基于能耗目標函數的空調新風量尋優控制研究

摘要：提出了基于能耗目標函數的空調新風量尋優控制方法，建立尋優控制的仿真模塊，在TRNSYS仿真平臺上對香港某辦公樓進行模擬分析。模擬結果表明，與最小新風量控制相比，尋優控制不僅節省了新風機的能耗，而且制冷機、冷凍水泵、冷卻水泵的能耗也都有降低，系統全年可節能2.73×105 kWh，節能率17.1%，節能效果顯著。尤其在香港過渡季的11月~3月的大部分時間，尋優控制不僅降低了空調系統能耗，而且能很好地改善室內空氣品質。

關鍵詞：新風量 能耗 目標函數 尋優控制 模擬分析

An Optimization Control for Fresh Air Rate Based on Objective Function of Energy Consumption

CHEN You-ming#8224;， ZHANG Nan

(College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082)

Abstract： An optimization control method for fresh air rate based on the objective function of energy consumption is proposed in this paper. Through establishing the module of optimization control， the simulation analysis is carried for an office building of Hong Kong on TRNSYS platform. The simulation result indicates that compared with minimum fresh air requirement control， the optimization control has not only saved the energy consumption of fresh air fan， the energy consumption of refrigerators， chilled water pumps and cooling water pumps has also been reduced. The air-conditioning system with the optimization control could save 2.73×105kWh in a year and the energy-saving rate reaches 17.1%. Its energy-saving effectiveness is remarkable. Especially in most time from November to March， the optimization control does not only reduce the energy consumption of air-conditioning system， but also greatly improve indoor air quality.

Key Words：fresh air rate; energy consumption; objective function; optimizing control; simulation analysis

引入室外新風是空調系統改善室內環境的重要途徑。通常，引入新風量越多則室內空氣品質越好，但大多是以消耗更多的能源為代價的[1-4]。由于世界性的能源危機， 對于能耗大的建筑空調系統，其節能勢在必行[5]。這就對新風的控制提出了更高的要求。

在傳統的新風量控制方法下，空調系統在炎熱的夏季和寒冷的冬季以最小新風量模式運行，因為這時處理新風要比回風更耗能，而在涼爽的春秋季節，則大量引入新風對建筑進行自然冷卻。這一般是通過溫度控制或焓值控制來實現的[6-10]。實際上，新風負荷是制冷機負荷的一部分，新風量的變化影響的不僅是空調風系統的能耗，也對水側的能耗有影響。一個最優化的新風量，應該是在滿足室內環境健康舒適性的前提下，使它所影響到的空調部件的總能耗降到最低。基于這種思想，本文提出了新風量的能耗目標函數尋優控制方法，即以受新風量影響的風機、水泵、冷水機組等的總能耗為目標函數，以良好的室內空氣品質為約束條件，以能耗最小作為新風量控制優化目標。

1基于能耗目標函數的新風量尋優控制

圖1為基于能耗目標函數尋優控制方法的空調風系統原理圖。首先，能耗目標函數優化模塊根據輸入的系統運行參數，經過計算確定新風量優化值，然后將其送入到PID控制器，PID控制器根據實際測得的新風量與新風量優化值之間的偏差，調節新、回、排風的風門開度，最終實現對新風量優化控制。

由于VAV空調系統的送風量是由建筑物的冷負荷和回風與送風的焓差確定的，與新風量的大小無關，因此新風量優化并不影響送風機的能耗。但是，新風量與新風負荷密切相關，而新風負荷又是制冷機負荷的一部分，因此水側制冷機、冷凍水泵、冷卻水泵能耗都受到新風量優化的影響。

能耗目標函數尋優控制就是要建立一個新風量與制冷機、冷凍水泵及冷卻水泵等空調部件總能耗關系的函數，在保證良好室內空氣品質要求的前提下，尋找到一個使總能耗最小的新風量，即為最優新風量，其目標函數為：

(1)

