自然供冷空调系统冷却水动态流量控制策略研究

曾晓庆 晋欣桥 杜志敏

自然供冷空调系统冷却水动态流量控制策略研究

曾晓庆 晋欣桥 杜志敏

上海交通大学机械与动力工程学院

利用瞬态仿真软件Trnsys建立简化的电子厂房自然供冷空调系统模型，以全局系统能耗最小为优化目标，提出了空调冷却水系统动态流量分配策略。最后，与固定流量控制策略进行对比，验证了基于系统能耗的冷却水动态流量分配策略的节能性更好。

自然供冷控制策略能耗

0 引言

电子厂房空调系统有别于一般的空调系统，需要全年供冷。在冬季或者过渡季节，外界的低温环境刚好可以用来消除部分甚至全部空调负荷，这为系统节能提供了良好的自然条件。即当室外气象参数满足一定的条件时，理论上可以采用冷却塔供冷（又称自然供冷），考虑到机组能耗是空调系统能耗的主要组成部分，采用自然供冷可以减少机组运行时间，从而达到节能目的。

JC Hensley[1]提出冷却塔自然供冷的节能潜力很大程度上依赖于系统的设计和设备的选择。马最良[2]等模拟了冷却塔供冷系统在全国七个典型城市的应用情况。孙敏生、王旭辉[3]等针对冷却塔供冷的关键技术问题进行了分析。马最良、孙宇辉[4]等研究了影响冷却塔供冷系统能耗的因素并进行了分析。何克青[5]等提出了自然供冷率的概念，并分析了影响自然供冷率的因素。

本文以上海地区某电子厂房空调系统为研究对象，以系统全局能耗最小为优化目标，提出了冷却水动态流量分配策略，进一步达到节能的目的。

1 研究对象

本文的研究对象是一个位于上海的典型电子厂房空调系统。电子厂房建筑的冷负荷来源分为三个部分，生产设备负荷，人员负荷及外部环境负荷。整个电子厂房的空调面积为7500m2，冬夏季空调的室内设计工况相同，均为干球温度25±5℃，相对湿度50%±5%。空调系统配备5台离心式冷水机组，各台的容量相同均为2793kW，每台机组冷冻水和冷却水的设计流量分别为130kg/s和133kg/s；系统共配备了5台冷却塔，每台冷却塔包含4台额定功率为15kW的风扇。

水系统结构示意图如图1所示。在夏季，冷冻水回水不通过板式换热器直接流向制冷机组；在冬季和过渡季节时，当室外气象条件满足自然供冷条件时，冷冻水先通过板式换热器进行预冷，负荷不足的部分再由机组承担。

图1 电子厂房自然供冷系统水系统示意图

整个系统的运行可被分为三种模式：完全自然供冷模式（MODE 1）；机组+冷却塔联合供冷模式（MODE 2）；机组单独供冷模式（MODE 3）。每种运行模式对应的冷却水流向如图2所示。当机组的运行模式为MODE 1时，冷却水全部进入板换与冷冻水换热，机组关闭；当机组的运行模式为MODE 2时，冷却水部分进入板换与冷冻水换热，降低蒸发器侧的进水温度，部分进入机组冷凝器；当机组的运行模式为MODE 3时，冷却水全部进入机组冷凝器。

图2 电子厂房自然供冷系统的三种运行模式

系统运行模式的控制是由冷却塔出水温度Tct,out、用户侧回水温度Tret,1、冷水机组供水温度设定值Tsup,set及冷冻水回水经过板式换热器换热后的温度Tret,2决定的。控制逻辑如图3所示。

图3 电子厂房自然供冷系统运行模式控制逻辑图

该控制逻辑根据室外气象参数（干球温度Tdb、湿球温度Twb）、用户侧的回水温度Tret,1以及由冷却塔和板式换热器预测模型预测出的冷却塔出水温度Tct,out和冷却水经板式换热器换热后出水温度Tret,2。当Tret,1＞Tct,out时，说明利用冷却塔和板式换热器可以降低冷水机组的回水温度，即减少冷水机组的负荷，因此可以达到节能的目的。当Tsup,set＞Tret,1t时，说明利用冷却塔和板式换热器完全可以替代冷水机组供冷，即可进入完全自然供冷模式MODE 1。若Tret,1＜Tct,out时，即无法利用冷却塔降低冷水机组的回水温度，此时进入机组单独供冷模式MODE3。

在完全自然供冷模式MODE 1和机组单独供冷模式MODE 3时，冷却塔的冷却水出水流量控制相对简单，要么完全流向板式换热器，要么完全流向冷水机组。而在联合供冷模式MODE 2时，冷却水出水流量控制比较复杂。若流向板式换热器的流量增加，板式换热器获得的冷量增加，减少了冷水机组的负荷，进而减少冷水机组的能耗；然而，流向板式换热器的流量增加就意味着流向冷水机组的流量减少，冷水机组的冷凝压力就会增加，冷水机组的COP就会降低，这又增加了冷水机组的能耗。因此，合理地调节冷却水的流向板式换热器和机组的流量，可以达到最佳的节能效果。

