磁懸浮冷水機組負壓縮節(jié)能適應(yīng)性研究

黃東平，莊應(yīng)科，林紹杰

（海南紅塔卷煙有限責任公司，?？?570100）

引言

磁懸浮冷水機組是中央空調(diào)的核心組成部分，在整個系統(tǒng)中消費較大一部分的能耗，大約有百分之五十至百分之六十主要用于制冷機組產(chǎn)生能量，剩余部分則用于冷凍水和冷卻水的輸配[1,2]。由此可見，降低磁懸浮冷水機組能耗是建筑節(jié)能工作的首要內(nèi)容。

目前，國內(nèi)外部分學者已經(jīng)取得了較為顯著的研究成果，并且終點針對冷水機組進行了對應(yīng)的模擬等操作，確保整個空調(diào)組的穩(wěn)定運行。例如相關(guān)學者組建了冷水機組在線模型，通過模型達到節(jié)能的目的；還有部分專家將整個系統(tǒng)的總能耗設(shè)定為目標函數(shù)，同時選取對應(yīng)的優(yōu)化方法對各個設(shè)備進行負荷優(yōu)化處理；還有部分專家組建了冷水機組物理模型，通過模型優(yōu)化，以有效達到節(jié)能的目的。

在確保制冷機組穩(wěn)定運行的狀態(tài)下，需要進一步提升制冷機組的運行效率[3]，它是確保冷水機組整體能耗的有效途徑。本文重點針對磁懸浮冷水機組負壓縮節(jié)能適應(yīng)性進行研究，通過具體的仿真實驗數(shù)據(jù)，全面確定了所提方法的有效性以及實用性。

1 方法

1.1 磁懸浮冷水機組機理模型以及能耗模型的組建

磁懸浮冷水機組機主要包含三個不同的子系統(tǒng)，分別為：

1）冷凍水系統(tǒng)；

2）制冷組系統(tǒng)；

3）冷卻水系統(tǒng)。

水循環(huán)系統(tǒng)主要是由以下兩部分組成，分別為：

1）冷凍水泵；

2）冷卻水泵。

以上兩種不同類型的水泵是整個系統(tǒng)進行工作的源泉，同時系統(tǒng)也能夠根據(jù)各個水泵的電能消耗情況進一步確定水質(zhì)的循環(huán)流動趨勢，以達到換熱的目的。

其中制冷機組是整個冷水機組十分核心的部件[4,5]，它主要是由以下幾個部件組成，分別為：

1）壓縮機；

2）冷凝器；

3）節(jié)流閥；

4）蒸發(fā)器。

綜合分析上述制冷循環(huán)過程[6]，能夠?qū)⒄舭l(fā)器內(nèi)部根據(jù)制冷劑的狀態(tài)劃分為兩部分，分別為：

1）兩相區(qū)；

2）過熱區(qū)。

蒸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)傳熱方程能夠表示為以下的形式：

式中：

—制冷劑質(zhì)量流量；

Tchw,i—冷凍水入口溫度；

Tchw,o—冷凍水的出口溫度；

Se—蒸發(fā)器的傳熱總面積；

Ue—蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)。

其中兩相區(qū)和過熱區(qū)之間傳熱系數(shù)平均值能夠表示為以下形式：

式中：

Ue,sp—蒸發(fā)器過熱區(qū)的傳熱系數(shù)；

Ue,tp—蒸發(fā)器過熱區(qū)的傳熱面積。

由于Ue,sp和Ue,tp能夠分別利用制冷劑側(cè)和水側(cè)傳熱系數(shù)直接計算獲取[7,8]。

結(jié)合相關(guān)公式，能夠獲取過熱區(qū)內(nèi)制冷劑側(cè)和水側(cè)能量平衡方程能夠獲?。?/p>

式中：

Tchw,avg—冷凍水的平均溫度。

過熱器和兩相區(qū)制冷劑側(cè)的傳熱系數(shù)主要是由相關(guān)的關(guān)聯(lián)式獲取，具體的計算式如下所示：

冷凍水側(cè)傳熱系數(shù)主要利用以下公式表示，具體如下所示：

式中：

B—冷卻水平均溫度的計算取值。

以下給出具體的計算式：

以下具體給出蒸發(fā)器另外的一個獨立方程，即制冷劑側(cè)和冷凍水側(cè)之間的能量方程：

式中：

Qe—蒸發(fā)器負荷；

—冷凍水質(zhì)量流量。

其中壓縮機質(zhì)量流量計算式能夠表示為以下的形式：

式中：

f—壓縮機頻率；

Vcom—理論輸氣量；

ρi—入口制冷劑的密度；

ηvol—壓縮機的體積效率。

利用以下公式進行計算，即：

另外一方面，壓縮機對制冷劑的主要作用夠表示為以下的形式：

式中：

ccom,q,1和ccom,q,2—不同的壓縮機特性系數(shù)。

結(jié)合上述分析，以下給出壓縮機能量守恒方程，具體的計算式如下所示：

通過制冷機組整體能量守恒方程[9]，則冷凝器釋放的熱量能夠表示為以下的形式：

和蒸發(fā)器相似，冷凝器內(nèi)制冷劑側(cè)和冷卻水側(cè)的整體熱平衡方程能夠表示為以下的形式：

式中：

Tclw,i—冷卻水的入口溫度；

Tclw,o—冷卻水的出口溫度。

通過冷凝器制冷劑側(cè)以及冷卻水側(cè)的穩(wěn)態(tài)傳熱方程，能夠獲取冷凝器模型的另外一個獨立方程，具體如下所示：

式中：

Uc—冷凝器的傳熱面積總和；

Sc—冷凝器的換熱次數(shù)。其中兩個區(qū)域傳熱數(shù)的平均值能夠表示為以下的形式：

兩個區(qū)域內(nèi)的能量平衡方程能夠表示為以下的形式：

在獲取系統(tǒng)的主要系數(shù)后，需要結(jié)合參數(shù)計算蒸發(fā)器的出口過熱度，其中蒸發(fā)器過熱度的計算式能夠表示為以下的形式，則有：

