本發(fā)明屬于節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域的方案設(shè)計(jì)，具體涉及一種基于全生命周期的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

在夏季制冷工況下，空調(diào)的用電負(fù)荷主要集中在白天的用電高峰段，空調(diào)系統(tǒng)的用電極大的加劇了電網(wǎng)負(fù)荷壓力。冰蓄冷空調(diào)是在晚上用電低峰期用蓄冷裝置進(jìn)行蓄冰，并將夜晚蓄的冰用于白天的用電高峰期進(jìn)行制冷，這樣可以達(dá)到削峰填谷的作用。冰蓄冷空調(diào)的使用一方面可以減小用電高峰期的電網(wǎng)壓力，減少電廠建設(shè)的投資，達(dá)到節(jié)能降耗的作用,有利于整個(gè)社會(huì)的資源優(yōu)化配置；另外，對(duì)于企業(yè)用戶而言，由于存在峰谷電價(jià)，冰蓄冷空調(diào)減少了在高峰電價(jià)段的用電量，減少了企業(yè)空調(diào)的運(yùn)行成本。

傳統(tǒng)冰蓄冷空調(diào)的設(shè)計(jì)是按照典型設(shè)計(jì)日的逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行制冷機(jī)組容量和蓄冰裝置容量的選擇。在冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中，制冷機(jī)組和蓄冰設(shè)備容量的選擇不僅與用戶初投資直接相關(guān)，而且可能對(duì)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略的制定也會(huì)有所限制。由于冰蓄冷空調(diào)較常規(guī)空調(diào)增加了初投資費(fèi)用，如果不能達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的效果，就不能為用戶節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)冰蓄冷的推廣使用有很大的限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了推廣使用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，采用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)更好達(dá)到削峰填谷，平衡電網(wǎng)的作用，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于全生命周期的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案：

一種基于全生命周期的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，其特征在于，該方法根據(jù)冰蓄冷系統(tǒng)特點(diǎn)建立冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模型，以TRNSYS模擬得到的典型氣象年冰蓄冷空調(diào)運(yùn)行階段的逐時(shí)負(fù)荷為依據(jù)，并設(shè)定制冷主機(jī)、蓄冰裝置的設(shè)計(jì)容量和每小時(shí)供冷量，表示出冰蓄冷空調(diào)年運(yùn)行費(fèi)用；結(jié)合冰蓄冷空調(diào)設(shè)備的初投資，建立冰蓄冷空調(diào)全生命周期費(fèi)用最低的目標(biāo)函數(shù)，使用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法求解模型，得到使冰蓄冷系統(tǒng)全生命周期費(fèi)用最低的制冷機(jī)組和蓄冰裝置的設(shè)計(jì)容量。

具體按下列步驟進(jìn)行：

步驟一，確定冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行周期和優(yōu)化運(yùn)行的時(shí)間步長(zhǎng)；

步驟二，已有建筑或設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)建筑典型氣象年冷負(fù)荷模擬；

步驟三，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用模型的建立，其中，為了計(jì)算冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，需要建立制冷機(jī)組供冷量與耗電量的關(guān)系模型和蓄冰裝置單位時(shí)間步長(zhǎng)所能提供最大供冷量的模型；

所述計(jì)算冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用是指通過(guò)建立制冷機(jī)組制冷量與電能耗的關(guān)系、蓄冰裝置的供冷模型以及系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)約束，計(jì)算出每個(gè)周期系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，再計(jì)算出系統(tǒng)在典型氣象年夏季工況下的總費(fèi)用，即得到系統(tǒng)運(yùn)行典型氣象年的年運(yùn)行費(fèi)用；

步驟四，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)初投資費(fèi)用模型的建立；所述冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)初投資費(fèi)用模型的建立是指：

1)建立冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備容量與初投資的關(guān)系，所述的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備容量包括制冷機(jī)組、蓄冰裝置、冰蓄冷輔助設(shè)備；

2)建立設(shè)備單位冷量估算價(jià)格指標(biāo)和運(yùn)雜、安裝、調(diào)試費(fèi)用占設(shè)備價(jià)格百分比；

步驟五，通過(guò)得到的典型氣象年的費(fèi)用和系統(tǒng)設(shè)備初投資得到系統(tǒng)全生命周期的費(fèi)用模型，并建立系統(tǒng)全生命周費(fèi)用最低的非線性目標(biāo)函數(shù)；

