CN111125938B - 基于次优算法的大型中央空调冷冻水管网优化设计方法 - Google Patents

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CN111125938B CN202010042823.6A CN202010042823A CN111125938B CN 111125938 B CN111125938 B CN 111125938B CN 202010042823 A CN202010042823 A CN 202010042823A CN 111125938 B CN111125938 B CN 111125938B
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Abstract

本发明公开了基于次优算法的大型中央空调冷冻水管网优化设计方法。本发明通过构建大型中央空调冷冻水管网的热力学模型，综合已有传统的管网设计方法如：推荐流速法与最不利环路经济比摩阻方法与传统的优化设计方法如：模拟退火算法、遗传算法与神经网络算法等对于中央空调管网的优化设计效果，提出随机走步的次优计算方法摒弃最优解以获得适应于各种负荷分布变化的管径设计方案得次优解为目的，以管网初投资与年运行费用同时作为目标函数进行优化计算，通过正向优化计算与反向验证计算，最后分析了不同负荷分布形式及负荷率分布对管网管径优化计算结果及其适应性的影响。从而达到节省能耗的目的，有利于现代化可持续发展。

Description

基于次优算法的大型中央空调冷冻水管网优化设计方法
技术领域
本发明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。
背景技术
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***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***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***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***能耗可达60％，集中式空调***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***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***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，国内的大型公共建筑会大幅增多，大型中央空调冷冻水***优化运行节能潜力非常巨大。
中央空调管网管径及拓扑结构的优化设计研究，一直是学者们研究的重点，徐建波等运用神经网络方法建立了区域供冷管网水***输送能效比预测模型，采用流体力学计算公式计算输送能效比，定出明确的输送能效比范围为区域供冷***的合理设计提供参考(徐建波，龚延风.区域供冷管网输送能效比计算模型研究[J].建筑热能通风空调.2012(05):25-27.)。Reem Khir等探讨了DCS的优化设计和操作，建立了包括设备容量、储存容量、管道网络规模和布局及数量的模型、水力特性和热力特性模型，进行优化设计使得总投资和运营成本最小(Khir R,Haouari M.Optimization models for a single-plantDistrict Cooling System[J].European Journal of Operational Research.2015,247(2):648-658.)。冯小平等学者采用遗传算法对集中空调水***的管网进行优化设计，建立了管网数学模型，利用遗传算法基本原理、编码技术、评价函数与交叉、变异方法来分析，实验证明GA算法应用到空调管网管径优选择问题是有效的(冯小平，龙惟定.基于遗传算法的集中空调水***管网优化设计[J].流体机械.2007(03):80-84.)。ALS Chan等采用遗传算法与局部搜索技术，在管网节点已经确定的情况下，优化计算管网的拓扑结构和管径，使得初投资加运行费用最小(Chan A L S,Hanby V I,Chow T T.Optimization ofdistribution piping network in district cooling system using geneticalgorithm with local search[J].Energy Conversion&Management.2007,48(10):2622-2629.)。前期科研人员的工作表明传统的优化算法对于管网管径及拓扑结构的优化设计有一定的优化作用，但也存在容易陷入局部最优，优化结果差异性大，单次优化计算时间长等缺点。采用随机走步的次优计算方法，寻优计算过程中每个控制变量的寻优过程是随机和独立的，可大大降低寻优计算陷入局部最优甚至不收敛的概率，寻优初始值改变基本不影响优化计算结果，可提高优化设计的适应性。
发明内容
本发明目的在于针对上述背景技术中存在的问题，提供基于次优算法的大型中央空调冷冻水管网优化设计方法，通过构建大型中央空调冷冻水管网的热力学模型，综合已有传统的管网设计方法如：推荐流速法与最不利环路经济比摩阻方法与传统的优化设计方法如：模拟退火算法、遗传算法与神经网络算法等对于中央空调管网的优化设计效果，提出随机走步的次优计算方法摒弃最优解以获得适应于各种负荷分布变化的管径设计方案得次优解为目的，以管网初投资与年运行费用同时作为目标函数进行优化计算，通过正向优化计算与反向验证计算，最后分析了不同负荷分布形式及负荷率分布对管网管径优化计算结果及其适应性的影响。从而达到节省能耗的目的，有利于现代化可持续发展。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
