集中空調(diào)系統(tǒng)變水溫和變風(fēng)量節(jié)能優(yōu)化控制

王斌 高巖 李瑞

關(guān)鍵詞： 變水溫; 變風(fēng)量; 空調(diào)負(fù)荷; 集中空調(diào)系統(tǒng); 優(yōu)化控制; 節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào)： TN876?34; TU831.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）05?0141?04

Energy saving optimal control of variable water temperature and variable

air volume in central air?conditioning system

WANG Bin1， GAO Yan2， LI Rui1

（1. Beijing Key Lab of Heating， Gas Supply， Ventilating and Air Conditioning Engineering， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China; 2. Beijing Advanced Innovation Centre for Future Urban Design， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China）

Abstract： The control simulation model of the central air?conditioning system is set up in Matlab/Simulink， and calculated on the basis of the example of the central air?conditioning system in China?France Energy Center. The optimal control strategy of variable water temperature and variable air volume is proposed to achieve better energy saving effect while satisfying the room comfort. The simulation results show that the smaller the air?conditioning load is， the more effective the energy saving effect of the variable water temperature and variable air volume control strategy is. When the air?conditioning load rate is 60%， the chilled water supply temperature is 12 ℃ and the fan frequency is 35.8 Hz， which can save 13.3% energy than the strategy of variable water volume， and save 5% energy than the strategy of variable air volume.

Keywords： variable water temperature; variable air volume; air conditioning load; central air?conditioning system; optimal control; energy saving

0 ?引 ?言

近年來(lái)隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，能源成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，建筑能耗在全球總能源的消耗中占到了40%，而集中空調(diào)系統(tǒng)能耗約占整個(gè)建筑物能耗的60%左右，其中冷水機(jī)組和風(fēng)機(jī)能耗在集中空調(diào)系統(tǒng)能耗中占比過(guò)半，成為節(jié)能研究的主要設(shè)備。調(diào)研結(jié)果表明，實(shí)際空調(diào)負(fù)荷大多數(shù)時(shí)間都處在部分負(fù)荷下，而空調(diào)設(shè)備在選型時(shí)往往選取得容量較大，加之控制策略不合理，最終導(dǎo)致系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中能源嚴(yán)重浪費(fèi)[1?3]。

室外氣象參數(shù)和人員數(shù)量變化直接影響著空調(diào)負(fù)荷的大小，為適應(yīng)冷負(fù)荷的變化，目前對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造的主要手段是給水泵和風(fēng)機(jī)加裝變頻器實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行。大量研究顯示，在部分冷負(fù)荷時(shí)，適當(dāng)提高冷水供水溫度能有效提高冷水機(jī)組的運(yùn)行效率[4?7]。由于冷水機(jī)組和風(fēng)機(jī)能耗在集中空調(diào)系統(tǒng)能耗中占比很大，因此，本文在分別比較水泵變頻運(yùn)行和風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行系統(tǒng)能耗的基礎(chǔ)上，將冷水機(jī)組和風(fēng)機(jī)綜合考慮，提出變水溫和變風(fēng)量?jī)?yōu)化控制策略。采用PID控制，以系統(tǒng)最低能耗為目標(biāo)，通過(guò)建模仿真運(yùn)行說(shuō)明其具有更好的節(jié)能效果。

1 ?部分冷負(fù)荷下變水量控制和變風(fēng)量控制的比較

基于中法能源中心集中空調(diào)系統(tǒng)實(shí)例，在Matlab/Simulink中搭建集中空調(diào)系統(tǒng)控制模型，其中，表冷器采用trnsys16中type32的模型計(jì)算方法。數(shù)學(xué)模型為：

