CN111798045A - 一种中央空调冷冻水系统节能优化方法 - Google Patents

一种中央空调冷冻水系统节能优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，以冷水机组和冷冻水泵为目标，利用对冷水机组和冷冻水泵进行综合优化，将冷冻水供水温度以二进制的形式进行编码，在优化时更容易去改变其中多个编码，完成冷冻水供水温度的改变，能够更容易去计算出当前工况下最优的冷冻水温度设定值；然后根据冷冻水温度计算出对应的流量要求，寻找对应情况下最优的冷冻水泵开启台数、冷冻水泵的转速时，对冷冻水泵部分的优化采用完全试验法进行寻优；减小了最优解验证工作量，缩短寻优时间；在对冷冻水供水温度二进制编码进行克隆变异时，根据不同中央空调冷冻水系统复杂程度，改变冷冻水供水温度二进制编码克隆的个体数以及变异编码位数，灵活方便。

Description

一种中央空调冷冻水系统节能优化方法
技术领域
本发明属于中央空调技术领域，特别涉及一种中央空调冷冻水系统节能优化方法。
背景技术
近年来，随着城市化建设的快速发展，导致建筑能耗大幅升高，建筑节能研究成为节能研究的一个重要方向；而其中空调系统的运行能耗最高，约占到建筑总能耗的60％以上，成为建筑运行中的主要耗能对象。冷冻水系统作为中央空调系统的重要组成部分，在中央空调系统实际运行总能耗中占比为30％-40％，冷冻水系统的优化运行在很大程度上影响着整个中央空调系统的能耗。因而，冷冻水系统的安全稳定，高效节能运行对中央空调至关重要，冷冻水系统运行能效的高低对建筑能耗影响较大，是建筑节能的有力切入点。
现有的中央空调系统中冷冻水系统工作流程如附图1所示，冷冻水系统主要由冷水机组、冷冻水泵、风机盘管等设备组成；其工作流程为：首先冷冻水流经冷水机组，经冷水机组工作后，冷冻水供水温度达到设定的冷冻水供水温度值，然后通过改变冷冻水泵的开启台数、转速来控制冷冻水流量，经输送管道送到风机盘管，与室内空气不断进行热交换，完成工作后的冷冻水回水回到冷水机组，由此完成不断的循环。
冷冻水系统的主要耗能设备为冷水机组和冷冻水泵，这两种设备的能耗在整个中央空调系统中所占比例也非常大。因此，为了实现冷冻水系统的节能优化，主要是降低冷水机组和冷冻水泵的功耗。但目前实际运行中的冷冻水系统中的冷水机组和冷冻水泵的运行工况为固定工况，即设定的冷冻水的供水温度、冷冻水泵的转速及启停台数为固定值并不能的灵活调整，但由于冷水机组的功耗与冷冻水供水温度，冷冻水泵的功耗与冷冻水泵的转速、开启台数为强相关的关系，当中央空调系统负荷随着天气、人员等建筑环境变化而变化时，如果不能合理的调整冷冻水的供水温度、冷冻水泵的转速及启停台数，无疑增加了冷冻水系统的耗能，进而增加了中央空调系统的运行成本。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，以解决现有冷冻水系统中的冷水机组及冷冻水泵的运行工况为固定工况时，冷冻水系统的耗能较高，进而造成中央空调系统运行成本较高的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，包括以下步骤：
步骤1、确定冷冻水系统中冷水机组功耗函数和冷冻水泵的功耗函数；
步骤2、在冷冻水供水温度设定范围中，随机选取G个不同的冷冻水供水温度，作为种群一；采用间隔固定温差数值，选取M个不同的冷冻水温度，作为种群二；初始化处理后，并利用二进制编码，得到种群一初始化后的冷冻水供水温度二进制编码及种群二初始化后的冷冻水供水温度二进制编码；
步骤3、分别利用种群一初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码及种群二初始化后的冷冻水温度的二进制编码，计算得到，种群一中G个不同的冷冻水供水温度下对应的冷冻水流量及种群二中M个不同的冷冻水供水温度下对应的冷冻水流量；
步骤4、采用完全试验法，计算种群一中G个不同的冷冻水供水温度下，开启不同冷冻水泵时，冷冻水泵的总功耗；计算种群二中M个不同的冷冻水供水温度下，开启不同冷冻水泵时，冷冻水泵的总功耗；
步骤5、将每个冷冻水供水温度下，冷冻水泵的总功耗最小时，对的应冷冻水泵开启台数，作为当前冷冻水供水温度下的冷冻水泵开启台数，进而得到种群一中G个不同冷冻水供水温度下，优化后冷冻水泵的功耗及对应的冷冻水泵转速；以及种群二中M个不同冷冻水供水温度下，优化后冷冻水泵的功耗及对应的冷冻水泵转速；
步骤6、分别计算出两个种群中每个冷冻水供水温度下，对应的冷水机组的功耗，进而得到种群一的冷冻水系统总功耗序列及种群二的冷冻水系统总功耗序列；
步骤7、分别对种群一及种群二的冷冻水系统总功耗序列中，对应的初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码，进行克隆，变异后，得到种群一变异后的冷冻水供水温度二进制编码及种群二变异后的冷冻水供水温度二进制编码；
