中央空调的建模与调控策略研究

论文总字数：28961字

摘 要

随着科学技术的进步和人民生活水平的不断提高，空调系统作为智能建筑的重要组成部分，其需求量及占电力终端设备的比重逐年增长，中央空调更是用电大户。中央空调负荷使得负荷曲线高峰低谷的差距不断拉大，加深了高峰用电时段的供需矛盾。因此，对中央空调设备的负荷进行有效的控制，并通过需求响应纳入电力系统调度中，对“削峰填谷”具有深刻意义，能有效降低高峰负荷，缓解电力供需矛盾。

本文针对中央空调的负荷调节潜力，主要完成三个部分的内容。第一，中央空调系统的建模，确定需要考虑的子模块——制冷机和风机，建立两者的能耗模型，在分析空调房间内室温时变方程基础上，明确温度与空调制冷量之间的函数关系。第二，研究中央空调系统的控制策略，确定目标函数和约束条件，建立以中央空调系统制冷机的占空比以及是否被控制为0-1决策变量的调控优化模型。第三，针对第二部分的调控模型，确定合适的算法，结合具体算例，验证所提出模型的合理性，表明能够在保持室温舒适的条件下对中央空调系统进行控制而获得预期的削峰效果。

关键字：中央空调系统；能耗模型；优化调控策略；舒适度

Abstract

With the development of science and technology as well as the improvement of the living standard of people, as the important component of intelligent buildings, air-conditioning, the proportion of which in electric terminal devices is growing year by year. Central air-conditioning is even large electricity consumer. Central air-conditioning widens the difference between peak and valley of the load curve, and deepens the contradictions between supply and demand in peak period. Therefore, it is a significant sense for “cutting peak to fill valley” to take effective control of central air-conditioning as well as join into power system dispatch. It can reduce peak load, as well as relief the contradictions between demand and supply.

Aiming at the huge potential of load regulation, this paper mainly completed three aspects of work. Firstly, to model the central air-conditioning system, make sure sub-modules that is needed to be considered----refrigerator and fan, to establish the energy consumption models. Based on the analysis of thermodynamics model of air-conditioning room, make clear the functional relationship between temperature and refrigerating capacity. Secondly, to study the control strategy of central air-conditioning system, ensure the goal function and constraint conditions, establish the control optimization model, the 0-1 decision variable of which is whether the refrigerator is under control. Thirdly, to confirm proper algorithm based on the control model of second section, and then combine with valid example to verify the rationality of control model mentioned above to indicate that taking control of central air-conditioning can obtain expected effects of cutting the peak.

Keywords: central air-conditioning; consumption model; optimization control strategy; degree of comfort

