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

1、<p>　　變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制優(yōu)化方法研究</p><p>　　摘要：提出了“總風(fēng)量閥位控制法”和“最大負荷率最小風(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對大樓典型層風(fēng)系統(tǒng)進行模擬，用實測數(shù)據(jù)驗證模型正確性，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

2、能節(jié)約風(fēng)機能耗，在部分負荷下效果尤為明顯，冬季和過渡季試驗日的節(jié)能率分別為19.38%和15.58%.對2種控制方法下的全年能耗和室內(nèi)熱舒適性進行了試驗對比測試，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. </p><p>　　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 </p><p>　　中圖分類號：TU831.3 文獻標識碼：A </

3、p><p>　　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].在部分負荷下，變靜壓控制使末端裝置內(nèi)風(fēng)閥處于最大開啟狀態(tài)，同時使系統(tǒng)維持一個較低的靜壓設(shè)定值，因而比定靜壓控制節(jié)約風(fēng)機能耗[2].合理的靜壓設(shè)定值對系統(tǒng)的節(jié)能效果和室內(nèi)熱舒適性起到關(guān)鍵作用，這對控制方法提出了更高的要求. </p><p>　　傳統(tǒng)的變靜壓控

4、制采用閥位控制法[3-6]，即根據(jù)末端風(fēng)閥全開的個數(shù)來調(diào)節(jié)靜壓設(shè)定值：當風(fēng)閥全開的個數(shù)低于設(shè)定值（一般取一個）時，系統(tǒng)通過減小靜壓設(shè)定值使閥門開度增大，從而滿足風(fēng)量的要求，反之則增大靜壓設(shè)定值.這一方法實現(xiàn)簡單，但并沒有考慮空氣流量是否滿足負荷和新風(fēng)量的需求，可能導(dǎo)致風(fēng)量不足或通風(fēng)不夠.實際上，當空調(diào)負荷很小時，不斷降低送風(fēng)靜壓，可能導(dǎo)致送風(fēng)量過低而不能送入足夠的新風(fēng)量，這樣會使室內(nèi)空氣品質(zhì)變差；又如在負荷分布不均勻，且有一個閥位全開時

5、，送風(fēng)靜壓不增不減，這時需求風(fēng)量可能大于實際送風(fēng)量，導(dǎo)致風(fēng)量不能滿足負荷需求.若按現(xiàn)有控制方法單純?yōu)榱吮ＷC風(fēng)閥全開的個數(shù)不斷地增大或減小靜壓設(shè)定值，可能引起部分區(qū)域過冷或過熱.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組風(fēng)機的送風(fēng)靜壓和送風(fēng)溫度優(yōu)化控制兩部分，即根據(jù)室內(nèi)負荷的變化實時改變送風(fēng)靜壓和送風(fēng)溫度的設(shè)定值，從而實現(xiàn)對空氣處理機組的控

6、制.本文分別通過模擬分析和現(xiàn)場實測來比較分析新提出的VAV系統(tǒng)控制優(yōu)化方法. </p><p>　　1變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制優(yōu)化方法 </p><p>　　通過分析VAV系統(tǒng)的運行特點，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. </p><p>　　1.1送風(fēng)靜壓控制優(yōu)化 </p><p>　　本文提出的靜壓優(yōu)化控制方法――

7、總風(fēng)量閥位控制方法，可同時根據(jù)總送風(fēng)量與總需風(fēng)量的差值和風(fēng)閥的全開個數(shù)來優(yōu)化靜壓設(shè)定值.當風(fēng)閥全開個數(shù)滿足設(shè)定要求，同時總風(fēng)量的差值保持在某一范圍內(nèi)時，則可認為系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時維持靜壓設(shè)定值不變，否則要調(diào)整靜壓設(shè)定值的大小以達到這種穩(wěn)定狀態(tài).其控制方法流程圖如圖1所示.對于實際建筑的空調(diào)系統(tǒng)，風(fēng)閥長時間運行時可能出現(xiàn)堵死、卡位等硬故障，從而引起輸出信號有誤，導(dǎo)致總送風(fēng)量和總需求風(fēng)量相差很大，將會影響優(yōu)化結(jié)果，因此控制方法設(shè)定了一個

8、上限值，若這種情況連續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)超過該上限值，則認為末端風(fēng)閥存在硬故障，靜壓設(shè)定值將自動恢復(fù)為初始設(shè)定值. </p><p>　　1.2送風(fēng)溫度控制優(yōu)化 </p><p>　　當系統(tǒng)負荷減少時，變靜壓控制通過降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速，減小系統(tǒng)管道靜壓以增大末端裝置閥門開度來滿足風(fēng)量的要求.當負荷減少到一定程度時，系統(tǒng)所需的風(fēng)量過少，可能會造成室內(nèi)空氣流動性差和新風(fēng)量不足等問題，這時可提高送風(fēng)溫度以增大

