基于模型的离心式制冷机组系统优化控制策略研究

　　1 引 言

　　制冷机组的台数控制是空调系统运行中的一个基本控制。建筑物的负荷与系统中各制冷机的最大制冷量(产冷能力) 是决定机组运行台数的2 个重要参数。基于建筑物负荷的机组运行台数控制方法主要有以下几种: 一是将冷冻水回水温度作为其负荷的表征参数，根据回水温度确定制冷机的开停; 二是将冷冻水的流量作为负荷的表征参数，将流量值与制冷机的额定流量进行比较，从而实现对制冷机组的台数控制; 三是通过测量冷冻水的供回水温差及其流量来确定建筑空调负荷，再把此值与制冷机的产冷能力进行比较，从而实现对制冷机组的台数控制。上述 3 种方法均以生产商提供的额定制冷量作为制冷机的最大制冷量，但实际上最大制冷量受运行工况及各组件性能的影响，其值不断变化，往往不等于额定制冷量。

　　对于离心式制冷机组，有以下几个特征: 机组系统的例行调试可使各制冷机的性能在较短时期内保持不变，同时又可保证制冷机中传感器的正常工作;制冷机的控制面板可提供较全面及可靠的测量数据，如电功率、温度等; 制冷机的最大性能系数通常处于70% ～85% 的负荷段内[1]; 离心式压缩机进口导叶的开度指示了冷水机组的负载程度，当进口导叶全开时，该制冷机的制冷量为其最大制冷量[2]。

　　本文提出的离心式制冷机组系统的优化控制策略充分利用了上述特征。可以通过实测数据建立简化制冷机制冷量预测模型、最大制冷量预测模型及制冷系统功耗模型，然后用这些模型进行性能预测。虽然这是一种间接的测量方法，但其可靠、方便。模型训练数据及模型预测数据可通过机组的数据接口在线获取。该优化控制策略可以在满足建筑物空调负荷的前提下，使运行机组的能耗最小。也就是说，此时机组的性能系数最大。

　　2 优化控制的简化模型

　　在稳态状况下，对于定水流量的制冷机组，其负荷是以下3 个参数的函数: 冷凝水进水温度、冷冻水供水温度和冷冻水回水温度[3]。由于压缩机进口导叶的开度与冷冻水供回水温差相关，可用进口导叶的开度替代冷冻水回水温度。式(1) 为描绘上述关系的多变量二次线性回归模型，即制冷量—进口导叶开度模型; 式(2) 为一通用的制冷机的电功率—制冷量模型，该模型由热力学基本定理推导而成，因此它为一灰色模型。由式(1) 可推出单台离心式制冷机最大制冷量模型，如式(3) 所示。

式中，Q 为制冷量或空调负荷; Tchws为冷冻水供水温度; Tecw为冷凝水进水温度;θ为进口导叶开度，θ=0时为全关、θ=1 时为全开;CAP 为最大制冷量;Wchiller为制冷机电功率;a0～a5和c0～c2为线性回归系数，可由最小二乘线性回归求得。