基于熱濕平衡協(xié)同控制的中央空調(diào)系統(tǒng)縮尺模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

丁笠偉 劉雪峰 黃 彬 徐瑾蔓 畢夢(mèng)波 馬文靜

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院 廣州 510640）

0 引言

建筑物能源消耗是中國(guó)全社會(huì)能源總消耗的重要組成部分，同時(shí)也是未來(lái)節(jié)能減排工作的重點(diǎn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑能源消耗的比重在不斷的增加[1]，有關(guān)研究統(tǒng)計(jì)，2018 年全國(guó)建筑消耗總能耗占全國(guó)能源總消耗的46.5%，建筑運(yùn)行階段能源消耗占比也高達(dá)21.7%[2]。同時(shí)，國(guó)家在《十四五規(guī)劃建議》中也強(qiáng)調(diào)了發(fā)展綠色建筑的重要性。因此，現(xiàn)階段以及未來(lái)對(duì)城市建筑物節(jié)能改造優(yōu)化運(yùn)行刻不容緩。

據(jù)資料顯示，中央空調(diào)系統(tǒng)能耗在大型建筑物各設(shè)備系統(tǒng)能耗中占比最大，可達(dá)30%-50%[3]。同時(shí)，中央空調(diào)系統(tǒng)屬于多變量高度耦合的非線性系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)維管理人員對(duì)冷水機(jī)組以及管網(wǎng)的調(diào)節(jié)存在嚴(yán)重滯后，往往根據(jù)建筑物內(nèi)部溫濕度傳感器以及冷凍水回水溫度對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)控，負(fù)荷側(cè)的不確定性以及空調(diào)系統(tǒng)管網(wǎng)水力調(diào)節(jié)變動(dòng)等問題引起的負(fù)荷波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致大量能源的浪費(fèi)，可見中央空調(diào)系統(tǒng)存在著巨大的節(jié)能空間。當(dāng)前研究人員廣泛采用對(duì)中央空調(diào)特定設(shè)備進(jìn)行精確建模的方法，從而對(duì)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的某一環(huán)節(jié)或某一設(shè)備進(jìn)行改造節(jié)能[4][6]，或使用智能算法結(jié)合歷史運(yùn)維數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化以提供某種運(yùn)行策略[7][9]；同時(shí)隨著樓宇自控系統(tǒng)（BAS）的發(fā)展，利用建筑能源數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)分解進(jìn)行預(yù)測(cè)也獲得了一定的應(yīng)用[10]。一些學(xué)者[11]Error! Reference source not found. 通過搭建符合中央空調(diào)系統(tǒng)原理以及功能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)或利用實(shí)際中央空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)冷凍水系統(tǒng)變壓差控制、冷卻水系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行等問題進(jìn)行了研究，通過實(shí)驗(yàn)論證其節(jié)能優(yōu)化效果。但目前相關(guān)研究領(lǐng)域依然存在以下幾點(diǎn)問題：首先，整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)仿真模型的建立難度較大，目前大多數(shù)相關(guān)文獻(xiàn)是建立孤立的冷源側(cè)模型或者末端管網(wǎng)模型，并沒有將全系統(tǒng)模型進(jìn)行耦合；其次，絕大多數(shù)建筑物并沒有安裝BAS 系統(tǒng)，或在中央空調(diào)系統(tǒng)建造之初，管路的安裝設(shè)計(jì)也并沒有將大量的儀表考慮進(jìn)去，管網(wǎng)各種類數(shù)據(jù)的獲取受到了實(shí)際條件的制約，中央空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中，因運(yùn)行工況穩(wěn)定導(dǎo)致的運(yùn)維數(shù)據(jù)在時(shí)間分布上的同質(zhì)化、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)種類單一、監(jiān)測(cè)儀表測(cè)量誤差等客觀因素對(duì)使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法的研究造成了阻礙；再次，相關(guān)學(xué)者搭建的中央空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，多以單臺(tái)大功率冷機(jī)和少量末端風(fēng)盤為主，機(jī)塔泵搭配運(yùn)行組合方式單一，水力與熱力工況實(shí)驗(yàn)變化范圍較為局限；最后，實(shí)際大型樓宇中央空調(diào)系統(tǒng)由于運(yùn)行成本和權(quán)限的問題，相關(guān)研究研究人員無(wú)法進(jìn)行任意工況的實(shí)驗(yàn)研究。