分别对种群一及种群二初始化后的冷冻水供水温度二进制编码与其变异后的冷冻水供水温度二进制编码进行比较；保留冷冻水系统总功率最小时，对应的种群一的冷冻水供水温度二进制编码及对应的种群二的冷冻水供水温度二进制编码；同时，分别对种群一及种群二中剩余未进行克隆的冷冻水供水温度二进制编码，进行重生成刷新；
步骤8，判断种群一和种群二是否满足独立运行次数n的要求；如果不满足独立运行次数n的要求，重复步骤4-7；如果满足独立运行次数n的要求，则采用移民算子规则，对两个种群中的冷冻水供水温度进行交换；
步骤9，对两个种群中的冷冻水供水温度进行交换后，重复步骤4-7；判断是否满足最大运行次数的要求，如果不满足，重复步骤8；如果满足，则根据刷新后的两个种群中的冷冻水供水温度二进制编码，计算出冷冻水系统能耗最小情况下，对应的冷冻水供水温度、冷冻水泵的开启台数及转速，优化结束。
进一步的，步骤1中，根据外界负荷需求、冷水机组的性能参数及冷冻水泵的性能参数，确定冷水机组的功耗参数；
其中，冷水机组的功耗函数的数学表达式为：
Pchiller＝c1+c2(Tcwr-Tchws)+c3(Tcwr-Tchws)2+c4(Tcwr-Tchws)Qe+c5Qe+c6Qe 2
其中，Pchiller为冷水机组的功耗函数；Tcwr为冷冻水的供水温度；Tchws为冷冻水的进水温度；Qe为机组负荷，c1、c2、c3、c4、c5及c6分别为冷水机组的性能系数。
进一步的，步骤1中，根据冷冻水的开启台数、冷冻水泵转速及冷冻水泵的流量，确定冷冻水泵的功耗函数；
其中，冷冻水泵的功耗函数的数学表达式为：
Pchiller pump＝a0+a1·w·Q0+a2·w2·Q0 2+a3·w3·Q0 3
其中，Pchiller pump为冷冻水泵的功耗函数，Q0为冷冻水泵的额定流量，a0、a1、a2及a3分别为冷冻水泵的性能系数。
进一步的，步骤2中，种群一或种群二初始化后的冷冻水供水温度二进制编码采用向量N表示，向量N的数学表达式为：
Figure BDA0002563168710000041
其中，在向量N中，每一行表示一个冷冻水供水温度二进制编码；nj,i为第j个冷冻水供水温度的第j个二进制编码值；L为每个初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码长度。
进一步的，每个初始化后的冷冻水供水温度二进制编码长度L的计算公式如下所示：
L＝c(log2((Tmax-Tmin)/p))
其中，Tmax为冷冻水供水温度设定范围的上限值，Tmin为冷冻水供水温度设定范围的下限值；p为冷冻水供水温度的精度；c为取整操作。
进一步的，步骤3中，某个冷冻水供水温度下对应的冷冻水流量，根据冷冻水循环和冷水机组内部工质循环中存在的能量平衡关系计算得到；
其中，冷冻水循环和冷水机组内部工质循环中存在的能量平衡关系如下所示：
Qe＝Q·c水(Tchwr-Tchws)
其中，c水为冷冻水的比热容；Tchwr为冷冻水的回水温度；Q为冷冻水泵的流量。
进一步的，步骤4中，采用完全试验法，计算不同冷冻水供水温度下，开启不同冷冻水泵时，冷冻水泵的总功耗时，具体步骤如下：
步骤41、给定系统所需的冷冻水泵的流量及扬程；
步骤42、在某个冷冻水供水温度下，分别计算在冷冻水泵开启台数为1、2、…m时，冷冻水泵的总功耗；其中，m为冷冻水系统中冷冻水泵的最大台数；
步骤43、重复步骤42，分别计算得到种群一中G个不同的冷冻水供水温度下，开启不同冷冻水泵时，冷冻水泵的总功耗；及种群二中M个不同的冷冻水供水温度下，开启不同冷冻水泵时，冷冻水泵的总功耗。
进一步的，步骤6中，某个冷冻水供水温度下，冷冻水系统的总功耗的数学表达式为：
Pall＝Pchiller+Pchiller pump
其中，Pall为某个冷冻水供水温度下，冷冻水系统的总功耗；
Pchiller为某个冷冻水供水温度下对应的冷水机组的功耗；
Pchiller pump为冷冻水供水温度下优化后冷冻水泵的功耗。
进一步的，步骤7中，采用自适应方法，分别对种群一及种群二的冷冻水系统总功耗序列中，对应的初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码，进行克隆；
其中，对种群一采用自适应方法进行克隆时，其自适应方法的数学表达式为：
Figure BDA0002563168710000051
对种群二采用自适应方法进行克隆时，其自适应方法的数学表达式为：
Figure BDA0002563168710000052
其中，αmax为每代群体中最大的亲和度函数数值；
αarg为每代群体的平均亲和度值；
αmin为每代群体中最小的亲和度函数数值；k1、k2及k3均为参数。
进一步的，步骤8中，采用移民算子规则，对两个种群中的冷冻水供水温度进行交换时，具体操作如下：
根据种群一的冷冻水系统总功耗序列及种群二的冷冻水系统总功耗序列，将两个种群内的冷冻水温度数值平均分成三段，