基于次优算法的大型中央空调冷冻水管网优化设计方法，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。
进一步地，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。
进一步地，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：
Figure BDA0002368346730000041
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。
进一步地，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：
Figure BDA0002368346730000042
W＝(dN-dL)G；
式中：G为为表冷器处理空气过程中的空气流量，单位为kg/h；Q为空气处理过程换热量，单位为kw；ic为混合点空气焓值，单位为kj/kg；dc为混合点空气含湿量，单位为g/kg；tL为表冷器出口空气温度，单位为℃；
Figure BDA0002368346730000051
为表冷器出口空气相对湿度；iw为室外空气焓值，单位为kj/kg；mnew为新风比；iN为室内空气焓值，单位为kj/kg；dw为室外空气含湿量，单位为g/kg；dN为室内空气含湿量，单位为g/kg；type为表冷器型号；tc为混合点空气温度，单位℃；
Figure BDA0002368346730000052
为混合点空气相对湿度；t2为表冷器空气侧出口干球温度，单位℃；
Figure BDA0002368346730000053
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，单位为kj/kg；dL为表冷器出口空气含湿量，单位为g/kg。
进一步地，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。
进一步地，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：
Figure BDA0002368346730000061
末端设备阻抗如下：
Figure BDA0002368346730000062
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：
Figure BDA0002368346730000063
冷水管网水利计算模型的约束条件如下：
Gbranch_1≤Gbranch_ini_1,…,Gbranch_n≤Gbranch_ini_n
Svalve_temp_1≥Svalve_temp_min_1,…,Svalve_temp_n≥Svalve_temp_min_n
Δpbranch_1≥0,…,Δpbranch_n≥0,ΔpAB≥0
式中：ΔPbranch_b_n表示支管路的平衡压降，单位为Pa；SAHU_n表示末端设备AHU的阻抗，单位为Pa/(kg2/s2)；Sbranch_n表示支管路阻抗，单位为Pa/(kg2/s2)；Smain_in-n表示两个节点之间的供水干管阻抗，单位为Pa/(kg2/s2)；Smain_out_n表示两个节点之间的回水干管阻抗，单位为Pa/(kg2/s2)；ΔPAB表示管网的最小供回水压差，单位为Pa；Gbranch_n表示末端流量，单位为kg/s；ΔPvalve_n表示阀门压差，单位为Pa；γ表示冷冻水的平均动力粘度；I表示水通断面积；A1表示风机盘管系数；n1表示风机盘管系数；ζ表示局部阻力系数；Δ表示表面粗糙度；Dbranch_n表示支管管径，单位为m；Lbranch_n表示支管管长，单位为m；Dmain_in_n表示供水干管管径，单位为m；Lmain_in_n表示供水干管管长，单位为m；Dmain_out_n表示回水干管管径，单位为m；Lmain_out_n表示回水干管管长，单位为m。
进一步地，步骤S3中，冷冻水***的经济性评价标准包括冷冻水***的初投资费用与运行费用、报废处理费即剩余价值，冷冻水***来源参考《实用供热空调设计手册(第二版)》，对于冷冻水***管网，等价均匀全年费用包括冷冻水泵运行电费、管道的折旧费用、年平均折旧费用、年平均维修费用，冷冻水输送采用变频调速水泵，在不同的负荷率条件下，通过调节冷冻水泵输送的流量，同时在保证送水温度不变的条件下输送冷冻水，则冷冻水泵的运行电费计算公式如下所示：
Figure BDA0002368346730000071
式中，Qwater为循环水泵的流量，按照冷源侧需求流量计算；P为循环水泵工作压力；ηp为水泵的机电效率，取值范围为0.5～0.7；τi为第i种负荷率下的使用时间；ce为电价；
管网优化设计的目标函数为：
Figure BDA0002368346730000072
式中：Ch表示资本(投资)回收率；Cch表示管网初期投资费用，包括规划费用、设计费用和建设费用；
Figure BDA0002368346730000081
表示当年价格换算率；
Figure BDA0002368346730000082
表示j年度价格换算率；Cyj表示j年度的年运行费(按照基础年的换算)；ij表示j年度的通货膨胀，即利率上升率，利率上升率＝j年率/(j-1)年利率；CWj表示由基础年换算得到的第j年度年维修费；S表示报废处理费或剩余价值；I表示利息；n表示运行年份。