以上情況，集中反映出在實(shí)際建筑物中央空調(diào)系統(tǒng)中，由于監(jiān)測(cè)設(shè)備的不完備，造成研究人員無(wú)法獲得準(zhǔn)確、足量、工況多樣的運(yùn)行數(shù)據(jù)；同時(shí)單一類型建筑物無(wú)法兼顧各種規(guī)模、不同形式的中央空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)實(shí)施難度大，實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段不足；且通過數(shù)學(xué)建模，對(duì)實(shí)際建筑物現(xiàn)有歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并不能很好的解決問題。因此，為了改善以上現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)并搭建了中央空調(diào)系統(tǒng)縮尺模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究人員可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式可控的中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行工況模擬，同時(shí)按照實(shí)驗(yàn)需求構(gòu)造多種負(fù)荷運(yùn)行工況，獲取大量在實(shí)際工程應(yīng)用中無(wú)法獲得、數(shù)量不夠的中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而避免運(yùn)行數(shù)據(jù)的單一，為整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行和智能診斷提供實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)，為構(gòu)建系統(tǒng)運(yùn)維大數(shù)據(jù)創(chuàng)造有力支撐。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建原理及功能

1.1 冷源側(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

為能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行組合搭配運(yùn)行，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)冷源測(cè)系統(tǒng)設(shè)置有5 臺(tái)的渦旋式冷水主機(jī)，同時(shí)配備有5 臺(tái)冷卻塔，冷凍水泵與冷卻水泵各5 臺(tái)，皆采用2+2+1 的型號(hào)搭配形式；以冷水主機(jī)為例，實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有制冷量7.5kW 主機(jī)2 臺(tái)，12.5kW 主機(jī)兩臺(tái)，20kW 主機(jī)1 臺(tái)。如圖1 所示冷凍水與冷卻水管路采用一級(jí)泵先并后串的布置形式，管道上安裝有高精度壓力表、渦輪流量計(jì)、玻璃溫度計(jì)對(duì)冷凍水冷卻水的水力熱力參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)安裝有Y 型過濾器、止回閥軟連接等常用管道零部件，在設(shè)備構(gòu)成以及熱力原理方面與實(shí)際中央空調(diào)系統(tǒng)接近。冷源測(cè)設(shè)備明細(xì)如表1 所示。

表1 冷源側(cè)設(shè)備Table 1 Cold Source Equipment

圖1 冷源測(cè)原理布置圖Fig.1 Schematic Layout of Cold Source Measurement

1.2 末端管網(wǎng)及風(fēng)柜系統(tǒng)構(gòu)成及功能

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)30 個(gè)末端風(fēng)柜按照5 層6 列布置，尺寸皆為H500mm×D1500mm×W1000mm，風(fēng)柜保溫材料厚度為30mm。為減少實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自身的熱損失，冷凍水管網(wǎng)及其末端管網(wǎng)全部進(jìn)行保溫處理。實(shí)驗(yàn)臺(tái)末端管網(wǎng)實(shí)行通斷調(diào)節(jié)，同時(shí)冷凍水管網(wǎng)在層內(nèi)與層間都可在同程與異程布置形式間自由切換，因此可以構(gòu)建層間同程-層內(nèi)同程、層間同程-層內(nèi)異程、層間異程-層內(nèi)異程、層間異程-層內(nèi)同程四種管網(wǎng)布置形式。同時(shí)，在層間、層內(nèi)末端之間都設(shè)有手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用以改變管道的阻力特性，從而呈現(xiàn)出不同規(guī)模不同形式的冷凍水管網(wǎng)以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，管網(wǎng)布置形式變換原理如圖2 所示，當(dāng)進(jìn)行水平布置形式的調(diào)節(jié)，以第一層末端為例，開啟閥門H1，關(guān)閉閥門H2 時(shí)為水平異程；開啟H1，關(guān)閉H2 即可改變?yōu)樗酵?。?duì)于豎直布置形式的調(diào)節(jié)，開啟閥門V1，關(guān)閉V2 為豎直異程；關(guān)閉V1，開啟V2 為豎直同程。

圖2 末端管網(wǎng)及風(fēng)柜搭建原理Fig.2 Cold Source Measurement Principle Layout Terminal Pipe Network And Fan Cabinet Construction Principle