按照设定好的种群间个体交换规模d％进行交叉交换，即取两个种群的冷冻水供水温度数值第一段的d％代替对方种群冷冻水供水温度数值第三段的d％，取两个种群的冷冻水供水温度数值第二段的d％与对方种群冷冻水供水温度数值第二段的d％进行相互交换。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，通过以冷水机组和冷冻水泵为目标验证对象，利用对冷水机组和冷冻水泵进行综合优化，避免了仅对单一设备优化时，易造成冷冻水系统整体能耗的上升；将冷冻水供水温度以二进制的形式进行编码，在优化时更容易去改变其中几位编码，从而去完成冷冻水供水温度的改变，能够更容易去计算出当前工况下最优的冷冻水温度设定值；在根据冷冻水温度计算出对应的流量要求去寻找对应情况下最优的冷冻水泵开启台数、冷冻水泵的转速时，由于冷冻水泵开启台数为整数值且受到空调系统设计冷冻水泵台数的限制，对冷冻水泵部分的优化采用完全试验法进行寻优；减小了最优解验证工作量，缩短寻优时间；在对冷冻水供水温度二进制编码进行克隆变异时，可根据不同中央空调冷冻水系统复杂程度，改变冷冻水供水温度二进制编码克隆的个体数以及变异编码位数，灵活方便。
本发明所述的一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，以中央空调冷冻水系统内主要设备冷水机组和冷冻水泵为目标验证对象，相比于冷水机组冷冻水的供水温度，冷冻水泵的开启台数、转速为固定值情况运行下，本发明能够根据空调负荷需求不同，动态调整冷冻水系统的供水温度、水泵转速、启动台数。
附图说明
图1为现有的中央空调冷冻水系统的工作流程示意图；
图2为本发明所述的中央空调冷冻水系统节能优化方法流程示意图；
图3为本发明中的冷冻水泵采用完全试验法的寻优过程流程图；
图4为实施例中的中央空调冷冻水系统节能优化方法的收敛曲线图；
图5为实施例中的中央空调冷冻水系统的能耗对比图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图2-3所示，本发明提供了一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，包括以下步骤：
步骤1、确定冷冻水系统中冷水机组功耗函数和冷冻水泵的功耗函数；
其中，根据外界负荷需求、冷水机组的性能参数及冷冻水泵的性能参数，确定冷水机组的功耗参数；冷水机组的功耗函数的数学表达式为：
Pchiller＝c1+c2(Tcwr-Tchws)+c3(Tcwr-Tchws)2+c4(Tcwr-Tchws)Qe+c5Qe+c6Qe 2
其中，Pchiller为冷水机组的功耗函数；Tcwr为冷冻水的供水温度；Tchws为冷冻水的进水温度。
其中，根据冷冻水的开启台数、冷冻水泵转速及冷冻水泵的流量，确定冷冻水泵的功耗函数；冷冻水泵的功耗函数的数学表达式为：
Pchiller pump＝a0+a1·w·Q0+a2·w2·Q0 2+a3·w3·Q0 3
其中，Pchiller pump为冷冻水泵的功耗函数，Q0为冷冻水泵的额度流量，a0、a1、a2及a3分别为冷冻水泵的性能系数。
步骤2、在冷冻水供水温度设定范围中，随机选取G个不同的冷冻水供水温度，作为种群一；采用固定设定值的方式，即采用间隔固定温差数值，选取M个不同的冷冻水温度，作为种群二；分别对种群一中的G个不同的冷冻水供水温度和种群二中的M个不同的冷冻水温度进行初始化处理，并利用二进制编码，得到种群一初始化后的冷冻水供水温度二进制编码及种群二初始化后的冷冻水供水温度二进制编码；
其中，种群一和种群二初始化后的冷冻水供水温度二进制编码，均采用向量N表示；向量N的数学表达式为：
Figure BDA0002563168710000081
其中，在向量N中，每一行表示一个冷冻水供水温度的二进制编码；nj,i为第j个冷冻水供水温度的第j个二进制编码值；L为每个初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码长度。
其中，种群一和种群二中每个初始化后的冷冻水供水温度二进制编码长度L的计算公式如下所示：
L＝c(log2((Tmax-Tmin)/p))
其中，Tmax为冷冻水供水温度设定范围的上限值，Tmin为冷冻水供水温度设定范围的下限值；p为冷冻水供水温度的精度；c为取整操作。
步骤3、利用种群一初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码，计算得到，种群一中G个不同的冷冻水供水温度下对应的冷冻水流量；利用种群二初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码，计算得到，种群二中M个不同的冷冻水供水温度下对应的冷冻水流量；
其中，种群一和种群二中的任意一个冷冻水供水温度下对应的冷冻水流量，根据冷冻水循环和冷水机组内部工质循环中存在的能量平衡关系计算得到；
其中，冷冻水循环和冷水机组内部工质循环中存在的能量平衡关系如下所示：
Qe＝Q·c水(Tchwr-Tchws)
