[发明专利]一种需求响应模式下中央空调系统的分布式能量优化管理方法

权利要求书

1.一种需求响应模式下中央空调系统的分布式能量优化管理方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)根据中央空调系统工作原理，构建中央空调系统物理模型及用户舒适度模型；

(2)对需求响应模式下的中央空调系统进行稳态功率需求分析；

(3)以最大化用户舒适度为目标，构建中央空调系统集中式能量优化管理模型；

(4)采用ADMM算法将中央空调系统集中式能量优化管理模型分解成针对本地子系统的分布式能量优化管理模型；

(5)对所建分布式优化模型进行求解。

2.根据权利要求1所述的需求响应模式下中央空调系统的分布式能量优化管理方法，其特征在于：所述步骤(1)中，根据中央空调系统工作原理，构建中央空调系统物理模型及用户舒适度模型，具体为：

(1-1)制冷系统模型：

制冷系统由压缩机、蒸发器、冷凝器和单向阀组成，一个中央空调系统中通常有多台制冷机，每台制冷机产生的冷量如下式：

式中：表示冷量，kW；c^w表示水的比热容值，kJ/(kg*℃)；表示冷冻水的质流量，kg/s；和分别表示冷冻水的进水温度和出水温度，℃；ε^e表示制冷机的热传递效率；

冷冻水出水温度与冷冻水设定温度有关，在制冷机达到稳态运行情况下，若设定温度不变，则当前出水温度等于上一时刻出水温度；若设定温度发生了变化，则当前出水温度按照制冷机内置工作逻辑进行变化，具体如下式：

式中：T_i^w,sp表示冷冻水设定温度，℃；t^set为制冷机出水温度的调整时刻；f(·)表示制冷机内置工作逻辑函数，即出水温度变化情况与出水温度设定值、出水温度的调整时刻及前一时刻水温有关：

式中：和分别表示冷冻水回水管道以及旁通回路中的水流量，kg/s；T_t^w,pi_r,out和T_t^w,pi_s,in分别表示回水管道出水口以及供水管道进水口的水温，℃；

制冷压缩机是制冷系统中唯一的电功率消耗部件，其电功率计算如下式：

EER_t,i＝a₀+a₁PLR_t,i+a₂(PLR_t,i)²+a₃(PLR_t,i)³+a₄(PLR_t,i)⁴ (5)

式中：为制冷压缩机电功率，kW；EER_t,i为制冷能效比，与制冷压缩机的部分负载率PLR_t,i相关；为制冷压缩机的额定制冷量，kW；

(1-2)水系统模型：

冷冻水通过在冷水管道中循环流动，将冷量从制冷机传递到用户侧，冷冻水系统由制冷机、冷冻水泵、分水器、集水器、冷水管道、冷水阀以及风机盘管组成，从不同制冷机流出的冷冻水先在供水管道中汇合，接下来在二级泵的动力作用下在冷水系统中进行运输，最后通过分水器分送到各风机盘管处对室内空气制冷；

1)冷冻水循环系统中的质流量守恒：

式中：i为制冷机与一级泵编号，j为二级泵编号，l为用户区域与风机盘管编号；和分别为流经一级泵、旁通回路、二级泵、供水管道、风机盘管以及回水管道的冷冻水质流量，kg/s；

2)供水管道入口处水温：

式中：T_t^w,pi_s,in为供水管道入口处水温，℃；

3)回水管道入口处水温：

式中：T_t^w,pi_r,in为回水管道入口处水温，℃；为风机盘管出口处水温，℃；

4)冷冻水泵模型：

流经冷冻水泵的冷冻水质流量及水泵水头关系如下：

式中：为冷冻水泵水头，m；为流经冷冻水泵的冷冻水质流量，kg/s；B、K为冷冻水泵的性能系数，为常数；

冷冻水泵消耗的电功率如下：

式中：g为重力加速度，m/s²；η^pu为冷冻水泵工作效率；

(1-3)风系统模型：

每个用户区域末端的风系统中都有一个空气处理单元用于冷冻水与室内空气进行热交换，由空气混合箱、风机盘管及末端风机组成；

1)空气混合箱

用户区域回风和新风在空气混合箱内均匀混合后，在风机的动力作用下被吹到风机盘管中与冷冻水进行热交换，混合风量以及温度计算如下式：

式中：和分别表示每个区域的混合风量、回风量、排风量以及新风量，kg/s；及T_t^out分别表示每个区域的室内温度、回风温度、新风温度、混合风温度以及室外温度，℃；

每个空气处理单元中空气量需保持平衡才能使得室内气压稳定，具体如下式：

2)风机盘管

风机盘管中，室内空气与冷冻水进行热交换所消耗的冷量计算过程如下：

式中：为风机盘管中消耗的冷量，kW；为风机盘管的热传递效率；为空气侧或水侧的较小热容值，kJ/℃；和分别为风机盘管空气侧的进气温度与水侧的进水温度，℃；和分别为风机盘管水侧的冷冻水质流量和空气侧的混合回风质流量，kg/s；T_t^w,pi_s,out为冷冻水供水管道出口处水温，℃；

室内混合回风在风机盘管中冷却后由送风机吹向用户区域内，风机盘管中的冷冻水温度上升，具体计算过程如下；

式中：为各区域送风温度，℃；为风机盘管的出水温度，℃；

3)风机

空气处理单元中包含四种风机：送风机、排风机、新风机以及回风机，风机消耗的电功率可表示为内部空气质流量的立方多项式形式；

式中：P_t^f为风机电功率，kW；为风机内部空气质流量，kg/s；c_0-3为风机的性能系数；

(1-4)用户区域热参数模型：

每个用户区域的热参数模型如下：

式中：C_l和R_l分别为区域热容和热阻；和分别为区域内产生的总热量、辐射得热量、对流得热量以及内部物体散热量，kW；为送入区域的冷量，kW；

区域内空气温度的变化过程如下：

为简化表示，上式可转化为：

由此可知，下一时刻的室内温度由当前时刻的室内温度、室外温度以及房间得热量共同决定；

(1-5)用户舒适度模型：

从室内空气温度和空气质量两个角度来定义用户舒适度，选取室内温度与用户设定温度之间的偏差作为空气温度舒适度的评价标准，选取区域新风风量占比作为空气质量舒适度的评价标准，并采用模糊隶属度方法将空气温度舒适度和空气质量舒适度结合起来，构建用户综合舒适度评价指标；

将用户空气温度舒适度定义为室内温度与用户设定温度之间的偏差，如下式：

式中：表示用户空气温度舒适度，值越小舒适度越高；为用户设定温度；

采用区域新风风量占比来评价空气质量舒适度，新风量超过50％即认为达到空气质量舒适度最大值，新风量低于10％即认为达到空气质量舒适度最小值，新风风量占比如下式：

式中：为区域l中风机的最大风量，kg/s；

根据模糊隶属度将和分别映射为[0,1]内的值，对应和引入权重系数计算用户综合舒适度，如下式：

式中：β_t,n表示用户综合舒适度；和分别表示空气温度舒适度和空气质量舒适度的权重系数，β_t,n值越大，用户综合舒适度越高。