进一步地，步骤S4中，所述边界计算参数包括室内控制点干球温度、室外控制点干湿球温度、总风量、新风比、冷负荷、湿负荷、末端阻抗、各支路需求流量、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；各边界计算参数的选取如下所示：
根据《公共建筑节能设计标准》(GB 50189——2005)和《采暖通风与空气调节设计规范》(GB 50019——2003)中规定，当送风口高度小于等于5m时，送风温差在5度至10度之间，当送风口高度大于5m时，送风温差大于10度小于15度。
根据《采暖通风与空气调节设计规范》与《空气调节》中规定，舒适性空调室内外计算参数如下所示：
室内干球温度取24℃，室内相对湿度应维持在40％～65％之间，室外干球温度取33.5℃，室外湿球温度取27.7℃，新风比取0.1，冷冻水进水温度取7℃；
其中，在确定室内人员数量、工作时长、人员工作状态等参数的前提下，冷负荷、湿负荷与风量的计算公式如下所示：
Figure BDA0002368346730000083
式中：Qτ为人体显热散热形成的计算时刻冷负荷,W；qm,W,min为新风量，单位为m3/h；D_τ为计算时刻的人体散湿量，单位为kg/s；Q_τ为计算时刻人体散湿量形成的潜热冷负荷，单位为W；n为计算时刻空调区内的总人数；
Figure BDA0002368346730000084
为集群系数；q1为一名成年男子小时显热散热量，W；τ为计算时刻，单位为h；T为人员进入空调区的时刻，单位为h；τ-T为从人员进入空调区的时刻算起到计算时刻的持续时间，单位为h；Xτ-T为τ-T时刻人体显热散热的冷负荷系数；qm,W,p为每人每小时所需最小新风量，单位为(m3/(人*h))；qm,W,b为单位建筑面积每小时所需的最小新风量，单位为(m3/(m2*h))；F为通风房间建筑面积，单位为m2。
进一步地，所述步骤S4包括以下步骤：
S4.1、设定管网各段供回水及末端支路管径X＝(x1,x2,…,xn)，n为管网管段编号，n＝1～N，xn为管网优化计算变量，设定总变量个数N、随机走步步长A、末端控制模量M；
S4.2、输入管网末端阻抗、各支路表冷器冷冻水流量、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、末端设备阻抗计算参数信息；
S4.3、设定优化目标函数F(x)为管网的年折算费用；
S4.4、设定管网各段供回水干管及末端支路管径所对应的管内最大、最小流速，以管内最小流速所对应的最大管径作为各管段寻优计算的初始起点，X0＝(x10,x20,…,xn0)；
S4.5、以寻优计算起点X0＝(x10,x20,…,xn0)，为中心，由各个自变量的上下限值为约束，计算寻优面域划分控制模量，将多维寻优自变量网格进行等距离面域划分，划分为N个寻优计算面域，在各个寻优面域内计算目标函数最小值；
S4.6、随机生成一定范围内随机数rn，得到随机走步单位方向向量R，
Figure BDA0002368346730000091
确定新的寻优起点X1，X1＝(x11,x21,…,xn1)，其中：x1o＝(xmax+xmin)/2+A·M·r1/R，xno＝(xmax+xmin)/2+A·M·rn/R；
S4.7、计算暂定的目标函数值F(X)temp；若F(X)≤F(X)temp则F(X)＝F(X)temp；x10＝x1，x20＝x2，xn0＝xn；减小步长A为0.8A，循环计算；若F(X)>F(X)temp，则继续进行步骤S4.5，直到计算步骤次数达到设定值；
S4.8、将各个面域计算结果按照从小到大的顺序排列，以各面域中最小目标函数所对应自变量取值作为新的寻优起点，重新进行寻优计算；
S4.9、若A>A0，继续进行步骤S5，若A<A0，计算结束，得最优解：
Xk＝(x1,x2,…,xn)，i≤xn≤j，k＝1,2…
变量的搜索范围为(xn0-A,xn0+A)，随着A值的减小，计算搜索的范围也逐渐的减小，循环计算次数越多，随机解向量越接近理论最优解，分布越集中，根据其分布特性，得到统计学最优解,完成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的分析。
步骤S5中，在空调***的实际运行中，由于各末端负荷随时间、空间分布变化差异大，且负荷的变化具有一定的随机性，在管网设计初期无法获得负荷变化的详细数据，故在传统的工程设计中，工程师都是根据设计的最大负荷对中央空调冷冻水管网进行设计的，导致了空调***大部分时间都是在设计的部分负荷状态下运行，管网输送效率偏低，管网利用率偏低，管网初投资相对偏大。
所述步骤S5包括以下步骤：
S5.1、分别对五种不同负荷分布形式的管网利用随机走步的次优算法进行优化设计计算，得到管网各类型管径分布优化设计的最优解，并与相同负荷参数条件下采用传统设计计算所得管径分布做对比，分析优化设计管网管径在运行年限内初投资与年运行费用相较于传统设计方法的差异；
S5.2、输出各工况下管网优化计算的各参数次优计算解群，输出寻优计算过程中寻优步长、各支路阀门开度、目标函数、各支路压降、阀门压降、供回水干管压降、供水干管管径、回水干管管径、末端支路管径，统计不同负荷分布下单次管网次优优化设计计算过程中，供水干管、回水干管管段管径取值概率分布趋势；
S5.3、统计分析五种不同负荷分布形式解群中供回水干管以及末端支路管径取值概率重合度最高的区域，作为管径取值的次优解；
