一種地鐵站空調冷卻水出水溫度設定值優化方法與流程
2023-04-24 11:47:41 2
本發明屬於暖通空調領域，尤其涉及一種地鐵站空調冷卻水出水溫度設定值優化方法。
背景技術：
地鐵在提供便利的同時也消耗著大量的能源，主要原因之一是因為通風空調系統是按照遠期最大負荷進行設計的，這種設計方式不僅造成了大量資源浪費，也在一定程度上影響了站內人員的舒適度。在空調系統中，冷卻水系統的作用是將新風中的熱量排除室外，在部分負荷下，冷卻水定流量運行會出現「大馬拉小車」的現象。因此，需研究一種有效的冷卻水變流量節能控制策略。
冷凝溫度控制法通過設定冷卻水出水溫度控制冷卻水流量，節能效果顯著。但在冷卻水進水溫度較低時，仍然可以提高冷卻水進出水溫差，達到節能的目的，其節能潛力沒有被充分挖掘。因此，需要一種能夠隨冷卻水進水溫度和冷凝溫度變化對冷卻水出水溫度設定值做出調整的優化方法。
技術實現要素：
本發明要解決的問題是在冷卻水進水溫度較低時，如何進一步挖掘冷卻水系統的節能潛力。因此，提出一種地鐵站空調冷卻水系統出水溫度設定值優化方法，該方法可以根據冷卻水進水溫度和冷凝溫度的變化對冷卻水出水溫度設定值進行調整，進一步挖掘冷卻水泵的節能潛力。
為實現上述目的，本發明採用如下的技術方案：
一種地鐵站空調冷卻水出水溫度設定值優化方法，包括如下步驟，：
步驟(1)、獲取空調冷卻水系統的歷史運行數據，其中包括：冷卻水進水溫度、冷卻水出水溫度、冷卻水流量和冷凝溫度；
步驟(2)、建立冷凝溫度與冷卻水進水溫度、出水溫度和冷卻水流量的多元線性回歸方程，如公式(1)所示：
tcond＝a+b×tin+c×tout+d×qin(1)
其中：tcond為冷凝溫度，tin為冷卻水進水溫度，tout為冷卻水出水溫度，qin為冷卻水流量，a,b,c,d為回歸係數；
步驟(3)、根據熱力學公式迭代計算出不同冷卻水進水溫度下，能夠滿足使冷凝溫度保持在設計值的冷卻水出水溫度，計算公式如式(2)所示：
其中：q為冷卻水系統吸收的熱量，cop為冷水機組的能效比；cp為水的比熱容；ρ為水的密度；g為冷卻水流量，tin位冷卻水進水溫度，tout位為冷卻水出水溫度；
步驟(4)迭代計算出能夠滿足冷凝溫度儘可能接近設計值的冷卻水出水溫度；
步驟(5)根據冷卻水出水溫度隨冷卻水進水溫度和冷凝溫度的變化規律，建立基於mamdani模糊規則建立冷卻水出水溫度設定值在線調整模型，首先確定模糊隸屬度函數，其次根據實際值得變化範圍和變化規律制定出模糊規則，最後將mamdani模型的輸出u*作為冷卻水出水溫度設定值的調整值u。
步驟(6)冷卻水出水溫度設定值與模糊推理的輸出值有如下關係：
u＝m(etcond,t,etin,t)(5)
tset,t+1＝tset,t+u(6)
其中，tset,t+1為第t+1時刻冷卻水出水溫度設定值，tset,t為第t時刻冷卻水出水溫度設定值；
步驟(7)根據冷卻水出水溫度的設定值與實際值的差值，控制冷卻水流量，當差值為正時，減小冷卻水流量，增大冷卻水進出水溫差，達到節約冷卻水泵能耗的目的。
作為優選，步驟(4)包括以下步驟：
①獲取當前時刻的冷卻水進出水溫度、流量及冷水機組負荷；
②已知負荷及冷卻水進水溫度，根據公式(2)計算冷卻水流量；
③根據計算公式(1)計算當前時刻的冷凝溫度；
④判斷冷水機組的冷凝溫度是否等於設計值，如果相等，則結束迭代計算過程，並以此溫度作為當前時段冷卻水出水溫度的設定值，否則進入步驟⑤；
⑤以0.1為步長，調整冷卻水出水溫度設定值，若冷水機組的冷凝溫度大於設計值，說明冷卻水出水溫度過高，需降低冷卻水出水溫度設定值，並轉到步驟②進行迭代計算並判斷，反之亦然。
作為優選，步驟(5)中模糊規則推理算法的實施步驟如下：
①定義系統狀態的輸入etcond、etin和輸出u的論域、隸屬函數和模糊推理規則；
