【技术实现步骤摘要】
基于次优算法的大型中央空调冷冻水管网优化设计方法
本专利技术涉及大型中央空调冷冻水管网的优化设计领域，尤其是基于次优算法的大型中央空调冷冻水管网优化设计方法。
技术介绍
21世纪中国城市已经向国际化、生态化、现代化、智能化的方向发展，城市规模的迅速扩大加剧了城市建筑的密集度，中央空调系统作为城市公共建筑不可缺少的部分，其高能耗一直备受关注。空调系统前期设计不合理性与后期运行管理不科学是造成无效能耗的主要原因。大型中央空调系统实际节能运行普遍存在稳定性差、可调性差、节能效果差等问题也是不争的事实。通常建筑能耗可达社会总能耗20％以上，建筑能耗中空调系统能耗可达60％，集中式空调系统能耗水平取决于末端同时使用率、管网拓扑结构形式以及设备运行管理方式等。一般来说，建筑空调使用面积超2万平米的空调系统年能耗可达400万kWh，如按照平均15％的节能率计算，年节约60万kWh，如某城镇超2万平米的建筑达到1000栋，则该城镇仅空调系统的节能量就可多达6亿kWh/年，则该城镇一年可节省电费53998万元，随着城市化发展，国内的大型公共建...
【技术保护点】
1.基于次优算法的大型中央空调冷冻水管网优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、建立末端设备热力性能计算模型：建立表冷器物理模型，考虑室外环境干球温度、室外环境湿球温度、室内控制点干球温度、表冷器冷冻水进水温度、总风量、新风比、冷负荷、湿负荷8个输入参数，建立热湿平衡方程分两层迭代循环得到表冷器冷冻水流量、表冷器冷冻水回水温度、送风温差、室内控制点湿球温度、室内控制点温度、表冷器进口处空气干球温度、表冷器进口处空气湿球温度7个输出参数，建立末端设备热力性能计算模型；/nS2、建立冷冻水管网水力计算模型：以末端阻抗、各支路需求流量即步骤S1末端设备热力性能计算模型中...
【技术特征摘要】
1.基于次优算法的大型中央空调冷冻水管网优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立末端设备热力性能计算模型：建立表冷器物理模型，考虑室外环境干球温度、室外环境湿球温度、室内控制点干球温度、表冷器冷冻水进水温度、总风量、新风比、冷负荷、湿负荷8个输入参数，建立热湿平衡方程分两层迭代循环得到表冷器冷冻水流量、表冷器冷冻水回水温度、送风温差、室内控制点湿球温度、室内控制点温度、表冷器进口处空气干球温度、表冷器进口处空气湿球温度7个输出参数，建立末端设备热力性能计算模型；
S2、建立冷冻水管网水力计算模型：以末端阻抗、各支路需求流量即步骤S1末端设备热力性能计算模型中的输出参数表冷器冷冻水流量、管网供回水管以及支路管管长、管网供回水管以及支路管管径、局部阻力系数、管网供回水管以及支路管管内壁粗糙度、阀门最大开度对应的阀体阻抗、末端设备阻抗作为输入参数，根据管网各支路压力平衡、各节点流量守恒原理以及串并联管路流动规律得到冷冻水管网水力计算模型；
S3、选取管网优化的目标函数：综合考虑中央空调冷冻水管网初投资费用、管网年运行费用以及管网折旧费用的前提下，提出管网的年折算费用作为管网优化的目标函数；
S4、采用次优计算方法分析管网的目标函数变化规律：考虑不同功能建筑类型，输入边界计算参数；采用随机走步+寻优面域划分的次优计算方法，在预先划定的各个计算面域内计算最优解，以各个面域内最优解的最小值为新的寻优计算起点，重新进行变步长循环迭代寻优计算，最大限度地避免计算陷入局部最优，计算不同工况下管网寻优结果，分析管网优化设计结果在不同工况下与传统设计方法相比管网的目标函数变化规律；
S5、优化计算的次优解群统计分析：计算分析不同工况在整个计算过程中输出的次优解群中各类管段管径出现频率分布统计，得出各负荷普遍适应的管网管径分布形式与均匀负荷分布下传统设计方法所得管网管径分布作对比观察优化设计与传统设计所得管网在对于不同负荷变化的适应性；
S6、根据得出的解群分析统计规律与随机行为，得出在不同负荷分布形式以及负荷率下各管段管径的参考范围，对大型中央空调冷冻水管网的前期设计与后期的优化改造提供指导意见与科学依据。
2.根据权利要求1所述的基于次优算法的大型中央空调冷冻水管网优化设计方法，其特征在于，步骤S1中，先对单个末端设备热力性能计算模型进行离线计算，以进风温度、进风相对湿度、出风温度、出风相对湿度、风量、AHU水流量6个变量构成均匀计算网格，每个变量取值10个水平计算值，通过离线计算完成；对所有数据进行坏值筛查，剔除坏值，创建末端设备运行特性数据库，根据反距离权重法插值法直接进行插值计算，降低寻优计算次数。
3.根据权利要求1所述的基于次优算法的大型中央空调冷冻水管网优化设计方法，其特征在于，步骤S1中，在一定的表冷器结构参数下，对于某一确定型号的表冷器而言，其任一运行工况参数满足以下三个关系：①空气处理过程中的热交换效率系数εr1等于表冷器结构在运行时所能达到的热交换效率系数εj1，②空气处理过程中的接触系数εr2等于表冷器结构在运行时所能达到的接触系数εj2，③空气处理过程中空气的换热量在数量上等于冷冻水的换热量Q；表冷器内各参数有以下关系：
