變風量空調系統運行參數模擬研究

陳冰杰, 何子睿, 劉廣東, 張 野, 高 巖

(1.北京建筑大學北京節能減排與城鄉可持續發展省部共建國家協同創新中心,北京100044;2.北京建筑大學供熱、供燃氣、通風及空調工程北京市重點實驗室,北京100044;3.魯能集團有限公司,北京100020;4.清華大學,北京100084)

1 概述

與定風量空調系統相比,變風量空調系統可通過自動控制進行送風量調節,節能效果明顯[1]3。

目前,模擬是分析變風量空調系統性能、運行能耗等問題的重要手段。DeST軟件能夠模擬分析空調系統控制方案并計算建筑全年運行能耗,但由于DeST軟件將空調系統控制設為理想狀態,計算得到的空調負荷也是理想值,不能完全真實地反映空調裝置在部分負荷下的特性[2]。

EnergyPlus軟件除可實現建筑運行能耗的動態控制外,還可對空調系統采用模塊化模擬[3]。許多學者應用EnergyPlus軟件對變風量空調系統進行了仿真研究。文獻[4]對比模擬了定風量空調系統與變風量空調系統的全年能耗情況,研究表明:由于EnergyPlus軟件采用節點算法逐個描述并計算空調裝置能耗,需要輸入建筑及空調系統詳細的參數,因此大型建筑的建模過程過于繁瑣、運算量大,還可能出現結果不收斂等問題。文獻[5]基于EnergyPlus軟件,對變風量空調系統提出了3種不同準確度的空調裝置簡化建模方法,但易影響空調裝置能耗模擬結果的準確性。

TRNSYS軟件擅長系統仿真,將設備、管道、建筑區域等組件連接起來實現信息的傳遞。文獻[6-7]應用TRNSYS軟件針對實際工程進行變風量空調系統建模仿真及控制優化,結果表明:與定風量空調系統相比,變風量空調系統可大幅降低風機耗電量,且優化控制可以減少系統能耗。在使用TRNSYS軟件時,需要用戶自行編輯模塊,對于結構復雜規模大的系統模擬運算往往耗時嚴重。

變風量空調控制系統主要由溫度、濕度控制回路組成,本文僅對室內溫度控制進行分析。在Matlab中搭建變風量空調系統自動控制程序,在DeST軟件中對建筑進行建模,將計算得到的房間自然室溫、建筑熱特性系數作為自動控制程序的輸入參數,進行房間溫度計算、送風參數計算、空調負荷計算、設備能耗計算。結合案例,對典型房間室內溫度、空調冷負荷、送風量、空調箱風機耗電功率進行模擬分析。

2 研究方法

2.1 模擬計算流程

采用DeST軟件搭建房間模型。DeST軟件將建筑傳熱方程轉化為常微分方程組,計算出建筑熱特性系數、房間自然室溫。建筑熱特性系數反映建筑在熱擾作用下產生的響應特性,熱擾包括:太陽輻射得熱、新風負荷、鄰室傳熱、人體散熱、照明裝置散熱、設備散熱等。房間自然室溫指當建筑沒有空調系統時,在圍護結構傳熱以及熱擾的聯合作用下導致的房間溫度。本研究暫不考慮室內潛熱負荷。

變風量空調系統見圖1。室內回風與室外新風經空調箱風閥進入空調箱混風段進行混風處理,混風在空調箱經盤管段冷卻后達到設定送風溫度,由空調箱風機送入變風量空調系統的末端裝置(VAVBOX)。在VAVBOX,通過改變VAVBOX風閥開度調節房間送風量。VAVBOX風閥開度根據室內溫度進行PID控制,室內溫度由室溫傳感器測量。通過改變空調箱盤管水閥開度進行盤管冷水流量調節,盤管水閥開度根據送風溫度進行PID控制,送風溫度由溫度傳感器反饋至水閥控制器,將送風溫度控制在設定送風溫度。由于空調箱盤管水閥開度變化引起冷水管網阻力的變化,冷水管供回水壓差發生改變。此時,變頻控制器將供回水壓差控制點的壓差測量值與壓差設定值(由水力計算得到)比較,進行冷水泵頻率調節,保證系統運行過程中冷水管網壓力的穩定[8-9]。

圖1 變風量空調系統

筆者在Matlab中搭建了變風量空調系統自動控制程序,詳細控制流程如下。

在DeST軟件中對建筑進行建模,將計算得到房間自然室溫、建筑熱特性系數作為Matlab程序的輸入參數。利用Matlab搭建的變風量空調系統自動控制程序,采用5 min的時間步長進行室溫、送風參數調節以及房間負荷、設備能耗計算,將房間溫度設定為26.0 ℃,溫度波動范圍設置為±1.0 ℃。輸入冷水管網信息(包括冷水機組阻力、冷水泵流量-揚程特性曲線、冷水管網局部阻力、管子長度、管子內直徑等),輸入冷水機組及用戶側設備數據(包括冷水機組、冷水泵、空調箱、VAVBOX等設備參數)。

在空調系統開啟時刻,設定VAVBOX風閥全開且空調箱冷水流量為額定流量。由VAVBOX風閥模型計算風閥阻力,并結合空調箱風機模型、空調箱風閥模型(空調箱風閥始終處于設計開度)計算出送風量。將初始時刻的室內溫度作為回風溫度輸入空調箱混風模型,結合新風量、新風溫度計算出混風溫度。將混風溫度、送風量、冷水供水溫度(設定為7 ℃)、冷水流量(此時為額定流量)輸入空調箱盤管模型,得到空調箱盤管換熱量、出水溫度、送風溫度。將送風量、送風溫度輸入房間模型計算得到當前室內溫度,并將其作為下一輪計算中的回風溫度輸入空調箱混風模型。

