趙愛國(guó)，祝用華，晉欣橋

（1-合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031；2-聯(lián)合技術(shù)研究中心(中國(guó))有限公司，上海 200092；3-上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

多聯(lián)機(jī)與新風(fēng)機(jī)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制研究

趙愛國(guó)*1，祝用華2，晉欣橋3

（1-合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031；2-聯(lián)合技術(shù)研究中心(中國(guó))有限公司，上海 200092；3-上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

盡管變制冷劑流量（VRF）多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)在部分負(fù)荷工況下具有高能效的顯著優(yōu)點(diǎn)，但是該系統(tǒng)仍然存在缺少新風(fēng)的缺點(diǎn)。本文提出了一種多聯(lián)機(jī)與新風(fēng)機(jī)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)降低能耗的優(yōu)化控制策略。在建立的系統(tǒng)仿真模型基礎(chǔ)上，本文以一辦公樓為例，對(duì)提出的優(yōu)化控制策略進(jìn)行了制熱工況下的仿真研究。結(jié)果表明，提出的優(yōu)化控制策略是可行的，可以有效地降低復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)；變制冷劑流量；新風(fēng)機(jī)；優(yōu)化控制

0 引言

變制冷劑流量（Variable refrigerant flow, VRF）多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)[1]具有系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、可靠性高和可實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)安裝等優(yōu)點(diǎn)。多項(xiàng)研究表明：在相同工況下，VRF系統(tǒng)比其他傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)如變風(fēng)量系統(tǒng)（Variable air volume, VAV），風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)（Fan-coil plus fresh air, FPFA）等具有更好的節(jié)能特性[2-4]。但其因?yàn)闊o新風(fēng)引入而無法獨(dú)立保證室內(nèi)空氣品質(zhì)?？尚械慕鉀Q辦法之一是構(gòu)建VRF機(jī)組與新風(fēng)處理機(jī)組（Outdoor air processing, OAP）的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以同時(shí)利用兩者各自優(yōu)點(diǎn)從而構(gòu)建一種節(jié)能高效的系統(tǒng)。已有學(xué)者[5-6]注意到VRF與其他機(jī)組組成復(fù)合系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并作了一定的研究，但研究資料仍然非常匱乏，特別是針對(duì)VRF與新風(fēng)機(jī)的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)及其聯(lián)合（優(yōu)化）控制運(yùn)行方面的研究仍未見報(bào)道。

在前期的研究中[7-9]，作者已針對(duì)一種空氣源VRF與直膨式新風(fēng)機(jī)的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，對(duì)部件及整個(gè)復(fù)合系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明，提出的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)能很好地保證室內(nèi)溫度及空氣品質(zhì)且不失各區(qū)域獨(dú)立控制的靈活性。在這些研究基礎(chǔ)上，本文為復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)提出了一種優(yōu)化控制策略，并對(duì)其性能進(jìn)行仿真研究。

1 復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)及仿真模型

復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖如圖1所示，OAP機(jī)組通過風(fēng)管提供一定量的處理過的新風(fēng)到每一房間，VRF室內(nèi)機(jī)則承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷，新風(fēng)與排風(fēng)之間連接有轉(zhuǎn)輪（Enthalpy wheel, EW）回?zé)崞饕灶A(yù)先處理新風(fēng)并回收一部分能量。新風(fēng)流量采用需求控制策略（Demand control ventilation, DCV）[10]。控制回路主要包括室內(nèi)溫度控制、VRF容量控制、新風(fēng)流量控制、新風(fēng)送風(fēng)溫度控制及OAP容量控制等。其中，室內(nèi)溫度通過調(diào)節(jié)室內(nèi)節(jié)流閥開度進(jìn)行控制，VRF容量通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，新風(fēng)流量控制通過聯(lián)合調(diào)節(jié)新風(fēng)閥開度和送風(fēng)機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)，新風(fēng)送風(fēng)溫度通過調(diào)節(jié)OAP機(jī)組節(jié)流閥開度進(jìn)行控制，OAP容量則通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。

圖1 復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)及其控制簡(jiǎn)圖

本文利用TRNSYS軟件[11]進(jìn)行仿真。TRNSYS軟件的特點(diǎn)是具有模塊化結(jié)構(gòu)，一個(gè)復(fù)雜的熱力系統(tǒng)可通過一個(gè)個(gè)小的模塊或子系統(tǒng)按物理配置順序依次連接，最終形成一個(gè)可執(zhí)行的仿真器。對(duì)于本文的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，大部分的部件包括新風(fēng)側(cè)的風(fēng)機(jī)、VAV末端（風(fēng)閥）、管道、控制器、傳感器和執(zhí)行器等的模型與文獻(xiàn)[12]中的相同。VRF及OAP的模型已經(jīng)在文獻(xiàn)[7]中作了詳細(xì)的建模分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也不再贅述。本文的研究對(duì)象是一棟6層的辦公樓，其標(biāo)準(zhǔn)層視圖如圖2所示，包括25個(gè)區(qū)、1個(gè)環(huán)形走廊以及1個(gè)內(nèi)區(qū)。建筑模型也已在前期的研究中[8]進(jìn)行了詳細(xì)論述。