②將真實的輸入(etcond,etin)和輸出u映射為模糊推理論域中的輸入(etcond*,etin*)和輸出u*；
③確定(etcond*,etin*)的作用模糊子集ai和bj及其作用模糊推理規則rk；
④計算各條作用規則的隸屬度μk，其計算如公式(3)所示：
μk＝ai(etcond*)*bj(etin*)(k＝1,2,...,p)
(3)
⑤利用重心法進行反模糊化得到模糊輸出量u*，如公式(4)：
⑥將模糊推理得到的輸出u*映射為實際輸出值u。
本發明的地鐵站空調冷卻水出水溫度設定值優化方法，基於mamdani模糊模型和歷史數據建立冷卻水出水溫度隨進水溫度和冷凝溫度變化的動態調整模型，並將結果作為冷卻水變流量節能控制系統的設定值，調整冷卻水流量，達到節約冷卻水泵能耗的目的。
附圖說明
圖1為冷卻水出水溫度迭代計算流程圖；
圖2為mamdani模糊模型隸屬度函數圖；
圖3為冷卻水變流量節能控制系統框圖；
圖4為冷凝溫度控制法的冷卻水泵功率變化曲線圖；
圖5為冷凝溫度控制法的冷卻水出水溫度和冷凝溫度變化曲線圖；
圖6為冷卻水出水溫度設定值優化方法的冷卻水泵功率變化曲線圖；
圖7為冷卻水出水溫度設定值優化方法的冷卻水出水溫度和冷凝溫度變化曲線圖；
圖8為地鐵站空調冷卻水系統出水溫度設定值優化方法的流程圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，以下示例將結合附圖對本發明的技術方案做進一步的說明。
本發明提供一種地鐵站空調冷卻水出水溫度設定值優化方法，對地鐵站空調冷卻水系統出水溫度設定值進行動態調整，根據歷史運行數據和迭代計算得到冷卻水出水溫度設定值與冷卻水進水溫度和冷凝溫度的對應關係，制定相應的模糊規則表。
本發明的技術方案為：一種地鐵站空調冷卻水出水溫度設定值優化方法，包括如下具體步驟，如圖8所示：
(1)獲取空調冷卻水系統的歷史運行數據，其中包括：冷卻水進水溫度、冷卻水出水溫度、冷卻水流量和冷凝溫度，由於冷凝溫度無法直接測量，可以以膨脹閥上遊溫度近似代替冷凝溫度；
(2)根據冷凝溫度的數學模型可知，冷凝溫度與冷卻水進水溫度、出水溫度、冷卻水流量相關，但由於油膜熱阻等部分參數無法直接獲得，因此利用spss軟體和冷卻水系統的歷史運行數據，建立冷凝溫度與冷卻水進水溫度、出水溫度和冷卻水流量的多元線性回歸方程，如公式(1)所示：
tcond＝a+b×tin+c×tout+d×qin(1)
式中：tcond為冷凝溫度，kg/m2；tin為冷卻水進水溫度，℃；tout為冷卻水出水溫度，℃；qin為冷卻水流量，m3/h；a,b,c,d為回歸係數；
(3)在冷卻塔風機定頻的情況下，冷卻水進水溫度主要受室外溼球溫度為影響，在不同冷卻水出水溫度和冷卻水流量的情況下基本不變，根據熱力學公式迭代計算出不同冷卻水進水溫度下，能夠滿足使冷凝溫度保持在設計值的冷卻水出水溫度，計算公式如式(2)所示：
式中：q為冷卻水系統吸收的熱量，kw；cop為冷水機組的能效比；cp為水的比熱容；ρ為水的密度；g為冷卻水流量，m3/h；tin位冷卻水進水溫度，℃；tout位為冷卻水出水溫度，℃。
(4)根據熱力學公式，迭代計算出能夠滿足冷凝溫度儘可能接近設計值的冷卻水出水溫度。計算流程如圖1所示，步驟如下：
①獲取當前時刻的冷卻水進出水溫度、流量及冷水機組負荷；
②已知負荷及冷卻水進水溫度，根據公式(2)計算冷卻水流量；
③根據計算公式(1)計算當前時刻的冷凝溫度；
④判斷冷水機組的冷凝溫度是否等於設計值，如果相等，則結束迭代計算過程，並以此溫度作為當前時段冷卻水出水溫度的設定值，否則進入步驟⑤；
⑤以0.1為步長，調整冷卻水出水溫度設定值，若冷水機組的冷凝溫度大於設計值，說明冷卻水出水溫度過高，需降低冷卻水出水溫度設定值，並轉到步驟②進行迭代計算並判斷，反之亦然。
