室溫傳感器偏差故障對武漢地區暖通空調系統的影響研究

李冠男，姚慶，毛前軍，胡云鵬，李濤

（1.武漢科技大學城市建設學院，湖北 武漢 430065；2.武漢商學院機電工程學院，湖北 武漢 430065）

0 引言

據統計，建筑能耗占全球總能耗的近40%[1]。其中，暖通空調（Heating,Ventilation and Air-Conditioning，HVAC）是主要的建筑能源消耗設備之一，其運行能耗占建筑總能耗的50%[2]。建筑節能的迫切需求給HVAC行業發展帶來了巨大的挑戰和機遇。為實現HVAC系統高效節能運行，自動故障檢測與診斷、能耗異常管理和優化控制等新興節能技術得到廣泛的研究與應用[3]。這些技術高度依賴于從HVAC系統中傳感器網絡獲得的大量運行數據。然而，由于實際使用時長和條件的影響，HVAC系統中的傳感器不可避免的存在著不同程度的故障，影響其測量數據的準確性[4]。有研究表明：傳感器故障不僅會直接導致HVAC系統運行能耗的增加，還會嚴重影響室內人員的熱舒適性[5]。此外，通過修復傳感器故障所帶來的HVAC系統運行能耗損失減少率高達20%[6]，因此，研究傳感器故障對HVAC系統的影響非常重要。

在此背景下，國內外學者針對HVAC系統中的傳感器故障開展了廣泛研究[7]。但是，目前大多數研究集中在傳感器的自動故障檢測與診斷[8]、控制策略優化等方面[9]，而對于關鍵傳感器故障對HVAC系統運行性能影響的研究則相對偏少。尤其是在同一目標建筑、同一時間的室外氣象環境條件下，對于不同的暖通系統受同一類傳感器故障的影響程度，更是缺乏足夠的定量分析。

針對上述現象，本研究以室溫傳感器偏差故障為例，針對同一目標建筑、同一時間的外部氣象條件，在Energy Plus環境中同時開展了地源熱泵（Ground Source Heat Pump，GSHP）[10]和“冷水機組+鍋爐”（Chiller and Boiler，CB）[11]兩種HVAC系統的故障建模工作，定量地分析了-5℃～+5℃偏差故障對兩種HVAC系統的運行能耗、工作性能和室內人員熱舒適性的影響程度。

1 故障仿真

1.1 建筑物概況

為保證研究的準確性和可拓展性，選取Energy Plus案例中典型模型建筑[12]，建筑類型為辦公室。該單層建筑共有5個熱區，中間1個核心熱區，周圍4個熱區。整個建筑占地面積465 m2，高3.0 m，其中上方為0.6 m的回風室。每個立面都有一扇窗戶，南北立面有一個玻璃門。該模擬在湖北省武漢市進行，并參考《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015），對兩個仿真模型設定相同的建筑圍護結構熱工屬性、室內荷載密度及其相應的運行時間表。表1為該建筑的維護結構材料和熱工屬性設定。

表1 建筑圍護結構及熱工屬性Table 1 Building envelope and thermal properties

設定室內荷載：人員密度為0.11人/m2，照明功率9 W/m2，設備功率15 W/m2等。該建筑仿真周期為1 a，其中HVAC系統僅在夏季和冬季的工作日（周一-周五）運行。夏季的運行時間設定為4月15日-9月30日，冬季的運行時間設定為1月1日-3月15日和11月1日-12月31日。其中，夏季的室內設定溫度為26℃，冬季的室內設定溫度為20℃。

1.2 暖通空調系統

研究在同一個建筑模型中分別對CB系統和GSHP系統進行了仿真建模，如圖1所示。其中，CB系統冷熱源分別為冷卻塔和電熱水鍋爐，GSHP系統的冷熱源為土壤換熱器。在CB系統中，室內負荷分別由獨立新風系統和5個風機盤管系統承擔。冷水機組和鍋爐根據室內負荷需求確定水流量大小，從而在制冷或制熱盤管中進行熱交換，最終使室內空氣溫度滿足設定溫度。在GSHP系統中，室內負荷由中心風機盤管系統和5個室內再熱盤管承擔。熱泵機組在不同季節的工況下通過換向閥進行水環路的方向切換，從而在制熱或制冷盤管中進行熱交換，最終使空氣溫度滿足室內設定溫度。

圖1 目標建筑中CB系統圖和GSHP系統圖Fig.1 Illustration of the CB and GSHP systems in the target building

