高校教室夏季空調(diào)優(yōu)化控制研究

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(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306； 2.農(nóng)業(yè)部冷庫及制冷設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心(上海)，上海 201306； 3.上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺，上海 201306)

0 前言

據(jù)國際制冷學(xué)會(IIR)的估計，全世界15%電能消耗于制冷和空調(diào)行業(yè)[1]。我國建筑能耗占全部終端用戶總能耗比例將于近年達到35%[2]，而空調(diào)能耗占辦公建筑總能耗的比例最高可達60%[3]。

由于空調(diào)系統(tǒng)能耗大，所以國內(nèi)外學(xué)者對空調(diào)系統(tǒng)的仿真和節(jié)能分析有很多研究。

李裴婕以Trnsys為仿真平臺，提出了一種被動式與主動式相結(jié)合的新型變風(fēng)量送風(fēng)系統(tǒng)故障檢測與診斷方法，該方法可以有效地診斷出風(fēng)閥卡死、傳感器偏差等壓力無關(guān)型變風(fēng)量末端常見硬件故障[4]。

于慧俐等采用Matlab軟件對基于PMV指標的模糊控制方式進行仿真計算。調(diào)節(jié)時間上縮短了57%，在滿足乘客熱舒適要求的基礎(chǔ)上，能很好地實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能需要[5]。

巫春玲等使用BIM技術(shù)的能耗分析軟件Ecotect Analysis對某空調(diào)實驗室進行了熱工計算及能耗分析[6]。

李帥等對污水源熱泵系統(tǒng)不同連接方式下不同運行調(diào)控方式進行研究，采用多水泵并聯(lián)或水泵變頻運行均降低了系統(tǒng)的能耗，具有一定的節(jié)能效果[7]。

蔡盼盼等提出了一種基于 PSO 算法的空調(diào)機組送風(fēng)溫度的優(yōu)化方法并有效的應(yīng)用于 AHU 變風(fēng)量運行參數(shù)的優(yōu)化，與常規(guī)變風(fēng)量運行方式相比具有17.72%的節(jié)能效果[8]。

以上的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的研究十分廣泛而且效果明顯。隨著高等教育的發(fā)展，高校建筑物種類越來越多。這些教室具體使用時間具有隨機性，各教室集中授課情況具有分散性，內(nèi)部人員具有很大的流動性。針對高校教學(xué)建筑的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的研究還十分欠缺。

由于教室上課人數(shù)可以通過教學(xué)管理系統(tǒng)提前預(yù)知，所以高校教室的空調(diào)系統(tǒng)可以采用人數(shù)控制的方案，在選課人數(shù)不多時候可以通過變頻調(diào)節(jié)，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能[9]。

本文以上海市某高校206教室為例，并由上海市的氣象數(shù)據(jù)，及教學(xué)樓建筑結(jié)構(gòu)、學(xué)生上課情況、教室電器能耗等情況建立Trnsys仿真模型。采用作息控制、溫度控制和上課人數(shù)控制三種控制模型，分別模擬夏季空調(diào)系統(tǒng)的運行情況，進行對比，分析其溫度變化和能耗變化，找到最合適的控制方式。

1 教室空調(diào)系統(tǒng)

1.1 教室

206教室的平面布置圖如圖1所示。整個教室位于教學(xué)樓的左上角，長10.8 m，寬7.2 m，面積74.20 m2，最多可容納76人上課。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，室外采用風(fēng)冷式冷水機組。各設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備

序號名稱型號性能參數(shù)1風(fēng)冷式冷水機組TY-4A制冷量11.2 kW,壓縮機功率3.2 kW2冷凍水泵BYKT25-125流量4 m3/h,揚程20 m3風(fēng)機盤管FP-238風(fēng)量2 380 m3/h,制冷量11.1 kW4回風(fēng)機GDF3.0-4風(fēng)量2 000 m3/h,全壓570 Pa5新風(fēng)機GDF2.5-4風(fēng)量1 000 m3/h,全壓310 Pa

1.3 課程表

206教室的2017春季學(xué)期的課程表如表2所示。

表2 206教室課程表

節(jié)次星期一星期二星期三星期四星期五上午第一大節(jié)8:15-9:50食品微生物人數(shù):46機械設(shè)計與制造人數(shù):40通風(fēng)工程人數(shù):24大學(xué)物理人數(shù):71概率論人數(shù):38 第二大節(jié)10:05-11:40計算傳熱學(xué)人數(shù):13水利學(xué)人數(shù):57民法通則18有機化學(xué)人數(shù):55思想品德修養(yǎng)人數(shù):35下午第三大節(jié)13:00-14:35熱泵人數(shù):7-大學(xué)英語4人數(shù):20線性代數(shù)人數(shù):75- 第四大節(jié)14:45-16:20會計學(xué)基礎(chǔ)人數(shù):22-大學(xué)英語1人數(shù):72流體力學(xué)人數(shù):68-晚上第五大節(jié)18:00-19:35生物化學(xué)人數(shù):49自然辯證法人數(shù):76電工技術(shù)人數(shù):43高等數(shù)學(xué)T人數(shù):26-

