陳冰杰, 何子睿, 劉廣東, 張 野, 高 巖

(1.北京建筑大學(xué)北京節(jié)能減排與城鄉(xiāng)可持續(xù)發(fā)展省部共建國(guó)家協(xié)同創(chuàng)新中心,北京100044;2.北京建筑大學(xué)供熱、供燃?xì)狻⑼L(fēng)及空調(diào)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100044;3.魯能集團(tuán)有限公司,北京100020;4.清華大學(xué),北京100084)

1 概述

與定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)相比,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)可通過(guò)自動(dòng)控制進(jìn)行送風(fēng)量調(diào)節(jié),節(jié)能效果明顯[1]3。

目前,模擬是分析變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)性能、運(yùn)行能耗等問(wèn)題的重要手段。DeST軟件能夠模擬分析空調(diào)系統(tǒng)控制方案并計(jì)算建筑全年運(yùn)行能耗,但由于DeST軟件將空調(diào)系統(tǒng)控制設(shè)為理想狀態(tài),計(jì)算得到的空調(diào)負(fù)荷也是理想值,不能完全真實(shí)地反映空調(diào)裝置在部分負(fù)荷下的特性[2]。

EnergyPlus軟件除可實(shí)現(xiàn)建筑運(yùn)行能耗的動(dòng)態(tài)控制外,還可對(duì)空調(diào)系統(tǒng)采用模塊化模擬[3]。許多學(xué)者應(yīng)用EnergyPlus軟件對(duì)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。文獻(xiàn)[4]對(duì)比模擬了定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)與變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗情況,研究表明:由于EnergyPlus軟件采用節(jié)點(diǎn)算法逐個(gè)描述并計(jì)算空調(diào)裝置能耗,需要輸入建筑及空調(diào)系統(tǒng)詳細(xì)的參數(shù),因此大型建筑的建模過(guò)程過(guò)于繁瑣、運(yùn)算量大,還可能出現(xiàn)結(jié)果不收斂等問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]基于EnergyPlus軟件,對(duì)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)提出了3種不同準(zhǔn)確度的空調(diào)裝置簡(jiǎn)化建模方法,但易影響空調(diào)裝置能耗模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

TRNSYS軟件擅長(zhǎng)系統(tǒng)仿真,將設(shè)備、管道、建筑區(qū)域等組件連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。文獻(xiàn)[6-7]應(yīng)用TRNSYS軟件針對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)建模仿真及控制優(yōu)化,結(jié)果表明:與定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)相比,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)可大幅降低風(fēng)機(jī)耗電量,且優(yōu)化控制可以減少系統(tǒng)能耗。在使用TRNSYS軟件時(shí),需要用戶自行編輯模塊,對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜規(guī)模大的系統(tǒng)模擬運(yùn)算往往耗時(shí)嚴(yán)重。

變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)主要由溫度、濕度控制回路組成,本文僅對(duì)室內(nèi)溫度控制進(jìn)行分析。在Matlab中搭建變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)控制程序,在DeST軟件中對(duì)建筑進(jìn)行建模,將計(jì)算得到的房間自然室溫、建筑熱特性系數(shù)作為自動(dòng)控制程序的輸入?yún)?shù),進(jìn)行房間溫度計(jì)算、送風(fēng)參數(shù)計(jì)算、空調(diào)負(fù)荷計(jì)算、設(shè)備能耗計(jì)算。結(jié)合案例,對(duì)典型房間室內(nèi)溫度、空調(diào)冷負(fù)荷、送風(fēng)量、空調(diào)箱風(fēng)機(jī)耗電功率進(jìn)行模擬分析。