2 冷却水流量分配控制策略

2.1系统能耗目标方程

自然供冷空调系统的水侧能耗设备有水泵、压缩机和冷却塔风机。为了最大限度地利用环境中的冷量，冷却塔的4台风机保持全部开启，因此可以认为冷却塔风机的能耗是固定的。流向板换的冷却水流量变化不仅影响压缩机的能耗同时也影响着水泵的能耗，然而对整个系统而言，水泵的能耗变化较小，整个系统的能耗Psystem主要还是取决于压缩机的功耗Pcomp,i，因此能耗目标方程可最终简化为如下所示：

2.2 冷却水流量动态分配控制策略

通过前面分析可知，在满足用户侧负荷需求的条件下，冷却水的流量分配存在一个最佳的值使得整个系统的能耗最小。假设冷却水流向板式换热器的流量比例为x，而使得整个系统能耗最小的x值由冷却水流量动态分配控制优化控制器给定，设计的动态分配优化控制器逻辑如图4所示。

冷却水流量动态分配控制器通过变流量板式换热器模型预测出冷却水和冷冻水经过板式换热器换热后的出口温度，再由机组模型预测出冷水机组的COP及压缩机的能耗。通过Fibonacci优化算法获取使得整个系统能耗最低时的分配比例x。

图4 动态比例分配优化控制器逻辑图

由于x值的变化将引起下一时刻冷却塔的进水温度的变化，进而影响冷却塔的出水水温，并对下一时刻系统的能耗产生影响。因此，为了防止冷却塔出水水温的剧烈变化，应将x的值限定在一定的范围内。冷却塔出水水温预测模型用于预测冷却塔出水温度，得到的结果作为约束条件，限定x的取值范围。同时还应考虑冷凝器的冷凝压力，用冷凝温度作为约束条件，防止冷凝器压力过低。

3 预测模型与优化算法

3.1冷却塔出水温度预测模型

冷却塔利用水和空气，通过蒸发作用散去制冷空调所产生的热量。在冷却塔结构参数确定的情况下，冷却塔的换热量主要与室外空气的湿球温度、冷却塔的水流量等因素有关。这意味着冷却塔的出水温度主要与室外空气的湿球温度Twb、通过冷却塔的水流量Mct、冷却塔的进水温度Tct,in等因素有关[6]，即

通过冷却塔供应商提供的数据对系数a0、a1、a2、a3进行回归，得到的系数如表1所示。

表1 冷却塔出口水温预测模型参数表

3.2机组模型

在冷冻水量和冷却水量一定的情况下，由于冷冻水供回水温差和冷却水供回水温差的变化都是与机组部分负荷率相关联的，因此，用机组的部分负荷率PLR可以基本表述机组COP的变化情况。在冷却水量变化的情况下，仅仅用PLR预测机组的COP是不够的。由于机组的能耗与制冷量、冷冻水的出口温度及冷却水的进口温度Tcdin有关[7]。

由于蒸发器出口温度即为用户侧供水温度Tsup,set，该温度由用户侧确定，可认为是固定值。同时将冷却水流量Mcd变化引起的影响考虑进去，因此，

通过冷水机组供应商提供的数据对系数c0、c1、c2、c3、c4、c5进行回归，得到系数如表2所示。

表2 机组COP预测模型相关参数

3.3变流量工况下的换热器模型

在计算系统的能耗时，需要确定蒸发器进口处的冷冻水温度，即冷冻水经过换热器换热之后温度Tret,2。当电子厂房空调系统处于机组与冷却塔联合供冷模式时，进入板式换热器与冷冻水进行换热的冷却水流量是变化的。此时，若仍然采用传统的换热器模型，由于其忽略了两侧流量变化对对流传热系数的影响，则会造成系统能耗计算方面的误差。因此，需要建立一个能反映变流量工况下系统特性的换热器模型。

可利用相对传热系数来反映变流量工况下传热系数的变化。相对传热系数的定义为变流量工况下的实际传热系数与设计工况下的传热系数之比[8]。

式中：α1和α2是实际情况下一次侧和二次侧对流换热系数分别与设计工况下对应的对流换热系数的比值；e是设计工况下一次侧与二次侧换热系数的比值，可由实验或者生产厂家数据获得（本文根据厂家提供的数据，取e=0.85）。

求取Tret,2及相关的换热器传热过程参数可由式（5）～（11）获取：

式中：CC表示冷却水侧的水当量；CH表示冷冻水侧的水当量；Mcc、Mch分别为当前通过换热器的冷却水流量和冷冻水流量；Cpw为水的比热容；Qhex为换热器当前的换热量。