其中，c水为冷冻水的比热容；Tchwr为冷冻水的回水温度；Q为冷冻水泵的流量。
步骤4、结合步骤3中计算的种群一中G个不同的冷冻水供水温度下对应的冷冻水流量及种群二中M个不同的冷冻水供水温度下对应的冷冻水流量，采用完全试验法，分别计算种群一中G个不同的冷冻水供水温度下及种群二中M个不同的冷冻水供水温度下，开启不同冷冻水泵时，冷冻水泵的总功耗；具体步骤如下：
步骤41、给定系统所需的冷冻水泵的流量及扬程；
步骤42、在某个冷冻水供水温度下，分别计算在冷冻水泵开启台数为1、2、…m时，冷冻水泵的总功耗；其中，m为冷冻水系统中冷冻水泵的最大台数；
步骤43、重复步骤42，分别计算得到种群一中G个不同的冷冻水供水温度下，开启不同冷冻水泵时，冷冻水泵的总功耗；及种群二中M个不同的冷冻水供水温度下，开启不同冷冻水泵时，冷冻水泵的总功耗。
步骤5、将每个冷冻水供水温度下，冷冻水泵的总功耗最小时，对的应冷冻水泵开启台数，作为当前冷冻水供水温度下的冷冻水泵开启台数；进而得到种群一中G个不同冷冻水供水温度下优化后冷冻水泵的功耗及对应的冷冻水泵转速，以及种群二中M个不同冷冻水供水温度下优化后冷冻水泵的功耗及对应的冷冻水泵转速；
步骤6、计算出两个种群中每个冷冻水供水温度下对应的冷水机组的功耗；将种群一中G个不同冷冻水供水温度下，得到的G个冷水机组的功耗和G个冷冻水供水温度下优化后冷冻水泵的功耗相加，得到G个冷冻水系统的总功耗，并将G个冷冻水系统的总功耗，按从小到大依次排序，得到种群一的冷冻水系统总功耗序列；
将种群二中M个不同冷冻水供水温度下得到的M个冷水机组的功耗和M个冷冻水供水温度下优化后冷冻水泵的功耗相加，得到M个冷冻水系统的总功耗，并将这M个冷冻水系统的总功耗，按从小到大依次排序，得到种群二的冷冻水系统总功耗序列；
其中，种群一和种群二中某个冷冻水供水温度下，对应冷冻水系统的总功耗的数学表达式为：
Pall＝Pchiller+Pchiller pump
其中，Pall为某个冷冻水供水温度下，冷冻水系统的总功耗；
Pchiller为某个冷冻水供水温度下对应的冷水机组的功耗；
Pchiller pump为冷冻水供水温度下优化后冷冻水泵的功耗。
步骤7、对种群一的冷冻水系统总功耗序列中对应的初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码，采用自适应方法对种群一中Pm1％进行克隆操作，得到种群一克隆后的冷冻水供水温度二进制编码；
其中，对种群一采用自适应方法进行克隆时，其自适应方法的数学表达式为：
Figure BDA0002563168710000101
对种群二的的冷冻水系统总功耗序列中对应的初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码，采用自适应方法对种群二中Pm2％进行克隆操作，得到种群二克隆后的冷冻水供水温度二进制编码；
其中，对种群一采用自适应方法进行克隆时，其自适应方法的数学表达式为：
Figure BDA0002563168710000102
其中，αmax为每代群体中最大的亲和度函数数值；
αarg为每代群体的平均亲和度值；
αmin为每代群体中最小的亲和度函数数值；k1、k2及k3均为参数。
对种群一克隆后的冷冻水供水温度二进制编码更改三位进行变异操作，得到种群一变异后的冷冻水供水温度二进制编码；对种群二克隆后的冷冻水供水温度二进制编码更改三位完成变异操作，得到种群二变异后的冷冻水供水温度二进制编码；
将种群一初始化后的冷冻水供水温度二进制编码与种群一变异后的冷冻水供水温度二进制编码进行比较，保留冷冻水系统总功率最小时，对应的种群一的冷冻水供水温度二进制编码；将种群二初始化后的冷冻水供水温度二进制编码与种群二变异后的冷冻水供水温度二进制编码进行比较，保留冷冻水系统总功率最小时，对应的种群二的冷冻水供水温度二进制编码；
同时，对种群一中剩余未进行克隆的冷冻水供水温度二进制编码，按照步骤2的方式重新生成，完成种群一的冷冻水供水温度二进制编码的刷新；对种群二中剩余未进行克隆的冷冻水供水温度二进制编码，按照步骤2的方式重新生成，完成种群二的冷冻水供水温度二进制编码的刷新。
步骤8，判断种群一和种群二是否满足独立运行次数n的要求；如果不满足独立运行次数n的要求，返回到步骤4，继续依次往下执行；如果满足独立运行次数n的要求，则采用移民算子规则，对两个种群中的冷冻水供水温度进行交换；
其中，采用移民算子规则，对两个种群中的冷冻水供水温度进行交换时，具体操作如下：
根据种群一的冷冻水系统总功耗序列及种群二的冷冻水系统总功耗序列，将两个种群内的冷冻水温度数值平均分成三段，
按照设定好的种群间个体交换规模d％进行交叉交换，即取两个种群的冷冻水供水温度数值第一段的d％代替对方种群冷冻水供水温度数值第三段的d％，取两个种群的冷冻水供水温度数值第二段的d％与对方种群冷冻水供水温度数值第二段的d％进行相互交换。