水側(cè)總換熱量：

[QT=mwCpw（Two-Twi）] （1）

空氣側(cè)總換熱量：

[QT=Hai-Hao] （2）

表冷器換熱經(jīng)驗(yàn)公式為：

[QT=Nrow×Af×BRCW×WSF×LMTD] （3）

其中：

[1BRCW=C1+C2Va+C3Vw+C4V2w+C5V3a+C6V2wV4a] ?（4）

[WSF=k1+k2ΔT1+k3ΔT1ΔT2+k4ΔT21+k5ΔT1ΔT22+k6ΔT21ΔT2+k7ΔT1ΔT32+k8ΔT21ΔT32+k9ΔT31ΔT32] （5）

[ΔT1=Tdpi-Twi] （6）

[ΔT2=Tdbi-Twi] ?（7）

式中：[QT]為表冷器交換的總熱量，單位為kW;[mw]為冷水流量，單位為kg·s-1;[Cpw]為水的比熱，單位為kJ·（kg·℃）-1; [Two]和[Twi]分別為冷水出口和進(jìn)口溫度，單位為℃;[Hai]和[Hao]分別為空氣進(jìn)口和出口焓，單位為kJ·kg-1;[Nrow]和[Af]為表冷器盤(pán)管排數(shù)和迎風(fēng)面積;[Va]和[Vw]分別為空氣和水的流速，單位為m·s-1;[Tdpi]和[Tdbi]分別為進(jìn)口空氣的露點(diǎn)溫度和干球溫度，單位為℃;[C1～C6]和[k1～k9]為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

針對(duì)不同負(fù)荷率下一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)JW10?4型6排表冷器進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)工況為：室外設(shè)計(jì)干球溫度35 ℃，濕球溫度29 ℃;室內(nèi)參數(shù)為干球溫度26 ℃，相對(duì)濕度50%;冷凍水進(jìn)口溫度7 ℃，出口溫度12 ℃;新風(fēng)比為20%;設(shè)計(jì)負(fù)荷為100%，按圖1所示的流程圖，比較空調(diào)負(fù)荷率在60%～100%時(shí)，分別進(jìn)行變水量控制和變風(fēng)量控制，室內(nèi)溫濕度的情況以及系統(tǒng)能耗。

不同冷負(fù)荷時(shí)采用變水量和變風(fēng)量調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，表2。由表1和表2得出，部分冷負(fù)荷時(shí)，水量的降低會(huì)導(dǎo)致表冷器除濕能力下降，導(dǎo)致室內(nèi)相對(duì)濕度的升高，負(fù)荷率為60%時(shí)的房間相對(duì)濕度比室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度值高出了17.3%，達(dá)到了67.3%。而根據(jù)文獻(xiàn)[8]，舒適性空調(diào)的室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度一般為40%～65%，可見(jiàn)已經(jīng)超出此范圍;并且其冷凍泵頻率過(guò)低，系統(tǒng)運(yùn)行安全性會(huì)受到影響。變風(fēng)量調(diào)節(jié)在滿足房間溫度的同時(shí)，室內(nèi)相對(duì)濕度也可以得到很好的控制。風(fēng)機(jī)變頻可以適應(yīng)更大的冷負(fù)荷變化范圍，充分發(fā)揮表冷器降溫除濕性能。但當(dāng)部分冷負(fù)荷風(fēng)機(jī)頻率較低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)新風(fēng)量不足、供回水溫差偏低，送風(fēng)溫度過(guò)低等不合理的情況。

由相似律可知，水泵/風(fēng)機(jī)的流量、揚(yáng)程、功率有如下關(guān)系：

[QQ0=HH0=NN03] （8）

式中：[Q]為流量，單位為m3·s-1;[H]為揚(yáng)程，單位為m;[N]為功率，單位為kW。

不同冷負(fù)荷時(shí)兩種調(diào)節(jié)方式的能耗對(duì)比如圖2所示。由圖2可以看出，風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行對(duì)集中空調(diào)系統(tǒng)能耗影響顯著，特別是在較低冷負(fù)荷情況下，在負(fù)荷率為60%時(shí)，采用變風(fēng)量調(diào)節(jié)可以降低16%的能耗，比變水量調(diào)節(jié)節(jié)省了8.3%的能耗。

