變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)改進總風(fēng)量法研究

葛俊伶,孟慶龍

(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

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變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)改進總風(fēng)量法研究

葛俊伶,孟慶龍

(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

為改進變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)總風(fēng)量控制方法對末端風(fēng)量的控制效果,提出了一種改進總風(fēng)量法,通過系統(tǒng)的最不利壓降和系統(tǒng)所需總風(fēng)量,直接計算出風(fēng)機應(yīng)有的頻率,并加以控制。試驗結(jié)果表明,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)改進總風(fēng)量法相比于較為節(jié)能的普通總風(fēng)量法和變靜壓法,對最不利末端的控制基本達到要求,更具有節(jié)能效益。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng); 改進總風(fēng)量法; 常規(guī)總風(fēng)量法; 變靜壓法

葛俊伶(1991—),女,碩士研究生,研究方向為中央空調(diào)系統(tǒng)遞階控制與節(jié)能優(yōu)化。

0 引 言

隨著建筑節(jié)能與舒適感要求的提高,以及計算機技術(shù)和控制技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)逐漸被推廣和使用。然而,國內(nèi)已建成的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的運行并不盡如人意,通常變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制效果差,控制參數(shù)不穩(wěn)定,風(fēng)量不平衡,缺少新風(fēng),空氣品質(zhì)和舒適感達不到要求,節(jié)能性低。有些變風(fēng)量系統(tǒng)甚至不能正常運行,而改為普通的定風(fēng)量系統(tǒng)[1-3]。

在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的研究領(lǐng)域中,絕大部分是對其控制的優(yōu)化方法進行研究,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法等機器學(xué)習(xí)的方法,其本質(zhì)為多變量的回歸,沒有說明其優(yōu)化效果產(chǎn)生的物理機制[4]。在變風(fēng)量空調(diào)的實際運行過程中,風(fēng)量隨負荷的變化而變化,出現(xiàn)很強的動態(tài)特性,并且各控制回路之間發(fā)生強耦合性,導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)總風(fēng)量法控制原理

文獻[5]通過對壓力無關(guān)型變風(fēng)量末端的分析，得出了以設(shè)定風(fēng)量作為控制變量,通過計算系統(tǒng)總設(shè)定風(fēng)量而控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速,提出了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)總風(fēng)量控制方法。經(jīng)過對總風(fēng)量控制方法與定靜壓控制方法、變靜壓控制方法的比較,得出總風(fēng)量法的節(jié)能效果稍低于變靜壓方法,但比變靜壓方法穩(wěn)定。

1.1 常規(guī)總風(fēng)量法控制原理

常規(guī)總風(fēng)量法控制原理如圖1所示。

圖1 常規(guī)總風(fēng)量法控制原理

風(fēng)機初始運行狀態(tài)為點1,系統(tǒng)阻抗為S1,風(fēng)機頻率為n1,風(fēng)機送風(fēng)量為Q1。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)中某部分的負荷降低時,系統(tǒng)所需的總風(fēng)量由Q1變?yōu)镼2,此時為使風(fēng)機送風(fēng)量達到Q2,風(fēng)機頻率變?yōu)閚2。由于變風(fēng)量末端風(fēng)閥的變化,系統(tǒng)阻抗不可能維持在S1不變。假設(shè)風(fēng)閥關(guān)小,系統(tǒng)阻抗變?yōu)镾2,則風(fēng)機實際運行狀態(tài)點不是點2,而是點3,即風(fēng)機的實際送風(fēng)量為Q3。因此,風(fēng)機頻率進一步改變到n3,同時系統(tǒng)阻抗變化為S3,風(fēng)機工作狀態(tài)移動到點4,風(fēng)機送風(fēng)量為Q4。依次類推,風(fēng)機的實際送風(fēng)量Qi無限接近于風(fēng)機的設(shè)定送風(fēng)量Q2。常規(guī)總風(fēng)量法的不足之處在于風(fēng)機的送風(fēng)量并不是只由風(fēng)機的頻率決定,風(fēng)機工作狀態(tài)點與整個系統(tǒng)的阻力系數(shù)有關(guān)。當(dāng)末端阻力系數(shù)改變后,風(fēng)機的送風(fēng)量也會隨之變化,送風(fēng)量與實際所需風(fēng)量存在偏差。

1.2 改進總風(fēng)量法控制原理

改進總風(fēng)量法通過對總風(fēng)量系統(tǒng)進行水力特性分析,從物理模型的角度分析總風(fēng)量系統(tǒng)不同工況下，風(fēng)管管路的最不利壓降計算以及各末端所需風(fēng)量之和,直接得出風(fēng)機頻率，從而控制風(fēng)機。為了降低風(fēng)機能耗,需要保證在滿足空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量的前提下系統(tǒng)阻力最小,即末端閥門開度較大,沒有多余的靜壓被消耗在末端閥門上[6]。