風(fēng)柜冷凍水進(jìn)水閥門及風(fēng)柜內(nèi)部溫度tset都可進(jìn)行人為調(diào)控設(shè)置，從而方便探究制冷空調(diào)房間或區(qū)域個(gè)數(shù)的變動(dòng)以及設(shè)定溫度的改變對(duì)中央空調(diào)冷凍水管網(wǎng)的影響。上位機(jī)控制可控硅以及36V直流電源，改變風(fēng)柜內(nèi)部加熱棒功率Pheating與加濕器加濕量dh，從而模擬實(shí)際建筑物冷負(fù)荷與濕負(fù)荷。每一個(gè)風(fēng)柜在原理上模擬實(shí)際空調(diào)房間的熱濕交換機(jī)理。從而可將每一個(gè)風(fēng)柜看作一個(gè)空調(diào)房間或者空調(diào)區(qū)域。風(fēng)柜內(nèi)部的熱濕模擬過程如圖3 風(fēng)柜熱濕負(fù)荷模擬原理所示，風(fēng)柜內(nèi)的氣流組織進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)將顯熱于潛熱帶走。

圖3 風(fēng)柜熱濕負(fù)荷模擬原理Fig.3 Simulation Principle of Heat And Humidity Load of Fan Cabinet

1.3 自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

使用LabView 平臺(tái)開發(fā)了冷源側(cè)與末端控制管理軟件，利用RS485 串口通訊，基于modbus 協(xié)議對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制管理軟件能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)各設(shè)備的遠(yuǎn)程啟停，可對(duì)風(fēng)機(jī)、冷卻塔、水泵等設(shè)備進(jìn)行變風(fēng)量變頻調(diào)節(jié)，更改主機(jī)冷凍水出水溫度設(shè)定，設(shè)置末端風(fēng)柜加熱量、加濕量、風(fēng)量等；同時(shí)，該程序能夠?qū)崟r(shí)繪制各采集參數(shù)曲線并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同步保存至本地，為后期數(shù)據(jù)處理與分析提供便利。實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制管理軟圖4 所示。

圖4 基于LabVIEW 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制管理軟件頁(yè)面Fig.4 LabVIEW-Based Experimental Platform Control Management Software Page

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)字信號(hào)的發(fā)送與接收利用研華ADAM 模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，其中，ADAM-4068 負(fù)責(zé)控制各個(gè)電動(dòng)閥的開閉；ADAM-4053 負(fù)責(zé)反饋閥門開啟、關(guān)閉以及故障信號(hào)；ADAM-4117 負(fù)責(zé)傳輸壓差傳感器、電磁流量計(jì)、高精度熱電偶、室外溫濕度傳感器、主機(jī)功率傳感器的4-20mA 信號(hào)。

除上述數(shù)控儀表信號(hào)以外，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還通過RS485 通訊控制讀取流量計(jì)傳感器等設(shè)備，設(shè)備儀表如表2 所示。上位機(jī)控制36V 直流電源的開關(guān)以及輸出電壓的大小，從而間接控制加濕器的加濕量，控制西門子PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱棒的控制，其中，加熱棒加熱功率范圍為0-2.5kW，對(duì)應(yīng)PLC 的信號(hào)范圍為0-100，加濕器加濕量范圍為0-1.6kg/h，對(duì)應(yīng)36V 直流電源電壓范圍為0-36V。此外，上位機(jī)控制變頻器的啟停以及頻率設(shè)定，同時(shí)讀取其功率；控制冷水主機(jī)的啟停、冷凍水冷卻水進(jìn)出水溫度、蒸發(fā)壓力冷凝壓力等參數(shù)；控制西門子PLC，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)柜電源、風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)控。

表2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)控儀表Table 2 CNC Instrument of Experimental Platform

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 水力工況及熱力工況穩(wěn)定

2.1.1 旁通關(guān)閉下冷凍水管網(wǎng)水力特性在30 個(gè)末端冷凍水進(jìn)水閥全開的情況下，關(guān)閉壓差旁通閥，改變冷凍水管網(wǎng)流量，記錄冷凍水管網(wǎng)在不同流量下的供回水壓差。實(shí)驗(yàn)分別在水平豎直同程、水平豎直異程、水平同程豎直異程、水平異程豎直同程布置形式的管網(wǎng)進(jìn)行，冷凍水運(yùn)行水力工況點(diǎn)如圖5 所示，根據(jù)流體力學(xué)原理可知Error!Reference source not found.，管道壓降與流量的平方成正比。管網(wǎng)性能曲線應(yīng)呈現(xiàn)出拋物線的形狀，可以看出，4 種管網(wǎng)布置形式下的管網(wǎng)特性曲線皆呈拋物線狀，符合實(shí)際。