步骤9，对两个种群中的冷冻水供水温度进行交换后，返回到步骤4，继续依次往下执行到步骤7，判断是否满足最大运行次数的要求，如果不满足，返回到步骤8，继续依次往下执行；如果满足，则根据刷新后的两个种群中的冷冻水供水温度二进制编码，计算出冷冻水系统能耗最小情况下对应的冷冻水供水温度、冷冻水泵的开启台数及转速，优化结束。
本发明所述的一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，通过以冷水机组和冷冻水泵为目标验证对象，利用对冷水机组和冷冻水泵进行综合优化，避免了仅对单一设备优化时，易造成冷冻水系统整体能耗的上升；将冷冻水供水温度以二进制的形式进行编码，在优化时更容易去改变其中几位编码，从而去完成冷冻水供水温度的改变，能够更容易去计算出当前工况下最优的冷冻水温度设定值；在根据冷冻水温度计算出对应的流量要求去寻找对应情况下最优的冷冻水泵开启台数、冷冻水泵的转速时，由于冷冻水泵开启台数为整数值且受到空调系统设计冷冻水泵台数的限制，对冷冻水泵部分的优化采用完全试验法进行寻优；减小了最优解验证工作量，缩短寻优时间；在对冷冻水供水温度二进制编码进行克隆变异时，可根据不同中央空调冷冻水系统复杂程度，改变冷冻水供水温度二进制编码克隆的个体数以及变异编码位数，灵活方便。
本发明提供一种设计难度小，能够根据空调负荷需求不同，动态调整冷冻水系统的供水温度、水泵转速、启动台数，减少冷冻水系统能耗的方法。
实施例
本实施例提供了一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，包括如下步骤，
步骤1，根据外界负荷需求，以及冷水机组、冷冻水泵的型号及性能参数，确定与空调负荷、冷冻水供水温度相关的冷水机组功耗函数、与冷冻水泵开启台数、冷冻水泵转速、冷冻水泵流量相关的冷冻水泵功耗函数。
冷水机组作为中央空调系统的冷源来源，其用电量达到了整个建筑总用电量的25％-40％。因此，冷水机组运行能耗的高低对冷冻水系统的整体节能会有比较大的影响。而冷水机组的功耗函数非常复杂，影响冷水机组运行能耗的因素很多，这就涉及到多个变量的输入，本发明查阅相关技术资料，确定了与冷冻水供水温度、冷却水的入水温度、机组负荷强相关的冷水机组功耗函数，其中，c1、c2、c3、c4、c5及c6分别为冷水机组的性能系数。
Pchiller＝c1+c2(Tcwr-Tchws)+c3(Tcwr-Tchws)2+c4(Tcwr-Tchws)Qe+c5Qe+c6Qe 2
其中，Pchiller为冷水机组的功耗函数；Tcwr为冷冻水的供水温度；Tchws为冷冻水的进水温度。
冷冻水泵作为冷冻水系统的重要组成部分，其安全、稳定、高效运行，对整个冷冻水系统的能耗影响较大。由于中央空调系统全年大多数时间处于部分负荷下运行，对于变流量系统来说，流量随着负荷需求的变化而变化，在满足外界流量需求下，可以通过合理的调节冷冻水泵的启停台数、转速，达到冷冻水泵节能的效果。本发明考虑到冷冻水泵功率与流量具有强相关的关系，查阅相关技术资料，确定了与冷冻水泵流量相关的功耗函数，其中，a0、a1、a2及a3分别为冷冻水泵的性能系数。
Pchiller pump＝a0+a1·w·Q0+a2·w2·Q0 2+a3·w3·Q0 3
式中，Pchiller pump为冷冻水泵的功耗函数，Q0为冷冻水泵的额度流量。
步骤2，冷冻水供水温度的初始化，在冷冻水供水温度设定范围中，随机选取G个不同的冷冻水供水温度，作为种群一；采用固定设定值的方式，即采用间隔固定温差数值，选取M个不同的冷冻水温度，作为种群二；分别对种群一中的G个不同的冷冻水供水温度和种群二中的M个不同的冷冻水温度进行初始化处理，并利用二进制编码，得到种群一初始化后的冷冻水供水温度二进制编码及种群二初始化后的冷冻水供水温度二进制编码；
其中，种群一和种群二初始化后的冷冻水供水温度二进制编码，均采用向量N表示；向量N的数学表达式为：
Figure BDA0002563168710000131
在向量N中，每一行代表一种冷冻水供水温度的二进制编码；其中，种群一中共G行，种群二中共M行，分别对应种群一中G个不同的冷冻水供水温度的二进制编码和种群二中M个不同的冷冻水供水温度的二进制编码；nj,i为第j个冷冻水供水温度的第j个二进制编码值；L为每个初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码长度，其由冷冻水供水温度设定范围，冷冻水供水温度的精度共同确定。
其中，种群一和种群二中每个初始化后的冷冻水供水温度二进制编码长度L的计算公式如下所示：
L＝c(log2((Tmax-Tmin)/p))
其中，Tmax为冷冻水供水温度设定范围的上限值，Tmin为冷冻水供水温度设定范围的下限值；p为冷冻水供水温度的精度；c为取整操作。
