论文部分内容阅读
摘要：随着我国经济建设的不断加快，空调系统在各个层面都有了较快的发展，对于变风量空调系统控制优化也有了长足的进步。本文从送风静压控制优化和送风温度控制优化入手，结合变风量系统模拟建模，简要探讨了变风量空调系统控制优化方法，以期能为所需者提供借鉴。
关键词：变风量系统；优化控制；方法
中图分类号：TB494 文献标识码：A
变风量空调系统因具有较好的节能特性而在商业及办公建筑中有了广泛使用。现在，对于变风量空调系统大多数使用定静压定送风温度控制法。部分负荷下的变静压控制使末端装置内风阀处于最大开启状态，同时使系统维持一个较低的静压设定值，因而比定静压控制节约风机能耗。合理的静压设定值对系统的节能效果和室内热舒适性起到关键作用，这对控制方法提出了更高的要求。
传统的变静压控制采用阀位控制法，即根据末端风阀全开的个数来调节静压设定值：当风阀全开的个数低于设定值时，系统通过减小静压设定值使阀门开度增大，从而满足风量的要求，反之则增大静压设定值。这一方法实现简单，但并没有考虑空气流量是否满足负荷和新风量的需求，可能导致风量不足或通风不够。实际上，当空调负荷很小时，不断降低送风静压，可能导致送风量过低而不能送入足够的新风量，这样会使室内空气品质变差；又如在负荷分布不均匀，且有一个阀位全开时，送风静压不增不减，这时需求风量可能大于实际送风量，导致风量不能满足负荷需求。若按现有控制方法单纯为了保证风阀全开的个数不断地增大或减小静压设定值，可能引起部分区域过冷或过热。所以，良好的空调系统应该是在保证室内热舒适性的前提下尽量节约能源。
一、变风量空调系统控制优化方法
1、送风静压控制优化
总风量－阀位控制法作为静压优化控制法，能够同时依照总送风量和总需风量之间的差值以及风阀的全开个数来优化静压设定值。如果风阀全开个数达到了设定的要求，同时总风量差值也在一个较合理的范围内，那么我们能够认为系统达到稳定状态，此时维持静压设定值不变，否则要调整静压设定值的大小以达到这种稳定状态。其控制方法流程图如图１所示。对于实际建筑的空调系统，风阀长时间运行时可能出现堵死、卡位等硬故障，从而引起输出信号有误，导致总送风量和总需求风量相差很大，将会影响优化结果，因此控制方法设定了一个上限值，若这种情况连续出现的次数超过该上限值，则认为末端风阀存在硬故障，静压设定值将自动恢复为初始设定值。
图1送风静压优化控制流程图
2、送风温度控制优化
如果系统负荷出现了降低，变静压控制则可以降低风机的转速，减小系统管道静压从而增大末端装置阀门开度来满足风量要求。如果负荷下降到一定的程度时，那么系统所需要的风量就可能过少，造成室内空气流动性差和新风量不足等问题，这时可提高送风温度以增大送风量；相反，当负荷很大时则要降低送风温度来减少送风量。每个末端都有一个恒定的最大风量（MXFL），在不同时刻对应一个需求风量（RFL），同一末端的需求风量／最大风量的比值定义为该末端的负荷率。负荷率越大，说明需求风量越大，此时有的末端的需求风量可能满足不了室内热舒适性的要求，这时则要降低送风温度设定值。在冬季或者过渡季负荷较小的情况下，ＡＨＵ送风量减少，此时需要通过提高送风温度来增大送风量，解决由于风量过小造成的不利影响。而采用送风温度优化控制方法———“最大负荷率－最小风量法”如图２所示，考虑了末端的负荷率和最小风量２个参数，实现送风温度设定值的重新设定。
图２送风温度优化流程图
理论上为了防止局部区域过热或过冷，实际送风量小于最小送风量的末端个数（ｊ）和负荷率≥0.9的末端个数（ｉ）的设定值应该为１，但由于空调系统在实际运行过程中个别ＶＡＶ末端可能产生故障不能正常工作，或者用户的特殊要求等原因，ｉ和ｊ的设置应综合考虑实际操作和控制精度要求。送风温度设定值为13.5～18℃。