9、送風(fēng)量；相反，當負荷很大時則要降低送風(fēng)溫度來減少送風(fēng)量. </p><p>　　每個末端都有一個恒定的最大風(fēng)量（MXFL），在不同時刻對應(yīng)一個需求風(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荷率.負荷率越大，說明需求風(fēng)量越大，此時有的末端的需求風(fēng)量可能滿足不了室內(nèi)熱舒適性的要求，這時則要降低送風(fēng)溫度設(shè)定值.在冬季或者過渡季負荷較小的情況下，AHU送風(fēng)量減少，此時需要通過提高送風(fēng)溫度來增大送風(fēng)

10、量，解決由于風(fēng)量過小造成的不利影響.本文提出的送風(fēng)溫度優(yōu)化控制方法――“最大負荷率最小風(fēng)量法”如圖2所示，考慮了末端的負荷率和最小風(fēng)量2個參數(shù)，實現(xiàn)送風(fēng)溫度設(shè)定值的重新設(shè)定. </p><p>　　理論上為了防止局部區(qū)域過熱或過冷，實際送風(fēng)量小于最小送風(fēng)量的末端個數(shù)（j）和負荷率≥0.9的末端個數(shù)（i）的設(shè)定值應(yīng)該為1，但由于空調(diào)系統(tǒng)在實際運行過程中個別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

11、，i和j的設(shè)置應(yīng)綜合考慮實際操作和控制精度要求.送風(fēng)溫度設(shè)定值為13.5～18 ℃. </p><p>　　2變風(fēng)量系統(tǒng)模擬建模 </p><p>　　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)作為模擬和試驗研究對象.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.典型層負荷由一個AHU負擔，制冷量為118.9 kW，風(fēng)機的設(shè)計風(fēng)量為20 160 m3/h，功率為11 kW，共

12、有37個末端裝置，送風(fēng)管道為枝狀管道. </p><p>　　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)大部分時間在部分負荷下運行，而靜壓設(shè)定值是在系統(tǒng)最大設(shè)計風(fēng)量下確定的，因此剩余的靜壓值要通過調(diào)小末端裝置的風(fēng)閥消耗掉，造成能源浪費.下面通過建立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. </p><p>　　2.1

13、模型簡化及假設(shè) </p><p>　　本文建立仿真器的目的在于分析研究優(yōu)化前后AHU風(fēng)機的能耗情況，而每層AHU子系統(tǒng)是相對獨立運行的，只需要以典型層為研究對象即可達研究目的.為此本文對典型層空調(diào)系統(tǒng)進行簡化，如圖4所示. </p><p>　　在系統(tǒng)模型中，變風(fēng)量系統(tǒng)可以看作是一個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組、管段及閥門等.為簡化計算，本文對系統(tǒng)模型進行如下假

14、設(shè)： 　　1）空氣為不可壓縮氣體，密度為1.29 kg/m3； </p><p>　　2）管道內(nèi)空氣流動為一維流動； </p><p>　　3）不考慮執(zhí)行機構(gòu)的滯后現(xiàn)象； </p><p>　　4）在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中，除了空氣處理機中的風(fēng)機，系統(tǒng)中的其他部件，如各管段、彎頭、三通、過濾器及表冷器等，其阻力系數(shù)均簡化為定值；而VAV末端由于閥門開度是變化的，因此其流

15、動阻力系數(shù)是變化的. </p><p>　　2.2管網(wǎng)阻力模型 </p><p>　　風(fēng)管作為空氣的傳遞部件，當空氣在風(fēng)管內(nèi)流動時由于管內(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，即不存在延時效果，其動力性能可用穩(wěn)態(tài)方法描述.空氣通過風(fēng)管的壓降（ΔP）與通過的流量（Q）的平方成正比，即 </p><p><b>　　降，Pa. <

16、/b></p><p><b>　　3模擬分析 </b></p><p>　　將上述部件模型用FORTRAN語言編寫成程序模塊，以TRNSYS[9]作為仿真平臺進行模擬，模擬時間為8：00～18：00，步長為5 min. </p><p><b>　　3.1模型驗證 </b></p><p>

17、　　計算機仿真是對真實系統(tǒng)運行情況的近似模擬，因此首先需要對仿真器的正確性進行驗證.模型驗證分別將現(xiàn)場在2種控制方法下的實測風(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，將模擬計算得到的風(fēng)機轉(zhuǎn)速模擬值與系統(tǒng)實際運行的記錄值進行對比，以驗證該模型在不同控制方法下的正確性.圖5為風(fēng)機轉(zhuǎn)速的實測值與模擬值比較. </p><p>　　由圖5可知，實際值結(jié)果與模擬結(jié)果變化趨勢相吻合.根據(jù)實際

18、值與模擬值的變化趨勢及誤差，可以認為本文建立的模型能真實反映典型層空調(diào)的實際運行情況，因此本模型可作為研究優(yōu)化控制對風(fēng)機能耗影響的工具. </p><p><b>　　3.2模擬結(jié)果 </b></p><p>　　根據(jù)香港氣候特點，選擇3個典型試驗日分別代表冬季、夏季和過渡季的氣候條件進行仿真模擬.模擬的各項輸入是基于試驗日建筑管理系統(tǒng)（BMS）記錄的運行數(shù)據(jù)，將實測