步骤3，利用种群一初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码，计算得到，种群一中G个不同的冷冻水供水温度下对应的冷冻水流量；利用种群二初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码，计算得到，种群二中M个不同的冷冻水供水温度下对应的冷冻水流量；不同冷冻水供水温度对应的冷冻水流量由冷冻水循环和冷水机组内部工质循环中存在的能量平衡关系计算，平衡关系如下所示：
Qe＝Q·c水(Tchwr-Tchws)
式中，c水为冷冻水的比热容；Tchwr为冷冻水的回水温度，Q为冷冻水泵的流量。
步骤4，采用完全试验法，分别计算种群一中G个不同的冷冻水供水温度下及种群二中M个不同的冷冻水供水温度下，开启不同冷冻水泵时，冷冻水泵的总功耗；具体步骤如下：
步骤41、给定系统所需的冷冻水泵的流量及扬程；
步骤42、在某个冷冻水供水温度下，分别计算在冷冻水泵开启台数为1、2、…m时，冷冻水泵的总功耗；其中，m为冷冻水系统中冷冻水泵的最大台数；
步骤43、重复步骤42，分别计算得到种群一中G个不同的冷冻水供水温度下，开启不同冷冻水泵时，冷冻水泵的总功耗；及种群二中M个不同的冷冻水供水温度下，开启不同冷冻水泵时，冷冻水泵的总功耗。
步骤5，从每种冷冻水供水温度情况下得到的m种冷冻水泵开启方式中，找到功耗最小的作为当前冷冻水供水温度下的水泵开启台数，得到种群一中G个不同冷冻水供水温度下优化后冷冻水泵的功耗及对应的冷冻水泵转速，以及种群二中M个不同冷冻水供水温度下优化后冷冻水泵的功耗及对应的冷冻水泵转速；
考虑到冷冻水系统各个设备的响应时间差别和控制时序，应使得产生冷量的冷水机组和运输冷量的冷冻水泵运行状态相匹配，从而进一步挖掘节能潜力；即每一个优化控制周期内，先进行冷水机组冷冻水供水温度的优化控制，再根据冷冻水供水温度进行冷冻水泵的开启台数、转速的优化。其中，冷冻水泵的开启台数为只能取整数的离散变量，转速为连续变量，因此冷冻水系统中水泵优化问题的求解转化为混合整数规划问题求解。由于冷冻水泵开启台数为整数值且受到空调系统设计冷冻水泵台数的限制，为了减小最优解验证工作量，缩短寻优时间，对冷冻水泵部分的优化采用完全试验法进行寻优。即分别计算种群一中G种及种群二中M种冷冻水供水温度下开启1台、2台……冷冻水泵最大台数m台情况下的冷冻水泵总功耗，取功耗最小的作为当前冷冻水供水温度下的水泵开启台数。
步骤6，计算出两个种群中每个冷冻水供水温度下对应的冷水机组的功耗；将种群一中G个不同冷冻水供水温度下，得到的G个冷水机组的功耗和G个冷冻水供水温度下优化后冷冻水泵的功耗相加，得到G个冷冻水系统的总功耗，并将G个冷冻水系统的总功耗，按从小到大依次排序，得到种群一的冷冻水系统总功耗序列；
由于中央空调冷冻水系统主要耗能设备为冷水机组和冷冻水泵，将不同空调负荷下冷水机组和冷冻水泵的功率之和作为冷冻水系统的总功耗进行优化计算，冷冻水系统的总功耗为Pall，进行优化计算的冷冻水系统的总功耗函数如下：
Pall＝Pchiller+Pchiller pump
并根据冷冻水系统的总功耗函数计算出来G种冷冻水供水温度情况下的冷冻水系统总功耗，并将其从小到大依次排序。
步骤7，对种群一的冷冻水系统总功耗序列中对应的初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码，采用自适应方法对种群一中50％进行克隆操作，得到种群一克隆后的冷冻水供水温度二进制编码；对种群二的的冷冻水系统总功耗序列中对应的初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码，采用自适应方法对种群二中50％进行克隆操作，得到种群二克隆后的冷冻水供水温度二进制编码；
取排序完的冷冻水系统总能耗对应的冷冻水供水温度二进制编码的前50％进行克隆操作，将克隆后产生的冷冻水供水温度二进制编码编码随机更改其中三位。例如H为排序完的冷冻水系统总能耗对应的冷冻水供水温度二进制编码的前50％中的一种冷冻水供水温度二进制编码，
其中，H具体如下：
H＝[nh,1nh,2···nh,L]
这里为了说明冷冻水供水温度二进制编码的克隆操作，以克隆五次为例说明，克隆完的第H种冷冻水供水温度二进制编码如下：
Figure BDA0002563168710000161
即产生了五种和H相同的二进制编码，接下来进行变异操作；将克隆后产生的冷冻水供水温度二进制编码随机更改其中三位。为了保证变异的多样性，我们采用随机的原则，例如其中克隆出的一种冷冻水供水温度二进制编码，我们更改其中的1、2、L位，即1、2、L位原来为0，变异为1。1、2、L位原来为1，变异为0。
分别将冷冻水供水温度二进制编码的前50％与其克隆变异后的冷冻水供水温度二进制编码进行冷冻水系统能耗大小的比较，保留冷冻水系统能耗最小的冷冻水供水温度二进制编码。同时对种群一和种群二中剩余的50％冷冻水供水温度二进制编码进行初始化，完成种群一和种群二中冷冻水供水温度二进制编码的刷新。
步骤8，判断种群一和种群二是否满足独立运行次数n的要求；如果不满足独立运行次数n的要求，返回到步骤4，继续依次往下执行；如果满足独立运行次数n的要求，则采用移民算子规则，对两个种群中的冷冻水供水温度进行交换；
