一种兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法

技术领域

本发明涉及冰蓄冷系统应用的技术领域，尤其涉及一种兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法。

背景技术

近年来，商业建筑能源需求侧管理成为一个热门研究领域。在满足建筑内人体热舒适性的前提下，使用蓄冷空调可以增加需求侧负荷弹性，优化城市供电系统，同时也有助于用户节省建筑的运行成本。截止至2015年6月，中国蓄冷项目总量已超过1100例，其中冰蓄冷空调占80％以上。冰蓄冷空调可以利用夜间低谷的电力制冷并将冷量以冰的形式储存，在白天融冰释冷，以减少制冷主机的使用，实现用电量的转移，对于改善电力建设的投资效益和生态环境有重大意义。

冰蓄冷空调系统的运行控制是影响系统能耗和运行费用的重要因素，目前最常用的两种运行策略为冷机优先控制和融冰优先控制。冷机优先控制实现简单，运行可靠，机组制冷效率高，但是蓄冰设备夜间储存的冰往往没有被充分利用，造成浪费。融冰优先控制能够最大程度发挥蓄冰设备的作用，降低系统运行费用，但该方式对蓄冰设备的容量参数要求更高，增加系统初投资费用，而且容易出现后期冰槽供冷不足的问题。相比于以上两种传统的控制策略，优化控制具有显著优势，使用优化控制策略合理分配冷负荷能够最大限度地提高系统的运行效益。

现有关于冰蓄冷系统优化运行的研究主要集中在降低系统运行费用方面，而忽视了对系统能耗的影响，且往往仅对系统某一天的运行进行优化，未考虑该优化方法是否适合整个供冷期内的负荷变化情况。为了克服上述现有研究的不足，一方面，考虑从运行费用和能耗两个方向入手，建立系统的多目标优化模型，尽可能地同时降低系统的运行费用和运行能耗。另一方面将系统全年供冷期的供冷时长视为一个运行周期，即对系统整个供冷期的运行进行优化，并将每一小时作为优化时间步长。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在冰蓄冷系统运行的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：忽视系统能耗对整个冰蓄冷系统的影响，并且仅仅对系统某一天的运行进行优化，未考虑该优化方法是否适合整个供冷期内的负荷变化情况。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：建立冰蓄冷系统内部关键设备的模型；根据所述关键设备的模型建立冰蓄冷系统多目标优化的数学模型；求解所述多目标优化的数学模型得到最佳冷量分配结果。

作为本发明所述的兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的一种优选方案，其中：所述建立冰蓄冷系统内部关键设备的模型包括，冷水机组的能耗模型、冷却塔的能耗模型、水泵的能耗模型以及蓄冰设备的蓄冰、融冰模型。

作为本发明所述的兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的一种优选方案，其中：所述冷水机组的能耗模型包括，冷水机组在进行工作时，定义冷水机组每小时的耗电量与该时刻的制冷量成正比，即机组耗电量等于该时刻的制冷量/额定制冷量*额定功率，其中在制冰时所述冷水机组的耗电量为：

在直接供冷时所述冷水机组的耗电量为：

其中，W

作为本发明所述的兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的一种优选方案，其中：所述冷却塔的能耗模型包括，制冰时所述冷却塔的能耗模型为：

t

W

直接供冷时所述冷却塔的能耗模型为：

t

W

其中：t

作为本发明所述的兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的一种优选方案，其中：所述水泵的能耗模型包括，所述水泵的耗电量为其在运行时的功率，在不运行时为0，其中乙二醇泵的耗电量为：

W

其中：W

W

其中：W

作为本发明所述的兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的一种优选方案，其中：所述蓄冰设备的蓄冰、融冰模型包括，所述蓄冰的原理是蓄冰槽每小时的蓄冰量＝制冷机组的制冷量*冷量转化率，其中能量转化率表示在冷量转化为冰的过程中存在损耗，用公式表示为如下：

A

其中：A

其中：Q

作为本发明所述的兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的一种优选方案，其中：所述建立冰蓄冷系统多目标优化的数学模型包括，根据所述关键设备的能耗模型建立系统优化的目标函数和约束条件，其中要以供冷期的总运行费用和供冷期的总能耗为两个目标函数，以能量平衡与设备容量为约束条件，所述约束条件对所述目标函数的解进行约束。

作为本发明所述的兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的一种优选方案，其中：所述目标函数包括，目标函数一为供冷期内冰蓄冷空调系统的总运行费用，将系统中所述关键设备的耗电量相加并乘以电价就能得到整个系统运行时每小时的电费(运行费用)，从而可以累加得到每天的运行费用和整个供冷期的运行费用，其公式表示为如下：