目录

第一章 绪论 1

1.1课题的研究背景及意义 1

1.2空调负荷调控措施的国内外的研究现况 1

1.3论文主要内容 2

第二章 中央空调系统主要组成及基本工作原理 3

2.1中央空调系统基本构成 3

2.2中央空调系统基本工作原理 4

2.3本章小结 4

第三章 中央空调系统的建模 5

3.1空调房间的数学模型建立 5

3.1.1 空调—建筑物系统冷热负荷来源 5

3.1.2 空调房间温度数学模型推导 5

3.2 湿空气及其焓湿图 6

3.3 中央空调系统的数学模型建立 7

3.3.1 中央空调各子模块建模 7

3.3.2本文主要研究子模块的数学模型 9

3.4 本章小结 9

第四章 中央空调系统参与的调峰控制策略模型 10

4.1空调对系统调峰的意义 10

4.2 中央空调系统分档热舒适度 10

4.2.1 中央空调系统热舒适度 10

4.2.2 热舒适度分档 10

4.3 中央空调系统调峰控制方案 11

4.3.1轮控过程中的室温特性 11

4.3.2停机期和制冷期的室温时变方程 11

4.3.3轮控过程中的功率削减量 12

4.4 目标函数 13

4.5 约束条件 14

第五章 基于遗传算法的轮控策略 15

5.1遗传算法 15

5.1.1 遗传算法简介 15

5.1.2 遗传算法的原理与实现 15

5.1.3 遗传算法的具体操作过程 17

5.1.4 遗传算法的主要特点 17

5.2基于遗传算法的轮控策略分析 18

5.2.1 编码 18

5.2.2 适应度函数 18

5.2.3遗传算子 18

5.2.4算法参数 19

5.2.5 算法终止条件 19

5.2.6基于遗传算法流程设计 19

第六章 算例分析 21

6.1 中央空调分档方案及参与情况 22

6.2 削峰量效果分析 22

6.3 控制期室温波动情况 24

6.4不考虑风机的情况 25

第七章 结论 28

致谢 29

参考文献 30

1. 绪论

1.1课题的研究背景及意义

二十一世纪中国城市迈向了现代化、国际化、生态化、智能化，迅速扩大的城市规模加剧了城市建筑的密集度。商业建筑逐渐增多，居住条件在日益改善，人们对室内环境的舒适度要求也不断提高，对健康、舒适的中央空调的需求量逐渐增大。依据资料显示，在发达国家里，建筑物的能耗占到总能耗的左右^[1]，经济发达的大中城市的中央空调系统的分布能达到，并呈现逐年递增的态势。由于其能耗高、运行效率低的特点，理所当然地成为了建筑物中的主要能耗源。

电力作为各种能源转换的终点，其供需趋势的变换是影响能源系统的主要因素。我国的电力供需时常处于紧张状态，据资料显示，华东、华中和南方电力供需基本平衡，华北电力供需平衡仍旧偏紧^[2]。占电力终端设备比重较大的中央空调系统负荷，加剧了用电高峰，导致用电峰谷差不断增大。空调用户的迅速增多是夏季电力供需矛盾深化以及电网负荷特性变差的重要因素^[3]。国家电网在夏季或冬季的负荷高峰期时间段内会出现一定量的负荷短缺，此时中央空调负荷占尖峰负荷的，北京、上海等城市甚至达到了左右。另一方面，中央空调负荷所属建筑环境具备一定的热存储能力，且在一定的温度范围内人体无明显的不适感觉。空气调节设计规范中规定：民用建筑夏季空调温度为，冬季空调温度为 ，中央空调系统的温度可以控制在一个范围内，正是这个温度区间给了系统可调度控制的弹性，使得中央空调系统具备巨大的负荷调节潜力，又能满足用户的舒适度要求，从而为负荷调整创造了条件。因此中央空调系统的调控策略研究对“削峰填谷”的进程意义深远。

但是现阶段对中央空调的研究主要跟随 “节能减排”的国家政策以及健康舒适的市场趋势引导，着眼于提高中央空调的综合能效比和节约能源，而从电网调度角度对中央空调系统负荷调节潜力的研究不多。所以建立中央空调系统优化调度和控制策略模型，是一个有重要意义的研究，能够在不影响用户舒适度的前提下降低高峰时段负荷，缓解电力供需矛盾。同时，负荷控制的成本低廉而效果明显，完全可以将中央空调系统负荷控制归入电力系统调度中，有利于促进电力市场的发展。

1.2空调负荷调控措施的国内外的研究现况

目前，全世界各国都在建设智能电网，通过需求侧管理（demand side management, DMS）实现对商务、家庭中用中央空调等用电负荷的有效控制，有效削减高峰负荷。空调负荷控制主要有以下三种方式^[4]:
（1）大力推广高效、节能型空调；

（2）推广蓄冷空调技术，在夜间低谷时期蓄冷，减少白天高峰空调用电；

（3）实施中央空调轮停技术。

中央空调轮停技术又称为周期性暂停控制（duty cycling control, DDC）^[5]，指对空调冷水机组实施周期性开/关循环控制，如采用30分钟内15分钟开/15分钟关的控制周期，以节省中央空调的制冷机能耗，制冷机停机时，中央空调的风机系统和冷冻水循环系统继续保持工作，利用制冷剂余冷量供冷，由于建筑物的蓄冷作用，可以在一定时间内持续向建筑物供应冷气，从而达到削减中央空调负荷以缓解电力高峰的目的。

