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中央空调冷冻水系统基于碳排放的优化仿真

中央空调冷冻水系统基于碳排放的优化仿真

作者：杜丽媛东华大学

学位级别：硕士

据国际能源署研究,建筑行业的能源消耗占了全球能源消耗的30～40%,排出的温室气体占全球的30%。因此在“双碳目标”的政策下,建筑行业的压力是巨大的。为达到这一目的,对高耗能的建筑行业中的高耗能系统——中央空调系统进行节能优化必... 详细信息

据国际能源署研究,建筑行业的能源消耗占了全球能源消耗的30～40%,排出的温室气体占全球的30%。因此在“双碳目标”的政策下,建筑行业的压力是巨大的。为达到这一目的,对高耗能的建筑行业中的高耗能系统——中央空调系统进行节能优化必不可少。而在中央空调系统中,冷冻水系统的能耗占系统能耗总量的60%以上,能源浪费现象较为普遍。因此本文以中央空调冷冻水系统为主要研究对象,以中央空调系统的碳排放量最小为目标,对冷冻水供水温度进行优化设计。本文首先综述了建筑行业碳排放计算的国内外发展现状,总结了建筑全生命周期碳排放计算的方法。建立了适用于中央空调冷冻水系统的全生命周期碳排放核算数学模型。考虑了冷冻水系统的运行阶段、末端盘管的生产阶段与回收阶段的碳排放。并针对本文建立的建筑模型基于De ST软件进行了全年动态负荷模拟。第一,为了计算系统运行阶段的碳排放,基于冷水机组,冷冻水泵等主要设备的能耗模型在TRNSYS模拟软件上搭建了中央空调冷冻水系统运行仿真平台,并在其中嵌入碳排放核算数学模型。平台可以分为参数输入,结果输出,系统循环和控制模块四个功能区。然后基于数学模型以及仿真平台的模拟数据分析了冷水机组能效(COP),冷水机组能耗,冷冻水泵能耗,冷冻水系统运行阶段碳排放量随冷冻水供水温度的变化规律。仿真发现冷水供水温度从8℃升高到9℃时冷水机组体现的节能效果是最好的;在负荷率大部分为0.3～0.5的过渡季节运行下的冷水机组具有很大的节能潜力。第二,由于增加冷冻水供水温度会对末端送风造成除湿不足的不利影响,本文考虑了提高供水温度的同时增大末端盘管的换热面积以弥补末端除湿能力。在末端盘管面积数学模型和碳排放计算模型的基础上,分析了中央空调系统全生命周期碳排放量与末端面积的关系:中央空调冷冻水系统盘管初投资增加的碳排放量仅占冷冻水系统运行减小的碳排放量的千分之三;对本文的虚拟建筑房间来说,在负荷率为1的条件下,盘管面积小于24.46m时,盘管面积每增大6%,中央空调冷冻水系统供冷期间可以减少的总碳排放量约为24.04kg CO。因此增大盘管面积来抵消增大冷水供水温度的副作用仍然具有很好的经济性。第三,总结了全生命周期碳排放量与冷冻水供水温度的关系,分析冷冻水系统节能优化的经济环境效益。发现对本文的建筑模型来说,提高1℃的供水温度,2208个小时的计算时间段内平均约节省24.04kg CO的碳排放;随着供水温度的增加,碳排放总量变化幅度是减小的,并在t=10℃时达到该调节方式的最小值。另外,利用Python语言基于集成优化求解器Gurobi对完整的碳排放核算模型进行冷冻水供水温度优化,求解出不同末端设计面积下的部分负荷最优冷冻水供水温度以及能实现的最小碳排放总量。发现在满足末端除湿要求的情况下,负荷率为0.5,0.6,0.7时增大冷冻水供水温度具有最好的经济环境效益。

关键词：全生命周期碳排放计算模型冷冻水系统冷冻水供水温度盘管面积

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中央制冷空调冷冻水系统模糊RBF控制研究

电机与控制学报 2017年第5期21卷 110-116页

作者：孙丽萍李元张冬妍刘亚秋东北林业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150040

针对中央空调冷冻水系统回水温度快速准确调节问题,提出基于模糊径向基函数(radial basis function,RBF)网络的变流量回水温度智能控制方法。首先,对冷冻水系统旁通阀门的水量开度、泵组转速等输入量,按照模糊控制理论,进行模糊化与反... 详细信息