圖5 旁通關(guān)閉下末端管網(wǎng)性能曲線Fig.5 Bypass Off Lower End Pipe Network Performance Curve

2.1.2 旁通開啟下冷凍水管網(wǎng)水力特性

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)臺(tái)末端冷凍水管網(wǎng)在壓差旁通調(diào)節(jié)介入時(shí)的壓差調(diào)節(jié)特性，以開啟1-5 層末端的水平豎直同程管網(wǎng)為例，旁通壓差控制器的設(shè)定值ΔPset分別為80kPa、100kPa、120kPa、140kPa、160kPa、180kPa，其運(yùn)行時(shí)水力工況點(diǎn)如圖6 所示。由圖6 可知，在不同的壓差設(shè)定值下，實(shí)驗(yàn)臺(tái)冷凍水管網(wǎng)水力工況曲線均存在水力欠壓區(qū)[11]，實(shí)驗(yàn)臺(tái)末端管網(wǎng)均具有較為穩(wěn)定的水力調(diào)節(jié)特性。在水力可調(diào)區(qū)，冷凍水管網(wǎng)實(shí)際壓差以壓差設(shè)定值為中心上下波動(dòng)，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的所使用的壓差控制器控制精度在±10kPa 左右，符合實(shí)際工程應(yīng)用現(xiàn)狀。

圖6 旁通開啟下末端管網(wǎng)性能曲線Fig.6 Performance Curve of End Pipe Network Under Bypass Opening

2.1.3 不同末端規(guī)模與旁通壓差設(shè)定值下水力與熱力平衡

對(duì)于不同壓差設(shè)定值下的管網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，分別在ΔPset為80kPa、100kPa、120kPa、140kPa、160kPa下進(jìn)行5 層與3 層末端規(guī)模穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。對(duì)冷凍水管網(wǎng)壓差傳感器記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行畫圖分析，運(yùn)行狀況如圖7 所示，在2 種末端規(guī)模5 種壓差設(shè)定值下，冷凍水總管實(shí)際供回水壓差均在ΔPset附近穩(wěn)定波動(dòng)，波動(dòng)范圍±10kPa，滿足要求。與之對(duì)應(yīng)的冷凍水總管的溫度變化與平衡如圖8 所示，隨著ΔPset的增大，旁通流量降低，旁通前后的回水溫度差值減??；同時(shí)對(duì)于末端規(guī)模的改變，在減少主機(jī)臺(tái)數(shù)后，系統(tǒng)達(dá)到了新的平衡。

圖7 不同末端規(guī)模及壓差設(shè)定下供回水壓差Fig.7 Supply and Return Water Pressure Difference Under Different Terminal Sizes and Pressure Difference Settings

圖8 不同末端規(guī)模及壓差設(shè)定值下冷凍水總管熱力動(dòng)態(tài)穩(wěn)定Fig.8 Thermal Stability of Chilled Water Header Under Different Terminal Sizes and Differential Pressure Settings

以5 層末端開啟AHU1-AHU30 為例，tset設(shè)定為24℃，Pheating為1kW。如圖9 所示，通過溫控調(diào)節(jié)閥控制冷凍水的通斷，能夠?qū)L(fēng)柜內(nèi)部溫度穩(wěn)定在tset附近，波動(dòng)范圍為±2℃。冷水主機(jī)冷凍水溫度動(dòng)態(tài)平衡如圖10 所示，開啟2#～5#三種型號(hào)四臺(tái)主機(jī)，冷凍水進(jìn)出水溫度都可以達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，波動(dòng)范圍為±1.5℃。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可適應(yīng)多種負(fù)荷規(guī)模以及旁通壓差設(shè)定，在此不同設(shè)定工況下，冷凍水總管供回水壓差、冷凍水總管以及冷水主機(jī)進(jìn)出水溫度，末端風(fēng)柜內(nèi)部溫度都可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡與穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)律，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖9 風(fēng)柜內(nèi)部溫度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定Fig.9 Dynamic Stability of The Internal Temperature of The Fan Cabinet

圖10 冷水主機(jī)進(jìn)出水溫度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定Fig.10 Dynamic Stability of Inlet And Outlet Water Temperature of Chiller

