變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制優(yōu)化方法研究

陳友明 劉健

摘要：提出了“總風(fēng)量閥位控制法”和“最大負(fù)荷率最小風(fēng)量法”分別優(yōu)化變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)靜壓和送風(fēng)溫度，并應(yīng)用到一座實(shí)際建筑的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中.建立了變風(fēng)量空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)模型，利用TRNSYS對(duì)大樓典型層風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型正確性，模擬分析了典型日變風(fēng)量系統(tǒng)優(yōu)化前后的風(fēng)機(jī)能耗.模擬結(jié)果表明，與定靜壓定送風(fēng)溫度的原控制方法相比，優(yōu)化控制能節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗，在部分負(fù)荷下效果尤為明顯，冬季和過(guò)渡季試驗(yàn)日的節(jié)能率分別為19.38%和15.58%.對(duì)2種控制方法下的全年能耗和室內(nèi)熱舒適性進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明，全年的節(jié)能率為7.16%，而且室內(nèi)熱舒適性得到顯著提高.

關(guān)鍵詞：優(yōu)化控制；能耗；熱舒適；變風(fēng)量系統(tǒng)；送風(fēng)靜壓；送風(fēng)溫度

中圖分類號(hào)：TU831.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)因其良好的節(jié)能性而被廣泛使用于商業(yè)和辦公建筑中.目前的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)普遍采用定靜壓定送風(fēng)溫度控制方法[1].在部分負(fù)荷下，變靜壓控制使末端裝置內(nèi)風(fēng)閥處于最大開(kāi)啟狀態(tài)，同時(shí)使系統(tǒng)維持一個(gè)較低的靜壓設(shè)定值，因而比定靜壓控制節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗[2].合理的靜壓設(shè)定值對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能效果和室內(nèi)熱舒適性起到關(guān)鍵作用，這對(duì)控制方法提出了更高的要求.

傳統(tǒng)的變靜壓控制采用閥位控制法[3-6]，即根據(jù)末端風(fēng)閥全開(kāi)的個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)靜壓設(shè)定值：當(dāng)風(fēng)閥全開(kāi)的個(gè)數(shù)低于設(shè)定值（一般取一個(gè)）時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)減小靜壓設(shè)定值使閥門開(kāi)度增大，從而滿足風(fēng)量的要求，反之則增大靜壓設(shè)定值.這一方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但并沒(méi)有考慮空氣流量是否滿足負(fù)荷和新風(fēng)量的需求，可能導(dǎo)致風(fēng)量不足或通風(fēng)不夠.實(shí)際上，當(dāng)空調(diào)負(fù)荷很小時(shí)，不斷降低送風(fēng)靜壓，可能導(dǎo)致送風(fēng)量過(guò)低而不能送入足夠的新風(fēng)量，這樣會(huì)使室內(nèi)空氣品質(zhì)變差；又如在負(fù)荷分布不均勻，且有一個(gè)閥位全開(kāi)時(shí)，送風(fēng)靜壓不增不減，這時(shí)需求風(fēng)量可能大于實(shí)際送風(fēng)量，導(dǎo)致風(fēng)量不能滿足負(fù)荷需求.若按現(xiàn)有控制方法單純?yōu)榱吮ＷC風(fēng)閥全開(kāi)的個(gè)數(shù)不斷地增大或減小靜壓設(shè)定值，可能引起部分區(qū)域過(guò)冷或過(guò)熱.因此，良好的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該是在保證室內(nèi)熱舒適性的前提下盡量節(jié)約能源[7].基于這種思想，本文提出的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制方法主要包括空氣處理機(jī)組風(fēng)機(jī)的送風(fēng)靜壓和送風(fēng)溫度優(yōu)化控制兩部分，即根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷的變化實(shí)時(shí)改變送風(fēng)靜壓和送風(fēng)溫度的設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣處理機(jī)組的控制.本文分別通過(guò)模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)來(lái)比較分析新提出的VAV系統(tǒng)控制優(yōu)化方法.

1變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制優(yōu)化方法

通過(guò)分析VAV系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，本文分別提出了VAV AHU的送風(fēng)靜壓和送風(fēng)溫度控制優(yōu)化方法.

