葛俊伶,孟慶龍

(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

?

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)改進(jìn)總風(fēng)量法研究

葛俊伶,孟慶龍

(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

為改進(jìn)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)總風(fēng)量控制方法對末端風(fēng)量的控制效果,提出了一種改進(jìn)總風(fēng)量法,通過系統(tǒng)的最不利壓降和系統(tǒng)所需總風(fēng)量,直接計(jì)算出風(fēng)機(jī)應(yīng)有的頻率,并加以控制。試驗(yàn)結(jié)果表明,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)改進(jìn)總風(fēng)量法相比于較為節(jié)能的普通總風(fēng)量法和變靜壓法,對最不利末端的控制基本達(dá)到要求,更具有節(jié)能效益。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng); 改進(jìn)總風(fēng)量法; 常規(guī)總風(fēng)量法; 變靜壓法

葛俊伶(1991—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)橹醒肟照{(diào)系統(tǒng)遞階控制與節(jié)能優(yōu)化。

0 引 言

隨著建筑節(jié)能與舒適感要求的提高,以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)逐漸被推廣和使用。然而,國內(nèi)已建成的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行并不盡如人意,通常變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制效果差,控制參數(shù)不穩(wěn)定,風(fēng)量不平衡,缺少新風(fēng),空氣品質(zhì)和舒適感達(dá)不到要求,節(jié)能性低。有些變風(fēng)量系統(tǒng)甚至不能正常運(yùn)行,而改為普通的定風(fēng)量系統(tǒng)[1-3]。

在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的研究領(lǐng)域中,絕大部分是對其控制的優(yōu)化方法進(jìn)行研究,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法等機(jī)器學(xué)習(xí)的方法,其本質(zhì)為多變量的回歸,沒有說明其優(yōu)化效果產(chǎn)生的物理機(jī)制[4]。在變風(fēng)量空調(diào)的實(shí)際運(yùn)行過程中,風(fēng)量隨負(fù)荷的變化而變化,出現(xiàn)很強(qiáng)的動態(tài)特性,并且各控制回路之間發(fā)生強(qiáng)耦合性,導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)總風(fēng)量法控制原理

文獻(xiàn)[5]通過對壓力無關(guān)型變風(fēng)量末端的分析，得出了以設(shè)定風(fēng)量作為控制變量,通過計(jì)算系統(tǒng)總設(shè)定風(fēng)量而控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,提出了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)總風(fēng)量控制方法。經(jīng)過對總風(fēng)量控制方法與定靜壓控制方法、變靜壓控制方法的比較,得出總風(fēng)量法的節(jié)能效果稍低于變靜壓方法,但比變靜壓方法穩(wěn)定。

1.1 常規(guī)總風(fēng)量法控制原理

常規(guī)總風(fēng)量法控制原理如圖1所示。

圖1 常規(guī)總風(fēng)量法控制原理

風(fēng)機(jī)初始運(yùn)行狀態(tài)為點(diǎn)1,系統(tǒng)阻抗為S1,風(fēng)機(jī)頻率為n1,風(fēng)機(jī)送風(fēng)量為Q1。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)中某部分的負(fù)荷降低時,系統(tǒng)所需的總風(fēng)量由Q1變?yōu)镼2,此時為使風(fēng)機(jī)送風(fēng)量達(dá)到Q2,風(fēng)機(jī)頻率變?yōu)閚2。由于變風(fēng)量末端風(fēng)閥的變化,系統(tǒng)阻抗不可能維持在S1不變。假設(shè)風(fēng)閥關(guān)小,系統(tǒng)阻抗變?yōu)镾2,則風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)不是點(diǎn)2,而是點(diǎn)3,即風(fēng)機(jī)的實(shí)際送風(fēng)量為Q3。因此,風(fēng)機(jī)頻率進(jìn)一步改變到n3,同時系統(tǒng)阻抗變化為S3,風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)移動到點(diǎn)4,風(fēng)機(jī)送風(fēng)量為Q4。依次類推,風(fēng)機(jī)的實(shí)際送風(fēng)量Qi無限接近于風(fēng)機(jī)的設(shè)定送風(fēng)量Q2。常規(guī)總風(fēng)量法的不足之處在于風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量并不是只由風(fēng)機(jī)的頻率決定,風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)點(diǎn)與整個系統(tǒng)的阻力系數(shù)有關(guān)。當(dāng)末端阻力系數(shù)改變后,風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量也會隨之變化,送風(fēng)量與實(shí)際所需風(fēng)量存在偏差。