2 研究方法

2.1 模擬計(jì)算流程

采用DeST軟件搭建房間模型。DeST軟件將建筑傳熱方程轉(zhuǎn)化為常微分方程組,計(jì)算出建筑熱特性系數(shù)、房間自然室溫。建筑熱特性系數(shù)反映建筑在熱擾作用下產(chǎn)生的響應(yīng)特性,熱擾包括:太陽(yáng)輻射得熱、新風(fēng)負(fù)荷、鄰室傳熱、人體散熱、照明裝置散熱、設(shè)備散熱等。房間自然室溫指當(dāng)建筑沒(méi)有空調(diào)系統(tǒng)時(shí),在圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱以及熱擾的聯(lián)合作用下導(dǎo)致的房間溫度。本研究暫不考慮室內(nèi)潛熱負(fù)荷。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。室內(nèi)回風(fēng)與室外新風(fēng)經(jīng)空調(diào)箱風(fēng)閥進(jìn)入空調(diào)箱混風(fēng)段進(jìn)行混風(fēng)處理,混風(fēng)在空調(diào)箱經(jīng)盤(pán)管段冷卻后達(dá)到設(shè)定送風(fēng)溫度,由空調(diào)箱風(fēng)機(jī)送入變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的末端裝置(VAVBOX)。在VAVBOX,通過(guò)改變VAVBOX風(fēng)閥開(kāi)度調(diào)節(jié)房間送風(fēng)量。VAVBOX風(fēng)閥開(kāi)度根據(jù)室內(nèi)溫度進(jìn)行PID控制,室內(nèi)溫度由室溫傳感器測(cè)量。通過(guò)改變空調(diào)箱盤(pán)管水閥開(kāi)度進(jìn)行盤(pán)管冷水流量調(diào)節(jié),盤(pán)管水閥開(kāi)度根據(jù)送風(fēng)溫度進(jìn)行PID控制,送風(fēng)溫度由溫度傳感器反饋至水閥控制器,將送風(fēng)溫度控制在設(shè)定送風(fēng)溫度。由于空調(diào)箱盤(pán)管水閥開(kāi)度變化引起冷水管網(wǎng)阻力的變化,冷水管供回水壓差發(fā)生改變。此時(shí),變頻控制器將供回水壓差控制點(diǎn)的壓差測(cè)量值與壓差設(shè)定值(由水力計(jì)算得到)比較,進(jìn)行冷水泵頻率調(diào)節(jié),保證系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中冷水管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定[8-9]。

圖1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)

筆者在Matlab中搭建了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)控制程序,詳細(xì)控制流程如下。

在DeST軟件中對(duì)建筑進(jìn)行建模,將計(jì)算得到房間自然室溫、建筑熱特性系數(shù)作為Matlab程序的輸入?yún)?shù)。利用Matlab搭建的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)控制程序,采用5 min的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行室溫、送風(fēng)參數(shù)調(diào)節(jié)以及房間負(fù)荷、設(shè)備能耗計(jì)算,將房間溫度設(shè)定為26.0 ℃,溫度波動(dòng)范圍設(shè)置為±1.0 ℃。輸入冷水管網(wǎng)信息(包括冷水機(jī)組阻力、冷水泵流量-揚(yáng)程特性曲線、冷水管網(wǎng)局部阻力、管子長(zhǎng)度、管子內(nèi)直徑等),輸入冷水機(jī)組及用戶側(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)(包括冷水機(jī)組、冷水泵、空調(diào)箱、VAVBOX等設(shè)備參數(shù))。

在空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)刻,設(shè)定VAVBOX風(fēng)閥全開(kāi)且空調(diào)箱冷水流量為額定流量。由VAVBOX風(fēng)閥模型計(jì)算風(fēng)閥阻力,并結(jié)合空調(diào)箱風(fēng)機(jī)模型、空調(diào)箱風(fēng)閥模型(空調(diào)箱風(fēng)閥始終處于設(shè)計(jì)開(kāi)度)計(jì)算出送風(fēng)量。將初始時(shí)刻的室內(nèi)溫度作為回風(fēng)溫度輸入空調(diào)箱混風(fēng)模型,結(jié)合新風(fēng)量、新風(fēng)溫度計(jì)算出混風(fēng)溫度。將混風(fēng)溫度、送風(fēng)量、冷水供水溫度(設(shè)定為7 ℃)、冷水流量(此時(shí)為額定流量)輸入空調(diào)箱盤(pán)管模型,得到空調(diào)箱盤(pán)管換熱量、出水溫度、送風(fēng)溫度。將送風(fēng)量、送風(fēng)溫度輸入房間模型計(jì)算得到當(dāng)前室內(nèi)溫度,并將其作為下一輪計(jì)算中的回風(fēng)溫度輸入空調(diào)箱混風(fēng)模型。