二、变风量系统模拟建模
本文结合某办公建筑变风量空调系统作模拟和研究对象．该建筑共３６层，其典型层的空调系统控制原理如图３所示．典型层负荷由一个ＡＨＵ负担，制冷量为118.9kW，风机的设计风量为20160m3/h，功率为11kW，共有37个末端装置，送风管道为枝状管道。该建筑需全年供冷，变风量空调系统原先采用定静压定送风温度控制方法。变风量系统大部分时间在部分负荷下运行，而静压设定值是在系统最大设计风量下确定的，因此剩余的静压值要通过调小末端装置的风阀消耗掉，造成能源浪费。下面通过建立VAV系统模型，模拟分析采用变静压变送风温度优化控制方法的节能潜力。
图３典型VAV空调系统示意图
1、模型简化及假设
本文建立仿真器的目的在于分析研究优化前后AHU风机的能耗情况，而每层AHU子系统是相对独立运行的，只需要以典型层为研究对象即可达研究目的。为此本文对典型层空调系统进行简化，如图４所示。
图４典型层空调系统图
在系统模型中，变风量系统可以看作是一个由许多相互连接的部件组成的回路。这些部件包括空气处理机组、管段及阀门等。本文对系统模型进行如下假设：空气为不可压缩气体，密度为1.29kg/m3；管道内空气流动为一维流动；不考虑执行机构的滞后现象；在变风量空调系统中，除了空气处理机中的风机，系统中的其他部件，如各管段、弯头、三通、过滤器及 表冷器等，其阻力系数均简化为定值；而ＶＡＶ末端由于阀门开度是变化的，因此其流动阻力系数是变化的。
2、管网阻力模型
风管作为空气的传递部件，当空气在风管内流动时由于管内的摩擦阻力和局部阻力产生压降。假设管内压力传递的变化是瞬态的，即不存在延时效果，其动力性能可用稳态方法描述。空气通过风管的压降（ΔＰ）与通过的流量（Ｑ）的平方成正比，即
（１）
式中：Sflow为管路阻抗．
管路阻抗模型为：
（２）
式中：ｌ为管路长度，ｍ；ｄ为管路直径，ｍ；ζ为局部阻力系数，其大小只与阻力部件的几何形状有关；λ为管路摩擦阻力系数，采用莫迪公式计算：
（３）
式中：Δ为管路的绝对粗糙度；Ｒｅ为管内流体的雷诺数。
3、阀门模型
在某一特定开度下，阀门模型为：
（４）
式中：Ｓｖ为损失系数；Ｑ为流量，m3/s。
4、风机模型
变频风机的压力－流量、效率－流量的表达式为：
式中：ω为转速比，即风机当前转速与额定转速的比值，当ω＝１时，风机按额定转速运行；Ｑ为风机转速比为ω时的流量，m3/s；Ｐ为风机转速比为ω时的压力，Pa；Ｎ为风机转速比为ω时的功率，kW；η为风机转速比为ω时的效率．根据样本数据通过最小二乘法得到以上系数。
5、风机转速控制
变风量风机的控制器根据当前的送风静压值与静压设定值的偏差 （Δｐｓ）来调节风机的转速比，从而改变风机转速．空调系统中广泛应用PID控制器，理想PID调节规律的基本表达式为：
（８）
式中：ｕ（ｔ）为偏差信号（设定值与实测值之差）；ｅ（ｔ）为控制量；ｋｐ为比例积分放大系数；Ｔｉ为积分时间常数；Ｔｄ为微分时间常数．
6、管网压力－流量平衡模型
以稳态方法建立空气流动的质量守恒与压力平衡方程．根据图４，有以下关系式：
式中：msup为送风管空气的质量流量，kg/m3；mret为回风管空气的质量流量，kg/m3；Pz为空调区的压力，Pa；Ps为变风量系统静压设定值，Pa；Ps，ｄ为变风量系统静压设定值该点的动压值，Pa；Pfan为风机的压力，Pa；Pc为AHU盘管及过滤器的压降，Pa；Psup为送风管的压降，Pa；Pret为回风管的压降，Pa；Prec为回风阀的压降，Pa。
三、结论
本文结合某办公楼，通过应用变静压变送风温度优化控制，对变风量空调系统优化控制的热舒适性以及节能性进行分析，表明该方法在冬季及过渡季节能效果更明显，更适合使用。
参考文献：
[1] 郝景濤.变风量空调系统控制方法探讨[J].制冷与空调(四川).2012(04)