2 Trnsys仿真方法

2.1 控制方案

基于2017年上海市的氣象數(shù)據(jù)，模擬2017年6月1日～2017年6月30日一個月夏季空調(diào)的運行情況。模擬過程中采用三種不同的控制方案，如表3所示。

2.2 軟件流程

作息控制軟件流程如圖2所示，溫度控制和人數(shù)控制的流程圖除了控制部分外，其他都類似。從圖2可以看出，軟件涉及的部件分為四大類：

(1)控制部件：包括時間、日歷、課程表和時間控制器等。

(2)建筑物模型：這里指教室模型。

(3)空調(diào)系統(tǒng)部件：包括冷水機組、冷凍水泵、風(fēng)機盤管、回風(fēng)機和新風(fēng)機等。

(4)輸出部分：包括控制信號、溫度和負荷輸出、功耗輸出等。

表3三種不同的控制方案

序號控制方案冷水機組冷凍水泵風(fēng)機盤管回風(fēng)機1作息控制上課時間開啟,周末、假日除外2溫度控制同1同1,且26℃開/24℃停3人數(shù)控制同1同2,且(教室人數(shù)/最大人數(shù))實現(xiàn)變頻控制

2.3 計算條件

如圖3，仿真起始時間3 648 h(6月1日)，停止時間4 368 h(6月30日)，計算時間1個月，時間步長10 min。

3 控制結(jié)果對比分析

3.1 溫度對比

三種控制方式下教室空氣溫度的變化如圖4所示。從圖2可以看出，三種控制方式下的溫度均穩(wěn)定在16～30℃之間。注意：16～20℃和28～30℃這樣的低溫和高溫均出現(xiàn)在教室非教學(xué)時間(包括周末休息和每天的19:35～次日8:15)，所以并不影響教室室內(nèi)人員的熱舒服狀態(tài)。

為了進一步分析不同控制方式的下溫度對比，分別列出教室在教學(xué)時間的平均溫度和隨時間變化的均方差，如表4所示。

表4不同控制方案對應(yīng)的溫度對比/℃

控制方式平均均方差作息控制22.32.3溫度控制25.12.0人數(shù)控制26.21.4

從表4可以看出，三種控制方式中，作息控制的平均溫度最低，達到22.3℃，其次是溫度控制,達到25.1℃，人數(shù)控制最高，達26.2℃。按照夏季空氣調(diào)節(jié)的要求，溫度應(yīng)穩(wěn)定在24～28℃[10]，人數(shù)控制和溫度控制效果最好。

從均方差來分析，作息控制、穩(wěn)定局控制和人數(shù)控制的溫度均方差分別是2.3℃，2.0℃和1.4℃，所以人數(shù)控制方案的溫度穩(wěn)定性最好。

3.2 能耗對比

圖5給出了三種控制方案的能耗對比。從圖上可以看出，作息控制的總能耗最高，達2 282 kJ；溫度控制的總能耗次之，1 211.5 kJ；人數(shù)控制方案的總能耗最小，為793.1 kJ。所以人數(shù)控制方案最為節(jié)能。

4 結(jié)語

本文以上海某高校教學(xué)的夏季空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，采用Trnsys軟件模擬空調(diào)系統(tǒng)的運行，分別以作息控制、溫度控制和人數(shù)控制三種控制方案做對比分析，可得到如下結(jié)論：

(1)由于室外氣溫的波動，教室內(nèi)的人數(shù)變化頻繁，三種控制方案的溫度均在16～30℃之間波動。但是教室在教學(xué)時間段的溫度集中在20～28℃之間，基本可以滿足教室內(nèi)的學(xué)生的熱舒適要求。

(2)三種控制方案中，室內(nèi)溫度從低到高分別是：作息控制(22.3℃)，溫度控制(25.1℃)和人數(shù)控制(26.2℃)。室內(nèi)溫度均方差從大到小分別是

作息控制(2.3℃)，溫度控制(2.0℃)和人數(shù)控制(1.4℃)。所以從室內(nèi)舒適性和溫度穩(wěn)定性來看，人數(shù)控制是最好的。

(3)從總能耗角度分析，三種控制方案中，能耗從高到低的分別是作息控制(2 282 kJ)，溫度控制(1 211.5 kJ)，人數(shù)控制(793.1 kJ)。因此最節(jié)能的是人數(shù)控制方案。