针对中央空调冷冻水系统回水温度快速准确调节问题,提出基于模糊径向基函数(radial basis function,RBF)网络的变流量回水温度智能控制方法。首先,对冷冻水系统旁通阀门的水量开度、泵组转速等输入量,按照模糊控制理论,进行模糊化与反模糊化处理,获得归一化的输入信息向量;然后,利用能够全局寻优的RBF网络进行温度预测,不断迭代预测产生理想的预测温度;最后,当期望温度与预测迭代的温度残差小于门限值时,停止迭代,输出并记录温度,完成冷冻水系统的非线性温度控制。仿真实验表明,相比于传统反向神经(back propagation,BP)网络控制,RBF控制方法迭代次数更少且精度更高,能够提高系统的整体性能。

关键词：中央空调冷冻水系统径向基函数模糊控制反向传播神经网络

随机负荷约束下的冷冻水系统能效特性及末端近似优化研究

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随机负荷约束下的冷冻水系统能效特性及末端近似优化研究

作者：陈文鉴华南理工大学

学位级别：硕士

空调系统末端设备的选型主观性较强,高度依赖设计人员的经验。在使用过程中,一方面,空调设计参数的改变与负荷工况的变化会导致空调末端偏离其设计工况,造成极大的能源浪费。另一方面,中央空调系统末端的优化设计存在巨大的问题,传统优... 详细信息

空调系统末端设备的选型主观性较强,高度依赖设计人员的经验。在使用过程中,一方面,空调设计参数的改变与负荷工况的变化会导致空调末端偏离其设计工况,造成极大的能源浪费。另一方面,中央空调系统末端的优化设计存在巨大的问题,传统优化算法不能适应于多变量高维度的末端优化问题。故探究热湿负荷与末端性能参数对中央空调系统运行的影响机理,寻求合理的空调末端选型优化方法,对解决中央空调冷冻水系统高效运行问题具有良好的理论价值和研究意义。本文以典型的冷冻水管网系统为研究对象,构建末端设备的热力模型与同程管网的水力模型,探究空调各设计参数对中央空调系统末端设计选型及中央空调系统运行特性的影响,并通过蒙特卡洛概率生成模型,模拟末端热湿负荷与末端设备设计选型的随机性,研究负荷与末端设计选型的随机波动对中央空调系统能效特性的影响。研究结果为探索热湿负荷及设备选型随机性约束下的优化控制策略提供理论指导。对末端设计选型进行能效特性分析可得末端选型匹配的基本规律,在此规律的基础上,以能源利用效率为目标函数,通过随机走步变步长的近似优化方法,建立中央空调系统末端优化模型,并探究不同设计参数对优化算法的影响。针对负荷的随机性,提出次优理论,以次优解群中概率密度最高的末端选型作为次优解,获得对不同负荷适应性最好的末端选型,通过反向验算与实际验算证明次优方法的有效性。在考虑全年负荷的情况下,以广州某办公室为例,通过De ST软件模拟建筑实际全年负荷,并统计多种典型负荷工况,使用近似优化方法并分析其优化机理。结果表明,随机走步的近似优化算法和次优理论可以提高中央空调冷冻水系统能源利用效率以及对随机负荷的适应性。在考虑全年负荷的条件下,优化算法对末端选型也具有一定的优化效果。本方法为设计人员末端选型提供理论指导,对末端的选型优化有重要作用。本文还开发一种空调系统缩尺实验平台,对中央空调系统进行仿真模拟,为中央空调系统的设计和控制策略优化提供有效数据支持。

关键词：冷冻水系统次优理论末端优化近似优化算法

既有数据中心中央空调冷冻水系统节能优化研究

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既有数据中心中央空调冷冻水系统节能优化研究

作者：黄俊霖华南理工大学

学位级别：硕士

近年来我国数据中心规模高速增长,与此同时带来了巨大的能源资源消耗。空调系统作为数据中心最重要的耗能设备,其能效提升对推进绿色数据中心建设至关重要。数据中心信息化管控系统的建设,为系统智能运行策略的进一步优化升级奠定了数... 详细信息