约束表冷器处理空气过程中热交换系数εr1、接触系数εr2与空气换热量Qair与表冷器自身结构参数与经验系数决定的热交换系数εj1、接触系数εj2与冷冻水换热量Qwater相等，以表冷器空气侧进口干球温度t1、表冷器进口空气焓值i1、表冷器空气侧进口空气流量G、表冷器冷水侧进口冷水温度tw1为计算输入变量，经过建模计算输出表冷器空气侧出口干球温t2、表冷器出口空气焓值i2、表冷器冷水侧出口冷水温度tw2：
式中：β为传热单元数；Ge、me、ne为求解接触系数的经验系数，由实验得出；K为空气处理过程表冷器的换热系数；γ为空气与冷冻水的水当量比；Vy为表冷器迎风面积；ξ为处理过程析湿系数；Ks为湿工况下传热系数；t1为表冷器空气侧进口干球温度；i1为表冷器进口空气焓值；tw1为表冷器冷水侧进口冷水温度；t2为表冷器空气侧出口干球温度；i2为表冷器出口空气焓值；tw2为表冷器冷水侧出口冷水温度；F为表冷器换热面积；cp为处理过程中空气平均比热容；G为表冷器处理空气过程中的空气流量；W为处理过程中的冷冻水流量；ω为处理过程中的冷冻水流速；c为处理过程中冷冻水平均比热容；t3为空气处理过程表冷器理想状态空气出口干球温度；A、B为由实验得出的系数；m、n为由实验得出的指数。
4.根据权利要求1所述的基于次优算法的大型中央空调冷冻水管网优化设计方法，其特征在于，步骤S1中，根据输入参数建立热湿平衡方程分两层迭代循环得到7个输出参数，具体如下：
式中：G为为表冷器处理空气过程中的空气流量；Q为空气处理过程换热量；ic为混合点空气焓值；dc为混合点空气含湿量；tL为表冷器出口空气温度；为表冷器出口空气相对湿度；iw为室外空气焓值mnew为新风比；iN为室内空气焓值dw为室外空气含湿量；dN为室内空气含湿量；type为表冷器型号；tc为混合点空气温度；为混合点空气相对湿度；t2为表冷器空气侧出口干球温度；为表冷器空气侧出口空气相对湿度；iL为表冷器出口空气焓值；dL为表冷器出口空气含湿量。
5.根据权利要求1所述的基于次优算法的大型中央空调冷冻水管网优化设计方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：
S1.1、输入模拟工况下末端室内控制点干球温度，室外环境干湿球温度、总风量、新风比、冷负荷、湿负荷以及表冷器冷冻水进水温度；
S1.2、设定室内含湿量，确定室内状态点参数；
S1.3、计算混合点空气状态与送风点空气状态，送风点空气状态包括送风点空气温度以及送风点空气含湿量；
S1.4、设定风机旁管冷冻水流量初始值；
S1.5、使用表冷器物理模型求解表冷器出口空气状态，包括表冷器出口空气温度以及表冷器出口空气含湿量；
S1.6、判断表冷器出口空气温度与送风点空气温度是否相等，若是，执行步骤S1.7；若否，执行步骤S1.4；
S1.7、判断表冷器出口空气含湿量与送风点空气含湿量是否相等，是，执行步骤S1.8，否，执行步骤S1.2；
S1.8、输出数据输出参数：冷器冷冻水流量、表冷器冷冻水回水温度、送风温差、室内控制点湿球温度、室内控制点温度、表冷器进口处空气干球温度、表冷器进口处空气湿球温度。
6.根据权利要求1所述的基于次优算法的大型中央空调冷冻水管网优化设计方法，其特征在于，步骤S2中，管路沿程阻力系数λ与阻抗有如下关系：
λ的计算：相对粗糙度为ε＝2*Δ/D，雷诺数Re＝v*D/γ，A＝59.7/ε8/7，B＝(665-765*Log(ε))/ε，当Re＝0时，管道的沿程阻力系数为：λ＝0；当0<Re<＝3000，管道的沿程阻力系数为：λ＝64/Re；当Re>3000，且Re<＝A，管道的沿程阻力系数为：λ＝0.3164/Re0.25；当A<Re，且Re<＝B时，管道的沿程阻力系数为：λ＝1/(-1.8*Log((Δ/3.7*D))1.11+6.8/Re)/Log(10))2；当B<Re时，管道的沿程阻力系数为：λ＝1/(2*Log(3.7*D/Δ))2；
故支管路及供回水干管管路阻抗如下：
末端设备阻抗如下：
冷冻水管网水力计算模型中，管网供水干管、回水干管、末端支路的管长、管径、内壁粗糙度、局部阻力系数、阀门阻抗、末端设备阻抗、各末端流量与各支路压降有如下关系：
……ΔPvalve_n＝ΔPAB-ΔPbran...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘雪峰，蒋航航，路坦，王家绪，郑宇蓝，刘金平，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44
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