2 ?部分冷負(fù)荷下變水溫和變風(fēng)量?jī)?yōu)化控制調(diào)節(jié)效果

由上述分析可知，風(fēng)機(jī)的能耗大小對(duì)集中空調(diào)系統(tǒng)總能耗影響很大，但在部分空調(diào)負(fù)荷下，僅靠風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)會(huì)導(dǎo)致新風(fēng)量不足、供回水溫差偏低，送風(fēng)溫度過(guò)低等不合理的情況。在保證機(jī)組安全運(yùn)行的情況下，部分冷負(fù)荷時(shí)適當(dāng)提高冷水機(jī)組的供水溫度能有效降低冷水機(jī)組耗能。文獻(xiàn)[9]提供的冷水機(jī)組性能數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)[10]顯示冷凍水出口溫度平均每升高1 ℃，冷水機(jī)組COP可提高2%～4%。因此本節(jié)將冷水機(jī)組和風(fēng)機(jī)進(jìn)行綜合優(yōu)化控制，以最低耗能為目標(biāo)，得到調(diào)節(jié)效果，計(jì)算流程圖如圖3所示。

在部分冷負(fù)荷大小范圍內(nèi)，在滿足房間舒適性要求的前提下，均有使系統(tǒng)能耗最低的冷水供水溫度，稱為最優(yōu)供水溫度，如表3所示。在冷負(fù)荷較高時(shí)，冷水供水溫度宜采用7 ℃，而在負(fù)荷率為60%冷負(fù)荷較低的情況下，冷水溫度可提高到12 ℃，在很大程度上降低了主機(jī)的能耗。在優(yōu)化控制策略下，風(fēng)機(jī)的頻率在35～42 Hz之間調(diào)節(jié)，保證了設(shè)備運(yùn)行安全，避免了前述風(fēng)機(jī)頻率過(guò)低帶來(lái)的不合理情況。

圖4是變水溫變風(fēng)量?jī)?yōu)化控制調(diào)節(jié)和前面兩種控制方式的節(jié)能率對(duì)比，可以看出空調(diào)負(fù)荷越小，變水溫和變風(fēng)量?jī)?yōu)化控制策略的節(jié)能效果越明顯。在空調(diào)負(fù)荷率為60%時(shí)，采用冷水供水溫度12 ℃和風(fēng)機(jī)頻率35.8 Hz，可比僅采用變水量調(diào)節(jié)節(jié)能13.3%，比僅采用變風(fēng)量調(diào)節(jié)節(jié)能5%。

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

由本文的研究討論可得如下結(jié)論：

1） 冷水量的降低會(huì)導(dǎo)致表冷器的除濕能力下降，造成室內(nèi)相對(duì)濕度增大，在冷負(fù)荷較低時(shí)，僅采用水泵變頻調(diào)節(jié)會(huì)導(dǎo)致房間舒適性的降低，有一定的局限性。

2） 在本文計(jì)算條件下，風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行對(duì)集中空調(diào)系統(tǒng)能耗大小影響顯著。特別是在較低冷負(fù)荷情況下，在負(fù)荷率為60%時(shí)，采用變風(fēng)量調(diào)節(jié)可以降低16%的能耗，比水泵變頻調(diào)節(jié)節(jié)省了8.3%的能耗。風(fēng)機(jī)變頻可以適應(yīng)更大的冷負(fù)荷變化范圍，充分發(fā)揮表冷器降溫除濕性能。但當(dāng)部分冷負(fù)荷風(fēng)機(jī)頻率較低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)新風(fēng)量不足、供回水溫差偏低，送風(fēng)溫度過(guò)低等不合理的情況。