近年来我国数据中心规模高速增长,与此同时带来了巨大的能源资源消耗。空调系统作为数据中心最重要的耗能设备,其能效提升对推进绿色数据中心建设至关重要。数据中心信息化管控系统的建设,为系统智能运行策略的进一步优化升级奠定了数据基础。本文以我国夏热冬暖地区某既有数据中心机楼为研究对象,提出了一种数据中心中央空调冷冻水系统节能优化方法。根据数据中心室外天气条件和机房IT设备负载等情况,优化冷冻水系统运行参数,提高中央空调系统能效,进而降低数据中心的PUE。本文主要研究工作包括:(1)通过分析数据中心完成信息化管控系统建设后的空调节能效果,提出应从冷冻水系统中进一步挖掘节能潜力;对数据中心空调负荷的主要因素进行了定量分析,结果表明该数据中心空调负荷仅与机房IT设备负载有关,同时其波动较小且趋于稳定。(2)在数据预处理中,考虑到数据存储周期的差异,采用牛顿插值法对机房平均温度数据集进行扩充;针对设备相互之间存在性能差异的问题,分析了冷水机组和冷冻水循环泵的常用运行模式;通过运行模式划分,对设备非稳态与异常数据进行了清洗,从而确保后续数据挖掘工作的可靠性。(3)为简化模型并应用于工程实际,结合影响因素的相关性分析结果,建立了基于XGBoost的中央空调能耗模型。该模型的特征变量包括室外天气参数、冷冻水系统参数、设备运行模式,采用贝叶斯方法完成超参数优化后,模型的交叉验证性能指标R为0.913,RMSE为23.47,MAPE为2.64%。(4)根据数据中心机房环境温度的类别,采用随机森林回归,分别建立了机房冷通道、机房热通道、动力电池室的温度预测模型。在建模步骤中,采用了逐步回归的前向选择法确定各模型的最佳输入特征,并采用贝叶斯方法优化模型的超参数,最终得到的三种机房温度预测模型R分别为0.936,0.961,0.981。(5)以冷冻水系统参数和设备运行模式为决策变量,中央空调能耗模型为目标函数,机房温度预测模型为性能约束条件,建立了中央空调冷冻水系统优化模型,并采用ASA-PSO算法求解模型;从每月历史数据中随机选取3个典型日对优化模型进行求解验证,计算结果表明,经该模型优化后的中央空调系统平均节能率为5.71%。

关键词：数据中心中央空调冷冻水系统节能优化

数据驱动的空调冷冻水系统建模与优化控制研究

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数据驱动的空调冷冻水系统建模与优化控制研究

作者：张迎山东建筑大学

学位级别：硕士

中央空调冷冻水系统是中央空调系统的主要组成部分,其实现智能化、低能耗运行,是智能建筑技术发展攻克的主要瓶颈之一。中央空调冷冻水系统经常因室内冷负荷建模困难、温度控制与人流量不匹配等问题造成建筑能源极大的消耗。因此,本文... 详细信息

中央空调冷冻水系统是中央空调系统的主要组成部分,其实现智能化、低能耗运行,是智能建筑技术发展攻克的主要瓶颈之一。中央空调冷冻水系统经常因室内冷负荷建模困难、温度控制与人流量不匹配等问题造成建筑能源极大的消耗。因此,本文针对压缩式中央空调冷冻水系统,从压缩式制冷系统实验平台搭建、基于数据的中央空调冷冻水制冷量分析建模、冷冻水系统优化控制等几个方面开展研究工作,利用智能优化算法、PID控制等技术,以期实现中央空调冷冻水系统的模糊建模与优化控制,从而降低能源消耗。本文主要研究内容如下:(1)根据蒸发器工作运行机理,本文建立了一种基于聚类算法的蒸发器自适应模糊神经网络系统(Adaptive Network-based Fuzzy Inference System,ANFIS)模型。本文利用相关性系数,对影响蒸发器换热量的数据变量进行分析;利用模糊聚类和减法聚类方法对蒸发器模型辨识的各个工况下的数据进行了聚类,以减少模型的复杂度。最终建立了以制冷剂的质量流量、蒸发器的饱和温度、制冷剂的饱和压力、蒸发器入口温度和蒸发器入口压力为输入,以蒸发器换热量为输出的蒸发器模型。对比实验表明,此方法在较少数据量的情况下,能够很好的预测蒸发器换热量。(2)基于改进ANFIS算法的中央空调冷冻水建模方法。本文利用粒子群算法和差分进化算法,对结合模糊聚类的ANFIS模型的前件参数和后件参数进行寻优,后以中央空调冷冻水系统为研究对象,通过相关性分析确定了中央空调冷冻水系统模型的输入输出变量,并以均方误差(Mean-Square Error,MSE)为智能算法寻优的误差评价指标。对比实验结果表明,基于差分进化、粒子群优化和模糊聚类的融合算法的ANFIS中央空调冷冻水系统,在自适应调参、高精度预测和易于应用等方面均有显著提升,且能显著降低样本偏差值。(3)基于社会粒子群算法优化PID参数的控制策略。针对中央空调冷冻水供回水温差控制精度低的问题,本文利用社会粒子群算法优化PID参数来实现对中央空调冷冻水温差控制,采用最小二乘的辨识方法,建立了冷冻水泵频率与供回水温差的传递函数模型,在Simulnk Model中搭建配套的冷冻水系统PID控制进行联合仿真,仿真实验结果表明基于社会粒子群算法优化的PID控制参数在中央空调冷冻水系统中具有良好的控制效果。