2.1.4 不同旁通壓差設(shè)定值及水泵頻率下管網(wǎng)運(yùn)行特性

如圖11 所示，在末端負(fù)荷以及冷源側(cè)設(shè)備搭配不變的情況下，在5 種ΔPset設(shè)定值下試驗(yàn)臺(tái)冷凍水總管出水溫度在8～8.35℃之間波動(dòng)，皆可維持冷凍水出水的穩(wěn)定。同時(shí)，隨著ΔPset的增大，旁通前后的回水溫度也逐漸趨于一致，兩者差值由2.8℃減至0.4℃；總流量與旁通流量隨著壓差設(shè)定值的增大而降低，旁通流量與總流量之比呈下降趨勢(shì)，根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)可知Error! Reference source not found.，在水泵揚(yáng)程一定的情況下，管道流量于壓降成反比，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合水泵性能曲線水流量與壓頭的實(shí)際規(guī)律。

圖11 不同旁通壓差設(shè)定值下水力與熱力變化規(guī)律Fig.11 Hydraulic and Thermal Variation Rules Under Different Bypass Differential Pressure Settings

水泵頻率與流量成正比，水泵頻率的升高意味著水流量的增大。5 種水泵頻率試驗(yàn)工況下冷水主機(jī)設(shè)定出水溫度皆為7℃，如圖12（a）所示，不同的水泵頻率下冷凍出水溫度都能維持在7.5℃左右，旁通后回水溫度隨著水泵頻率的升高，由13.7℃降至10.5℃，說(shuō)明冷水機(jī)組能夠承擔(dān)水泵變頻運(yùn)行工況。如圖圖12（b）所示，在末端負(fù)荷、冷源側(cè)設(shè)備搭配以及ΔPset不變的情況下，隨著水泵頻率的增大，為了維持供回水壓差不變，旁通閥開度隨之升高，由0%增大至60%，冷凍水總流量與旁通流量增大，旁通流量與總流量之比由8%增至48%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合實(shí)際規(guī)律。

圖12 不同水泵頻率下冷凍水總管水力與熱力穩(wěn)定工況Fig.12 Hydraulic and Thermal Stability Conditions of Chilled Water Main at Different Pump Frequencies

2.1.5 隨機(jī)負(fù)荷下的冷凍水管網(wǎng)穩(wěn)定

由于室外環(huán)境、用戶用冷行為、建筑物結(jié)構(gòu)的不同，實(shí)際空調(diào)房負(fù)荷在時(shí)間、空間分布上具有隨機(jī)性Error!Referencesourcenotfound.，實(shí)驗(yàn)人員通過本課題組編寫的隨機(jī)負(fù)荷計(jì)算程序，利用控制管理軟件可對(duì)負(fù)荷的隨機(jī)性進(jìn)行模擬，基于空間的隨機(jī)負(fù)荷分布如圖13（a）所示，以三層末端為例，開啟AHU1 - AHU18 ， 管網(wǎng)采用水平豎直同程布置ΔPset設(shè)定為155kPa，每一個(gè)AHU 模擬一個(gè)空調(diào)房間，考慮到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)加熱功率上限以及負(fù)荷的非負(fù)性，同一時(shí)刻的隨機(jī)負(fù)荷服從如圖13（b）所示正態(tài)分布。

圖13 隨機(jī)負(fù)荷模擬Fig.13 Random Load Simulation

對(duì)于通斷調(diào)節(jié)末端管網(wǎng)系統(tǒng)，不同末端溫控閥的通斷狀態(tài)存在隨機(jī)性，管網(wǎng)系統(tǒng)存在一個(gè)總體閥門開啟率Error! Reference source not found.。由于實(shí)際工程中通過追蹤每一個(gè)末端水力與熱力工況的變化難度較大，冷凍水總管的波動(dòng)則是大量隨機(jī)性疊加后的表征，遂將研究關(guān)注點(diǎn)聚焦總管總體效果上。如圖14（a）所示，末端隨機(jī)負(fù)荷工況下，冷凍水總管供回水溫差的波動(dòng)與所有末端施加的總負(fù)荷呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。

圖14 隨機(jī)工況下系統(tǒng)穩(wěn)定狀況Fig.14 System Stability Under Random Conditions

圖14（b）顯示，雖然t1～t7 每一時(shí)刻每一個(gè)AHU 的負(fù)荷皆為隨機(jī)給定，負(fù)荷大小不盡相同，溫控閥通斷狀態(tài)各異，但總管熱力水力參數(shù)的方差差異不大，冷凍水流量、總管供回水溫度的方差都在2 以下，說(shuō)明負(fù)荷在空間上分布的差異對(duì)其波動(dòng)幾乎沒有影響。7 個(gè)隨機(jī)工況下的供回水壓差方差在54～58.6 之間波動(dòng)，說(shuō)明服從同一負(fù)荷分布的末端其總管供回水壓差波動(dòng)狀態(tài)接近，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在相同的隨機(jī)工況下具有相近的動(dòng)態(tài)平衡水力規(guī)律，能夠進(jìn)行相關(guān)的對(duì)照試驗(yàn)。

