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中央空调水系统的优化控制与节能技术研究

李明海  
【摘要】:智能建筑的中央空调系统在为人们营造舒适环境的同时也带来了能耗问题。如何既满足空调舒适度、又最大限度地节约能源,已日益为人们所关注。在降低空调系统能耗的诸多措施中,空调系统的优化控制是很重要的方面。本文从系统角度出发,运用了过程优化控制的理论,以能耗函数作为目标函数,通过对中央空调系统监督控制层的优化操作及智能控制算法,实现了中央空调水系统以节能降耗为目标的优化控制。阐明只有从过程优化控制角度出发,确定目标函数,通过对中央空调系统监督控制层的优化操作及智能控制算法,才能真正实现中央空调水系统以节能降耗为目标的优化控制,达到稳定运行和节省能源。 在前人研究的基础上,分析了中央空调水系统设备的性能特性,采用理论分析和辨识方法相结合的方式建立了空调水系统中每个设备的数学模型,根据实际系统的运行特性,对各模型参数进行辨识,并对系统设备模型进行转化和简化处理,为系统优化模型的建立奠定了基础。 阐述了过程优化控制问题的实质和关键技术。指出过程优化的实质是:在不修改工艺、不增加生产设备的情况下调整操作参数。过程优化的目的是:寻求连续生产过程中各个装置控制系统的最优设定值,以使整个装置运行于最优工况。实现过程优化包括建立模型、优化算法选择及系统的实现等方面。分析了空调水系统优化控制问题的研究现状,指出了空调水系统优化的可能性,根据过程优化控制论中的过程优化模型将过程操作变量与经济效益方面的因素联系起来,把过程稳态模型寓于装置的经济模型之中,指出过程优化模型是实现优化操作的核心。提出了一种优化控制策略,建立了空调水系统优化控制的框架。在系统辨识的基础上,提出了空调水系统设备的自适应预测优化控制模型。并以某项目的空调水系统为研究对象,采用该项目的历史运行数据建立了该空调水系统设备自适应预测优化控制模型,并对预测模型的预测值与测试值的误差进行了分析。研究了基于全局优化策略的两种优化算法:遗传算法和模拟退火算法。 详细介绍了所研究空调设备监控系统的结构和子系统构成;分析了用户需求、总体目标和实现途径。重点介绍空调水系统各现场控制器(DDC)的配置情况及监控内容,分析了各控制器的应完成的任务及应接收和处理的信息。也介绍了实验所采用的系统集成软、硬件配置情况。 以空调水系统总能耗为目标函数,确定了空调水系统在线过程优化控制模型。指出了水系统在线过程优化控制的实现过程和步骤。分析了各变量的优化设定值及设备启停状态及其相对应的各现场控制器的设置情况,指出过程优化控制在现场控制器中的实现过程。通过自校正的在线仿真对系统的各控制变量以及各设备的启停运行模式进行实时预测。同时,采用基因遗传优化算法和模拟退火算法快速准确地获得各控制变量在预测时间内的最优设定值。针对中央空调系统水系统能耗优化,设计了具体的算法应用程序。针对实际工程,对采用两种优化算法前后的水系统能耗进行了分析对比。经计算分析,采用遗传算法优化后的系统电功率比优化前减少约10.88%;采用模拟退火算法优化后的系统电功率比优化前减少约8.8%。结果表明,两种优化算法均节能效果明显,遗传算法节能效果更好。该优化控制策略不仅节能效果明显,而且具有一定的可实施性,应用前景良好。


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