S5.4、输出步骤S5.3所得各类型管段管径取值次优解，重新代入五种不同负荷分布工况中，分别与各工况采用传统设计方法所得管径分布在不同运行年份下的目标函数值作对比，分析次优解所得管径分布的负荷适应性。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、在充分考虑了中央空调冷冻水***管网的水力特性和末端负荷不同分布类型的前提下，提出了基于次优理论以冷冻水管网年折算费用为目标函数的冷冻水***优化设计方案。改变寻优计算初始值做30次寻优计算所得最终寻优结果最大、最小值差异不到0.1％，所得寻优结果符合管网水力特性，说明随机走步+变步长的次优算法可以处理离散变量、非线性规划、多约束的问题,计算过程简单,可以实现多路径寻优,计算结果可靠。
2、对各个负荷分布类型下次优计算得到的管径分布进行统计分析，将不同负荷分布下15年内优化设计的年折算费用与传统设计的年折算费用作对比，可知针对某一确定的负荷分布基于次优优化设计管网年折算费用相比于传统设计方案可大大降低，节省费用所占比例随着运行年份的增加而增加。
3、通过对同程管网管径优化计算得到的解群进行统计分析，可以得到一个适应不同负荷分布形式的管径取值范围。将次优计算结果与均匀负荷分布下传统设计方法所得管径取值在不同负荷分布下，对比其15年年折算费用的变化规律，可知次优优化设计结果与传统设计相比对负荷的适应性有着很大的提升。
附图说明
图1为本发明实施例中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的流程图；
图2为本发明实施例中的次优计算方法流程图；
图3为本发明实施例中的管网优化结果逼近过程图；
图4为本发明实施例中的供水干管各管段管径取值概率分布图；
图5为本发明实施例中的回水干管各管段管径取值概率分布图；
图6为本发明实施例中的末端支路各管段管径取值概率分布图；
图7为本发明实施例中的均匀分布各类型管径分布图；
图8为本发明实施例中的递增分布各类型管径分布图；
图9为本发明实施例中的凹形分布各类型管径分布图；
图10为本发明实施例中的递减分布各类型管径分布图；
图11为本发明实施例中的凸形分布各类型管径分布图；
图12为本发明实施例中的次优管径分布图；
图13为本发明实施例中的不同负荷下优化设计节省费用占总费用的比例图；
图14为本发明实施例中的次优管径分布在不同负荷下优化设计节省费用占总费用的比例图；
图15为本发明实施例中的均匀负荷分布下传统设计方法设计管径在不同负荷分布下设计节省费用占总费用的比例图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明的具体实施作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例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，如图1所示，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；
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。
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：
Figure BDA0002368346730000121
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。
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：
Figure BDA0002368346730000131
式中：G为为表冷器处理空气过程中的空气流量，单位为kg/h；Q为空气处理过程换热量，单位为kw；ic为混合点空气焓值，单位为kj/kg；dc为混合点空气含湿量，单位为g/kg；tL为表冷器出口空气温度，单位为℃；
Figure BDA0002368346730000134
为表冷器出口空气相对湿度；iw为室外空气焓值，单位为kj/kg；mnew为新风比；iN为室内空气焓值，单位为kj/kg；dw为室外空气含湿量，单位为g/kg；dN为室内空气含湿量，单位为g/kg；type为表冷器型号；tc为混合点空气温度，单位℃；
Figure BDA0002368346730000133
为混合点空气相对湿度；t2为表冷器空气侧出口干球温度，单位℃；
Figure BDA0002368346730000132
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，单位为kj/kg；dL为表冷器出口空气含湿量，单位为g/kg。
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。
S2、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；
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：
Figure BDA0002368346730000141
末端设备阻抗如下：
Figure BDA0002368346730000151
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：
Figure BDA0002368346730000152
冷水管网水利计算模型的约束条件如下：
Gbranch_1≤Gbranch_ini_1,…,Gbranch_n≤Gbranch_ini_n
Svalve_temp_1≥Svalve_temp_min_1,…,Svalve_temp_n≥Svalve_temp_min_n