目标函数二为供冷期内冰蓄冷空调系统的总能耗，将系统中所述关键设备的耗电量相加可以得到系统每小时的能耗，通过累加可以得到每天以及供冷期的总能耗，其公式表示为如下：

其中：F

作为本发明所述的兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的一种优选方案，其中：所述约束包括，所述能量平衡约束表示每个时刻制冷机组和蓄冰罐所提供的冷量之和应等于建筑在该时刻的所需冷量，其公式表示为如下：

X

其中：Q

0≤X

0≤X

0≤A

Q

其中：L为蓄冰设备的容量，i＝1，2……m，m为系统每天融冰供冷的小时数。

作为本发明所述的兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的一种优选方案，其中：所述求解包括，将所述两个目标函数的优化转化为一个目标函数的优化，利用全局准则法将多目标问题转化为单目标问题进行计算，其中所述计算公式如下所示：

g

其中：Z

本发明的有益效果：一方面，从运行费用和能耗两个方向入手，建立系统的多目标优化模型，同时降低系统的运行费用和运行能耗；另一方面将系统全年供冷期的供冷时长视为一个运行周期，对系统整个供冷期的运行进行优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例所述的一种兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的流程示意图；

图2为本发明第二个实施例所述的一种兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的商场在供冷期的冷负荷分布图；

图3为本发明第二个实施例所述的一种兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的办公楼在供冷期的冷负荷分布图；

图4为本发明第二个实施例所述的一种兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的Pareto解集图；

图5为本发明第二个实施例所述的一种兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的办公楼冰蓄冷系统在不同目标优化控制下的冷量分布图；

图6为本发明第二个实施例所述的一种兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的商场冰蓄冷系统在冷机优先控制下的冷量分布图；

图7为本发明第二个实施例所述的一种兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的商场冰蓄冷系统在融冰优先控制下的冷量分布图；

图8为本发明第二个实施例所述的一种兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的商场冰蓄冷系统在多目标优化控制下的冷量分布图；

图9为本发明第二个实施例所述的一种兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的办公楼冰蓄冷系统在冷机优先控制下的冷量分布图；

图10为本发明第二个实施例所述的一种兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法的办公楼冰蓄冷系统在融冰优先控制下的冷量分布图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种兼顾成本与能耗的冰蓄冷系统多目标优化运行方法，包括：

S1：建立冰蓄冷系统内部关键设备的模型。其中需要说明的是，

建立冰蓄冷系统内部关键设备的模型包括，冷水机组的能耗模型、冷却塔的能耗模型、水泵的能耗模型以及蓄冰设备的蓄冰、融冰模型。

进一步的是：冷水机组的能耗模型包括，冷水机组在进行工作时，定义冷水机组每小时的耗电量与该时刻的制冷量成正比，即机组耗电量等于该时刻的制冷量/额定制冷量*额定功率，其中在制冰时冷水机组的耗电量为：

在直接供冷时冷水机组的耗电量为：

其中，W

冷却塔的能耗模型包括，制冰时冷却塔的能耗模型为：

t

W

直接供冷时冷却塔的能耗模型为：

t

W

其中：t

水泵的能耗模型包括，水泵的耗电量为其在运行时的功率，在不运行时为0，其中乙二醇泵的耗电量为：

W

其中：W

冷却水泵的耗电量为：

W

其中：W

蓄冰设备的蓄冰、融冰模型包括，蓄冰的原理是蓄冰槽每小时的蓄冰量＝制冷机组的制冷量*冷量转化率，其中冷量转化率表示在冷量转化为冰的过程中存在损耗，用公式表示为如下：

A

其中：A

其中：Q

S2：根据关键设备的模型建立冰蓄冷系统多目标优化的数学模型。其中需要说明的是，

建立冰蓄冷系统多目标优化的数学模型包括，根据关键设备的能耗模型建立系统优化的目标函数和约束条件，其中要以供冷期的总运行费用和供冷期的总能耗为两个目标函数，以能量平衡与设备容量为约束条件，约束条件对目标函数的解进行约束。

进一步的是，目标函数包括，目标函数一为供冷期内冰蓄冷空调系统的总运行费用，将系统中关键设备的耗电量相加并乘以电价就能得到整个系统运行时每小时的电费(运行费用)，从而可以累加得到每天的运行费用和整个供冷期的运行费用，其公式表示为如下：

目标函数二为供冷期内冰蓄冷空调系统的总能耗，将系统中关键设备的耗电量相加可以得到系统每小时的能耗，通过累加可以得到每天以及供冷期的总能耗，其公式表示为如下：

其中：F

X

其中：Q

0≤X

0≤X

0≤A

Q

其中：L为蓄冰设备的容量，i＝1，2……m，m为系统每天融冰供冷的小时数。

S3：求解多目标优化的数学模型得到最佳冷量分配结果。其中需要说明的是，

求解包括，将两个目标函数的优化转化为一个目标函数的优化，利用全局准则法将多目标问题转化为单目标问题进行计算，其中计算公式如下所示：

g

其中：Z

进一步的是，本发明包含两个目标函数为运行费用F

得到多目标优化的数学模型的最佳冷量分配结果。

实施例2

参照图2～8，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，该实施例选择上海市某商场和某办公楼进行冰蓄冷系统的验证，以下的实施方式只用于实质验证并不对其试用物或用途进行限定。