1.1送風(fēng)靜壓控制優(yōu)化

本文提出的靜壓優(yōu)化控制方法——總風(fēng)量閥位控制方法，可同時(shí)根據(jù)總送風(fēng)量與總需風(fēng)量的差值和風(fēng)閥的全開(kāi)個(gè)數(shù)來(lái)優(yōu)化靜壓設(shè)定值.當(dāng)風(fēng)閥全開(kāi)個(gè)數(shù)滿足設(shè)定要求，同時(shí)總風(fēng)量的差值保持在某一范圍內(nèi)時(shí)，則可認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)維持靜壓設(shè)定值不變，否則要調(diào)整靜壓設(shè)定值的大小以達(dá)到這種穩(wěn)定狀態(tài).其控制方法流程圖如圖1所示.對(duì)于實(shí)際建筑的空調(diào)系統(tǒng)，風(fēng)閥長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)堵死、卡位等硬故障，從而引起輸出信號(hào)有誤，導(dǎo)致總送風(fēng)量和總需求風(fēng)量相差很大，將會(huì)影響優(yōu)化結(jié)果，因此控制方法設(shè)定了一個(gè)上限值，若這種情況連續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)超過(guò)該上限值，則認(rèn)為末端風(fēng)閥存在硬故障，靜壓設(shè)定值將自動(dòng)恢復(fù)為初始設(shè)定值.

1.2送風(fēng)溫度控制優(yōu)化

當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷減少時(shí)，變靜壓控制通過(guò)降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減小系統(tǒng)管道靜壓以增大末端裝置閥門開(kāi)度來(lái)滿足風(fēng)量的要求.當(dāng)負(fù)荷減少到一定程度時(shí)，系統(tǒng)所需的風(fēng)量過(guò)少，可能會(huì)造成室內(nèi)空氣流動(dòng)性差和新風(fēng)量不足等問(wèn)題，這時(shí)可提高送風(fēng)溫度以增大送風(fēng)量；相反，當(dāng)負(fù)荷很大時(shí)則要降低送風(fēng)溫度來(lái)減少送風(fēng)量.

每個(gè)末端都有一個(gè)恒定的最大風(fēng)量（MXFL），在不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)一個(gè)需求風(fēng)量（RFL），同一末端的需求風(fēng)量/最大風(fēng)量的比值定義為該末端的負(fù)荷率.負(fù)荷率越大，說(shuō)明需求風(fēng)量越大，此時(shí)有的末端的需求風(fēng)量可能滿足不了室內(nèi)熱舒適性的要求，這時(shí)則要降低送風(fēng)溫度設(shè)定值.在冬季或者過(guò)渡季負(fù)荷較小的情況下，AHU送風(fēng)量減少，此時(shí)需要通過(guò)提高送風(fēng)溫度來(lái)增大送風(fēng)量，解決由于風(fēng)量過(guò)小造成的不利影響.本文提出的送風(fēng)溫度優(yōu)化控制方法——“最大負(fù)荷率最小風(fēng)量法”如圖2所示，考慮了末端的負(fù)荷率和最小風(fēng)量2個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)送風(fēng)溫度設(shè)定值的重新設(shè)定.

理論上為了防止局部區(qū)域過(guò)熱或過(guò)冷，實(shí)際送風(fēng)量小于最小送風(fēng)量的末端個(gè)數(shù)（j）和負(fù)荷率≥0.9的末端個(gè)數(shù)（i）的設(shè)定值應(yīng)該為1，但由于空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中個(gè)別VAV末端可能產(chǎn)生故障不能正常工作，或者用戶的特殊要求等原因，i和j的設(shè)置應(yīng)綜合考慮實(shí)際操作和控制精度要求.送風(fēng)溫度設(shè)定值為13.5～18 ℃.

2變風(fēng)量系統(tǒng)模擬建模

本文以一座位于香港島的辦公建筑的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)作為模擬和試驗(yàn)研究對(duì)象.該建筑共有36層，其典型層的空調(diào)系統(tǒng)控制原理如圖3所示.典型層負(fù)荷由一個(gè)AHU負(fù)擔(dān)，制冷量為118.9 kW，風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)量為20 160 m3/h，功率為11 kW，共有37個(gè)末端裝置，送風(fēng)管道為枝狀管道.

該建筑需要全年供冷，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)原先采用定靜壓定送風(fēng)溫度控制方法.變風(fēng)量系統(tǒng)大部分時(shí)間在部分負(fù)荷下運(yùn)行，而靜壓設(shè)定值是在系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)風(fēng)量下確定的，因此剩余的靜壓值要通過(guò)調(diào)小末端裝置的風(fēng)閥消耗掉，造成能源浪費(fèi).下面通過(guò)建立VAV系統(tǒng)模型，模擬分析采用本文提出的變靜壓變送風(fēng)溫度優(yōu)化控制方法的節(jié)能潛力.

2.1模型簡(jiǎn)化及假設(shè)

本文建立仿真器的目的在于分析研究?jī)?yōu)化前后AHU風(fēng)機(jī)的能耗情況，而每層AHU子系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的，只需要以典型層為研究對(duì)象即可達(dá)研究目的.為此本文對(duì)典型層空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖4所示.