1.2 改進(jìn)總風(fēng)量法控制原理

改進(jìn)總風(fēng)量法通過對總風(fēng)量系統(tǒng)進(jìn)行水力特性分析,從物理模型的角度分析總風(fēng)量系統(tǒng)不同工況下，風(fēng)管管路的最不利壓降計(jì)算以及各末端所需風(fēng)量之和,直接得出風(fēng)機(jī)頻率，從而控制風(fēng)機(jī)。為了降低風(fēng)機(jī)能耗,需要保證在滿足空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量的前提下系統(tǒng)阻力最小,即末端閥門開度較大,沒有多余的靜壓被消耗在末端閥門上[6]。

改進(jìn)總風(fēng)量優(yōu)化控制方法實(shí)際上是對常規(guī)總風(fēng)量控制法進(jìn)行改進(jìn),目的是根據(jù)各變風(fēng)量末端所需風(fēng)量進(jìn)行風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)時,提前考慮變風(fēng)量末端阻力系數(shù)的改變對風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)的影響,通過系統(tǒng)所需最大壓降和風(fēng)量,直接算出風(fēng)機(jī)所需頻率,避免風(fēng)機(jī)頻率經(jīng)常變化導(dǎo)致的系統(tǒng)振蕩。

改進(jìn)總分量優(yōu)化控制方法原理如圖2所示。

圖2 改進(jìn)總風(fēng)量優(yōu)化控制方法原理

風(fēng)機(jī)初始運(yùn)行狀態(tài)為點(diǎn)1,系統(tǒng)阻抗為S1,風(fēng)機(jī)頻率為n1。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)中某部分的負(fù)荷降低時,系統(tǒng)所需的總風(fēng)量由Q1變到Q2,同時為使變風(fēng)量系統(tǒng)阻力最小,在計(jì)算最不利回路壓降時規(guī)定將變風(fēng)量末端控制回路中風(fēng)閥設(shè)定值為最大的風(fēng)閥開到95%,假定工況為在滿足變風(fēng)量末端所需流量的情況下阻力最小的管網(wǎng)工況。在設(shè)定風(fēng)量下,系統(tǒng)最不利環(huán)路壓降為H2,最不利環(huán)路壓降為風(fēng)機(jī)應(yīng)提供的壓頭,因此以H2為風(fēng)機(jī)壓頭,Q2為風(fēng)機(jī)送風(fēng)量,確定風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)2。根據(jù)風(fēng)機(jī)特性曲線，計(jì)算出風(fēng)機(jī)應(yīng)有的頻率為n2,風(fēng)機(jī)提供的總風(fēng)量滿足末端風(fēng)量,且能耗最小。對于末端水力狀況的穩(wěn)定性和風(fēng)量的分配,在風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量假定滿足末端狀況所需風(fēng)量和,壓頭滿足空調(diào)風(fēng)管系統(tǒng)最不利回路壓降的前提下,由于風(fēng)機(jī)控制回路和變風(fēng)量末端房間控制回路沒有耦合,壓力無關(guān)型變風(fēng)量末端的控制回路自行調(diào)節(jié)。

改進(jìn)總風(fēng)量控制方法流程如圖3所示。

圖3 改進(jìn)總風(fēng)量控制方法流程

2 改進(jìn)總風(fēng)量方法的數(shù)學(xué)模型

2.1 變風(fēng)量末端數(shù)學(xué)模型

從整個系統(tǒng)水力特性的角度考慮,變風(fēng)量末端實(shí)際上是一個可變風(fēng)閥開度的末端。對風(fēng)閥建立穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，找出風(fēng)閥的角度與其阻力系數(shù)的關(guān)系，求得整個管網(wǎng)在各變風(fēng)量末端不同閥位開度下的阻力特性[7]。變風(fēng)量末端風(fēng)閥阻力系數(shù)K與風(fēng)閥開度θ的關(guān)系為

(1)

式中:A、B、C——不同型號變風(fēng)量末端經(jīng)擬合得到的常數(shù);

ρa(bǔ)——空氣密度;

A1——風(fēng)閥截面積。

2.2 變速風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

變速風(fēng)機(jī)在頻率fi時的風(fēng)機(jī)性能可表示為

(2)

式中:Pi——額定工況下風(fēng)機(jī)全壓;Qi——額定工況下風(fēng)機(jī)風(fēng)量;a1、b1、c1——不同型號風(fēng)機(jī)對應(yīng)的常數(shù)。

