基于熱濕平衡協同控制的中央空調系統縮尺模擬實驗平臺設計

丁笠偉 劉雪峰 黃 彬 徐瑾蔓 畢夢波 馬文靜

（華南理工大學電力學院 廣州 510640）

0 引言

建筑物能源消耗是中國全社會能源總消耗的重要組成部分，同時也是未來節能減排工作的重點。隨著我國經濟的發展，建筑能源消耗的比重在不斷的增加[1]，有關研究統計，2018 年全國建筑消耗總能耗占全國能源總消耗的46.5%，建筑運行階段能源消耗占比也高達21.7%[2]。同時，國家在《十四五規劃建議》中也強調了發展綠色建筑的重要性。因此，現階段以及未來對城市建筑物節能改造優化運行刻不容緩。

據資料顯示，中央空調系統能耗在大型建筑物各設備系統能耗中占比最大，可達30%-50%[3]。同時，中央空調系統屬于多變量高度耦合的非線性系統，系統運維管理人員對冷水機組以及管網的調節存在嚴重滯后，往往根據建筑物內部溫濕度傳感器以及冷凍水回水溫度對機組進行調控，負荷側的不確定性以及空調系統管網水力調節變動等問題引起的負荷波動會導致大量能源的浪費，可見中央空調系統存在著巨大的節能空間。當前研究人員廣泛采用對中央空調特定設備進行精確建模的方法，從而對系統運轉的某一環節或某一設備進行改造節能[4][6]，或使用智能算法結合歷史運維數據對系統進行優化以提供某種運行策略[7][9]；同時隨著樓宇自控系統（BAS）的發展，利用建筑能源數據數據庫分解進行預測也獲得了一定的應用[10]。一些學者[11]Error! Reference source not found. 通過搭建符合中央空調系統原理以及功能的實驗平臺或利用實際中央空調系統，對冷凍水系統變壓差控制、冷卻水系統節能運行等問題進行了研究，通過實驗論證其節能優化效果。但目前相關研究領域依然存在以下幾點問題：首先，整個中央空調系統精確數學仿真模型的建立難度較大，目前大多數相關文獻是建立孤立的冷源側模型或者末端管網模型，并沒有將全系統模型進行耦合；其次，絕大多數建筑物并沒有安裝BAS 系統，或在中央空調系統建造之初，管路的安裝設計也并沒有將大量的儀表考慮進去，管網各種類數據的獲取受到了實際條件的制約，中央空調系統在實際運行過程中，因運行工況穩定導致的運維數據在時間分布上的同質化、數據監測種類單一、監測儀表測量誤差等客觀因素對使用數據驅動算法的研究造成了阻礙；再次，相關學者搭建的中央空調系統實驗平臺，多以單臺大功率冷機和少量末端風盤為主，機塔泵搭配運行組合方式單一，水力與熱力工況實驗變化范圍較為局限；最后，實際大型樓宇中央空調系統由于運行成本和權限的問題，相關研究研究人員無法進行任意工況的實驗研究。

以上情況，集中反映出在實際建筑物中央空調系統中，由于監測設備的不完備，造成研究人員無法獲得準確、足量、工況多樣的運行數據；同時單一類型建筑物無法兼顧各種規模、不同形式的中央空調系統，實驗實施難度大，實驗技術手段不足；且通過數學建模，對實際建筑物現有歷史數據進行分析并不能很好的解決問題。因此，為了改善以上現狀，本文設計并搭建了中央空調系統縮尺模擬實驗平臺，研究人員可以實現運行模式可控的中央空調系統運行工況模擬，同時按照實驗需求構造多種負荷運行工況，獲取大量在實際工程應用中無法獲得、數量不夠的中央空調系統運行數據，從而避免運行數據的單一，為整個系統優化運行和智能診斷提供實驗研究基礎，為構建系統運維大數據創造有力支撐。