式中， —總能耗，kW； —新風量，m3/s；—冷凍水泵能耗，kW； —冷卻水泵能耗，kW； —制冷機能耗，kW。

新風是空調系統改善室內空氣品質的主要途徑。空調房間是一個封閉的空間，其內部有很多散發有害氣體的污染源，比如建筑裝修裝飾材料、家具、人員，甚至空調系統本身，若不引入污染物濃度比較低的室外新風對室內空氣進行稀釋，這些污染物的濃度將不斷升高，影響人體健康，誘發“病態建筑綜合癥”等疾病[1]。因此，空調系統必須要引入一個最基本的新風量，這個基本的新風量我們稱為最小新風量。而另一方面空調系統的送風包括新風和回風，因此新風量又不能大于空調的送風量。因此，新風量優化的約束條件為：

(2)

式中： 為最小新風量，m3/s;為送風量，m3/s。

2 能耗模型

2.1水泵的能耗

水泵的流量與功率關系可用公式(3)計算[11]：

(3)

式中， —水泵的軸功率，W； —全壓，Pa； —流量，m3/s； —全壓效率。

從公式(3)可知，必須已知水泵的流量、全壓和全壓效率才能求得其軸功率，而通常生產廠家提供的水泵樣本都是采用性能表或選擇性性能曲線表示水泵的流量與壓力、功率和效率之間的關系，即只確定了一些離散型值點的性能值，而型值點之外的性能值只能由它們連接成的曲線來估計。

目前水泵行業一般用最小二乘多項式來擬合性能曲線[12]，因為所有的測量結果都不可避免地存在誤差，而由最小二乘法所確定的函數能將誤差的平方和最小化，從而最大化地消除誤差的影響。

2.2 并聯水泵分流模型

水泵的并聯

Fig.2 Parallel connection of water pump

以圖2中3臺水泵并聯運行為例，A，B兩點的壓頭是相同的，其差值的絕對值即為各臺水泵的揚程分別減去其所在分支的沿程與局部阻力損失。若忽略A，B間各分支的阻力損失，則3臺水泵的揚程相同，聯立其揚程(H)—流量(Q)關系式。2.3 冷水機組的能耗

已知制冷機提供的冷量和其性能系數 （Coefficient Of Performance）， 可由公式(11)求得其能耗[13]：

(11)

式中， —冷水機組的能耗，kW； —冷水機組實際提供的冷量，kW； —冷水機組的性能系數。

參照美國空調與制冷學會ARI于1998年推出的標準ARI-550/590 98[14]，蒸汽壓縮式制冷循環的冷水機組綜合部分負荷性能系數IPLV（Integrate Partial Load Value）可以由公式(12)計算：

(12)

分別是冷水機組在負荷率100%，75%，50%，25%下的 。

2.4 尋優控制模塊

首先根據建筑物的實際情況，確定新風量尋優的范圍，即計算空調系統的最小新風量和送風量，在此范圍內設置一個新風量尋優迭代的步長，從最小新風量開始，每次增加一個步長，直至新風量達到送風量，計算新風機能耗和新風負荷，進而確定制冷機負荷，然后依據制冷機組的開啟控制序列確定開啟的制冷機和冷凍水泵、冷卻水泵組合，計算制冷機和水泵的能耗，最后得到該新風量下的總能耗。將新風量尋優范圍內各迭代取值下的總能耗進行對比，最低的能耗值所對應的新風量即是最優的新風量設定值。其優化計算流程如圖3所示。

能耗目標函數尋優控制模塊的計算流程

3 模擬實例

3.1 建筑概況

所研究的建筑屬于辦公建筑，位于香港英皇道，共36層，采用多區域變風量全空氣系統。其原有新風系統由3個新風機及和新風風管組成。新風機按最小新風量向各樓層的AHU機房輸送新風。正常上班時間為9:00-18:00，全年共計運行2349小時。實例建筑制冷機房配置的冷水機組有三臺，單臺制冷量分別為：2989kW、1161kW、1161kW，各自對應有一臺冷凍水泵和冷卻水泵聯鎖啟停。

由于實例建筑新風機和新風風道都是按最小新風量選型和設計的，定轉速定流量運行，因此新風機功率是一個定值。在能耗目標函數尋優控制模式下，系統的最大新風量可能為送風量，建筑原有新風系統顯然不能滿足這么大的新風量的要求。因此，新風量尋優控制模擬分析中將各層新風系統改造為與圖1相同的新風系統。這是一種常見的空調風系統形式，沒有新風機，從AHU機房的外墻開新風口，依靠AHU風機產生的負壓直接引入新風。新風量通過調節新風、回風、混合風的風閥來控制。下面研究分析這種形式的新風系統在新風量尋優控制模式下的節能潛力。