Δpbranch_1≥0,…,Δpbranch_n≥0,ΔpAB≥0
式中：ΔPbranch_b_n表示支管路的平衡压降，单位为Pa；SAHU_n表示末端设备AHU的阻抗，单位为Pa/(kg2/s2)；Sbranch_n表示支管路阻抗，单位为Pa/(kg2/s2)；Smain_in-n表示两个节点之间的供水干管阻抗，单位为Pa/(kg2/s2)；Smain_out_n表示两个节点之间的回水干管阻抗，单位为Pa/(kg2/s2)；ΔPAB表示管网的最小供回水压差，单位为Pa；Gbranch_n表示末端流量，单位为kg/s；ΔPvalve_n表示阀门压差，单位为Pa；γ表示冷冻水的平均动力粘度，取值为0.000001308；I表示水通断面积，取值为0.0013；A1表示风机盘管系数，取值为27.8889；n1表示风机盘管系数，取值为1.8897；ζ表示局部阻力系数；Δ表示表面粗糙度，取值为0.0002；Dbranch_n表示支管管径，单位为m；Lbranch_n表示支管管长，单位为m；Dmain_in_n表示供水干管管径，单位为m；Lmain_in_n表示供水干管管长，单位为m；Dmain_out_n表示回水干管管径，单位为m；Lmain_out_n表示回水干管管长，单位为m。
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；
步骤S3中，冷冻水***的经济性评价标准包括冷冻水***的初投资费用与运行费用、报废处理费即剩余价值，冷冻水***来源参考《实用供热空调设计手册(第二版)》，对于冷冻水***管网，等价均匀全年费用包括冷冻水泵运行电费、管道的折旧费用、年平均折旧费用、年平均维修费用，冷冻水输送采用变频调速水泵，在不同的负荷率条件下，通过调节冷冻水泵输送的流量，同时在保证送水温度不变的条件下输送冷冻水，则冷冻水泵的运行电费计算公式如下所示：
Figure BDA0002368346730000161
式中，Qwater为循环水泵的流量，按照冷源侧需求流量计算；P为循环水泵工作压力；ηp为水泵的机电效率，本实施例中，ηp取0.7；τi为第i种负荷率下的使用时间；ce为电价；
管网优化设计的目标函数为：
Figure BDA0002368346730000162
式中：Ch表示资本(投资)回收率；Cch表示管网初期投资费用，包括规划费用、设计费用和建设费用；
Figure BDA0002368346730000163
表示当年价格换算率；
Figure BDA0002368346730000164
表示j年度价格换算率；Cyj表示j年度的年运行费(按照基础年的换算)；ij表示j年度的通货膨胀，即利率上升率，利率上升率＝j年率/(j-1)年利率；CWj表示由基础年换算得到的第j年度年维修费；S表示报废处理费或剩余价值；I表示利息；n表示运行年份。
S4、如图2所示，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；
步骤S4中，所述边界计算参数包括室内控制点干球温度、室外控制点干湿球温度、总风量、新风比、冷负荷、湿负荷、末端阻抗、各支路需求流量、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；各边界计算参数的选取如下所示：
根据《公共建筑节能设计标准》(GB 50189——2005)和《采暖通风与空气调节设计规范》(GB 50019——2003)中规定，当送风口高度小于等于5m时，送风温差在5度至10度之间，当送风口高度大于5m时，送风温差大于10度小于15度，如下表所示：
表1工艺性空调的送风温差和换气次数表
Figure BDA0002368346730000171
根据《采暖通风与空气调节设计规范》与《空气调节》中规定，舒适性空调室内外计算参数如下所示：
室内干球温度取24℃，室内相对湿度应维持在40％～65％之间，室外干球温度取33.5℃，室外湿球温度取27.7℃，新风比取0.1，冷冻水进水温度取7℃；
表2初始计算参数表
Figure BDA0002368346730000172
其中，在确定室内人员数量、工作时长、人员工作状态等参数的前提下，冷负荷、湿负荷与风量的计算公式如下所示：
Figure BDA0002368346730000181
式中：Qτ为人体显热散热形成的计算时刻冷负荷,W；qm,W,min为新风量，单位为m3/h；D_τ为计算时刻的人体散湿量，单位为kg/s；Q_τ为计算时刻人体散湿量形成的潜热冷负荷，单位为W；n为计算时刻空调区内的总人数；
Figure BDA0002368346730000183
为集群系数；q1为一名成年男子小时显热散热量，W；τ为计算时刻，单位为h；T为人员进入空调区的时刻，单位为h；τ-T为从人员进入空调区的时刻算起到计算时刻的持续时间，单位为h；Xτ-T为τ-T时刻人体显热散热的冷负荷系数；qm,W,p为每人每小时所需最小新风量，单位为(m3/(人*h))；qm,W,b为单位建筑面积每小时所需的最小新风量，单位为(m3/(m2*h))；F为通风房间建筑面积，单位为m2。
所述步骤S4包括：
S4.1、设定管网各段供回水及末端支路管径X＝(x1,x2,…,xn)，n为管网管段编号，n＝1～N，xn为管网优化计算变量，设定总变量个数N、随机走步步长A、末端控制模量M；
S4.2、输入管网末端阻抗、各支路表冷器冷冻水流量、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、末端设备阻抗计算参数信息；
S4.3、设定优化目标函数F(x)为管网的年折算费用；
