述系统，然后确定目标函数和约束条件，并对建立的

3、非线性方程组进行求解。然而对于多变复杂的小型过冷式冰蓄冷空调系统，采用这种方法去实现优化控制在实际的工程应用中还是存在一定的局限和困难。因此本文提出一种实用简单有效的运行优化控制策略，为了方便描述，在此将这种优化控制策略的方法称之为“逐步逻辑判断优化法”。逐步逻辑判断优化法的基本思路是将多目标和多约束条件通过逻辑判断逐步满足化，即在不考虑其他目标或约束条件的情况下通过逻辑判断先满足其中一个目标或约束条件，然后以此目标或约束条件为已知量，通过以上方式再逐步满足其他目标或约束条件直到最后全部满足。在小型过冷式冰蓄冷空调系统中应用逐步逻辑判断优化法的实质就是通过若干步骤的逻辑判断实现负荷的优化分配。

4、通过以上对逐步逻辑判断优化法基本思路的描述，我们不难发现在小型过冷式冰蓄冷空调系统采用逐步逻辑判断优化法，则需要解决以下几个问题：确定逐时负荷分布和电价结构，确定系统优化控制策略的目标和约束条件。3 逐步逻辑判断优化法的实施3.1 假设条件为了便于分析逐步逻辑判断优化法在小型过冷式冰蓄冷空调系统优化控制策略中的应用，对系统进行了如下假设：1）电价结构为三段制；2）制冷主机在蓄冰、空调供冷模式下的最大制冷量恒定；3）空调供冷期间内，融冰释冷供冷模式与同等条件下的常规空调供冷模式下的蒸发温度和冷凝温度近似认为不变；4）最大融冰速率仅与蓄冰槽内的剩余冰量有关；5）蓄冰槽的冷量损失忽略不计。3.2 优

5、化控制目标、约束条件及数学描述（1）优化控制目标对于小型过冷式冰蓄冷空调系统而言，主要控制目标有：）系统日运行费用最低；）满足空调负荷需求；）在一个工作周期内，尽量耗尽蓄冰槽内冷量，同时防止融冰不足，造成残存余冰，导致下次充冷循环的效率降低。其中，）是优化控制的前提，是必须满足的；）是冰蓄冷系统优化控制的主要目的，应优先考虑；）是评价冰蓄冷系统优化控制策略优劣的附加评价指标，应在充分考虑控制目标）和）的基础上尽可能给予优化。（2）约束条件小型过冷式冰蓄冷空调系统的约束条件主要包括：制冷机组在各运行模式下的最大出力约束；蓄冰槽的最大蓄冷量约束；蓄冰槽的最大融冰速率约束。冰蓄冷空调系统的优化控制实

6、际上就是在满足上述约束条件的基础上，尽可能地达到控制目标。（3）数学描述设用户k时刻的负荷为,其中制冷主机负担，蓄冰槽负担，制冷主机出力的运行费用为，蓄冰槽出力为的运行费用为，制冷部分风机类在时段运行费用为，则全天的运行费用为： （1）约束条件如下： ； ； （2）其中，为蓄冷率，一般取5%25%6；为制冷主机k时刻的最大制冷能力,kW；为蓄冰槽k时刻的最大融冰供冷能力，kW；为时段制冷部分风机类的耗电量，kWh；为时段电价，元/kWh；为k时刻的冷负荷,kW。3.3 具体实施方法（1）采用时间序列法或BP神经网络法建立负荷预测模型对次日24小时进行负荷预测；（2）检验控制目标）（即是否满足空

7、调负荷需求）：判断全天所有小时需求累加负荷是否小于小型过冷式冰蓄冷空调系统在整个供冷期间所能提供的最大供冷量，如不能满足,则对预测结果进行修正,即将大于制冷机组所能提供的最大逐时供冷量的那些时段的预测值用制冷机组所能提供的最大逐时供冷量代替后再重新判断，若再无法满足，则将其余的所有预测值乘上一个修正系数（01），然后再对此进行重新判断直至满足；如果满足，则判断全天峰值逐时负荷值是否小于制冷机组所能提供的最大逐时供冷量，如满足进入下一步，如不能满足则将制冷机组所能提供的最大逐时供冷量取代该预测值；（3）在不考虑约束条件（即蓄冰槽最大蓄冷量约束）的前提下，以控制目标）为优化对象对供冷期间内的负荷进

8、行逐时分配,此处主要是结合电价结构和逐时负荷分布情况进行分段分析：在低价电费段，以制冷主机常规制冷运行模式来满足冷负荷要求；在平价电费期，如果逐时负荷高于制冷主机常规制冷运行时的最大额定制冷量，则必须采用融冰大过冷度供冷方式来满足冷负荷要求，其余时段则采用常规制冷运行模式来满足冷负荷要求；在高价电费期，以融冰大过冷度供冷方式来满足冷负荷要求。其中，在融冰大过冷度供冷模式下冷负荷的分配原则是以最大融冰速率来进行确定制冷主机与蓄冰槽各自承担的份额。（4）检验约束条件（即蓄冰槽最大蓄冷量约束）：通过以上的逻辑及计算可获得供冷期间内蓄冰槽的逐时释冷量，然后判断供冷期间内蓄冰槽所有小时的释冷量累积值是否