1 實驗平臺搭建原理及功能

1.1 冷源側系統構成

為能夠對設備進行組合搭配運行，本實驗平臺冷源測系統設置有5 臺的渦旋式冷水主機，同時配備有5 臺冷卻塔，冷凍水泵與冷卻水泵各5 臺，皆采用2+2+1 的型號搭配形式；以冷水主機為例，實驗臺具有制冷量7.5kW 主機2 臺，12.5kW 主機兩臺，20kW 主機1 臺。如圖1 所示冷凍水與冷卻水管路采用一級泵先并后串的布置形式，管道上安裝有高精度壓力表、渦輪流量計、玻璃溫度計對冷凍水冷卻水的水力熱力參數進行測量，同時安裝有Y 型過濾器、止回閥軟連接等常用管道零部件，在設備構成以及熱力原理方面與實際中央空調系統接近。冷源測設備明細如表1 所示。

表1 冷源側設備Table 1 Cold Source Equipment

圖1 冷源測原理布置圖Fig.1 Schematic Layout of Cold Source Measurement

1.2 末端管網及風柜系統構成及功能

本實驗平臺30 個末端風柜按照5 層6 列布置，尺寸皆為H500mm×D1500mm×W1000mm，風柜保溫材料厚度為30mm。為減少實驗平臺自身的熱損失，冷凍水管網及其末端管網全部進行保溫處理。實驗臺末端管網實行通斷調節，同時冷凍水管網在層內與層間都可在同程與異程布置形式間自由切換，因此可以構建層間同程-層內同程、層間同程-層內異程、層間異程-層內異程、層間異程-層內同程四種管網布置形式。同時，在層間、層內末端之間都設有手動調節閥，用以改變管道的阻力特性，從而呈現出不同規模不同形式的冷凍水管網以進行實驗研究，管網布置形式變換原理如圖2 所示，當進行水平布置形式的調節，以第一層末端為例，開啟閥門H1，關閉閥門H2 時為水平異程；開啟H1，關閉H2 即可改變為水平同程。對于豎直布置形式的調節，開啟閥門V1，關閉V2 為豎直異程；關閉V1，開啟V2 為豎直同程。

圖2 末端管網及風柜搭建原理Fig.2 Cold Source Measurement Principle Layout Terminal Pipe Network And Fan Cabinet Construction Principle

風柜冷凍水進水閥門及風柜內部溫度tset都可進行人為調控設置，從而方便探究制冷空調房間或區域個數的變動以及設定溫度的改變對中央空調冷凍水管網的影響。上位機控制可控硅以及36V直流電源，改變風柜內部加熱棒功率Pheating與加濕器加濕量dh，從而模擬實際建筑物冷負荷與濕負荷。每一個風柜在原理上模擬實際空調房間的熱濕交換機理。從而可將每一個風柜看作一個空調房間或者空調區域。風柜內部的熱濕模擬過程如圖3 風柜熱濕負荷模擬原理所示，風柜內的氣流組織進行內部循環將顯熱于潛熱帶走。

圖3 風柜熱濕負荷模擬原理Fig.3 Simulation Principle of Heat And Humidity Load of Fan Cabinet

1.3 自動控制與數據采集系統

使用LabView 平臺開發了冷源側與末端控制管理軟件，利用RS485 串口通訊，基于modbus 協議對實驗平臺進行遠程控制與數據采集。實驗平臺控制管理軟件能夠實現實驗臺各設備的遠程啟停，可對風機、冷卻塔、水泵等設備進行變風量變頻調節，更改主機冷凍水出水溫度設定，設置末端風柜加熱量、加濕量、風量等；同時，該程序能夠實時繪制各采集參數曲線并將實驗數據同步保存至本地，為后期數據處理與分析提供便利。實驗臺控制管理軟圖4 所示。

圖4 基于LabVIEW 的實驗平臺控制管理軟件頁面Fig.4 LabVIEW-Based Experimental Platform Control Management Software Page

實驗平臺數字信號的發送與接收利用研華ADAM 模塊進行實現，其中，ADAM-4068 負責控制各個電動閥的開閉；ADAM-4053 負責反饋閥門開啟、關閉以及故障信號；ADAM-4117 負責傳輸壓差傳感器、電磁流量計、高精度熱電偶、室外溫濕度傳感器、主機功率傳感器的4-20mA 信號。