关键词：自适应模糊神经网络冷冻水系统智能算法 PID控制

冷冻水系统不同控制策略下节能性及可控性研究

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冷冻水系统不同控制策略下节能性及可控性研究

作者：王君可北京建筑大学

学位级别：硕士

众所周知,如何实现更好的节能已提到各个国家的能源日程上。公共建筑作为能耗大户,其空调系统具有很大的节能空间,而空调冷冻水系统的节能优化控制是实现空调系统节能的重要举措。本文以空调冷冻水系统为对象,分别涉及冷冻水系统中的变... 详细信息

众所周知,如何实现更好的节能已提到各个国家的能源日程上。公共建筑作为能耗大户,其空调系统具有很大的节能空间,而空调冷冻水系统的节能优化控制是实现空调系统节能的重要举措。本文以空调冷冻水系统为对象,分别涉及冷冻水系统中的变频泵控制系统和盘管-调节阀控制的送风温度控制系统。针对变频泵控制系统,主要分析了五种压差控制策略条件下水系统的节能性、稳定性和可靠性;针对现有盘管-调节阀控制的送风温度控制系统的控制策略存在的不足,提出了一种避免了盘管特性、且仅依赖调节阀特性的改进型流量控制策略。通过模拟仿真方法,对上述控制策略展开了相关模拟分析及优化研究。首先,进行了广泛的文献回顾,即包括国内对本文研究内容的研究概况,也对国外此类研究的内容进行了相关回顾。本文文献综述主要集中在冷冻水二次泵系统的变频控制策略和盘管-调节阀控制策略的研究两方面。通过文献回顾表面,对于变频泵控制方面,还未给出一种覆盖常用控制策略的综合对比分析,选出一种系统可靠性、节能性较佳的控制策略;对于盘管-调节阀控制的送风温度控制方面,学者们的研究目前仍然停留在如何更好的优化调节PI控制器参数方面。其次,对于水泵控制策略方面,基于文献回顾中所提到的二次泵变频控制策略,本文进行了展开论述,包括压差控制策略、流量控制策略、温差控制策略以及其它控制策略。而重点内容则详细地研究了目前常用的压差控制策略。通过对五种压差控制策略的数学建模,得到了变频器-马达-水泵微系统输入能耗模型,然后,结合假设的四种用户负荷构成情形,进行了理论分析。分析结果表明,冷冻水泵的控制策略没有标准的最佳控制策略,应根据系统形式、负荷特点不同而异,提出针对性的控制策略。对于盘管-调节阀控制系统方面,涉及比例-积分(PI)控制器、阀门、盘管等部件。比例-积分(PI)控制在HVAC系统中有着广泛的应用,由于PI控制器是为线性系统设计的,然而HVAC系统是非线性系统,正是这一主要矛盾,导致实际运行的HVAC系统普遍存在调节阀频繁动作或送风温度波幅较大等问题。因此,本文基于送风温度控制策略的基础上,提出了一种新的流量控制策略,两者的本质都是对送风温度进行控制,而流量控制策略则是把监测到的送风温度信号通过能量平衡方程计算转换成所需要的冷冻水流量信号,PI控制器监测的是流量信号而非温度控制策略的温度信号,然后计算偏差,输出控制信号,完成最终阀门调节的动作。流量控制策略的整个控制环路中间接地避免了盘管,只存在调节阀的控制,因而使得过程较接近线性控制,更加符合PI控制器的特点。为了验证本文提出的流量控制策略的优越性,对两种控制策略进行了建模分析。首先,根据送风温度控制系统中涉及的部件进行逐一建模,获得各部件时间常数或增益模型,然后,各部件模型依据闭环系统控制环路方框图,计算环路总传递函数,获得特征方程与标准特征方程比较,得到了两种控制策略下的PI控制器增益。最后,以实际选用的冷冻水变流量二次泵系统为例,针对上述内容提到的各种控制策略进行一系列的模拟对比分析。模拟分析表明,针对变频泵控制策略,综合系统节能性和稳定性两方面的考虑,推荐选用最不利环路压差控制策略和末端定压差控制策略,两者之间的选择视具体系统的负荷特点及分布情况来定;针对盘管-调节阀控制策略,所提出的改进型控制算法相对于现有控制策略具有更好的控制精度,提升了控制系统的调控水平。