為了準確地對比研究同一類型傳感器偏差故障對兩個系統的影響，在相同的運行設定時間內，統一設定兩個HVAC系統中的重要部件參數設定。統一設定風機在600 Pa的動壓下，風扇效率Ef和電機效率Em分別為0.7和0.9。同時統一設定所有的水泵工作壓力為5 000 Pa，冷水環路中水泵額定功率Pc為250 W，熱水環路中水泵額定功率Ph為350 W。

1.3 室溫傳感器故障

本文主要研究參與控制循環的室溫傳感器的偏差故障。在整個控制策略中，由于室溫傳感器的測量值要求接近室內設定空氣溫度，因此整個系統的控制、運行和室內條件都會受到室溫傳感器偏差故障影響[11]。本文使用Energy Plus進行室溫傳感器的偏差故障建模。故障下，室內實際設定溫度和機組制冷量、制熱量的計算式如式（1）和（2）所示。

式中：T′set為室內實際設定溫度，℃；Tset為室內設定溫度，℃；ΔT為故障偏差溫度，℃；Qc為機組制冷量，kW；QH為機組制熱量，kW；M為室內空氣質量流量，kg/s；Δd為空氣的濕度變化，kg/kg；TI，O為室內空氣初始溫度，℃；TI，A為室內實際空氣溫度，℃。

為方便后續分析，定義ΔT＞0時的偏差故障為正向故障，此時T′set＜Tset。定義ΔT＜0時的偏差故障為負向故障，即T′set＞Tset。

2 結果分析

本研究主要從HVAC系統能耗、工作性能和室內人員熱舒適性3個方面分析-5℃～+5℃室溫傳感器偏差故障對兩種HVAC系統的影響規律。表2為仿真模型的輸出設定。其中：工作性能由機組性能系數（COP）和不滿足小時數代表；室內人員熱舒適性由預測平均指標（PMV）和預測不滿意百分數（PPD）代表。

表2 仿真輸出設定Table 2 Simulation output setting

2.1 暖通空調系統能耗影響

圖2（a），（b）分別展示了在-5～+5℃偏差故障下，GSHP系統和CB系統中HVAC各部分能耗及其相對變化。其中，能耗的相對變化為故障結果相對無故障結果的變化。由圖中堆積柱形圖中的能耗可見，故障幅值和故障方向對兩種HVAC系統能耗的影響規律不同。隨著故障偏差值增大，GSHP系統總能耗先減小后增大，CB系統則逐漸減小。-5℃偏差故障時，兩HVAC系統總能耗均最大，GSHP系統總能耗為47.54 GJ，CB系統總能耗為90.82 GJ。可以發現，-5℃偏差故障對CB系統的總能耗影響相對GSHP系統更大，這是由于CB系統中的制熱COP較小導致的。CB系統在各故障偏差下的實際制熱COP僅為0.8左右。因此，隨著負向故障幅值的增大，CB系統的制熱能耗增大更多，導致HVAC總能耗也最大。

圖2 故障下GSHP和CB系統各部分能耗變化Fig.2 Energy consumption changes of the GSHP and CB system with different sensor bias faults

HVAC系統總能耗主要受制熱能耗和制冷能耗影響。由圖中折線圖可知，隨著故障偏差值增大，兩系統的制熱能耗相對變化均逐漸減小，制冷能耗相對變化均逐漸增大。+5℃正向偏差故障時，GSHP系統的制冷能耗相對增加了78.1%，制熱能耗相對減小了26.7%；CB系統的制冷能耗相對增加了41.8%，制熱能耗相對減小了93.1%。-5℃負向偏差故障時，GSHP系統的制冷能耗相對減小了17.8%，制熱能耗相對增大了140.0%；CB系統的制冷能耗相對減小0.2%，制熱能耗相對增大了516.0%。

圖3為偏差故障方向對機組制熱量、制冷量以及不滿足小時數的影響示意圖。

圖3 制冷/熱量、不滿足小時數與故障偏差方向關系Fig.3 An illustration of the relationships between refrigeration/heating，Set-point unmet hours and direction of bias faults

由圖3可知，當室溫傳感器發生正向偏差故障時（ΔT＞0），會導致室內實際空氣溫度（TI，A）偏小，系統制冷量（QC）隨之增大，系統制熱量（QH）則減小；當室溫傳感器發生負向故障則相反。