3.2 模擬條件與結果

模擬的各項條件基于該建筑BMS系統記錄的2008年歷史運行數據。根據冷凍水流量、供回水溫差，新風量，室外空氣、回風溫度及相對濕度，可計算出全年的建筑冷負荷。空調設計室內溫度取為23℃，相對濕度65%，設計送風溫度16℃，相對濕度90%。各層的設計最小新風量均為0.65 m3/s，空調系統總的最小新風量為21.45m3/s。冷凍水和冷卻水供回水溫差分別控制為5.5℃和5℃。

使用最小二乘法擬合水泵的性能曲線，以冷卻水泵CWP-2為例，擬合出的公式和曲線見公式(13)、(14)與圖4、5。

(13)

(14)

冷卻水泵CWP-2的H-Q曲線

Fig.4 H-Q curve for cooling water pump CWP-2

以TRNSYS[15]為仿真平臺，用Fortran語言編寫能耗目標函數尋優控制器的模塊程序進行模擬。仿真時間為1～8784小時（即全年），步長為1小時。

圖6為能耗目標函數尋優控下全年的新風量。從圖6可以看出：1）在1～3月份，11、12月份的大部分時間引入的新風量明顯大于最小新風量，統計達到了968小時，占空調運行時間的34.7%；2）在4～10月份，空調系統在絕大部分時間都以最小新風量模式運行。圖6為能耗目標函數尋優控下全年的新風量。從圖6可以看出：1）在1～3月份，11、12月份的大部分時間引入的新風量明顯大于最小新風量，統計達到了968小時，占空調運行時間的34.7%；2）在4～10月份，空調系統在絕大部分時間都以最小新風量模式運行。

冷卻水泵CWP-2的N-Q曲線

Fig.5 N-Q curve for cooling water pump CWP-2

能耗目標函數尋優控制全年新風量

Fig.6 Fresh air volume of optimal control based on energy consumption objective function

為最小新風量控制與能耗目標函數尋優控制下全年的能耗比較情況。從表1可以看出，采用能耗目標函數尋優控制，不僅節省了新風機的能耗，而且制冷機、冷凍水泵、冷卻水泵的能耗都有所下降。經模擬計算，水側（制冷機、冷凍水泵和冷卻水泵）能耗降低2.08 ×105kWh，節能率13.6%，全年降低總能耗2.73×105 kWh，節能率17.1%。

3.3 模擬結果分析

分別為最小新風量與能耗目標函數尋優控制下全年的制冷機負荷。圖9為室內溫度23℃，相對濕度65%時全年的室內外空氣焓值比較圖。

Fig.8 Cooling load of optimal control based on energy consumption objective function

可知，在1～3月份以及11、12月份，能耗目標函數尋優控制能顯著地降低空調制冷機的負荷。對比圖9發現，在這段時間內，室外空氣的焓值小于室內空氣焓值，大量引入新風對建筑進行自然冷卻，可以降低空調制冷機負荷，從而降低制冷機、冷凍水泵、冷卻水泵的能耗。在4～10月份，由于大部分時間內室外空氣的焓值大于室內空氣焓值，處理新風要比處理回風消耗更多的冷量，大量引入新風增加新風負荷和制冷機負荷，導致制冷機、冷凍水泵和冷卻水泵的能耗也會增加，因此這種情況下以最小新風量模式運行才是最節能的。

4 結論

應用本文提出的基于能耗目標函數新風量尋優控制，以香港的某辦公樓為研究對象，在TRNSYS仿真平臺上進行模擬分析，得出了以下結論：

1）在11月～3月份，基于能耗目標函數的新風量尋優控制可以實現節能的同時，能大大改善室內空氣品質；而在4～10月份的大部分時間，以最小新風量模式運行是最節能的。

2）與最小新風量控制相比，應用基于能耗目標函數的新風量尋優控制對建筑已有的新風系統進行改造，不僅節省了新風機的能耗，而且降低水側的能耗2.08×105kWh，全年可減少能耗2.73×105 kWh，節能率17.1%。

3）基于能耗目標函數的新風量尋優控制能根據室內外的空氣狀態和系統的運行條件，尋找到使制冷機、冷凍水泵和冷卻水泵的總能耗最低的新風量值，節能潛力顯著。

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