2.3 風(fēng)管的數(shù)學(xué)模型

變風(fēng)量系統(tǒng)中風(fēng)管也存在一定的阻抗[8-9]。對于風(fēng)管內(nèi)不同的空氣流速,其管段摩擦系數(shù)、管網(wǎng)壓降都會發(fā)生變化。為了使改進(jìn)總風(fēng)量法具有普適性和推廣性,本文分別對不同規(guī)格的風(fēng)管進(jìn)行風(fēng)管阻抗計(jì)算[10]:

ΔP=SQ2

(3)

在同規(guī)格風(fēng)管下,對不同風(fēng)速所對應(yīng)的風(fēng)管阻抗進(jìn)行數(shù)值擬合,得到風(fēng)管阻抗S與風(fēng)管內(nèi)空氣流速v的關(guān)系如下:

S=a′v2+b′v+c′

(4)

其中，a′、b′、c′為不同規(guī)格風(fēng)管對應(yīng)的多項(xiàng)式系數(shù)。

3 試驗(yàn)研究

變風(fēng)量試驗(yàn)平臺設(shè)于長安大學(xué)給水排水重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。變分量系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 變風(fēng)量系統(tǒng)原理

在401、405、406、413房間安裝變風(fēng)量末端,并與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。

(1) 變風(fēng)量末端風(fēng)閥特性計(jì)算。安裝在401、406、413房間是同種小規(guī)格型號的變風(fēng)量末端,405房間是大規(guī)格型號的變風(fēng)量末端。采用MATLAB對兩種規(guī)格的變風(fēng)量末端風(fēng)閥阻力系數(shù)和風(fēng)閥開度進(jìn)行擬合,得到風(fēng)閥阻力-開度特性公式中的參數(shù)A、B、C,如表1所示。

表1 兩種變風(fēng)量末端阻力損失系數(shù)的系數(shù)

(2) 風(fēng)管阻力理論計(jì)算。按照風(fēng)管的規(guī)格尺寸,將實(shí)驗(yàn)室風(fēng)管劃分為7個部分分別計(jì)算。

為達(dá)到變風(fēng)量末端風(fēng)量設(shè)定值，各編號管段內(nèi)空氣風(fēng)速為

(5)

式中:Qbox-i——各房間變風(fēng)量末端所需風(fēng)量;Ai——不同編號管段的橫截面積。

先求出各管段內(nèi)空氣流速,再進(jìn)行其阻抗和風(fēng)速的擬合,得到風(fēng)管單位長度阻抗為[10]

Sj=av2j+bvj+c j∈1～5

(6)

其中,a、b、c為擬合系數(shù)。

不同規(guī)格風(fēng)管的擬合系數(shù)如表2所示。

表2 不同規(guī)格風(fēng)管的擬合系數(shù)

各編號管段阻抗由管段單位長度阻抗Sj和相應(yīng)的風(fēng)閥阻抗Svalve組成:

Si=Sj+Svalve

(7)

由上述求得各編號管段的風(fēng)管阻抗,根據(jù)相應(yīng)的變風(fēng)量末端所需求的風(fēng)量值,各段風(fēng)管的壓降值為

ΔPi=Si(∑Qbox-i)2

(8)

結(jié)合實(shí)際的風(fēng)管系統(tǒng),每個變風(fēng)量末端所在環(huán)路的壓降分別為

ΔP401=ΔP1+ΔP2+ΔP3+ΔP7

(9)

ΔP405=ΔP1+ΔP2+ΔP6

(10)

ΔP406=ΔP1+ΔP5

(11)

ΔP413=ΔP1+ΔP4

(12)

最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)室工況下各部分的數(shù)學(xué)模型和控制邏輯,編入上位機(jī)組態(tài)王中。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用改進(jìn)總風(fēng)量法、常規(guī)總風(fēng)量法、變靜壓法,對4個房間進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)工況均設(shè)定為每隔0.52 h將各個房間的設(shè)定溫差與實(shí)際溫差均調(diào)節(jié)到相差2 ℃的情況。

4.1 系統(tǒng)需求的總風(fēng)量控制

三種控制方法下系統(tǒng)實(shí)際總風(fēng)量與設(shè)定總風(fēng)量比較如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)實(shí)際總風(fēng)量與設(shè)定總風(fēng)量比較