2.2 不同機(jī)塔泵運(yùn)行搭配組合下的工況穩(wěn)定

通過對(duì)冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔、末端負(fù)荷的不同搭配組合運(yùn)進(jìn)行設(shè)置，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以模擬多種中央空調(diào)系統(tǒng)工況。實(shí)驗(yàn)時(shí)外界大氣環(huán)境溫度to=25.6℃，相對(duì)濕度φo=86%，工況S1-S5 主機(jī)出水溫度皆設(shè)定為7℃，以主機(jī)名義工況制冷量以及冷凍水供回水5 ℃溫差計(jì)算出來(lái)的冷凍水流量為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)冷凍水泵頻率以及臺(tái)數(shù)進(jìn)行設(shè)置，工況設(shè)置成如表3 所示。不同搭配組合下當(dāng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定時(shí)記錄數(shù)據(jù)，S1-S5 能耗及水力熱力參數(shù)工況如圖15 所示，隨著設(shè)備臺(tái)數(shù)介入的增多，實(shí)驗(yàn)臺(tái)功耗增大；對(duì)于以上5 種不同的搭配組合，冷凍水供回水溫差在3.7℃～4.5℃之間波動(dòng)；由于實(shí)驗(yàn)條件下φo過大，冷卻水供回水溫差在2.3 ℃～3.6 ℃之間波動(dòng)；系統(tǒng)平衡時(shí)的總管實(shí)際出水溫度最低7.8℃，最高12.6℃，經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠在不同水流量、末端負(fù)荷、機(jī)組搭配下達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定時(shí)，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果皆符合實(shí)際規(guī)律，能夠?yàn)椴煌瑹崃Ψ秶?jié)能運(yùn)行研究提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖15 不同運(yùn)行搭配組合下冷源測(cè)能耗及水力熱力穩(wěn)定Fig.15 Measurement of Energy Consumption and Hydraulic and Thermal Stability of Cold Source Under Different Operation Combinations

不同搭配組合下當(dāng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定時(shí)記錄數(shù)據(jù)，S1-S5 能耗及水力熱力參數(shù)工況如圖15 所示，隨著設(shè)備臺(tái)數(shù)介入的增多，實(shí)驗(yàn)臺(tái)功耗增大；對(duì)于以上5 種不同的搭配組合，冷凍水供回水溫差在3.7℃～4.5℃之間波動(dòng)；由于實(shí)驗(yàn)條件下φo過大，冷卻水供回水溫差在2.3℃～3.6℃之間波動(dòng)；系統(tǒng)平衡時(shí)的總管實(shí)際出水溫度最低7.8℃，最高12.6℃，經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠在不同水流量、末端負(fù)荷、機(jī)組搭配下達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定時(shí)，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果皆符合實(shí)際規(guī)律，能夠?yàn)椴煌瑹崃Ψ秶?jié)能運(yùn)行研究提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種中央空調(diào)系統(tǒng)縮尺模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可對(duì)末端管網(wǎng)的布置形式、規(guī)模、負(fù)荷大小，主機(jī)臺(tái)數(shù)進(jìn)行變動(dòng)，對(duì)各設(shè)備諸如水泵、風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻變風(fēng)量調(diào)節(jié)。從系統(tǒng)基本構(gòu)造以及熱濕過程機(jī)理方面對(duì)實(shí)際大型中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬。本文詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)備構(gòu)成、設(shè)計(jì)原理，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析論證該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在水力與熱力穩(wěn)定性，能夠在不同末端負(fù)荷、水流量、冷源測(cè)搭配組合下達(dá)到穩(wěn)定的水力與熱力平衡，進(jìn)行持久可靠的運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合一般常識(shí)規(guī)律。通過該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究人員能獲得不同管網(wǎng)布置形式、不同機(jī)組搭配、不同負(fù)荷運(yùn)行工況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠?yàn)橹醒肟照{(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)維研究提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)支撐，為建立小型中央空調(diào)系統(tǒng)與實(shí)際大型中央空調(diào)系統(tǒng)之間的映射關(guān)系提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。