关键词：冷冻水系统控制策略部件模型 PI控制器稳定性

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冷冻水系统运行能效优化浅析

石化技术 2021年第7期28卷 51-54页

作者：康雯杨新疆巴州塔里木能源有限责任公司新疆库尔勒841000

冷冻水系统在轻烃装置和乙烷回收装置能效利用越来越受到油田公司和社会各界重视。原有轻烃装置设置风冷制冷机组4台,冷冻水系统循环采用冷冻水循环泵作为循环动力,采用机械闭式循环。主要给天然气压缩机3个用户和轻烃装置3个用户提供... 详细信息

冷冻水系统在轻烃装置和乙烷回收装置能效利用越来越受到油田公司和社会各界重视。原有轻烃装置设置风冷制冷机组4台,冷冻水系统循环采用冷冻水循环泵作为循环动力,采用机械闭式循环。主要给天然气压缩机3个用户和轻烃装置3个用户提供冷量介质。新建投产乙烷装置采用水冷制冷机组4台,与原轻烃装置系统对接并联使用。轻烃装置的冷冻水循环系统,逐渐突显出冷冻水系统设备故障率高和能耗高的问题。通过不断摸索和研究,针对冷冻水系统高能耗进行优化调整,并应用到现有乙烷装置,实现能耗最优。

关键词：冷冻水系统节能技术喷淋水制冷机组

某三代核电站电气厂房冷冻水系统功能与布置设计

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核科学与工程 2018年第3期38卷 514-522页

作者：徐国飞赵振晖林达平中国核电工程有限公司北京100084

为确保核电厂的主控室、电气厂房控制柜间内的DCS设备、应急硼注入系统及中、低压安注泵的正常运行以及主控室操作人员的可居留性,需合理布置电气厂房冷冻水的管道和设备。本文介绍了电气厂房冷冻水系统的设计研发过程,详细分析了其系... 详细信息

为确保核电厂的主控室、电气厂房控制柜间内的DCS设备、应急硼注入系统及中、低压安注泵的正常运行以及主控室操作人员的可居留性,需合理布置电气厂房冷冻水的管道和设备。本文介绍了电气厂房冷冻水系统的设计研发过程,详细分析了其系统功能。通过对设备和管道布置的功能性、可靠性、可操作性和经济性等布置原则的分析,完成了系统设备和管道的布置,为核电站的安全运行提供可靠的保障。

关键词：三代核电站电气厂房冷冻水系统

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变频技术在核岛冷冻水系统中的应用研究

中国核电 2023年第6期16卷 818-823页

作者：刘小源深圳中广核工程设计有限公司广东深圳518172

核岛冷冻水系统是为核岛通风空调提供冷源的冷水系统。由于核电工艺的特殊性以及环境条件的复杂性,要求冷冻水系统具有对宽范围负荷变化的适应能力,且冷水机组和水泵的配置必须满足夏季最大负荷要求。但在实际运行中,满负荷运行时间较短... 详细信息

核岛冷冻水系统是为核岛通风空调提供冷源的冷水系统。由于核电工艺的特殊性以及环境条件的复杂性,要求冷冻水系统具有对宽范围负荷变化的适应能力,且冷水机组和水泵的配置必须满足夏季最大负荷要求。但在实际运行中,满负荷运行时间较短,其他负荷运行时制冷能力被白白浪费,增大了电能消耗。研究将变频技术应用于核岛冷冻水系统的可行性,并分析应用变频技术的经济性,以达到核电厂节能降耗的目的。

关键词：变频技术核电厂冷冻水系统水泵能耗