除上述數控儀表信號以外，實驗平臺還通過RS485 通訊控制讀取流量計傳感器等設備，設備儀表如表2 所示。上位機控制36V 直流電源的開關以及輸出電壓的大小，從而間接控制加濕器的加濕量，控制西門子PLC 實現對加熱棒的控制，其中，加熱棒加熱功率范圍為0-2.5kW，對應PLC 的信號范圍為0-100，加濕器加濕量范圍為0-1.6kg/h，對應36V 直流電源電壓范圍為0-36V。此外，上位機控制變頻器的啟停以及頻率設定，同時讀取其功率；控制冷水主機的啟停、冷凍水冷卻水進出水溫度、蒸發壓力冷凝壓力等參數；控制西門子PLC，間接實現對風柜電源、風機風量的調控。

表2 實驗平臺數控儀表Table 2 CNC Instrument of Experimental Platform

2 實驗結果及討論

2.1 水力工況及熱力工況穩定

2.1.1 旁通關閉下冷凍水管網水力特性在30 個末端冷凍水進水閥全開的情況下，關閉壓差旁通閥，改變冷凍水管網流量，記錄冷凍水管網在不同流量下的供回水壓差。實驗分別在水平豎直同程、水平豎直異程、水平同程豎直異程、水平異程豎直同程布置形式的管網進行，冷凍水運行水力工況點如圖5 所示，根據流體力學原理可知Error!Reference source not found.，管道壓降與流量的平方成正比。管網性能曲線應呈現出拋物線的形狀，可以看出，4 種管網布置形式下的管網特性曲線皆呈拋物線狀，符合實際。

圖5 旁通關閉下末端管網性能曲線Fig.5 Bypass Off Lower End Pipe Network Performance Curve

2.1.2 旁通開啟下冷凍水管網水力特性

為了驗證實驗臺末端冷凍水管網在壓差旁通調節介入時的壓差調節特性，以開啟1-5 層末端的水平豎直同程管網為例，旁通壓差控制器的設定值ΔPset分別為80kPa、100kPa、120kPa、140kPa、160kPa、180kPa，其運行時水力工況點如圖6 所示。由圖6 可知，在不同的壓差設定值下，實驗臺冷凍水管網水力工況曲線均存在水力欠壓區[11]，實驗臺末端管網均具有較為穩定的水力調節特性。在水力可調區，冷凍水管網實際壓差以壓差設定值為中心上下波動，本實驗臺的所使用的壓差控制器控制精度在±10kPa 左右，符合實際工程應用現狀。

圖6 旁通開啟下末端管網性能曲線Fig.6 Performance Curve of End Pipe Network Under Bypass Opening

2.1.3 不同末端規模與旁通壓差設定值下水力與熱力平衡

對于不同壓差設定值下的管網動態穩定，分別在ΔPset為80kPa、100kPa、120kPa、140kPa、160kPa下進行5 層與3 層末端規模穩定性實驗。對冷凍水管網壓差傳感器記錄數據進行畫圖分析，運行狀況如圖7 所示，在2 種末端規模5 種壓差設定值下，冷凍水總管實際供回水壓差均在ΔPset附近穩定波動，波動范圍±10kPa，滿足要求。與之對應的冷凍水總管的溫度變化與平衡如圖8 所示，隨著ΔPset的增大，旁通流量降低，旁通前后的回水溫度差值減小；同時對于末端規模的改變，在減少主機臺數后，系統達到了新的平衡。

圖7 不同末端規模及壓差設定下供回水壓差Fig.7 Supply and Return Water Pressure Difference Under Different Terminal Sizes and Pressure Difference Settings

圖8 不同末端規模及壓差設定值下冷凍水總管熱力動態穩定Fig.8 Thermal Stability of Chilled Water Header Under Different Terminal Sizes and Differential Pressure Settings