3） 在滿足房間空調(diào)效果和本文計(jì)算條件下，變水溫和變風(fēng)量?jī)?yōu)化控制策略在某一冷負(fù)荷大小范圍內(nèi)，均有使系統(tǒng)能耗最低的最優(yōu)冷水供水溫度。空調(diào)負(fù)荷越小，變水溫和變風(fēng)量?jī)?yōu)化控制策略的節(jié)能效果越明顯。在空調(diào)負(fù)荷率為60%時(shí)，采用冷水供水溫度12 ℃和風(fēng)機(jī)頻率35.8 Hz，可比僅采用變水量調(diào)節(jié)節(jié)能13.3%，比僅采用變風(fēng)量調(diào)節(jié)節(jié)能5%。

參考文獻(xiàn)

[1] 喻勇.基于TRNSYS的集中空調(diào)及其控制系統(tǒng)仿真[D].北京：北京建筑大學(xué)，2014.

YU Yong. Simulation of a center air conditioning control system based on TRNSYS [D]. Beijing： Beijing University of Civil Engineering and Architecture， 2014.

[2] 袁自遠(yuǎn).變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量控制方法試驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

YUAN Ziyuan. Analysis of new air volume control method of VAV air conditioning system [D]. Dalian： Dalian University of Technology， 2013.

[3] 朱丹丹.空調(diào)冷凍水系統(tǒng)用戶側(cè)整體模型研究[D].北京：清華大學(xué)，2013.

ZHU Dandan. Air conditioning chilled water system user survey model [D]. Beijing： Tsinghua University， 2013.

[4] 化帥奇，潘雷彬，梅松，等.基于冷水機(jī)組進(jìn)水溫度優(yōu)化控制的節(jié)能效益分析[J].制冷與空調(diào)，2016，16（4）：69?72.

HUA Shuaiqi， PAN Leibin， MEI Song， et al. Analysis on energy?saving efficiency based on optimal control of inlet water tempe?rature of chiller [J]. Refrigeration and air conditioning， 2016， 16（4）： 69?72.

[5] 林秀軍，趙波峰.深圳機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓空調(diào)系統(tǒng)變水溫運(yùn)行分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2015，34（4）：59?60.

LIN Xiujun， ZHAO Bofeng. Analysis of variable chilled water temperature operation of air?conditioning system in Shenzhen International Airport Terminal [J]. Building energy & environment， 2015， 34 （4）： 59?60.

[6] 余俊祥，高克文，寧太剛.空調(diào)系統(tǒng)變水溫運(yùn)行能耗特性研究[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2016，43（10）：34?37.

YU Junxiang， GAO Kewen， NING Taigang. Characteristics study of operation energy consumption of central air conditio?ning [J]. Construction technology development， 2016， 43（10）： 34?37.

[7] 江喜鵬.高溫冷凍水冷水機(jī)組方案設(shè)計(jì)分析[J].制冷與空調(diào)，2014，28（1）：34?37.

JIANG Xipeng. Design analysis of high?temperature chilled water chiller [J]. Refrigeration and air conditioning， 2014， 28（1）： 34?37.

[8] 趙榮義，范存養(yǎng)，薛殿華.空氣調(diào)節(jié)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

ZHAO Rongyi， FAN Cunyang， XUE Dianhua. Air conditio?ning [M]. Beijing： China Building Industry Press， 2009.

[9] 江楚遙，梁彩華，范鵬杰，等.空調(diào)系統(tǒng)變冷凍水溫性能實(shí)驗(yàn)與預(yù)測(cè)模擬[J].化工學(xué)報(bào)，2014，12（2）：265?271.

JIANG Chuyao， LIANG Caihua， FAN Pengjie， et al. Experimental and predictive simulation of variable chilled water temperature in air conditioning systems [J]. CIESC journal， 2014， 12（2）： 265?271

[10] 劉靜紈，魏東，陳一民，等.中央空調(diào)制冷站控制策略分析[J].電氣應(yīng)用，2014，33（6）：82?86.

LIU Jingwan， WEI Dong， CHEN Yimin， et al. Analysis of control strategy of central air conditioning and refrigeration station [J]. Electrotechnique application， 2014， 33（6）： 82?86.