其中，采用移民算子规则，对两个种群中的冷冻水供水温度进行交换时，具体操作如下：
根据种群一的冷冻水系统总功耗序列及种群二的冷冻水系统总功耗序列，将两个种群内的冷冻水温度数值平均分成三段，按照设定好的种群间个体交换规模进行交叉交换。
步骤9，对两个种群中的冷冻水供水温度进行交换后，返回到步骤4，继续依次往下执行到步骤7，判断是否满足最大运行次数的要求，如果不满足，返回到步骤8，继续依次往下执行；如果满足，则根据刷新后的两个种群中的冷冻水供水温度二进制编码，计算出冷冻水系统能耗最小情况下对应的冷冻水供水温度、冷冻水泵的开启台数及转速，优化结束。
如附图4所示，附图4给出了中央空调冷冻水系统节能优化方法的收敛曲线，从附图4可以看出，优化过程中，系统总能耗的变化曲线总体呈现下降趋势，对于不同空调负荷需求，程序经过五次左右的寻优均完成了迭代过程，得到了最终优化结果。本发明的中央空调冷冻水系统节能优化方法能够根据空调负荷不同，快速的找到最优冷冻水系统中的冷冻水供水温度、冷冻水泵转速、启动台数。
采用本发明中央空调冷冻水系统节能优化方法与目前冷冻水供水温度、冷冻水泵转速、启动台数为固定值情况下的冷冻水能耗对比如附图5所示，从图5可以看出，采用本发明中央空调冷冻水系统节能优化方法，在相同负荷下，冷冻水系统的总体能耗更低，起到了很好的节能效果。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (10)

1.一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、确定冷冻水系统中冷水机组功耗函数和冷冻水泵的功耗函数；
步骤2、在冷冻水供水温度设定范围中，随机选取G个不同的冷冻水供水温度，作为种群一；采用间隔固定温差数值，选取M个不同的冷冻水温度，作为种群二；初始化处理后，并利用二进制编码，得到种群一初始化后的冷冻水供水温度二进制编码及种群二初始化后的冷冻水供水温度二进制编码；
步骤3、分别利用种群一初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码及种群二初始化后的冷冻水温度的二进制编码，计算得到，种群一中G个不同的冷冻水供水温度下对应的冷冻水流量及种群二中M个不同的冷冻水供水温度下对应的冷冻水流量；
步骤4、采用完全试验法，计算种群一中G个不同的冷冻水供水温度下，开启不同冷冻水泵时，冷冻水泵的总功耗；计算种群二中M个不同的冷冻水供水温度下，开启不同冷冻水泵时，冷冻水泵的总功耗；
步骤5、将每个冷冻水供水温度下，冷冻水泵的总功耗最小时，对的应冷冻水泵开启台数，作为当前冷冻水供水温度下的冷冻水泵开启台数，进而得到种群一中G个不同冷冻水供水温度下，优化后冷冻水泵的功耗及对应的冷冻水泵转速；以及种群二中M个不同冷冻水供水温度下，优化后冷冻水泵的功耗及对应的冷冻水泵转速；
步骤6、分别计算出两个种群中每个冷冻水供水温度下，对应的冷水机组的功耗，进而得到种群一的冷冻水系统总功耗序列及种群二的冷冻水系统总功耗序列；
步骤7、分别对种群一及种群二的冷冻水系统总功耗序列中，对应的初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码，进行克隆，变异后，得到种群一变异后的冷冻水供水温度二进制编码及种群二变异后的冷冻水供水温度二进制编码；
分别对种群一及种群二初始化后的冷冻水供水温度二进制编码与其变异后的冷冻水供水温度二进制编码进行比较；保留冷冻水系统总功率最小时，对应的种群一的冷冻水供水温度二进制编码及对应的种群二的冷冻水供水温度二进制编码；同时，分别对种群一及种群二中剩余未进行克隆的冷冻水供水温度二进制编码，进行重生成刷新；
步骤8，判断种群一和种群二是否满足独立运行次数n的要求；如果不满足独立运行次数n的要求，重复步骤4-7；如果满足独立运行次数n的要求，则采用移民算子规则，对两个种群中的冷冻水供水温度进行交换；
步骤9，对两个种群中的冷冻水供水温度进行交换后，重复步骤4-7；判断是否满足最大运行次数的要求，如果不满足，重复步骤8；如果满足，则根据刷新后的两个种群中的冷冻水供水温度二进制编码，计算出冷冻水系统能耗最小情况下，对应的冷冻水供水温度、冷冻水泵的开启台数及转速，优化结束。
2.根据权利要求1所述的一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，其特征在于，步骤1中，根据外界负荷需求、冷水机组的性能参数及冷冻水泵的性能参数，确定冷水机组的功耗参数；
其中，冷水机组的功耗函数的数学表达式为：
Pchiller＝c1+c2(Tcwr-Tchws)+c3(Tcwr-Tchws)2+c4(Tcwr-Tchws)Qe+c5Qe+c6Qe 2
其中，Pchiller为冷水机组的功耗函数；Tcwr为冷冻水的供水温度；Tchws为冷冻水的进水温度；Qe为机组负荷，c1、c2、c3、c4、c5及c6分别为冷水机组的性能系数。