圖2 辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)（單位：m）

2 優(yōu)化控制策略介紹

2.1 概述

復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的能耗主要由VRF機(jī)組能耗、OAP機(jī)組能耗及風(fēng)機(jī)能耗等組成，其中風(fēng)機(jī)能耗受系統(tǒng)運(yùn)行的影響比較小，因此系統(tǒng)的總能耗主要受前兩者的影響。提出的優(yōu)化控制策略即針對(duì)這兩者的運(yùn)行而展開的。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]的研究結(jié)果，新風(fēng)送風(fēng)溫度的變化將導(dǎo)致VRF機(jī)組與OAP機(jī)組承擔(dān)的負(fù)荷形成一種此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，而且機(jī)組的部分負(fù)荷率PLR處于0.4～0.7的范圍內(nèi)時(shí)機(jī)組的運(yùn)行效率最高。因此，一方面，可以通過優(yōu)化新風(fēng)送風(fēng)溫度來達(dá)到最優(yōu)化系統(tǒng)能耗的目的。另一方面，如果OAP機(jī)組（或VRF機(jī)組）在新風(fēng)送風(fēng)溫度優(yōu)化控制策略下運(yùn)行效率低下，則可以嘗試關(guān)閉OAP機(jī)組（或VRF機(jī)組），使另一個(gè)機(jī)組運(yùn)行在高效區(qū)的概率增大。當(dāng)負(fù)荷足夠大時(shí)，重新開啟被關(guān)閉的機(jī)組，再執(zhí)行新風(fēng)送風(fēng)溫度優(yōu)化控制。由于新風(fēng)送風(fēng)溫度優(yōu)化控制的前提條件是VRF機(jī)組和OAP機(jī)組都在運(yùn)行，故將新風(fēng)送風(fēng)溫度優(yōu)化控制稱為局域優(yōu)化控制。而結(jié)合局域優(yōu)化控制和機(jī)組啟停的策略則稱為全局優(yōu)化控制?？紤]到關(guān)閉VRF機(jī)組后會(huì)造成空調(diào)區(qū)域舒適性與室內(nèi)空氣品質(zhì)需求的矛盾，且會(huì)增加傳感器及信號(hào)采集系統(tǒng)等的成本與控制復(fù)雜性，一般不建議關(guān)閉VRF機(jī)組。圖3是僅考慮關(guān)閉與重開OAP機(jī)組的優(yōu)化控制策略的邏輯圖。其中，θ1～θ4稱為閾值參數(shù)，本文它們的取值分別為0.22、3、0.15和3。

2.2 局域優(yōu)化控制策略

基于新風(fēng)送風(fēng)溫度優(yōu)化的局域優(yōu)化控制策略如圖4所示，主要包括機(jī)組能耗預(yù)測(cè)模型、機(jī)組負(fù)荷分配優(yōu)化和新風(fēng)送風(fēng)溫度再設(shè)定等部分。本文的模型以制熱工況為例。

圖3 系統(tǒng)優(yōu)化控制邏輯

圖4 局域最優(yōu)化控制邏輯

2.2.1 機(jī)組能耗預(yù)測(cè)模型

OAP機(jī)組可視為只有一個(gè)室內(nèi)機(jī)的VRF機(jī)組，仍然適用于如下VRF機(jī)組的能耗預(yù)測(cè)模型：

式中：

W ——VRF機(jī)組的輸入功率；

Wcomp——壓縮機(jī)的輸入功率；

Wfan——風(fēng)機(jī)的輸入功率；

Wfan,i——單個(gè)風(fēng)機(jī)的功率；

a～f——需要在線調(diào)整的模型參數(shù)，可用最小二乘參數(shù)估計(jì)方法[13-14]獲得；

Tc——VRF機(jī)組的冷凝溫度；

Te——VRF機(jī)組的蒸發(fā)溫度；

Tdb,OA——室外空氣干球溫度；

Tdb,avg——加權(quán)的DX進(jìn)口空氣干球溫度；

n——壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；

下標(biāo)ref——參考值。

2.2.2 機(jī)組負(fù)荷分配優(yōu)化

假設(shè)總負(fù)荷為Qtotal，它也可由最小二乘法根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)估計(jì)，OAP機(jī)組提供LR比例的冷量，則系統(tǒng)能耗估計(jì)值為：