(5)根據冷卻水出水溫度隨冷卻水進水溫度和冷凝溫度的變化規律，建立基於mamdani模糊規則建立冷卻水出水溫度設定值在線調整模型，首先確定模糊隸屬度函數，其次根據實際值得變化範圍和變化規律制定出模糊規則，最後將mamdani模型的輸出作為冷卻水出水溫度設定值的調整值u。模糊規則推理算法的實施步驟如下：
①定義系統狀態的輸入etcondetin和輸出u的論域、隸屬函數和模糊推理規則，如圖2所示；
②將真實的輸入(etcond,etin)和輸出u映射為模糊推理論域中的輸入(etcond*,etin*)和輸出u*；
③確定(etcond*,etin*)的作用模糊子集ai和bj及其作用模糊推理規則rk；
④計算各條作用規則的隸屬度μk，其計算如公式(3)所示：
μk＝ai(etcond*)*bj(etin*)(k＝1,2,...,p)
(3)
⑤利用重心法進行反模糊化得到模糊輸出量u*，如公式(4)：
⑥將模糊推理得到的輸出u*映射為實際輸出值u；
(6)冷卻水出水溫度設定值與模糊推理的輸出值有如下關係：
u＝m(etcond,t,etin,t)(5)
tset,t+1＝tset,t+u(6)
式中，tset,t+1為第t+1時刻冷卻水出水溫度設定值，℃；tset,t為第t時刻冷卻水出水溫度設定值，℃。
(7)根據冷卻水出水溫度的設定值與實際值的差值，控制冷卻水流量，當差值為正時，減小冷卻水流量，增大冷卻水進出水溫差，達到節約冷卻水泵能耗的目的，冷卻水變流量節能控制系統框圖如圖3所示。
實施例1：
本發明實施例1中是在北京某高校地鐵站通風空調系統實訓平臺進行的，該平臺是按照實際地鐵站通風空調系統進行搭建的，其運行原理和節能原理與實際地鐵站的空調系統相同，在理論上該平臺可代替實際的地鐵站通風空調系統。
(1)利用瞬時系統模擬仿真平臺(trnsys)軟體搭建地鐵實訓平臺的仿真平臺。在搭建仿真平臺時，各設備的參數均按照實際情況進行配置，並利用實際的運行數據對仿真平臺進行驗證。由於冷凝溫度難以通過實際測量得到，且難以根據冷凝溫度的機理模型計算得出。因此，通過測量膨脹閥上遊溫度來近似代替冷凝溫度，並根據實際數據對冷凝溫度建立多元線性回歸方程，如公式(7)所示：
tcond＝33.43-0.3tin+0.53tout-0.56qin(7)
式中：tcond為冷水機組的冷凝溫度，kg/m2；tin為冷卻水進水溫度，℃；tout為冷卻水出水溫度，℃；qin為冷卻水流量，m3/h。
將公式(7)寫入trnsys的計算模塊中，以冷卻水進水溫度、冷卻水出水溫度、冷卻水流量為輸入，冷凝溫度為輸出，模擬不同冷卻水進出水溫度和流量下，冷凝溫度的變化情況。
(2)在仿真平臺中，運行通風空調系統，並獲得冷卻水系統的歷史運行數據，根據冷卻水進水溫度、冷卻水出水溫度、冷卻水流量、冷水機組負荷和冷凝溫度的仿真數據，迭代計算能夠滿足冷凝溫度儘可能接近設計值的冷卻水出水溫度。根據其他學者和實際的工程經驗可知，在冷卻塔風機頻率固定的情況下，冷卻水進水溫度主要由冷卻塔溼球溫度所決定的，不受冷卻水變流量的影響。因此，可以假設，在冷卻水出水溫度和冷卻水流量變化的過程中冷卻水進水溫度保持不變。根據熱力學公式可以得出各時刻冷卻水系統吸收的熱量以及冷卻水出水溫度和冷卻水流量之間的關係。
(3)根據冷卻水出水溫度與冷凝溫度和冷卻水進水溫度的關係，制定模糊規則表如表1所示：
表1模糊規則表
為體現冷卻水出水溫度與進水溫度和冷凝溫度的對應關係，將冷卻水進水溫度的實際值與設計值32℃的差值和冷凝溫度的實際值與設計值47℃的差值作為mamdani模糊模型的輸入，冷卻水出水溫度設定值的調整值作為輸出。如式(8)所示：
δtin,t＝tin,t-32
δtcond,t＝tcond,t-47(8)