[2] 包文晨.某大厦变风量空调系统的监测与控制[J].智能建筑电气技术.2011(02)
关键词：变风量系统；优化控制；方法
中图分类号：TB494 文献标识码：A
变风量空调系统因具有较好的节能特性而在商业及办公建筑中有了广泛使用。现在，对于变风量空调系统大多数使用定静压定送风温度控制法。部分负荷下的变静压控制使末端装置内风阀处于最大开启状态，同时使系统维持一个较低的静压设定值，因而比定静压控制节约风机能耗。合理的静压设定值对系统的节能效果和室内热舒适性起到关键作用，这对控制方法提出了更高的要求。
传统的变静压控制采用阀位控制法，即根据末端风阀全开的个数来调节静压设定值：当风阀全开的个数低于设定值时，系统通过减小静压设定值使阀门开度增大，从而满足风量的要求，反之则增大静压设定值。这一方法实现简单，但并没有考虑空气流量是否满足负荷和新风量的需求，可能导致风量不足或通风不够。实际上，当空调负荷很小时，不断降低送风静压，可能导致送风量过低而不能送入足够的新风量，这样会使室内空气品质变差；又如在负荷分布不均匀，且有一个阀位全开时，送风静压不增不减，这时需求风量可能大于实际送风量，导致风量不能满足负荷需求。若按现有控制方法单纯为了保证风阀全开的个数不断地增大或减小静压设定值，可能引起部分区域过冷或过热。所以，良好的空调系统应该是在保证室内热舒适性的前提下尽量节约能源。
一、变风量空调系统控制优化方法
1、送风静压控制优化
总风量－阀位控制法作为静压优化控制法，能够同时依照总送风量和总需风量之间的差值以及风阀的全开个数来优化静压设定值。如果风阀全开个数达到了设定的要求，同时总风量差值也在一个较合理的范围内，那么我们能够认为系统达到稳定状态，此时维持静压设定值不变，否则要调整静压设定值的大小以达到这种稳定状态。其控制方法流程图如图１所示。对于实际建筑的空调系统，风阀长时间运行时可能出现堵死、卡位等硬故障，从而引起输出信号有误，导致总送风量和总需求风量相差很大，将会影响优化结果，因此控制方法设定了一个上限值，若这种情况连续出现的次数超过该上限值，则认为末端风阀存在硬故障，静压设定值将自动恢复为初始设定值。
图1送风静压优化控制流程图
2、送风温度控制优化
如果系统负荷出现了降低，变静压控制则可以降低风机的转速，减小系统管道静压从而增大末端装置阀门开度来满足风量要求。如果负荷下降到一定的程度时，那么系统所需要的风量就可能过少，造成室内空气流动性差和新风量不足等问题，这时可提高送风温度以增大送风量；相反，当负荷很大时则要降低送风温度来减少送风量。每个末端都有一个恒定的最大风量（MXFL），在不同时刻对应一个需求风量（RFL），同一末端的需求风量／最大风量的比值定义为该末端的负荷率。负荷率越大，说明需求风量越大，此时有的末端的需求风量可能满足不了室内热舒适性的要求，这时则要降低送风温度设定值。在冬季或者过渡季负荷较小的情况下，ＡＨＵ送风量减少，此时需要通过提高送风温度来增大送风量，解决由于风量过小造成的不利影响。而采用送风温度优化控制方法———“最大负荷率－最小风量法”如图２所示，考虑了末端的负荷率和最小风量２个参数，实现送风温度设定值的重新设定。
图２送风温度优化流程图
理论上为了防止局部区域过热或过冷，实际送风量小于最小送风量的末端个数（ｊ）和负荷率≥0.9的末端个数（ｉ）的设定值应该为１，但由于空调系统在实际运行过程中个别ＶＡＶ末端可能产生故障不能正常工作，或者用户的特殊要求等原因，ｉ和ｊ的设置应综合考虑实际操作和控制精度要求。送风温度设定值为13.5～18℃。
二、变风量系统模拟建模