在系統(tǒng)模型中，變風(fēng)量系統(tǒng)可以看作是一個(gè)由許多相互連接的部件組成的回路.這些部件包括空氣處理機(jī)組、管段及閥門等.為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行如下假設(shè)：

1）空氣為不可壓縮氣體，密度為1.29 kg/m3；

2）管道內(nèi)空氣流動(dòng)為一維流動(dòng)；

3）不考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的滯后現(xiàn)象；

4）在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中，除了空氣處理機(jī)中的風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)中的其他部件，如各管段、彎頭、三通、過(guò)濾器及表冷器等，其阻力系數(shù)均簡(jiǎn)化為定值；而VAV末端由于閥門開(kāi)度是變化的，因此其流動(dòng)阻力系數(shù)是變化的.

2.2管網(wǎng)阻力模型

風(fēng)管作為空氣的傳遞部件，當(dāng)空氣在風(fēng)管內(nèi)流動(dòng)時(shí)由于管內(nèi)的摩擦阻力和局部阻力產(chǎn)生壓降.假設(shè)管內(nèi)壓力傳遞的變化是瞬態(tài)的，即不存在延時(shí)效果，其動(dòng)力性能可用穩(wěn)態(tài)方法描述.空氣通過(guò)風(fēng)管的壓降（ΔP）與通過(guò)的流量（Q）的平方成正比，即

降，Pa.

3模擬分析

將上述部件模型用FORTRAN語(yǔ)言編寫成程序模塊，以TRNSYS[9]作為仿真平臺(tái)進(jìn)行模擬，模擬時(shí)間為8：00～18：00，步長(zhǎng)為5 min.

3.1模型驗(yàn)證

計(jì)算機(jī)仿真是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行情況的近似模擬，因此首先需要對(duì)仿真器的正確性進(jìn)行驗(yàn)證.模型驗(yàn)證分別將現(xiàn)場(chǎng)在2種控制方法下的實(shí)測(cè)風(fēng)量、靜壓設(shè)定值等數(shù)據(jù)制作成TRNSYS能讀取的數(shù)據(jù)文件作為仿真器輸入文件，將模擬計(jì)算得到的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速模擬值與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的記錄值進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證該模型在不同控制方法下的正確性.圖5為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)測(cè)值與模擬值比較.

由圖5可知，實(shí)際值結(jié)果與模擬結(jié)果變化趨勢(shì)相吻合.根據(jù)實(shí)際值與模擬值的變化趨勢(shì)及誤差，可以認(rèn)為本文建立的模型能真實(shí)反映典型層空調(diào)的實(shí)際運(yùn)行情況，因此本模型可作為研究?jī)?yōu)化控制對(duì)風(fēng)機(jī)能耗影響的工具.

3.2模擬結(jié)果

根據(jù)香港氣候特點(diǎn)，選擇3個(gè)典型試驗(yàn)日分別代表冬季、夏季和過(guò)渡季的氣候條件進(jìn)行仿真模擬.模擬的各項(xiàng)輸入是基于試驗(yàn)日建筑管理系統(tǒng)（BMS）記錄的運(yùn)行數(shù)據(jù)，將實(shí)測(cè)風(fēng)量和靜壓設(shè)定值作為優(yōu)化控制仿真器的輸入文件，可得到優(yōu)化控制下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況和能耗.根據(jù)優(yōu)化控制下送回風(fēng)溫差、送風(fēng)量和原控制下的送回風(fēng)溫差可算出在原控制下風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量，靜壓設(shè)定值為200 Pa，以上作為原控制仿真器的輸入文件，可得到原控制下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況和能耗.風(fēng)機(jī)的能耗模擬值如表1所示.

由表1可知，在冬季和過(guò)渡季部分負(fù)荷工況下，由于靜壓設(shè)定值的降低，優(yōu)化控制的節(jié)能效果較為明顯，節(jié)能率分別為19.38%和15.58%.而在夏季，由于接近設(shè)計(jì)負(fù)荷，雖然送風(fēng)溫度的降低可減少送風(fēng)量，但是在某些時(shí)刻優(yōu)化控制設(shè)定的靜壓設(shè)定值會(huì)大于原控制設(shè)定的200 Pa.因而節(jié)能效果不如冬季和過(guò)渡季工況，節(jié)能率僅為0.70%.

4 試驗(yàn)測(cè)試

將本文提出的變靜壓變送風(fēng)溫度優(yōu)化控制方法用VB語(yǔ)言編寫成程序，利用OPC數(shù)據(jù)通訊技術(shù)在試驗(yàn)建筑的BMS中實(shí)時(shí)在線優(yōu)化各層變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)靜壓和送風(fēng)溫度，比較優(yōu)化前后的節(jié)能潛力和室內(nèi)熱舒適性.建筑中BMS能監(jiān)測(cè)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，記錄運(yùn)行數(shù)據(jù).因此可從BMS中讀取2種控制方法下變風(fēng)量系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)以分析優(yōu)化前后的能耗情況，這為本文的試驗(yàn)測(cè)試提供了便利條件.