以5 層末端開啟AHU1-AHU30 為例，tset設定為24℃，Pheating為1kW。如圖9 所示，通過溫控調節閥控制冷凍水的通斷，能夠將風柜內部溫度穩定在tset附近，波動范圍為±2℃。冷水主機冷凍水溫度動態平衡如圖10 所示，開啟2#～5#三種型號四臺主機，冷凍水進出水溫度都可以達到動態穩定，波動范圍為±1.5℃。通過實驗結果可知，本實驗平臺可適應多種負荷規模以及旁通壓差設定，在此不同設定工況下，冷凍水總管供回水壓差、冷凍水總管以及冷水主機進出水溫度，末端風柜內部溫度都可以實現動態平衡與穩定，實驗結果符合規律，滿足實驗要求。

圖9 風柜內部溫度動態穩定Fig.9 Dynamic Stability of The Internal Temperature of The Fan Cabinet

圖10 冷水主機進出水溫度動態穩定Fig.10 Dynamic Stability of Inlet And Outlet Water Temperature of Chiller

2.1.4 不同旁通壓差設定值及水泵頻率下管網運行特性

如圖11 所示，在末端負荷以及冷源側設備搭配不變的情況下，在5 種ΔPset設定值下試驗臺冷凍水總管出水溫度在8～8.35℃之間波動，皆可維持冷凍水出水的穩定。同時，隨著ΔPset的增大，旁通前后的回水溫度也逐漸趨于一致，兩者差值由2.8℃減至0.4℃；總流量與旁通流量隨著壓差設定值的增大而降低，旁通流量與總流量之比呈下降趨勢，根據流體力學知識可知Error! Reference source not found.，在水泵揚程一定的情況下，管道流量于壓降成反比，因此實驗結果符合水泵性能曲線水流量與壓頭的實際規律。

圖11 不同旁通壓差設定值下水力與熱力變化規律Fig.11 Hydraulic and Thermal Variation Rules Under Different Bypass Differential Pressure Settings

水泵頻率與流量成正比，水泵頻率的升高意味著水流量的增大。5 種水泵頻率試驗工況下冷水主機設定出水溫度皆為7℃，如圖12（a）所示，不同的水泵頻率下冷凍出水溫度都能維持在7.5℃左右，旁通后回水溫度隨著水泵頻率的升高，由13.7℃降至10.5℃，說明冷水機組能夠承擔水泵變頻運行工況。如圖圖12（b）所示，在末端負荷、冷源側設備搭配以及ΔPset不變的情況下，隨著水泵頻率的增大，為了維持供回水壓差不變，旁通閥開度隨之升高，由0%增大至60%，冷凍水總流量與旁通流量增大，旁通流量與總流量之比由8%增至48%，實驗結果符合實際規律。

圖12 不同水泵頻率下冷凍水總管水力與熱力穩定工況Fig.12 Hydraulic and Thermal Stability Conditions of Chilled Water Main at Different Pump Frequencies

2.1.5 隨機負荷下的冷凍水管網穩定

由于室外環境、用戶用冷行為、建筑物結構的不同，實際空調房負荷在時間、空間分布上具有隨機性Error!Referencesourcenotfound.，實驗人員通過本課題組編寫的隨機負荷計算程序，利用控制管理軟件可對負荷的隨機性進行模擬，基于空間的隨機負荷分布如圖13（a）所示，以三層末端為例，開啟AHU1 - AHU18 ， 管網采用水平豎直同程布置ΔPset設定為155kPa，每一個AHU 模擬一個空調房間，考慮到實驗平臺加熱功率上限以及負荷的非負性，同一時刻的隨機負荷服從如圖13（b）所示正態分布。

圖13 隨機負荷模擬Fig.13 Random Load Simulation

對于通斷調節末端管網系統，不同末端溫控閥的通斷狀態存在隨機性，管網系統存在一個總體閥門開啟率Error! Reference source not found.。由于實際工程中通過追蹤每一個末端水力與熱力工況的變化難度較大，冷凍水總管的波動則是大量隨機性疊加后的表征，遂將研究關注點聚焦總管總體效果上。如圖14（a）所示，末端隨機負荷工況下，冷凍水總管供回水溫差的波動與所有末端施加的總負荷呈現相同的趨勢。