由圖5可見,在設(shè)定總風(fēng)量和實(shí)際總風(fēng)量的差值來看,常規(guī)總風(fēng)量控制得最好,改進(jìn)總風(fēng)量法控制次之,變靜壓差值最大。變靜壓控制風(fēng)機(jī)時,實(shí)際總送風(fēng)量明顯高于設(shè)定總送風(fēng)量,平均差值達(dá)到180 m3/h;改進(jìn)總風(fēng)量法相比于常規(guī)總風(fēng)量法,實(shí)際總送風(fēng)量略低于設(shè)定總送風(fēng)量,平均差值為20 m3/h,達(dá)到實(shí)際總風(fēng)量等于設(shè)定總風(fēng)量的控制效果。

4.2 最不利環(huán)路控制

由于401房間變風(fēng)量末端距離風(fēng)機(jī)的距離遠(yuǎn)大于其他末端,且401房間處于陽面,故最不利環(huán)路是401房間的風(fēng)管系統(tǒng)。最不利末端控制效果如圖6所示。

圖6 最不利末端風(fēng)量控制效果

由圖6可見，在最不利末端的控制上,變靜壓法的實(shí)際風(fēng)量始終大于設(shè)定風(fēng)量;改進(jìn)總風(fēng)量法部分控制良好,部分實(shí)際風(fēng)量偏小;常規(guī)總風(fēng)量法控制值與實(shí)際值出現(xiàn)較大的差距。

4.3 能耗對比

三種控制方法能耗比較如圖7所示。由于試驗(yàn)平臺沒有采集風(fēng)機(jī)的功率和能耗,所以用風(fēng)機(jī)的頻率來代替風(fēng)機(jī)功率,作為能耗的表征。

圖7 三種控制方法能耗比較

由圖7可知,在能耗方面,變靜壓法最大,常規(guī)總風(fēng)量法次之,改進(jìn)總風(fēng)量法最小。改進(jìn)總風(fēng)量法的能耗比變靜壓法的能耗小27%,具有很大的節(jié)能潛力。

5 結(jié) 論

提出了一種變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)改進(jìn)總風(fēng)量法,通過系統(tǒng)最不利的壓降和系統(tǒng)所需總風(fēng)量,直接計(jì)算出風(fēng)機(jī)應(yīng)有的頻率，并且加以控制。試驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)總風(fēng)量法相比于常規(guī)總風(fēng)量法,實(shí)際總送風(fēng)量略低于設(shè)定總送風(fēng)量,達(dá)到實(shí)際總風(fēng)量等于設(shè)定總風(fēng)量的控制效果;相比于變靜壓法,改進(jìn)總風(fēng)量法的能耗小27%。

[1] ENGDAHL F,SVENSSON A.Pressure controller variable air volume system[J].Energy and Buildings,2003,35:1161-1172.

[2] 葉大法,楊國忠.變風(fēng)量空調(diào)設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[3] LORENZETTI D M,NORFORD L K.Pressure setpoint control of adjustable speed fans[J].Transaction of the ASME,1994,116:158-163.

[4] 潘云鋼.我國暖通空調(diào)自動控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].暖通空調(diào),2012,42(11):1-8.

[5] 戴斌文,狄洪發(fā),江億.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)總風(fēng)量控制方法[J].暖通空調(diào),1999,29(3):1-6.

[6] 秦緒忠,江億.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)節(jié)能分析[C]∥全國暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會,1998:295-298.

[7] 晉欣橋.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的仿真及其實(shí)時優(yōu)化控制研究[D].上海：上海交通大學(xué),1998.

[8] 陳華.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行工況特性分析[D].天津大學(xué),2004.

[9] 付祥釗,肖益民.流體輸配管網(wǎng)[M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[10] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊[M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

Study on Improved Total Air Volume Method of Variable Air Volume System

GE Junling,MENG Qinglong

(College of Environment Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710054, China)

In order to improve the control effect of the total air volume control method on the terminal air volume in the variable air volume(VAV)system,an improved total air volume method was proposed which directly calculates the frequency of the fan by the most unfavorable pressure drop of the system and the total air volume required by the system.The experimental results show that,compared to the other two methods,the improved total air volume method can meet the basic requirements in the control of the most unfavorable end and has some energy-saving benefits.

variable air volume(VAV)system; improved total air volume method; conventional total air volume method; variable pressure method

TU 201.5

B

1674-8417(2016)10-0051-06

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.10.015

2016-10-08

孟慶龍(1979—),男,副教授,研究方向?yàn)榻ㄖO(shè)備自動化。