最終系統(tǒng)輸入功率可簡(jiǎn)化為：

其中：

從式(10)可以看出，系統(tǒng)總的輸入功率是一個(gè)關(guān)于LR的二次函數(shù)。由于二次項(xiàng)的系數(shù)為正，因此當(dāng)函數(shù)取得最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的LR即為要求的最優(yōu)值。

2.2.3 新風(fēng)送風(fēng)溫度再設(shè)定

在制熱工況下，LR越高，新風(fēng)送風(fēng)溫度也要求越高。因此，以當(dāng)前測(cè)量的送風(fēng)溫度和制冷/熱量為基準(zhǔn)，可以簡(jiǎn)單地通過以下關(guān)系式獲得新風(fēng)送風(fēng)溫度的設(shè)定值：

式中，下標(biāo)meas表示當(dāng)前測(cè)量值。

3 優(yōu)化控制策略驗(yàn)證

3.1 工況設(shè)置

以如圖2所示的7～12共6個(gè)區(qū)域作為空調(diào)系統(tǒng)仿真對(duì)象?？照{(diào)區(qū)域負(fù)荷主要由人員、設(shè)備及燈光產(chǎn)生。其中人數(shù)變化事先給定，通過基本人員密度變化乘以人員系數(shù)的方法模擬不同區(qū)的人員變化情況。6個(gè)區(qū)的溫度設(shè)定值相同，人員系數(shù)分別為0.95、1.00、0.85、1.05、1.10和0.90?；救藛T密度、設(shè)備及燈光計(jì)劃如圖5所示。圖6給出了一測(cè)試日的室外溫濕度變化情況。

圖5 設(shè)備開啟臺(tái)數(shù)、燈光、人員變化計(jì)劃

圖6 測(cè)試日室外溫濕度

3.2 結(jié)果與討論

為了更好地反映提出的控制策略的有效性，將其與一種定新風(fēng)送風(fēng)溫度（22 ℃）的基本控制策略進(jìn)行對(duì)比研究。圖7表示了兩種控制策略下7區(qū)的溫度波動(dòng)情況。從圖中可知，房間溫度在兩種控制策略下都能得到很好的控制，表明了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠性。其他房間的溫度控制情況類似。

圖7 兩種控制策略下房間溫度控制結(jié)果 (7區(qū))

表1列出了復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)在兩種控制策略下的制熱量與能耗的情況。從表中可以看出，兩種控制策略下，系統(tǒng)總的制熱量基本相同，這是合理的且為比較能耗的大小奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)使用提出的優(yōu)化控制策略時(shí)，系統(tǒng)總能耗下降約5.29%，表明提出的控制策略是可行的，可以有效地降低系統(tǒng)的能耗。

表1 制熱量和能耗結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

針對(duì)多聯(lián)機(jī)與新風(fēng)機(jī)的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)提出了一種優(yōu)化控制策略，并在仿真平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明提出的優(yōu)化控制策略是可行的，它可以有效地降低系統(tǒng)的總能耗。盡管提出的控制策略及驗(yàn)證案例是以制熱工況為基礎(chǔ)的，這種方法也可以很方便地?cái)U(kuò)展到制冷模式中。

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Investigation on Optimal Control of Hybrid Air Conditioning System with Multi-split Air Conditioner and Fresh Air Unit

ZHAO Ai-guo*1, ZHU Yong-hua2, JIN Xin-qiao3
(1-Hefei General Machinery Research Institute, Hefei, Anhui 230031, China; 2-United Technologies Research Center (China) Ltd., Shanghai 200092, China; 3-School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Although variable refrigerant flow (VRF) multi-split air conditioner systems have good energy performances in part load conditions, the shortcoming of no outdoor air intake has not been solved thoroughly. An optimal control strategy for combined air conditioning system (with VRF unit and outdoor air processing unit) aiming at reducing energy consumption is presented in this paper. Based on the developed simulation platform, the proposed optimal control strategy is evaluated in heating mode. Results show that the proposed optimal control is feasible, which can effectively decrease the energy consumption of the combined system.

Combined air conditioning system; Variable refrigerant flow; Outdoor air processing unit; Optimal control

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.102

*趙愛國(guó)（1964-），男，高級(jí)工程師，學(xué)士。研究方向：制冷空調(diào)技術(shù)。聯(lián)系地址：合肥市長(zhǎng)江西路888號(hào)，郵編：230031。聯(lián)系電話：18055112715。E-mail：ahzag@126.com。