圖14 隨機工況下系統穩定狀況Fig.14 System Stability Under Random Conditions

圖14（b）顯示，雖然t1～t7 每一時刻每一個AHU 的負荷皆為隨機給定，負荷大小不盡相同，溫控閥通斷狀態各異，但總管熱力水力參數的方差差異不大，冷凍水流量、總管供回水溫度的方差都在2 以下，說明負荷在空間上分布的差異對其波動幾乎沒有影響。7 個隨機工況下的供回水壓差方差在54～58.6 之間波動，說明服從同一負荷分布的末端其總管供回水壓差波動狀態接近，實驗平臺在相同的隨機工況下具有相近的動態平衡水力規律，能夠進行相關的對照試驗。

2.2 不同機塔泵運行搭配組合下的工況穩定

通過對冷水機組、水泵、冷卻塔、末端負荷的不同搭配組合運進行設置，本實驗平臺可以模擬多種中央空調系統工況。實驗時外界大氣環境溫度to=25.6℃，相對濕度φo=86%，工況S1-S5 主機出水溫度皆設定為7℃，以主機名義工況制冷量以及冷凍水供回水5 ℃溫差計算出來的冷凍水流量為標準對冷凍水泵頻率以及臺數進行設置，工況設置成如表3 所示。不同搭配組合下當實驗平臺達到動態穩定時記錄數據，S1-S5 能耗及水力熱力參數工況如圖15 所示，隨著設備臺數介入的增多，實驗臺功耗增大；對于以上5 種不同的搭配組合，冷凍水供回水溫差在3.7℃～4.5℃之間波動；由于實驗條件下φo過大，冷卻水供回水溫差在2.3 ℃～3.6 ℃之間波動；系統平衡時的總管實際出水溫度最低7.8℃，最高12.6℃，經實驗可知，實驗平臺能夠在不同水流量、末端負荷、機組搭配下達到動態穩定時，且實驗結果皆符合實際規律，能夠為不同熱力范圍節能運行研究提供實驗基礎。

圖15 不同運行搭配組合下冷源測能耗及水力熱力穩定Fig.15 Measurement of Energy Consumption and Hydraulic and Thermal Stability of Cold Source Under Different Operation Combinations

不同搭配組合下當實驗平臺達到動態穩定時記錄數據，S1-S5 能耗及水力熱力參數工況如圖15 所示，隨著設備臺數介入的增多，實驗臺功耗增大；對于以上5 種不同的搭配組合，冷凍水供回水溫差在3.7℃～4.5℃之間波動；由于實驗條件下φo過大，冷卻水供回水溫差在2.3℃～3.6℃之間波動；系統平衡時的總管實際出水溫度最低7.8℃，最高12.6℃，經實驗可知，實驗平臺能夠在不同水流量、末端負荷、機組搭配下達到動態穩定時，且實驗結果皆符合實際規律，能夠為不同熱力范圍節能運行研究提供實驗基礎。

3 結論

本文設計了一種中央空調系統縮尺模擬實驗平臺，可對末端管網的布置形式、規模、負荷大小，主機臺數進行變動，對各設備諸如水泵、風機進行變頻變風量調節。從系統基本構造以及熱濕過程機理方面對實際大型中央空調系統進行模擬。本文詳細介紹了實驗平臺的設備構成、設計原理，并通過實驗數據分析論證該實驗平臺在水力與熱力穩定性，能夠在不同末端負荷、水流量、冷源測搭配組合下達到穩定的水力與熱力平衡，進行持久可靠的運行，實驗結果符合一般常識規律。通過該實驗平臺，研究人員能獲得不同管網布置形式、不同機組搭配、不同負荷運行工況的實驗數據，能夠為中央空調系統節能運維研究提供實驗基礎是數據支撐，為建立小型中央空調系統與實際大型中央空調系統之間的映射關系提供實驗基礎。