参照图2和3分别为上海市某商场和某办公楼在供冷期内的冷负荷分布图，负荷数据源于其他软件的模拟结果，为了便于实验对比分析，商场与办公楼的建筑总面积均设定为80486m

表1：目标建筑冰蓄冷空调系统主要设备表。

根据上海市的电价规定，目标建筑的峰谷电价如下表2所示：

表2：上海市夏季工商业电价表。

根据商场以及办公楼建筑的冷负荷数据及相关设备参数，分别建立冰蓄冷空调系统的运行模型，表示出系统各设备在供冷期的运行费用和能耗，进一步建立了冰蓄冷空调系统的经济、节能的多目标优化模型并通过全局准则法对模型求解，得到系统经济、节能运行的Pareto解集，采用多维偏好线性规划分析方法——LINMAP处理Pareto解集，即选取距离理想解最短距离的点作为最优解。

以办公楼为例，参照图4为办公楼冰蓄冷系统的多目标运行优化模型求解后得到的Pareto解集，由图4可以看出系统的运行费用(目标一)与运行能耗(目标二)具有一定的冲突关系，若要降低系统的运行费用，则会相应的增加运行能耗，图中理想点指的是由系统单目标优化求出的最低运行费用和最低能耗所组成的理想解，实际上并不存在，因此需要利用LINMAP方法从解集中选择一个合适的解作为办公楼冰蓄冷空调系统优化运行的最优解，其中办公楼冰蓄冷空调系统的单目标和多目标优化运行结果如下表3所示：

表3：办公楼冰蓄冷空调系统的优化运行结果。

参照图5为逐时冷量分布情况，通过对比结果可以看出，多目标优化得到的最优解的各项指标均介于两个单目标优化的结果之间，系统的运行费用随着融冰供冷量所占比重的增加而降低，运行能耗随着冷水机组直接供冷量所占比重的增加而降低；在冷机优先、融冰优先和优化控制三种控制策略下，商场和办公楼这两个项目在整个供冷期的冷量分布情况如图6～图10所示，他们的运行费用与能耗如下表4所示：

表4：目标建筑在三种控制策略下的运行结果。

由图6～10以及表4可以看出，其中6和图9为商场和办公楼在冷机优先控制下的冷量分布情况，结合表4的运行费用和能耗可知，与其他控制策略相比，在冷机优先控制下系统的蓄冰量很少，并没有充分发挥蓄冰设备的作用，并且供冷期总运行费用在几种控制策略中最高，经济性较差。

对于商场和办公楼在融冰优先控制下的冷量分布情况，参照图7和图10，可以看出在该模式下系统在夜间所蓄冰量最多，蓄冰装置的利用最为充分，但是从表4中可以发现，在融冰优先控制下系统供冷期运行能耗居于首位，虽然运行费用较低，但是并没有起到节能的效果。

进行单目标优化控制时，从表3的数据可以得知，在以总运行费用或能耗最低为目标进行系统的运行优化时，该目标的优化运行结果在所有的结果中达到最低，但是在运行费用和能耗这两个具有冲突关系的目标中，单目标优化只能够优化其中一个目标，不能协调二者之间的关系。

但是在进行多目标优化运行控制时，参照图8和图5(c)，可以看出经过多目标优化分配后的冰蓄冷空调系统可基本杜绝后期蓄冰不足或剩余冰量过多的情况，由表3中的数据可知相比于冷机优先，商场的冰蓄冷空调在多目标优化运行控制下可节省3.8％的运行费用和3.9％的运行能耗，办公楼的冰蓄冷空调在多目标优化运行控制下可节省18.4％的运行费用和3.8％的运行能耗；相比于融冰优先，商场冰蓄冷空调的运行费用会上升4.6％，但是可节省13.8％的运行能耗，办公楼冰蓄冷空调可节省13.5％的运行费用和8.9％的运行能耗。

因此由上可知，现阶段常用的融冰优先和冷机优先运行策略虽然实现简单、运行方便，但是并不能实现很好的经济、节能效果；单目标优化运行能够很好地实现相应目标的优化效果，降低系统的运行费用或是运行能耗，但是只能优化一种指标而另一项指标会随之上升；但是通过多目标优化运行方法可以同时为用户降低系统的运行费用与运行能耗，既能提高用户的经济效益，又能提高节能减排的效果社会效益，对冰蓄冷空调的推广以及在一些新方向的应用都具有促进作用。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。