3.4Fibonacci优化算法和罚函数法

由于每一时刻的冷却塔出水温度值Tct,out和用户侧回水温度值Tret,1可由温度传感器测得，因此影响整个系统能耗的变量只有x的值。x的值的搜索区间为[0,1]，系统能耗目标方程即为其对应的优化函数。在区间[0,1]上选取两个初始点x1和x2，x1和x2是关于区间[0,1]的对称点：

若f(x1)≤f(x2)，则极小点在[0,x2]上，x1为保留点；若f(x1)＞f(x2)，则极小点在[0,x1]上，x2为保留点。通过不断的收缩区间，可最终获得最小值点。

目标函数中的各参数可由模型计算或是预测出，考虑到相应的约束条件，可通过在目标函数中加入罚函数可将寻优过程变成无约束条件下的寻优，优化函数表达式应为：

式中：σ为惩罚因子；Tcd,min为冷凝器所允许的最低压力对应的冷凝温度；T'cd,out为x对应的下一时刻的冷却塔出水温度预测值，为了确保冷却塔出水温度短时间无剧烈波动，限定预测值与当前值的差值在1℃以内。

取x的收敛精度为0.01，则根据Fibonacci数列可知，Fn+1=144，Fn-1=55，经过11次迭代计算后可得最小值对应的x值。

4 控制策略的仿真验证与结果分析

本文对自然供冷空调系统冷却水动态流量控制策略进行了仿真验证。仿真验证试验是在基于TRNSYS开发的电子厂房自然供冷空调水系统动态仿真器上进行的[5]。本文选取了上海地区11月15日的气象数据分别对采用固定流量分配策略（x=0、0.5、1）的系统和采用动态流量分配策略的系统进行仿真试验。

图5为11月15日的室外气象参数，图6为电子厂房的冷负荷。工厂的空调工作时间为早上8点到晚上8点。

图5 室外气象参数（11.15）

图6系统负荷（11.15）

图7 为采用动态流量分配策略得出的最佳分配比例示意图（其中x为冷却塔出水流向板换的比例）。图8为采用不同流量分配策略时的系统能耗对比图。

图7 最佳流量配比

图8 不同流量分配控制策略系统能耗对比

由图8，x=1时采用机组单独供冷，此时虽可以满足系统的冷负荷，但却未有效地利用环境中的冷量；x=0.5时则既能满足系统负荷同时也能部分利用环境冷量，比x=1时更加节能。而与固定流量分配策略相比，采用动态流量分配策略可以更有效地减小系统能耗，15日系统的节能率可达17%。而x=0时，即所有的系统负荷由板换承担，此时机组不开，系统能耗虽然最低，但却无法满足系统的能耗，无法满足用户侧回水温度的需求，如图9所示。

图9 x=0时的用户侧回水温度

进一步选取11月16日、17日的气象数据进行仿真试验（固定分配策略只取x=0.5），发现采用动态流量分配策略分别可节省系统能耗23%、22%。因此，对于需要常年供冷电子厂房，利用冷却塔自然供冷进行节能改造时，可采用动态流量分配控制策略，在满足系统负荷的同时，进一步地节能降耗。图10为11月15日至17日采用不同流量分配策略时系统能耗对比图。

图10 采用不同分配策略时系统能耗对比（11.15～11.17）

5 结论

本文在仿真试验的基础上，提出了一种基于系统能耗最低的动态流量分配策略，用于电子厂房自然供冷空调系统的冷却塔出水流量控制。仿真试验表明，采用此动态流量分配策略，可以有效地减少系统能耗，节能效果明显。

[1]J C Hensley.The application of cooling tower for free cooling[J]. ASHRAE Trans,1994,100(1):817-823

[2]马最良,孙宇辉.冷却塔供冷技术在我国应用的模拟与预测分析[J].暖通空调,2000,30(2):5-8

[3]孙敏生,诸群飞.冷却塔供冷关键技术问题分析[J].暖通空调, 2008,38(增):81-86

[4]马最良,孙宇辉.冷却塔供冷系统运行能耗影响因素的研究与分析[J].暖通空调,2000,30(6):20-22

[5]何克青,晋欣桥.电子厂房空调系统自然供冷率及节能分析[J].建筑热能通风空调,2011,30(6):58-61

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Study on Cooling Wa te r Flow Control Stra te gy of Ele c tronic Pla nt HVAC Sys te m w ith Fre e Cooling

ZENG Xiao-qing,JIN Xin-qiao,DU Zhi-min
School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University

A simplified model of electronic plant HVAC system with free cooling was build based on TRNSYS platform.In order to minimize the power consumption of the system,a cooling water flow control strategy was presented and validated.The test results show that it can save more energy than the fixed flow strategies.

free cooling,control strategy,power consumption

1003-0344（2014）06-001-5

2013-9-22

曾晓庆（1989～），女，硕士研究生；上海交通大学机械与动力工程学院（200240）；E-mail:yiyunwhite@sjtu.edu.cn