步驟六，利用改進(jìn)的粒子群算法對(duì)非線性模型求解。

根據(jù)本發(fā)明，上述步驟二中所述的已有建筑或設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)建筑典型氣象年冷負(fù)荷模擬，使用TRNSYS軟件搭建建筑模型，并輸入典型氣象年的氣象文件數(shù)據(jù)得到目標(biāo)建筑典型氣象年的冷負(fù)荷。

本發(fā)明的基于全生命周期的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法能夠減少因系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的約束，可以有效地減少冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在全生命周期的費(fèi)用，提高用戶的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)系統(tǒng)的推廣使用起到重要作用。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

本實(shí)施例給出一種基于全生命周期的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，在建筑暖通設(shè)計(jì)階段或已有建筑改造中，根據(jù)建筑的特點(diǎn)實(shí)施。該方法根據(jù)冰蓄冷系統(tǒng)特點(diǎn)建立冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模型，以TRNSYS模擬得到的典型氣象年冰蓄冷空調(diào)運(yùn)行階段的逐時(shí)負(fù)荷為依據(jù)，并設(shè)定制冷主機(jī)、蓄冰裝置的設(shè)計(jì)容量和每小時(shí)供冷量，表示出冰蓄冷空調(diào)年運(yùn)行費(fèi)用。結(jié)合冰蓄冷空調(diào)設(shè)備的初投資，建立冰蓄冷空調(diào)全生命周期費(fèi)用最低的目標(biāo)函數(shù)。使用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法求解模型，得到使冰蓄冷系統(tǒng)全生命周期費(fèi)用最低的制冷機(jī)組和蓄冰裝置的設(shè)計(jì)容量，得到的設(shè)計(jì)容量可以為用戶節(jié)約系統(tǒng)費(fèi)用。

具體包括以下步驟：

(1)確定冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行周期和優(yōu)化運(yùn)行的時(shí)間步長(zhǎng)。因?yàn)楸罾淇照{(diào)系統(tǒng)采取在夜間電價(jià)低谷段制冰，制冰用于第二天電價(jià)高峰段和平價(jià)段的供冷。對(duì)于第一天夜間制冰必須保證用完，以防止“萬(wàn)年冰”的形成減小融冰速率，所以，確定從第一天夜間制冰開始到第二天供冷結(jié)束為冰蓄冷空調(diào)的一個(gè)運(yùn)行周期。由于系統(tǒng)工藝要求，制冷機(jī)組設(shè)備不能反復(fù)啟停，以一小時(shí)為系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)化步長(zhǎng)。

(2)根據(jù)已有建筑或設(shè)計(jì)階段目標(biāo)建筑的典型氣象年冷負(fù)荷模擬。對(duì)于冰蓄冷空調(diào)設(shè)計(jì)階段，可以根據(jù)建筑施工圖紙?jiān)赥RNSYS中對(duì)建筑進(jìn)行建模。在TRNSYS中輸入典型氣象年的數(shù)據(jù)，得到典型氣象年冰蓄冷空調(diào)運(yùn)行階段建筑所需冷負(fù)荷。

(3)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用模型的建立，為了計(jì)算冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，需要建立制冷機(jī)組供冷量與耗電量的關(guān)系模型和蓄冰裝置單位時(shí)間步長(zhǎng)所能提供最大供冷量的模型。此外，在系統(tǒng)運(yùn)行周期內(nèi)還有相關(guān)的約束，其中包括：冰槽蓄冰上限的約束、滿足室內(nèi)舒適度的約束(蓄冰和制冷機(jī)組的總供冷量等于室內(nèi)所需冷量)、為了防止萬(wàn)年冰蓄冰應(yīng)盡量用完的約束。利用系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用模型和典型氣象年建筑所需冷負(fù)荷可以得到系統(tǒng)每個(gè)周期的運(yùn)行費(fèi)用，每個(gè)運(yùn)行周期的和就是典型氣象年冰蓄冷供冷階段的運(yùn)行費(fèi)用。

(4)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)初投資費(fèi)用模型的建立。建立系統(tǒng)設(shè)備容量與初投資的關(guān)系，得到設(shè)備單位冷量估算價(jià)格指標(biāo)和運(yùn)雜、安裝、調(diào)試費(fèi)用占設(shè)備價(jià)格百分比，其投資費(fèi)用：T_cost＝E_zl*N_zl*(1+u_zl)+E_xb*N_xb*(1+u_xb)+E_fz*H_fh*(1+u_fz)，E_zl、E_xb、E_fz分別為制冷機(jī)組、蓄冰裝置、冰蓄冷輔助設(shè)備單位冷量估算價(jià)格指標(biāo)；N_zl、N_xb分別為制冷機(jī)組、蓄冰裝置設(shè)備容量；H_fh為建筑最大負(fù)荷；u_zl、u_xb、u_fz為制冷機(jī)組、蓄冰裝置、冰蓄冷輔助設(shè)備運(yùn)雜、安裝、調(diào)試百分?jǐn)?shù)。