本文结合某办公建筑变风量空调系统作模拟和研究对象．该建筑共３６层，其典型层的空调系统控制原理如图３所示．典型层负荷由一个ＡＨＵ负担，制冷量为118.9kW，风机的设计风量为20160m3/h，功率为11kW，共有37个末端装置，送风管道为枝状管道。该建筑需全年供冷，变风量空调系统原先采用定静压定送风温度控制方法。变风量系统大部分时间在部分负荷下运行，而静压设定值是在系统最大设计风量下确定的，因此剩余的静压值要通过调小末端装置的风阀消耗掉，造成能源浪费。下面通过建立VAV系统模型，模拟分析采用变静压变送风温度优化控制方法的节能潜力。
图３典型VAV空调系统示意图
1、模型简化及假设
本文建立仿真器的目的在于分析研究优化前后AHU风机的能耗情况，而每层AHU子系统是相对独立运行的，只需要以典型层为研究对象即可达研究目的。为此本文对典型层空调系统进行简化，如图４所示。
图４典型层空调系统图
在系统模型中，变风量系统可以看作是一个由许多相互连接的部件组成的回路。这些部件包括空气处理机组、管段及阀门等。本文对系统模型进行如下假设：空气为不可压缩气体，密度为1.29kg/m3；管道内空气流动为一维流动；不考虑执行机构的滞后现象；在变风量空调系统中，除了空气处理机中的风机，系统中的其他部件，如各管段、弯头、三通、过滤器及 表冷器等，其阻力系数均简化为定值；而ＶＡＶ末端由于阀门开度是变化的，因此其流动阻力系数是变化的。
2、管网阻力模型
风管作为空气的传递部件，当空气在风管内流动时由于管内的摩擦阻力和局部阻力产生压降。假设管内压力传递的变化是瞬态的，即不存在延时效果，其动力性能可用稳态方法描述。空气通过风管的压降（ΔＰ）与通过的流量（Ｑ）的平方成正比，即
（１）
式中：Sflow为管路阻抗．
管路阻抗模型为：
（２）
式中：ｌ为管路长度，ｍ；ｄ为管路直径，ｍ；ζ为局部阻力系数，其大小只与阻力部件的几何形状有关；λ为管路摩擦阻力系数，采用莫迪公式计算：
（３）
式中：Δ为管路的绝对粗糙度；Ｒｅ为管内流体的雷诺数。
3、阀门模型
在某一特定开度下，阀门模型为：
（４）
式中：Ｓｖ为损失系数；Ｑ为流量，m3/s。
4、风机模型
变频风机的压力－流量、效率－流量的表达式为：
式中：ω为转速比，即风机当前转速与额定转速的比值，当ω＝１时，风机按额定转速运行；Ｑ为风机转速比为ω时的流量，m3/s；Ｐ为风机转速比为ω时的压力，Pa；Ｎ为风机转速比为ω时的功率，kW；η为风机转速比为ω时的效率．根据样本数据通过最小二乘法得到以上系数。
5、风机转速控制
变风量风机的控制器根据当前的送风静压值与静压设定值的偏差 （Δｐｓ）来调节风机的转速比，从而改变风机转速．空调系统中广泛应用PID控制器，理想PID调节规律的基本表达式为：
（８）
式中：ｕ（ｔ）为偏差信号（设定值与实测值之差）；ｅ（ｔ）为控制量；ｋｐ为比例积分放大系数；Ｔｉ为积分时间常数；Ｔｄ为微分时间常数．
6、管网压力－流量平衡模型
以稳态方法建立空气流动的质量守恒与压力平衡方程．根据图４，有以下关系式：
式中：msup为送风管空气的质量流量，kg/m3；mret为回风管空气的质量流量，kg/m3；Pz为空调区的压力，Pa；Ps为变风量系统静压设定值，Pa；Ps，ｄ为变风量系统静压设定值该点的动压值，Pa；Pfan为风机的压力，Pa；Pc为AHU盘管及过滤器的压降，Pa；Psup为送风管的压降，Pa；Pret为回风管的压降，Pa；Prec为回风阀的压降，Pa。
三、结论
本文结合某办公楼，通过应用变静压变送风温度优化控制，对变风量空调系统优化控制的热舒适性以及节能性进行分析，表明该方法在冬季及过渡季节能效果更明显，更适合使用。
参考文献：
[1] 郝景濤.变风量空调系统控制方法探讨[J].制冷与空调(四川).2012(04)
[2] 包文晨.某大厦变风量空调系统的监测与控制[J].智能建筑电气技术.2011(02)