δtset,t＝m(δtin,t,δtcond,t)
tset,t+1＝tset,t+δtset,t
試中，δtset經過模糊推理得出的冷卻水出水溫度設定值調整值，℃；tin,t為t時刻冷卻水進水溫度實際值，℃；tcond,t為t時刻冷凝溫度實際值，℃；tset,t為t時刻冷卻水出水溫度設定值，℃；tset,t+1為t+1時刻冷卻水出水溫度設定值，℃；
(4)在北京某高校地鐵通風空調系統實訓平臺進行現場實驗，驗證冷卻水出水溫度設定值優化方法的節能控制效果和可行性。該平臺仿照地鐵站通風空調系統搭建，在原有設備的基礎上對冷卻水系統進行工程改造。冷卻水變流量節能控制系統以冷卻水出水溫度作為設定值，調節冷卻水泵的轉速，進而改變冷卻水流量，在部分負荷和冷卻水出水溫度較低的情況下減小冷卻水流量，達到節能的目的。
①對冷卻水泵增加變頻器：將電源線與變頻器輸入端連接，再將變頻器的輸出端與冷卻水泵的電源線連接，變頻器根據plc的控制信號，改變輸出電流的大小，調整冷卻水泵的轉速，從而改變冷卻水泵的流量和功率。為避免冷卻水流量小於額定流量的25％，冷凝器中的換熱由湍流變為層流造成的換熱效率惡化，將變頻器的最小輸出頻率設置為25hz。根據歷史數據可知，當冷卻水泵的頻率小於25hz時，冷卻水流量下降幅度較大，冷凝溫度有較大幅度的上升，通常情況下在49℃左右，略大於47℃的設計值。
②加裝傳感器：在冷卻水管道中增加流量傳感器和溫度傳感器，測量冷卻水進水溫度、出水溫度和流量。在冷水機組的膨脹閥上遊安裝傳感器，測量冷凝溫度，將冷卻水出水溫度的傳感器連接至plc的輸入端，其餘傳感器連接至數據採集模塊。
③編寫plc程序：首先，定義plc的輸入埠，根據測量值的電信號與實際值得對應關係，編寫相應的模塊進行轉化；其次，設置輸入和輸出埠，定義埠號與組態軟體進行數據通信，輸出埠與變頻器相連接，plc的輸出信號為4～20ma的電信號，對應變頻器的輸出為0～50hz；最後，編寫plc程序，本實驗的控制方法採用用pid(比例(proportion)、積分(integral)、微分(derivative))控制器，分別編寫比例、積分、微分的梯形圖模塊，在主程序中調用。
④編寫組態程序：在組態界面中實現冷卻水出水溫度設定值的在線調整。數據採集模塊通過rs485總線與上位機連接，在上位機的組態軟體中實現基於mamdani模糊模型的冷卻水出水溫度在線調整方法，組態程序根據冷卻水進水溫度和冷凝溫度進行計算，將輸出值傳輸至plc程序，實現冷卻水出水溫度的在線調整。
分別對變冷卻水出水溫度節能控制法和冷凝溫度控制法進行一周的現場實驗。實驗結果如圖4、圖5、圖6和圖7所示，兩種控制方法的冷卻水系統的能耗分別為1139.7kw和1192.9kw。觀察實驗結果圖可知，與冷凝溫度控制法相比，冷卻水出水溫度設定值優化方法的冷卻水泵能耗降低4.67％，且冷卻水出水溫度和冷凝溫度也更加穩定，有利於冷凝溫度的控制。
本發明的地鐵站空調冷卻水出水溫度設定值優化方法，首先，根據空調系統的實際運行數據建立冷凝溫度的多元線性回歸方程；在trnsys仿真平臺中搭建仿真實驗平臺，並模擬運行通風空調系統，獲取仿真實驗數據；根據冷凝溫度的計算公式和熱力學公式以及仿真實驗數據，迭代計算能夠滿足冷凝溫度保持在設計值的冷卻水出水溫度設定值；根據冷卻水出水溫度設定值與冷凝溫度和冷卻水進水溫度的關係，基於mamdani模糊模型建立冷卻水出水溫度設定值在線調整模型，實現冷卻水出水溫度設定值能夠根據冷卻水進水溫度和冷凝溫度進行調整，增大冷卻水進出水溫差，減小冷卻水流量；最後，在北京某高校地鐵實訓平臺進行設備改造和現場實驗，驗證冷卻水出水溫度設定值優化方法的可行性和節能效果。與冷凝溫度控制法相比，本發明能夠更好地控制冷凝溫度保持不變，且冷卻水系統的節能效果更加顯著。