S4.4、设定管网各段供回水干管及末端支路管径所对应的管内最大、最小流速，以管内最小流速所对应的最大管径作为各管段寻优计算的初始起点，X0＝(x10,x20,…,xn0)；
S4.5、以寻优计算起点X0＝(x10,x20,…,xn0)，为中心，由各个自变量的上下限值为约束，计算寻优面域划分控制模量，将多维寻优自变量网格进行等距离面域划分，划分为N个寻优计算面域，在各个寻优面域内计算目标函数最小值；
S4.6、随机生成一定范围内随机数rn，得到随机走步单位方向向量R，
Figure BDA0002368346730000182
确定新的寻优起点X1，X1＝(x11,x21,…,xn1)，其中：x1o＝(xmax+xmin)/2+A·M·r1/R，xno＝(xmax+xmin)/2+A·M·rn/R；
S4.7、计算暂定的目标函数值F(X)temp；若F(X)≤F(X)temp则F(X)＝F(X)temp；x10＝x1，x20＝x2，xn0＝xn；减小步长A为0.8A，循环计算；若F(X)>F(X)temp，则继续进行步骤S4.5，直到计算步骤次数达到设定值；
S4.8、将各个面域计算结果按照从小到大的顺序排列，以各面域中最小目标函数所对应自变量取值作为新的寻优起点，重新进行寻优计算；
S4.9.1、若A>A0，继续进行步骤S5，若A<A0，计算结束，得最优解：
Xk＝(x1,x2,…,xn)，i≤xn≤j，k＝1,2…
变量的搜索范围为(xn0-A,xn0+A)，随着A值的减小，计算搜索的范围也逐渐的减小，循环计算次数越多，随机解向量越接近理论最优解，分布越集中，根据其分布特性，得到统计学最优解,完成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的分析。
S4.9.2、本实施例中，在相同工况下，采用推荐流速法设计计算管网管径分布形式；
推荐流速法即按下表根据流量确定管径：
表3流量管径对应表
Figure BDA0002368346730000191
Figure BDA0002368346730000201
S4.9.3、分别用次优算法与推荐流速算法对均匀负荷分布下的管网进行优化计算与设计计算。经计算，推荐流速法所设计管网年运行费用为25168.8元，初投资费用为55238.2元。用次优算法所设计管网年运行费用为1930.9元，初投资费用为100849.1元，运行15年可节省费用302956.9元。
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；
本实施例中，S5包括以下步骤：
S5.1、将均匀负荷分布下传统方法设计计算所得各类型管径分布值带入各负荷工况，计算不同运行年份下的年折算费用，将结果与各类型负荷分布传统设计结果作对比，可知传统设计方法(如：推荐流速法)针对于某一负荷分布类型设计在负荷分布发生变化时其适应性极差，凸形负荷分布与凹形负荷分布，其15年年折算费用之和与传统推荐流速法对比节省费用所占比例分别为-0.64与-1.1。对于递增负荷分布与递减负荷分布适应性最差，节省费用所占比例为-4.6。
S5.2、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；
S5.3、放弃管径最高取值概率，找出个负荷分布下管网管径取值概率重合度最高的区域，作为管径取值的次优解；
S5.4、将计算所得各类型管径分布值带入各负荷工况，计算不同运行年份下的年折算费用，将结果与传统设计结果作对比。可知次优设计所得管网对于不同负荷分布适应性存在差异，其中对于凸形负荷分布与均匀负荷分布适应性较强，15年年折算费用之和与传统推荐流速法对比节省费用所占比例分别为0.49与0.54。对于凹形负荷分布与递增负荷分布适应性变化不大，节省费用所占比例分别为0.12与-0.04。对于递减负荷分布适应性较差其节省费用所占比例为-0.88。
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。
实施例2：
取广东某一东西朝向的写字楼为研究对象，该建筑办公楼，包括公共办公区域(人员流动性较大)、办公室、会议室、员工食堂、报告厅等功能空间，其中一楼空调区域面积270m2、二楼空调区域面积370m2、三楼空调区域面积370m2、四楼空调区域面积270m2，总空调区域面积1240m2，一楼布置有两个风柜，二楼布置有三个风柜，三楼布置有三个风柜、四楼布置有两个风柜给每层楼的空调区域送风，一到四层建筑物中间有一个面积为36m2的中庭。
因为该办公大楼业务的特殊性及各区域使用功能的特殊性，总体上人员流动较大，一整天进出大楼人数，各区域人员数量不断的改变，且不可预测，所以大楼逐时刻负荷不能直接得出，现在采用随机走步法对负荷进行随机赋值计算，对一整天工作时间8：00～18:00进行逐时刻模拟赋值(冷负荷与湿负荷)计算。计算使用的室外温湿度采用实时监测的天气数据。
根据现场采集数据，拟对该建筑中央空调冷冻水管网进行后期的节能改造计算与节能潜力评估。先根据现场实际管网拓扑结构与末端设备具体空气处理机组情况，构建中央空调冷冻水管网热力学模型。采集包括环境干球温度、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个末端环境计算输入参数与末端阻抗、管路各部分局部阻力系数、管长、管内壁粗糙度等管网建模计算输入参数，采用随机走步+寻优面域划分的次优计算方法进行寻优计算。
图3反映了30次计算次优解逼近过程，优化进程为在优化过程中计算次数。30次计算的最优解差异不超过0.1％，冷冻水管网年折算费用最大值是10.1276万元，最小值是10.1262万元，计算结果受解向量初始值影响小，具有良好的收敛性和复现性。