根據(jù)上一時(shí)刻回風(fēng)溫度與房間設(shè)定溫度的偏差調(diào)整VAVBOX風(fēng)閥開(kāi)度,同時(shí)根據(jù)上一時(shí)刻送風(fēng)溫度與設(shè)定值的偏差調(diào)節(jié)并計(jì)算冷水流量。然后進(jìn)行空調(diào)箱風(fēng)機(jī)變頻計(jì)算并得出送風(fēng)量,由空調(diào)箱盤(pán)管模型計(jì)算出盤(pán)管換熱量、出水溫度、送風(fēng)溫度,由房間模型計(jì)算得出室內(nèi)溫度并作為回風(fēng)溫度。計(jì)算冷水機(jī)組及冷水泵開(kāi)啟臺(tái)數(shù)并進(jìn)行冷水泵變頻調(diào)節(jié)。最后得到冷水機(jī)組及用戶側(cè)各設(shè)備的能耗。

2.2 相關(guān)模型

① VAVBOX風(fēng)閥模型

VAVBOX風(fēng)閥屬于節(jié)流型變風(fēng)量裝置,根據(jù)控制方式可分為壓力無(wú)關(guān)型、壓力相關(guān)型[10]。壓力無(wú)關(guān)型變風(fēng)量裝置根據(jù)實(shí)際室溫與設(shè)定室溫偏差估算設(shè)定送風(fēng)量,根據(jù)實(shí)測(cè)送風(fēng)量與設(shè)定送風(fēng)量的偏差不斷調(diào)整VAVBOX風(fēng)閥開(kāi)度,實(shí)現(xiàn)送風(fēng)量實(shí)時(shí)控制。由于壓力無(wú)關(guān)型變風(fēng)量裝置采用了串級(jí)控制環(huán)節(jié),設(shè)備運(yùn)行更穩(wěn)定,室內(nèi)溫度波動(dòng)較小[11]。

基于壓力無(wú)關(guān)型變風(fēng)量裝置原理,以閥位角θ作為自變量建立VAVBOX風(fēng)閥模型。VAVBOX風(fēng)閥全開(kāi)時(shí)閥位角為0,VAVBOX風(fēng)閥關(guān)閉時(shí)閥位角為π/2。

VAVBOX風(fēng)閥阻力系數(shù)S的計(jì)算式為[1]29:

式中S——VAVBOX風(fēng)閥阻力系數(shù),Pa·s2/m6

a、b、c——閥門系數(shù),由VAVBOX風(fēng)閥樣本提供的數(shù)據(jù)擬合得到

θ——VAVBOX風(fēng)閥閥位角,rad,范圍為[0,π/2]

ρ——空氣密度,kg/m3

A——風(fēng)閥截面積,m2

② 房間模型

室內(nèi)溫度ta的計(jì)算式為[12]:

式中ta——室內(nèi)溫度,℃

tbz——房間自然室溫,℃

φ——建筑熱特性系數(shù)

cp——空氣比定壓熱容,J/(kg·K)

qs——送風(fēng)量,m3/s

ts——送風(fēng)溫度,℃

③ 空調(diào)箱風(fēng)機(jī)模型

可由風(fēng)機(jī)樣本提供的數(shù)據(jù)擬合得到風(fēng)機(jī)流量-揚(yáng)程特性曲線方程。

④ 空調(diào)箱混風(fēng)模型

空調(diào)箱混風(fēng)模型能夠得出新風(fēng)和回風(fēng)按照一定新風(fēng)比混合后的空氣溫度、相對(duì)濕度。整個(gè)混風(fēng)過(guò)程符合質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律[13]。

⑤ 空調(diào)箱風(fēng)閥模型

空調(diào)箱內(nèi)部風(fēng)閥包括排風(fēng)閥、新風(fēng)閥、回風(fēng)閥,空調(diào)箱風(fēng)閥阻力系數(shù)SV計(jì)算式為:

式中SV——空調(diào)箱風(fēng)閥阻力系數(shù),Pa·s2/m6

ΔpV——風(fēng)閥設(shè)計(jì)壓力降,Pa

qV——風(fēng)閥設(shè)計(jì)流量,m3/s

⑥ 空調(diào)箱盤(pán)管模型

空調(diào)箱盤(pán)管模型見(jiàn)文獻(xiàn)[8-9]。

3 案例

3.1 案例概況

某辦公建筑位于北京,選取1個(gè)典型房間進(jìn)行研究。房間面積為25 m2,窗墻比為0.67,房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、面積見(jiàn)表1。辦公建筑工作時(shí)間為8:00—21:00,采用DeST軟件中的標(biāo)準(zhǔn)辦公室人員-燈光-設(shè)備作息模式進(jìn)行模擬,并對(duì)太陽(yáng)輻射得熱量進(jìn)行了設(shè)定。人員密度為0.1 人/m3,人均發(fā)熱量為66 W/人,照明裝置最大熱功率密度為18 W/m3,設(shè)備最大熱功率密度13 W/m3。鄰室不存在傳熱。房間布置1臺(tái)VAVBOX。冷水系統(tǒng)使用一級(jí)冷水泵變流量系統(tǒng),冷水供水溫度設(shè)定為7.0 ℃。室內(nèi)溫度設(shè)定為26.0 ℃,溫度波動(dòng)范圍為±1.0 ℃。暫不考慮室內(nèi)潛熱負(fù)荷的影響,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)供冷時(shí)間為8:00—21:00。模擬日供冷時(shí)間室外空氣干球溫度、含濕量見(jiàn)圖2。

表1 房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、面積

圖2 模擬日供冷時(shí)間室外空氣干球溫度、含濕量

3.2 模擬結(jié)果與分析

使用Matlab搭建的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)控制程序?qū)Π咐冿L(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬日供冷時(shí)間室內(nèi)溫度、空調(diào)冷負(fù)荷見(jiàn)圖3。由圖3可知,在空調(diào)系統(tǒng)剛開(kāi)啟時(shí),由于風(fēng)閥、水閥全開(kāi),室溫下降較快,之后室溫較好地控制在26.0 ℃左右?？照{(diào)冷負(fù)荷與室內(nèi)溫度變化趨勢(shì)一致。

圖3 模擬日供冷時(shí)間室內(nèi)溫度、空調(diào)冷負(fù)荷

模擬日供冷時(shí)間送風(fēng)量見(jiàn)圖4。由圖3、4可知,送風(fēng)量與室內(nèi)溫度、空調(diào)冷負(fù)荷變化基本一致。在8:40前,由于房間溫度高于設(shè)定值,送風(fēng)量一直保持在0.12 m3/s左右。在8:40—10:30,由于空調(diào)冷負(fù)荷較小,送風(fēng)量呈下降趨勢(shì)。在10:30—14:30,隨著空調(diào)冷負(fù)荷增大,送風(fēng)量也逐漸升高。在14:30以后,送風(fēng)量隨著空調(diào)冷負(fù)荷減小持續(xù)下降。

圖4 模擬日供冷時(shí)間送風(fēng)量

模擬日供冷時(shí)間空調(diào)箱風(fēng)機(jī)耗電功率見(jiàn)圖5。由圖5可知,空調(diào)箱風(fēng)機(jī)耗電功率與送風(fēng)量變化趨勢(shì)一致?？照{(diào)箱風(fēng)機(jī)平均耗電功率為0.26 kW,與采用定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)相比,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)可節(jié)省約44.6%的空調(diào)箱風(fēng)機(jī)能耗。

圖5 模擬日供冷時(shí)間空調(diào)箱風(fēng)機(jī)耗電功率

4 結(jié)論

① 室內(nèi)溫度、空調(diào)冷負(fù)荷、送風(fēng)量、空調(diào)箱風(fēng)機(jī)耗電功率變化趨勢(shì)基本一致,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)控制程序調(diào)節(jié)效果良好。

② 空調(diào)箱風(fēng)機(jī)平均耗電功率為0.26 kW,與采用定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)相比,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)可節(jié)省約44.6%的空調(diào)箱風(fēng)機(jī)能耗。