19、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)機的運行情況和能耗.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)機的運行情況和能耗.風(fēng)機的能耗模擬值如表1所示. </p><p>　　由表1可知，在冬季和過渡季部分負荷工況下，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

20、為19.38%和15.58%.而在夏季，由于接近設(shè)計負荷，雖然送風(fēng)溫度的降低可減少送風(fēng)量，但是在某些時刻優(yōu)化控制設(shè)定的靜壓設(shè)定值會大于原控制設(shè)定的200 Pa.因而節(jié)能效果不如冬季和過渡季工況，節(jié)能率僅為0.70%. </p><p><b>　　4 試驗測試 </b></p><p>　　將本文提出的變靜壓變送風(fēng)溫度優(yōu)化控制方法用VB語言編寫成程序，利用OPC數(shù)據(jù)通

21、訊技術(shù)在試驗建筑的BMS中實時在線優(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)測空調(diào)系統(tǒng)的運行情況，記錄運行數(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，這為本文的試驗測試提供了便利條件. </p><p><b>　　4.1能耗分析 </b></p><p>　　BMS系

22、統(tǒng)只記錄有全大樓所有VAV風(fēng)機的總耗電量數(shù)據(jù).為了比較2種控制方法的能耗情況，定義風(fēng)機的總耗電量與空調(diào)總冷負荷的比值為輸送率，即輸送單位冷負荷需要消耗的電量.由定義可知，輸送率越小，表明輸送單位冷負荷所需要消耗的電量越小，該控制方法更節(jié)能.通過比較優(yōu)化前后的輸送率即可得到節(jié)能率.空調(diào)總冷負荷可由制冷機供水溫度、回水溫度和冷凍水流量計算得到.這些數(shù)據(jù)均可從BMS記錄的數(shù)據(jù)獲取.本試驗建筑從2011年11月以前采用原來的控制方法，2011年

23、11月及以后采用本文提出的優(yōu)化控制方法.將優(yōu)化運行前后各1年的能耗情況進行分析比較，優(yōu)化控制方法相對原控制方法的逐月節(jié)能率如圖6所示. </p><p>　　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%. </p><p>　　4.2熱舒適性分析 </p><p&

24、gt;　　對于舒適性空調(diào)而言，當相對濕度為30%～70%時，相對濕度對人體舒適性影響較小.因此可以主要考慮風(fēng)速和空氣溫度對人體的綜合作用.根據(jù)試驗結(jié)果，有效溫度差與室內(nèi)風(fēng)速之間存在以下關(guān)系[10]： </p><p>　　ADPI反映了空調(diào)區(qū)內(nèi)氣流組織對舒適性的影響.ADPI越高，空調(diào)區(qū)內(nèi)逗留人員對環(huán)境感到滿意的人越多.通常情況下，當ADPI≥80%時，就認為空調(diào)區(qū)內(nèi)氣流組織是令人滿意的，如果ADPI=100%表

25、示達到最佳. </p><p>　　在冬季、夏季及過渡季分別選取2種氣象條件相似的試驗日對試驗建筑空調(diào)區(qū)域進行現(xiàn)場測試，比較2種控制方法的ADPI.由于試驗日為工作日，室內(nèi)人員、燈光及設(shè)備負荷基本相似，因此認為試驗建筑室內(nèi)冷負荷未發(fā)生較大變化.圖7為冬、夏和過渡季3種工況下在工作時間內(nèi)2種控制方法下試驗建筑空調(diào)區(qū)域的ADPI分布情況. </p><p>　　通過對2種控制方法下空調(diào)區(qū)域AD

26、PI的比較可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化控制方法下的ADPI≥80%的時間均比原控制方法要多，且在冬季和過渡季尤為顯著，說明優(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. </p><p><b>　　5結(jié)論 </b></p><p>　　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象，采用模擬和試驗對比的研究方法對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制的節(jié)

27、能性和熱舒適性進行分析研究，得出以下結(jié)論： </p><p>　　1）以TRNSYS作為仿真平臺，建立變風(fēng)量系統(tǒng)部件模型，用實測數(shù)據(jù)驗證模型正確性，對冬季、夏季和過渡季試驗日典型層的變風(fēng)量系統(tǒng)的運行情況進行仿真模擬.模擬結(jié)果表明，優(yōu)化控制方法在冬季和過渡季試驗日節(jié)能效果明顯. </p><p>　　2）將提出的優(yōu)化控制方法開發(fā)成實時在線優(yōu)化控制程序應(yīng)用到試驗大樓的BMS中對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)實

28、行實時在線優(yōu)化控制.對試驗大樓進行實驗測試，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、夏季和過渡季分別選取氣象條件相似的典型試驗日，分析比較了2種控制方法下典型試驗日的室內(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. </p><p><b>　　參考文獻 </b></

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