各负荷分布所得最优化设计管网分布如图7、图8、图9、图10以及图11所示，各负荷分布类型传统管网设计方法与优化设计所节省费用占总费用的比例随运行年份变化如图13所示，具体数据如下表所示：
节省费用占总费用的比例表
Figure BDA0002368346730000211
Figure BDA0002368346730000221
由上表可知对于各个负荷分布类型，由于相对于传统设计方法，优化管径选值偏大，导致管网初投资较大，但管网年运行费用低，随着运行年份的增加，优化设计管网节省费用所占比例愈发增大。
对次优计算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，其中各类型管段管径取值概率如图4、图5以及图6所示。对不同负荷分布下的管网管径取值做统计学分析，放弃管径最高取值概率，找出各个负荷分布下管网管径取值概率重合度最高的区域，作为管径取值的次优解，如图12所示。将计算所得各类型管径分布值带入各负荷工况，计算不同运行年份下的年折算费用，将结果与传统设计结果作对比，结果如图14、图15所示。可知次优设计所得管网对于不同负荷分布适应性存在差异，其中对于凸形负荷分布与均匀负荷分布适应性较强，15年年折算费用之和与传统推荐流速法对比节省费用所占比例分别为0.49与0.54。对于凹形负荷分布与递增负荷分布适应性变化不大，节省费用所占比例分别为0.12与-0.04。对于递减负荷分布适应性较差其节省费用所占比例为-0.88。可知通过次优算法设计管网对于不同负荷分布适应性大大增加。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

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；包括以下步骤：
S4.1、设定管网各段供回水及末端支路管径X＝(x1,x2,…,xn)，n为管网管段编号，n＝1～N，xn为管网优化计算变量，设定总变量个数N、随机走步步长A、末端控制模量M；
S4.2、输入管网末端阻抗、各支路表冷器冷冻水流量、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、末端设备阻抗计算参数信息；
S4.3、设定优化目标函数F(x)为管网的年折算费用；
S4.4、设定管网各段供回水干管及末端支路管径所对应的管内最大、最小流速，以管内最小流速所对应的最大管径作为各管段寻优计算的初始起点，X0＝(x10,x20,…,xn0)；
S4.5、以寻优计算起点X0＝(x10,x20,…,xn0)，为中心，由各个自变量的上下限值为约束，计算寻优面域划分控制模量，将多维寻优自变量网格进行等距离面域划分，划分为N个寻优计算面域，在各个寻优面域内计算目标函数最小值；
S4.6、随机生成一定范围内随机数rn，得到随机走步单位方向向量R，
Figure FDA0003022310720000011
确定新的寻优起点X1，X1＝(x11,x21,…,xn1)，其中：
x1o＝(xmax+xmin)/2+A·M·r1/R，xno＝(xmax+xmin)/2+A·M·rn/R；
S4.7、计算暂定的目标函数值F(X)temp；若F(X)≤F(X)temp则F(X)＝F(X)temp；x10＝x1，x20＝x2，xn0＝xn；减小步长A为0.8A，循环计算；若F(X)>F(X)temp，则继续进行步骤S4.5，直到计算步骤次数达到设定值；
S4.8、将各个面域计算结果按照从小到大的顺序排列，以各面域中最小目标函数所对应自变量取值作为新的寻优起点，重新进行寻优计算；
S4.9、若A>A0，继续进行步骤S5，若A<A0，计算结束，得最优解：
Xk＝(x1,x2,…,xn)，i≤xn≤j，k＝1,2…
变量的搜索范围为(xn0-A,xn0+A)，随着A值的减小，计算搜索的范围也逐渐的减小，循环计算次数越多，随机解向量越接近理论最优解，分布越集中，根据其分布特性，得到统计学最优解,完成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的分析；
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：
Figure FDA0003022310720000031
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：
Figure FDA0003022310720000041
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；
Figure FDA0003022310720000042
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；
Figure FDA0003022310720000043
为混合点空气相对湿度；t2为表冷器空气侧出口干球温度；
Figure FDA0003022310720000044
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：
Figure FDA0003022310720000051
末端设备阻抗如下：
Figure FDA0003022310720000052
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：
Figure FDA0003022310720000053
Figure FDA0003022310720000054
Figure FDA0003022310720000055