9、小于蓄冰槽的最大蓄冷量，如满足转下一步进行调整，如不能满足，则应对先前的负荷分配情况进行重新调整，具体方式如下：排除负荷高峰期时段必须通过融冰大过冷度运行模式供冷外，其余时段的蓄冰槽逐时释冷量则可能因蓄冰槽的蓄冷量不足而需要重新被分配，按差值（计算所得的所有小时的释冷量累积值与蓄冰槽所能提供的最大融冰量之差）分别与这些时段的蓄冰槽逐时释冷量进行比较，如某一小时（）的蓄冰槽逐时释冷量与在很小的误差内接近相等，则将该时段采用的融冰大过冷度运行模式调整为常规制冷运行模式来满足冷负荷要求，若此条件还未能满足，则采用任何两个小时的蓄冰槽逐时释冷量之和再与进行比较，如在很小的误差内接近相等，则将这两个小时

10、的运行模式从融冰大过冷度运行模式调整为常规制冷运行模式，如不能满足，继续取任何三个小时的蓄冰槽逐时释冷量之和与进行比较，以此类推，直至满足。（5）检验控制目标）（即在一个工作周期内，尽量耗尽蓄冰槽内冷量，同时防止融冰不足，造成残存余冰，导致下次充冷循环的效率降低）：通过（4）检验约束条件这一步骤已可判定调整后的蓄冰槽所有小时的释冷量累积值满足小于蓄冰槽的最大蓄冷量的要求了，如何才能尽可能地实现或接近实现控制目标），则可通过以下方式进行：求出蓄冰槽剩余的未被分配的蓄冷量的值，由于前面的高价电费段都已以融冰大过冷度供冷运行模式运行，故只能将多余的蓄冷量分配到其他平价电费时段，具体的分配顺序按从负荷

11、的高到低方式进行，直至将所有的蓄冷量全部用完为止。3.4 求解流程图图1 逐步逻辑判断优化法求解流程图逐步逻辑判断优化法的求解流程如图1所示。4 实例求解为了简单起见以便于研究逐步逻辑判断优化法的应用，以湖北地区某市的120m2小型商场的典型设计日逐时负荷代替负荷预测值，具体数据见表1，电价结构为三段制，具体电价7见表2。根据冰蓄冷系统的设备选型原则8及结合小型过冷式冰蓄冷空调系统的自身工作特性9，选择的系统设备参数如下：（1）1台双工况风冷涡旋式制冷主机：常规空调工况下，主机满载制冷量为35kW，COP为3.0；蓄冰工况下，主机满载制冷量为20kW，COP为2.1；融冰大过冷工况下，主机最大

12、出力为45kW，COP为3.7。（2）蓄冰槽采用内融式U型冰盘管，其标称容量为65kWh。表1 设计日逐时负荷（kW）时刻01234567891011负荷0000000014.917.529.631.5时刻121314151617181920212223负荷39.943.842.937.831.527.226.728.530.226.700表2 湖北地区电价（元/kWh）时段电价高峰08：00-12：00，19：00-22：001.2221平峰12：00- 19：00，22：00- 24：000.7046低谷00：00- 08：000.3638图2 100%设计日负荷下的控制策略图3 80%设

13、计日负荷下的控制策略图4 60%设计日负荷下的控制策略由图2、图3和图4可以看出，当蓄冰槽的总蓄冰量不足以使得所有供冷期间内均采用融冰大过冷度供冷模式运行时，则高负荷段和高价电费段优先采用。随着需求冷负荷的降低，蓄冰槽的总蓄冰量除了使得高负荷段和高价电费段采用融冰大过冷度供冷模式运行外，也使得一部分的平价电费期也采用此运行模式，但该阶段的优先顺序则是按负荷的大小进行排序。如果需求冷负荷的进一步降低，使得蓄冰槽的总蓄冰量足以使所有供冷期间内均采用融冰大过冷度供冷模式运行，此时则不必将蓄冰槽蓄满，只需蓄足所需的蓄冰量即可，避免在供冷循环结束时还存在残余冰量而导致下次充冷循环的效率降低。由此，我们可

14、以发现采用该优化法不仅可以避免采用主机优先控制策略下未能充分地利用蓄冰槽内的蓄冷量的不足，同时也可以克服采用蓄冰槽优先控制策略下可能出现在负荷高峰区蓄冰量不足的缺陷。图5 三种负荷条件下不同控制策略的日运行费用由图5和表3可以看出，若以常规空调的日运行费用为基准，100%设计日负荷条件下，主机优先可节省4.04%，逐步逻辑判断优化法可节省5.67%；80%设计日负荷条件下，主机优先可节省3.91%，逐步逻辑判断优化法可节省8.93%；60%设计日负荷条件下，主机优先可节省4.93%，逐步逻辑判断优化法可节省9.25%。5 结论1）采用逐步逻辑判断优化法和主机优先法均能节省运行费用，在设计日情况

15、下，节省空间相对都较小，随着偏离设计日程度的加大，节省空间也随之增大。2）采用逐步逻辑判断优化法比主机优先法更能节省运行费用，在设计日情况下，逐步逻辑判断优化法与主机优先法的运行费用差别不大，随着偏离设计日程度的加大，运行费用差别变大，逐步逻辑判断优化法的优势更为明显。3）本文所采用的实例中负荷高峰区与高价电费区没有重叠，所以日运行费用的节省空间有限，若是负荷高峰区与高价电费区重叠，那将会节省更多的运行费用，逐步逻辑判断优化法的优势也将更加显著。参考文献1 J E Braun. A comparison of chiller-priority, storage-priority, and op

16、timal control of an ice-storage systemJ. ASHRAE Transactions,1992,98(1):893902.2M. Kintner-Meyer, A.F. Emery. Optimal control of an HVAC system using cold storage and building thermal capacitanceJ. ENERGY AND BUILDINGS,1995,23:1931.3G.P. Henze. Evaluation of optimal control for active and passive building thermal storageJ. International Journal of Thermal Sciences, 2004,43:173183.4郭传齐,李育.冰蓄冷空调系统运行控制策略综述J.福建建设科技,2003,(1