(5)系統(tǒng)全生命周期非線性模型的建立。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用是根據(jù)TRNSYS中對(duì)建筑建模，輸入當(dāng)?shù)氐湫蜌庀竽甑臍庀髷?shù)據(jù)后模擬得出冰蓄冷空調(diào)運(yùn)行時(shí)間段逐時(shí)負(fù)荷來(lái)計(jì)算的。

因?yàn)榈湫蜌庀竽甑臍庀髷?shù)據(jù)具有代表意義，因此用典型氣象年的年運(yùn)行費(fèi)用近似作為系統(tǒng)每年的運(yùn)行費(fèi)用。

系統(tǒng)全生命周期的費(fèi)用包括初投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，在系統(tǒng)壽命年限內(nèi)的費(fèi)用為：

其中，Y為空調(diào)系統(tǒng)壽命；n為空調(diào)實(shí)際使用的年數(shù)；i為折現(xiàn)率，采用行業(yè)的折現(xiàn)率或者社會(huì)的折現(xiàn)率。

為了使系統(tǒng)全生命周期的費(fèi)用最低，建立全生命周期的非線性模型：步驟(3)中運(yùn)行模型的相關(guān)約束組成對(duì)每個(gè)運(yùn)行周期的約束條件。

(6)利用改進(jìn)的粒子群算法對(duì)非線性模型求解

粒子群算法中系統(tǒng)變量設(shè)定：在算法設(shè)計(jì)中，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)(每小時(shí))的a臺(tái)制冷主機(jī)的荷載量為a個(gè)粒子變量。設(shè)建筑供冷時(shí)間為b小時(shí)，供冷階段蓄冰供冷量在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)為一個(gè)變量。所以，在一個(gè)運(yùn)行周期(一天)內(nèi)a臺(tái)制冷主機(jī)的荷載量有24a個(gè)變量；蓄冰供冷時(shí)間為c個(gè)小時(shí)(c個(gè)變量)，每個(gè)運(yùn)行周期共24a+c個(gè)變量。冰蓄冷供冷的夏季工況共d天，共(24a+c)*d個(gè)變量，制冷機(jī)組和蓄冰裝置容量設(shè)置為最后兩個(gè)變量，因此每個(gè)粒子共n個(gè)變量，n＝(24a+c)*d+2。

利用粒子群算法求解步驟(5)中的系統(tǒng)全生命周期非線性模型，在粒子群算法中加入了變異差分，調(diào)高了算法的全局搜索能力，求解可以得到冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)全生命周期費(fèi)用最低時(shí)制冷機(jī)組和蓄冰裝置的設(shè)計(jì)容量。

以下是發(fā)明人給出的一個(gè)具體實(shí)施例：

研究的目標(biāo)建筑為某商場(chǎng)建筑的改造，總商業(yè)建筑面積20萬(wàn)平米，空調(diào)面積18.76萬(wàn)平米，建筑物高40.6米。

該建筑電價(jià)分為四個(gè)時(shí)段：低谷時(shí)段(00：00～8：00)、平價(jià)時(shí)段(12：00～20：00)、高峰時(shí)段(8：00～12：00，20：00～24：00)。

根據(jù)建筑的特點(diǎn)，模擬得到了典型氣象年的冷負(fù)荷，建立了冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模型，計(jì)算得到了系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用。結(jié)合設(shè)備的初投資費(fèi)用，得出系統(tǒng)全生命周費(fèi)用最低的非線性目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)粒子群算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)的求接得到系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量。

根據(jù)得到的設(shè)備設(shè)計(jì)容量以及建立的系統(tǒng)運(yùn)行模型對(duì)某個(gè)運(yùn)行周期制定了優(yōu)化運(yùn)行策略，得到建筑的供冷情況如表1所示。并比較了優(yōu)化運(yùn)行策略與現(xiàn)階段運(yùn)行費(fèi)用，得出通過(guò)基于全生命周期的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法設(shè)計(jì)的設(shè)備容量的優(yōu)化運(yùn)行可以為用戶減少運(yùn)行費(fèi)用。

表1：建筑供冷情況