Figure FDA0003022310720000056
冷水管网水力计算模型的约束条件如下：
Gbranch_1≤Gbranch_ini_1,…,Gbranch_n≤Gbranch_ini_n
Svalve-temp_1≥Svalve-temp-min_1,…,Svalve_temp_n≥Svalve_temp_min_n
Δpbranch_1≥0,…,Δpbranch_n≥0,ΔpAB≥0
式中：
Figure FDA0003022310720000061
表示支管路的平衡压降；
Figure FDA0003022310720000062
表示末端设备AHU的阻抗；
Figure FDA0003022310720000063
表示支管路阻抗；
Figure FDA0003022310720000064
表示两个节点之间的供水干管阻抗；
Figure FDA0003022310720000065
表示两个节点之间的回水干管阻抗；
Figure FDA0003022310720000066
表示末端流量；
ΔPvalve_n表示阀门压差；γ表示冷冻水的平均动力粘度；I表示水通断面积；n1表示风机盘管系数；ζ表示局部阻力系数；Δ表示表面粗糙度。
7.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S3中，冷冻水***的经济性评价标准包括冷冻水***的初投资费用与运行费用、报废处理费即剩余价值，对于冷冻水***管网，等价均匀全年费用包括冷冻水泵运行电费、管道的折旧费用、年平均折旧费用、年平均维修费用，冷冻水输送采用变频调速水泵，在不同的负荷率条件下，通过调节冷冻水泵输送的流量，同时在保证送水温度不变的条件下输送冷冻水，则冷冻水泵的运行电费计算公式如下所示：
Figure FDA0003022310720000067
式中，Qwater为循环水泵的流量，按照冷源侧需求流量计算；P为循环水泵工作压力；ηp为水泵的机电效率，取值范围为0.5～0.7；τi为第i种负荷率下的使用时间；ce为电价；
管网优化设计的目标函数为：
Figure FDA0003022310720000068
式中：Ch表示资本回收率；Cch表示管网初期投资费用，包括规划费用、设计费用和建设费用；
Figure FDA0003022310720000069
表示当年价格换算率；
Figure FDA00030223107200000610
表示j年度价格换算率；Cyj表示j年度的年运行费；ij表示j年度的通货膨胀，即利率上升率，利率上升率＝j年率/(j-1)年利率；CWj表示由基础年换算得到的第j年度年维修费；S表示报废处理费或剩余价值；I表示利息；n表示运行年份。
8.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S4中，所述边界计算参数包括室内控制点干球温度、室外控制点干湿球温度、总风量、新风比、冷负荷、湿负荷、末端阻抗、各支路需求流量、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；各边界计算参数的选取如下所示：
当送风口高度小于等于5m时，送风温差在5度至10度之间，当送风口高度大于5m时，送风温差大于10度小于15度；
舒适性空调室内外计算参数如下所示：
室内干球温度取24℃，室内相对湿度应维持在40％～65％之间，室外干球温度取33.5℃，室外湿球温度取27.7℃，新风比取0.1，冷冻水进水温度取7℃；其中，在确定室内人员数量、工作时长、人员工作状态等参数的前提下，冷负荷、湿负荷与风量的计算公式如下所示：
Figure FDA0003022310720000071
式中：Qτ为人体显热散热形成的计算时刻冷负荷,W；qm,W,min为新风量；D_τ为计算时刻的人体散湿量；Q_τ为计算时刻人体散湿量形成的潜热冷负荷；n为计算时刻空调区内的总人数；
Figure FDA0003022310720000072
为集群系数；q1为一名成年男子小时显热散热量，W；τ为计算时刻；T为人员进入空调区的时刻；τ-T为从人员进入空调区的时刻算起到计算时刻的持续时间；Xτ-T为τ-T时刻人体显热散热的冷负荷系数；qm,W,p为每人每小时所需最小新风量；qm,W,b为单位建筑面积每小时所需的最小新风量；F为通风房间建筑面积。
9.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S5中，针对次优计算所得解群概率分析统计方法步骤如下所示：
S5.1、分别对五种不同负荷分布形式的管网利用随机走步的次优算法进行优化设计计算，得到管网各类型管径分布优化设计的最优解，并与相同负荷参数条件下采用传统设计计算所得管径分布做对比，分析优化设计管网管径在运行年限内初投资与年运行费用相较于传统设计方法的差异；
S5.2、输出各工况下管网优化计算的各参数次优计算解群，输出寻优计算过程中寻优步长、各支路阀门开度、目标函数、各支路压降、阀门压降、供回水干管压降、供水干管管径、回水干管管径、末端支路管径，统计不同负荷分布下单次管网次优优化设计计算过程中，供水干管、回水干管管段管径取值概率分布趋势；
S5.3、统计分析五种不同负荷分布形式解群中供回水干管以及末端支路管径取值概率重合度最高的区域，作为管径取值的次优解；
S5.4、输出步骤S5.3所得各类型管段管径取值次优解，重新代入五种不同负荷分布工况中，分别与各工况采用传统设计方法所得管径分布在不同运行年份下的目标函数值作对比，分析次优解所得管径分布的负荷适应性。
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