根據上一時刻回風溫度與房間設定溫度的偏差調整VAVBOX風閥開度,同時根據上一時刻送風溫度與設定值的偏差調節并計算冷水流量。然后進行空調箱風機變頻計算并得出送風量,由空調箱盤管模型計算出盤管換熱量、出水溫度、送風溫度,由房間模型計算得出室內溫度并作為回風溫度。計算冷水機組及冷水泵開啟臺數并進行冷水泵變頻調節。最后得到冷水機組及用戶側各設備的能耗。

2.2 相關模型

① VAVBOX風閥模型

VAVBOX風閥屬于節流型變風量裝置,根據控制方式可分為壓力無關型、壓力相關型[10]。壓力無關型變風量裝置根據實際室溫與設定室溫偏差估算設定送風量,根據實測送風量與設定送風量的偏差不斷調整VAVBOX風閥開度,實現送風量實時控制。由于壓力無關型變風量裝置采用了串級控制環節,設備運行更穩定,室內溫度波動較小[11]。

基于壓力無關型變風量裝置原理,以閥位角θ作為自變量建立VAVBOX風閥模型。VAVBOX風閥全開時閥位角為0,VAVBOX風閥關閉時閥位角為π/2。

VAVBOX風閥阻力系數S的計算式為[1]29:

式中S——VAVBOX風閥阻力系數,Pa·s2/m6

a、b、c——閥門系數,由VAVBOX風閥樣本提供的數據擬合得到

θ——VAVBOX風閥閥位角,rad,范圍為[0,π/2]

ρ——空氣密度,kg/m3

A——風閥截面積,m2

② 房間模型

室內溫度ta的計算式為[12]:

式中ta——室內溫度,℃

tbz——房間自然室溫,℃

φ——建筑熱特性系數

cp——空氣比定壓熱容,J/(kg·K)

qs——送風量,m3/s

ts——送風溫度,℃

③ 空調箱風機模型

可由風機樣本提供的數據擬合得到風機流量-揚程特性曲線方程。

④ 空調箱混風模型

空調箱混風模型能夠得出新風和回風按照一定新風比混合后的空氣溫度、相對濕度。整個混風過程符合質量守恒定律、能量守恒定律[13]。

⑤ 空調箱風閥模型

空調箱內部風閥包括排風閥、新風閥、回風閥,空調箱風閥阻力系數SV計算式為:

式中SV——空調箱風閥阻力系數,Pa·s2/m6

ΔpV——風閥設計壓力降,Pa

qV——風閥設計流量,m3/s

⑥ 空調箱盤管模型

空調箱盤管模型見文獻[8-9]。

3 案例

3.1 案例概況

某辦公建筑位于北京,選取1個典型房間進行研究。房間面積為25 m2,窗墻比為0.67,房間圍護結構傳熱系數、面積見表1。辦公建筑工作時間為8:00—21:00,采用DeST軟件中的標準辦公室人員-燈光-設備作息模式進行模擬,并對太陽輻射得熱量進行了設定。人員密度為0.1 人/m3,人均發熱量為66 W/人,照明裝置最大熱功率密度為18 W/m3,設備最大熱功率密度13 W/m3。鄰室不存在傳熱。房間布置1臺VAVBOX。冷水系統使用一級冷水泵變流量系統,冷水供水溫度設定為7.0 ℃。室內溫度設定為26.0 ℃,溫度波動范圍為±1.0 ℃。暫不考慮室內潛熱負荷的影響,變風量空調系統供冷時間為8:00—21:00。模擬日供冷時間室外空氣干球溫度、含濕量見圖2。

表1 房間圍護結構傳熱系數、面積

圖2 模擬日供冷時間室外空氣干球溫度、含濕量

3.2 模擬結果與分析

使用Matlab搭建的變風量空調系統自動控制程序對案例變風量空調系統進行模擬計算。模擬日供冷時間室內溫度、空調冷負荷見圖3。由圖3可知,在空調系統剛開啟時,由于風閥、水閥全開,室溫下降較快,之后室溫較好地控制在26.0 ℃左右?？照{冷負荷與室內溫度變化趨勢一致。

圖3 模擬日供冷時間室內溫度、空調冷負荷

模擬日供冷時間送風量見圖4。由圖3、4可知,送風量與室內溫度、空調冷負荷變化基本一致。在8:40前,由于房間溫度高于設定值,送風量一直保持在0.12 m3/s左右。在8:40—10:30,由于空調冷負荷較小,送風量呈下降趨勢。在10:30—14:30,隨著空調冷負荷增大,送風量也逐漸升高。在14:30以后,送風量隨著空調冷負荷減小持續下降。

圖4 模擬日供冷時間送風量

模擬日供冷時間空調箱風機耗電功率見圖5。由圖5可知,空調箱風機耗電功率與送風量變化趨勢一致?？照{箱風機平均耗電功率為0.26 kW,與采用定風量空調系統相比,變風量空調系統可節省約44.6%的空調箱風機能耗。

圖5 模擬日供冷時間空調箱風機耗電功率

4 結論

① 室內溫度、空調冷負荷、送風量、空調箱風機耗電功率變化趨勢基本一致,變風量空調系統自動控制程序調節效果良好。

② 空調箱風機平均耗電功率為0.26 kW,與采用定風量空調系統相比,變風量空調系統可節省約44.6%的空調箱風機能耗。