前两种方法在我国已逐步得到足够的重视并开始大力推广，第三种方式的实际应用很多，但在策略优化模型方面的研究及报道却很少^[6]。在美国这样的发达国家及台湾地区，早已普遍应用了中央空调轮控技术。在美国，中央空调轮控技术不只应用在商用、工业用的大型中央空调负荷控制中，居民客户的户用中央空调系统也有所应用。早在上个世纪80到90年代间，美国对90万左右的民用空调和4万多个商业用空调进行了控制，民用空调每个控制点平均削峰1.075kW，商用空调每个控制点平均削峰2.740kW，足见这种可中断负荷用电方式的削峰效果显著，而又对用户的体验舒适度没有影响，完全达到了优化能源利用率的目的^[7]。

在国外的其他国家，负荷控制还有一些其他的手段，包括^[8]：

（1）中断控制，即在控制时段内，调度直接关闭中央空调用电设备。这种方式可能会导致建筑物内的温度在短时间内迅速上升，另外，送风系统的停运也会导致室内空气不流通，质量难以保证，很难满足用户的舒适性需求。若频繁启停空调设备，又会造成使用寿命的降低，因此这种控制方式不常用。

（2）温度控制，即调度通过调节中央空调系统中温度控制器的设定值，以达到与中断供电类似的效果。中央空调的系统组成十分复杂，并且其各组成部分的物理特性各不相同，但却有着很强的耦合特性，因此这种控制方法的实现存在一定的难度。

温度控制和周期性暂停控制，这两种控制方式更关注在削减能耗的同时保证用户的舒适性体验，是将来研究的主要方向。

1.3论文主要内容

通过深入调研和分析国内外中央空调的发展现状，了解中央空调的建模和控制策略的应用与实践情况，分析存在的问题和解决思路。从中央空调系统结构和原理入手，分析各个子模块能耗情况，建立其数学模型，并针对高耗能环节进行研究。结合遗传算法，并将其应用于中央空调负荷调控策略的优化问题中，通过具体算例，验证所建立的中央空调调控策略模型的可行性。本论文分为七个章节，具体内容详述如下。

第一章：主要阐述了课题的研究背景和意义，分析了中央空调系统负荷控制在国内外的研究现况，强调研究中央空调系统调控策略模型的重要意义。

第二章：主要描述中央空调系统的具体组成和工作原理，梳理各模块间热量的交换，为中央空调的建模奠定基础。在分析各子模块能耗情况的基础上，对高能耗部分进行重点研究。

第三章：建立中央空调系统的数学模型，确定需要考虑的模块和参数，在分析空调房间内热力学模型基础上，明确温度等主要状态参数与空调制冷量之间的函数关系。结合调控模型，建立是否受控两种状态下需要考虑的模块的能耗模型。

第四章：简要介绍空调对系统调峰的意义，提出舒适度分档的概念，建立中央空调系统轮停调控策略的具体模型，包括控制周期内的室温时变方程、目标函数、决策变量及约束条件。

第五章：简要介绍实现优化目标函数的遗传算法，将其应用于控制时段中央空调系统自变量寻优的过程中，得出决策变量的最优解。

第六章：结合具体算例的分析，进行模型的验证，验证第四章建立的调控策略模型的有效性。

第六章：主要是对论文的总结和展望。

1. 中央空调系统主要组成及基本工作原理

2.1中央空调系统基本构成

中央空调系统由冷（热）源系统和空气调节系统组成，具体主要包括制冷压缩机系统、冷媒（冷冻和冷热）循环水系统、冷却水循环系统、盘管风机系统、冷却塔风机系统等。中央空调系统示意图如图1所示。

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