4.1能耗分析

BMS系統(tǒng)只記錄有全大樓所有VAV風(fēng)機(jī)的總耗電量數(shù)據(jù).為了比較2種控制方法的能耗情況，定義風(fēng)機(jī)的總耗電量與空調(diào)總冷負(fù)荷的比值為輸送率，即輸送單位冷負(fù)荷需要消耗的電量.由定義可知，輸送率越小，表明輸送單位冷負(fù)荷所需要消耗的電量越小，該控制方法更節(jié)能.通過(guò)比較優(yōu)化前后的輸送率即可得到節(jié)能率.空調(diào)總冷負(fù)荷可由制冷機(jī)供水溫度、回水溫度和冷凍水流量計(jì)算得到.這些數(shù)據(jù)均可從BMS記錄的數(shù)據(jù)獲取.本試驗(yàn)建筑從2011年11月以前采用原來(lái)的控制方法，2011年11月及以后采用本文提出的優(yōu)化控制方法.將優(yōu)化運(yùn)行前后各1年的能耗情況進(jìn)行分析比較，優(yōu)化控制方法相對(duì)原控制方法的逐月節(jié)能率如圖6所示.

由圖6可知，優(yōu)化控制方法的節(jié)能效果在冬季（12月至2月）尤為突出，均大于20%，而在負(fù)荷較高的夏季（6月至10月）節(jié)能效果不明顯，全年平均節(jié)能7.16%.

4.2熱舒適性分析

對(duì)于舒適性空調(diào)而言，當(dāng)相對(duì)濕度為30%～70%時(shí)，相對(duì)濕度對(duì)人體舒適性影響較小.因此可以主要考慮風(fēng)速和空氣溫度對(duì)人體的綜合作用.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，有效溫度差與室內(nèi)風(fēng)速之間存在以下關(guān)系[10]：

ADPI反映了空調(diào)區(qū)內(nèi)氣流組織對(duì)舒適性的影響.ADPI越高，空調(diào)區(qū)內(nèi)逗留人員對(duì)環(huán)境感到滿意的人越多.通常情況下，當(dāng)ADPI≥80%時(shí)，就認(rèn)為空調(diào)區(qū)內(nèi)氣流組織是令人滿意的，如果ADPI=100%表示達(dá)到最佳.

在冬季、夏季及過(guò)渡季分別選取2種氣象條件相似的試驗(yàn)日對(duì)試驗(yàn)建筑空調(diào)區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，比較2種控制方法的ADPI.由于試驗(yàn)日為工作日，室內(nèi)人員、燈光及設(shè)備負(fù)荷基本相似，因此認(rèn)為試驗(yàn)建筑室內(nèi)冷負(fù)荷未發(fā)生較大變化.圖7為冬、夏和過(guò)渡季3種工況下在工作時(shí)間內(nèi)2種控制方法下試驗(yàn)建筑空調(diào)區(qū)域的ADPI分布情況.

通過(guò)對(duì)2種控制方法下空調(diào)區(qū)域ADPI的比較可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化控制方法下的ADPI≥80%的時(shí)間均比原控制方法要多，且在冬季和過(guò)渡季尤為顯著，說(shuō)明優(yōu)化后空調(diào)區(qū)域的氣流組織得到了明顯改善，室內(nèi)熱舒適性有明顯提高.

5結(jié)論

應(yīng)用本文提出的變靜壓變送風(fēng)溫度優(yōu)化控制方法，以香港某辦公建筑為研究對(duì)象，采用模擬和試驗(yàn)對(duì)比的研究方法對(duì)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制的節(jié)能性和熱舒適性進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：

1）以TRNSYS作為仿真平臺(tái)，建立變風(fēng)量系統(tǒng)部件模型，用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型正確性，對(duì)冬季、夏季和過(guò)渡季試驗(yàn)日典型層的變風(fēng)量系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真模擬.模擬結(jié)果表明，優(yōu)化控制方法在冬季和過(guò)渡季試驗(yàn)日節(jié)能效果明顯.

2）將提出的優(yōu)化控制方法開(kāi)發(fā)成實(shí)時(shí)在線優(yōu)化控制程序應(yīng)用到試驗(yàn)大樓的BMS中對(duì)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)實(shí)行實(shí)時(shí)在線優(yōu)化控制.對(duì)試驗(yàn)大樓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，用輸送率比較2種控制方法下全年的節(jié)能率.結(jié)果表明，優(yōu)化控制方法在11月至4月份節(jié)能效果顯著，全年平均節(jié)能率為7.16%.

3）在冬季、夏季和過(guò)渡季分別選取氣象條件相似的典型試驗(yàn)日，分析比較了2種控制方法下典型試驗(yàn)日的室內(nèi)熱舒適性，結(jié)果表明優(yōu)化控制方法在3種工況下均能提高室內(nèi)熱舒適性.

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