1.2 磁懸浮冷水機組負壓縮節(jié)能適應(yīng)性研究

在上述分析的基礎(chǔ)上，以下選用遺傳算法進行優(yōu)化處理，其中遺傳算法是模擬生物基因遺傳以及進化過程發(fā)展形成的。在利用遺傳算法進行問題尋解前，需要針對優(yōu)化問題所涉及到的變量轉(zhuǎn)換為具有一定基因結(jié)構(gòu)的染色體編碼，通常不選取二進制的編碼方式，編碼的長度需要通過變量的范圍以及精度進行進一步確定。所以，設(shè)定變量的取值范圍為精度為d，同時將具體的取值進行劃分，具體的計算式如下所示：

染色體在經(jīng)過進化后，能夠得到各種基因編碼，以下需要對全新的基因進行評價，同時將二進制的基因編碼轉(zhuǎn)換為實數(shù)的數(shù)值形式，整個過程被稱為解碼，解碼實質(zhì)上就是編碼的逆過程，具體的計算式如下所示：

xs對應(yīng)區(qū)間內(nèi)的實數(shù)值能夠表示為以下的形式：

種群主要是由不同染色體形成的群體。在遺傳算法中，各組解都被稱為單一的個體或是染色體，它所對應(yīng)的編碼就被稱為基因串。其中全部變量的編碼能夠形成一個數(shù)碼串，以下給出具體的表現(xiàn)形式：

遺傳算法的尋優(yōu)方向主要是通過染色體的適應(yīng)度取值所決定的；其中適應(yīng)度取值較大的染色體，遺傳到下一代的概率較大；反之，適應(yīng)度取值較小的染色體，遺傳到下一代的概率則較小。

針對于目標函數(shù)最小取值問題，能夠表示為以下的形式：

針對目標函數(shù)最大值問題，能夠表示為以下的形式：

初始化種群只是問題的初始解，同時也是隨機形成的，但是并不是問題的最優(yōu)解，為了得到最優(yōu)解，需要對種群進行以下三個操作：

1）選擇；

2）交叉；

3）變異。

以下給出個體i的概率計算式：

在上述分析的基礎(chǔ)上，以下選用遺傳算法對磁懸浮冷水機組不同負荷設(shè)定點進行尋優(yōu)計算[10]，使系統(tǒng)優(yōu)化運行，確保磁懸浮冷水機組達到節(jié)能的目的，以下給出具體的計算式：

2 仿真實驗

為了驗證所提磁懸浮冷水機組負壓縮節(jié)能適應(yīng)性研究方法的綜合有效性，需要進行仿真實驗測試，實驗環(huán)境為：IBM IntelliStationZ Pro，其配置為：操作系統(tǒng)是 Windows XP Professional（SP2），CPU 是 Intel Xeon 3.0 GHz，系統(tǒng)內(nèi)存為2 GB，GPU是NVIDIA的Quadro Fx3400，顯存為256 MB，顯卡總線為PCI-Express X16。

表1 所提方法綜合制冷性能系數(shù)變化情況

表2 文獻[4]方法綜合制冷性能系數(shù)變化情況

表3 文獻[5]方法綜合制冷性能系數(shù)變化情況

1）綜合制冷性能系數(shù)：

在進行仿真實驗測試的過程中，設(shè)定環(huán)境溫度為28 ℃，冷卻水的回水溫度為24 ℃，則各個方法的綜合制冷性能系數(shù)對比結(jié)果如表1～表3所示，其中綜合制冷性能系數(shù)的取值為常數(shù)。

綜合分析以上實驗數(shù)據(jù)可知，所提方法在經(jīng)過遺傳算法進行優(yōu)化后，綜合制冷性能系數(shù)有了較為明顯的下降趨勢，這充分驗證了所提方法的優(yōu)越性。

圖1 不同方法功耗對比結(jié)果

2）磁懸浮冷水機組負壓縮功耗（kW）：

為了更進一步驗證所提方法的有效性，以下需要對比各種方法的磁懸浮冷水機組負壓縮功耗，具體的對別結(jié)果如圖1所示。

分析圖1實驗數(shù)據(jù)可知，相比傳統(tǒng)方法，所提方法的磁懸浮冷水機組負壓縮功耗有了較為明顯的下降趨勢，這說明所提方法有效達到了節(jié)能的目的。

3）運行時間/（min）：

為了更全面驗證所提方法的綜合性能，以下對比三種方法的運行時間，具體的對比結(jié)果如表4～表6所示。

表4 所提方法的運行時間變化情況

綜合分析表4～表6實驗數(shù)據(jù)可知，所提方法的運行時間相比傳統(tǒng)方法有了十分明顯的下降趨勢，這充分說明所提方法具有較高的運行效率。

表5 文獻[4]方法的運行時間變化情況

表6 文獻[5]方法的運行時間變化情況

3 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)的冷水機組負壓縮節(jié)能適應(yīng)性研究方法存在的一系列問題，設(shè)計并提出磁懸浮冷水機組負壓縮節(jié)能適應(yīng)性研究方法。通過具體的仿真實驗數(shù)據(jù)，全面驗證了所提方法的有效性以及實用性。