3.根据权利要求1所述的一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，其特征在于，步骤1中，根据冷冻水的开启台数、冷冻水泵转速及冷冻水泵的流量，确定冷冻水泵的功耗函数；
其中，冷冻水泵的功耗函数的数学表达式为：
Pchillerpump＝a0+a1·w·Q0+a2·w2·Q0 2+a3·w3·Q0 3
其中，Pchillerpump为冷冻水泵的功耗函数，Q0为冷冻水泵的额定流量，a0、a1、a2及a3分别为冷冻水泵的性能系数。
4.根据权利要求1所述的一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，其特征在于，步骤2中，种群一或种群二初始化后的冷冻水供水温度二进制编码采用向量N表示，向量N的数学表达式为：
Figure FDA0002563168700000031
其中，在向量N中，每一行表示一个冷冻水供水温度二进制编码；nj,i为第j个冷冻水供水温度的第j个二进制编码值；L为每个初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码长度。
5.根据权利要求4所述的一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，其特征在于，每个初始化后的冷冻水供水温度二进制编码长度L的计算公式如下所示：
L＝c(log2((Tmax-Tmin)/p))
其中，Tmax为冷冻水供水温度设定范围的上限值，Tmin为冷冻水供水温度设定范围的下限值；p为冷冻水供水温度的精度；c为取整操作。
6.根据权利要求1所述的一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，其特征在于，步骤3中，某个冷冻水供水温度下对应的冷冻水流量，根据冷冻水循环和冷水机组内部工质循环中存在的能量平衡关系计算得到；
其中，冷冻水循环和冷水机组内部工质循环中存在的能量平衡关系如下所示：
Qe＝Q·c水(Tchwr-Tchws)
其中，c水为冷冻水的比热容；Tchwr为冷冻水的回水温度；Q为冷冻水泵的流量。
7.根据权利要求1所述的一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，其特征在于，步骤4中，采用完全试验法，计算不同冷冻水供水温度下，开启不同冷冻水泵时，冷冻水泵的总功耗时，具体步骤如下：
步骤41、给定系统所需的冷冻水泵的流量及扬程；
步骤42、在某个冷冻水供水温度下，分别计算在冷冻水泵开启台数为1、2、…m时，冷冻水泵的总功耗；其中，m为冷冻水系统中冷冻水泵的最大台数；
步骤43、重复步骤42，分别计算得到种群一中G个不同的冷冻水供水温度下，开启不同冷冻水泵时，冷冻水泵的总功耗；及种群二中M个不同的冷冻水供水温度下，开启不同冷冻水泵时，冷冻水泵的总功耗。
8.根据权利要求1所述的一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，其特征在于，步骤6中，某个冷冻水供水温度下，冷冻水系统的总功耗的数学表达式为：
Pall＝Pchiller+Pchillerpump
其中，Pall为某个冷冻水供水温度下，冷冻水系统的总功耗；
Pchiller为某个冷冻水供水温度下对应的冷水机组的功耗；
Pchillerpump为冷冻水供水温度下优化后冷冻水泵的功耗。
9.根据权利要求1所述的一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，其特征在于，步骤7中，采用自适应方法，分别对种群一及种群二的冷冻水系统总功耗序列中，对应的初始化后的冷冻水供水温度的二进制编码，进行克隆；
其中，对种群一采用自适应方法进行克隆时，其自适应方法的数学表达式为：
Figure FDA0002563168700000041
对种群二采用自适应方法进行克隆时，其自适应方法的数学表达式为：
Figure FDA0002563168700000042
其中，αmax为每代群体中最大的亲和度函数数值；
αarg为每代群体的平均亲和度值；
αmin为每代群体中最小的亲和度函数数值；k1、k2及k3均为参数。
10.根据权利要求1所述的一种中央空调冷冻水系统节能优化方法，其特征在于，步骤8中，采用移民算子规则，对两个种群中的冷冻水供水温度进行交换时，具体操作如下：
根据种群一的冷冻水系统总功耗序列及种群二的冷冻水系统总功耗序列，将两个种群内的冷冻水温度数值平均分成三段，
按照设定好的种群间个体交换规模d％进行交叉交换，即取两个种群的冷冻水供水温度数值第一段的d％代替对方种群冷冻水供水温度数值第三段的d％，取两个种群的冷冻水供水温度数值第二段的d％与对方种群冷冻水供水温度数值第二段的d％进行相互交换。
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