2.2 工作性能影響

研究使用系統COP及不滿足小時數兩個指標來評價HVAC系統的工作性能。不滿足小時指在這個小時內，室內空氣溫度高于室內制冷設定溫度或低于室內制熱設定溫度及相應溫度公差范圍，本研究的溫度公差為±0.2℃。總不滿足小時數指1 a內的制冷不滿足小時數和制熱不滿足小時數之和，總不滿足小時數越小代表暖通空調系統的室內空氣調節能力越出色。圖4為-5～+5℃偏差故障時，兩HVAC系統的平均COP和總不滿足小時數的變化。由圖4中柱狀圖可知，CB系統的年平均制冷COP在-5～0℃故障下幾乎不變，為3.90；在0～+5℃故障下逐漸增大，+5℃故障時制冷COP增加到3.97。GSHP系統年平均制冷COP在-5～+5℃故障下逐漸減小，在+5℃故障時制冷COP減小到3.38。CB系統和GSHP系統制熱COP在-5～+5℃故障下變化很小，其中鍋爐制熱COP接近0.80，地源熱泵系統制熱COP接近1.83。因此，在需求制熱量增大的負向故障下，CB系統總能耗相對增加更多。正如2.1節中所述，CB系統總能耗受負向故障影響的程度大于GSHP系統。

圖4 故障下HVAC系統平均COP和總不滿足小時數Fig.4 Average COP and total Set-point unmet hours of HVAC systems with different sensor bias faults

圖4的折線圖展示了故障下兩個系統全年的總不滿足小時數變化。結果表明，-5～+5℃故障下總不滿足小時數先增大后減小。但0～+5℃故障下的兩個系統的總不滿足小時數增大較為明顯，這與武漢地區在夏、冬季的室內外溫差有關。夏季溫差大，受故障影響所需制冷量更多，室內空氣溫度更不易達到室內制冷設定溫度，制冷不滿足小時數增加更明顯。其中，GSHP系統在+5℃偏差故障下的總不滿足小時數為1 153 h，在-5℃偏差故障下的總不滿足小時數為51.25 h；CB系統在+5℃偏差故障下總不滿足小時數為1 129.8 h，在-5℃偏差故障下總不滿足小時數為0.25 h。同時，由于CB系統故障下的制熱耗電量大于GSHP系統，因此CB的制熱不滿足小時數受故障影響更小。

2.3 熱舒適性影響

PMV是由Fanger教授[15]提出的用于表征人體冷熱感的評價指標，表示在某個環境中大部分人的平均冷熱感覺。PMV指標將人體舒適度分為7個等級，例如：PMV=-1時，熱感覺為微涼；PMV=+2時，熱感覺為暖；PMV=0時，熱感覺為舒適。PMV指標越接近0，人體熱舒適性越好。

PPD表征人群對熱環境不滿意百分數的指標，PMV和PPD之間的定量關系為

圖5為-5～+5℃故障偏差下的年平均PMV和年平均PPD變化。

圖5 故障偏差下房間的全年PMV/PPD均值Fig.5 Annual average room PMV/PPD values of different sensor bias faults

從圖5中可以看出，在-5～+5℃的偏差故障下，GSHP系統下的年平均PMV值在-0.78～-1.01之間，CB系統下的年平均PMV值在-0.86～-1.08之間。-5～+5℃故障下，兩個系統的年平均PMV均值逐漸減小，年平均PPD值逐漸增大。因此隨著故障偏差值的增大，室內熱舒適性逐漸變差。

3 結論

為了研究同一類型故障對不同HVAC系統的影響，本文以室溫傳感器偏差故障為例，針對同一目標建筑、同一時間的外部氣象條件，同時開展了GSHP和CB系統的仿真模擬研究。根據模擬結果，定量分析了-5～+5℃故障對兩種HVAC系統的運行能耗、工作性能和室內人員熱舒適性的變化。分析結論如下。

①室溫傳感器的故障幅值和故障方向對不同HVAC系統的影響程度及規律不一致。

②室溫傳感器故障對HVAC系統的制冷能耗和制熱能耗的影響較大。GSHP和CB系統中的制冷能耗在+5℃偏差故障時分別相對增加了78.1%和41.9%，制熱能耗在-5℃偏差故障時分別相對增加了140%和516%。

③正向故障較負向故障對HVAC系統的不滿足小時數影響更大。+5℃偏差故障時，GSHP和CB系統的總不滿足小時數分別為1 153 h和1 129.8 h。

④兩HVAC系統的平均COP、年平均PMV和年平均PPD受室溫傳感器影響變化相對不大。兩系統的室內人員熱舒適性受故障影響程度接近。