改進總風(fēng)量優(yōu)化控制方法實際上是對常規(guī)總風(fēng)量控制法進行改進,目的是根據(jù)各變風(fēng)量末端所需風(fēng)量進行風(fēng)機調(diào)節(jié)時,提前考慮變風(fēng)量末端阻力系數(shù)的改變對風(fēng)機工作點的影響,通過系統(tǒng)所需最大壓降和風(fēng)量,直接算出風(fēng)機所需頻率,避免風(fēng)機頻率經(jīng)常變化導(dǎo)致的系統(tǒng)振蕩。

改進總分量優(yōu)化控制方法原理如圖2所示。

圖2 改進總風(fēng)量優(yōu)化控制方法原理

風(fēng)機初始運行狀態(tài)為點1,系統(tǒng)阻抗為S1,風(fēng)機頻率為n1。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)中某部分的負荷降低時,系統(tǒng)所需的總風(fēng)量由Q1變到Q2,同時為使變風(fēng)量系統(tǒng)阻力最小,在計算最不利回路壓降時規(guī)定將變風(fēng)量末端控制回路中風(fēng)閥設(shè)定值為最大的風(fēng)閥開到95%,假定工況為在滿足變風(fēng)量末端所需流量的情況下阻力最小的管網(wǎng)工況。在設(shè)定風(fēng)量下,系統(tǒng)最不利環(huán)路壓降為H2,最不利環(huán)路壓降為風(fēng)機應(yīng)提供的壓頭,因此以H2為風(fēng)機壓頭,Q2為風(fēng)機送風(fēng)量,確定風(fēng)機運行狀態(tài)點2。根據(jù)風(fēng)機特性曲線，計算出風(fēng)機應(yīng)有的頻率為n2,風(fēng)機提供的總風(fēng)量滿足末端風(fēng)量,且能耗最小。對于末端水力狀況的穩(wěn)定性和風(fēng)量的分配,在風(fēng)機提供的風(fēng)量假定滿足末端狀況所需風(fēng)量和,壓頭滿足空調(diào)風(fēng)管系統(tǒng)最不利回路壓降的前提下,由于風(fēng)機控制回路和變風(fēng)量末端房間控制回路沒有耦合,壓力無關(guān)型變風(fēng)量末端的控制回路自行調(diào)節(jié)。

改進總風(fēng)量控制方法流程如圖3所示。

圖3 改進總風(fēng)量控制方法流程

2 改進總風(fēng)量方法的數(shù)學(xué)模型

2.1 變風(fēng)量末端數(shù)學(xué)模型

從整個系統(tǒng)水力特性的角度考慮,變風(fēng)量末端實際上是一個可變風(fēng)閥開度的末端。對風(fēng)閥建立穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，找出風(fēng)閥的角度與其阻力系數(shù)的關(guān)系，求得整個管網(wǎng)在各變風(fēng)量末端不同閥位開度下的阻力特性[7]。變風(fēng)量末端風(fēng)閥阻力系數(shù)K與風(fēng)閥開度θ的關(guān)系為

(1)

式中:A、B、C——不同型號變風(fēng)量末端經(jīng)擬合得到的常數(shù);

ρa——空氣密度;

A1——風(fēng)閥截面積。

2.2 變速風(fēng)機的數(shù)學(xué)模型

變速風(fēng)機在頻率fi時的風(fēng)機性能可表示為

(2)

式中:Pi——額定工況下風(fēng)機全壓;Qi——額定工況下風(fēng)機風(fēng)量;a1、b1、c1——不同型號風(fēng)機對應(yīng)的常數(shù)。

2.3 風(fēng)管的數(shù)學(xué)模型

變風(fēng)量系統(tǒng)中風(fēng)管也存在一定的阻抗[8-9]。對于風(fēng)管內(nèi)不同的空氣流速,其管段摩擦系數(shù)、管網(wǎng)壓降都會發(fā)生變化。為了使改進總風(fēng)量法具有普適性和推廣性,本文分別對不同規(guī)格的風(fēng)管進行風(fēng)管阻抗計算[10]:

ΔP=SQ2

(3)

在同規(guī)格風(fēng)管下,對不同風(fēng)速所對應(yīng)的風(fēng)管阻抗進行數(shù)值擬合,得到風(fēng)管阻抗S與風(fēng)管內(nèi)空氣流速v的關(guān)系如下:

S=a′v2+b′v+c′

(4)

其中，a′、b′、c′為不同規(guī)格風(fēng)管對應(yīng)的多項式系數(shù)。

3 試驗研究

變風(fēng)量試驗平臺設(shè)于長安大學(xué)給水排水重點實驗室。變分量系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 變風(fēng)量系統(tǒng)原理

在401、405、406、413房間安裝變風(fēng)量末端,并與上位機實現(xiàn)通信。

(1) 變風(fēng)量末端風(fēng)閥特性計算。安裝在401、406、413房間是同種小規(guī)格型號的變風(fēng)量末端,405房間是大規(guī)格型號的變風(fēng)量末端。采用MATLAB對兩種規(guī)格的變風(fēng)量末端風(fēng)閥阻力系數(shù)和風(fēng)閥開度進行擬合,得到風(fēng)閥阻力-開度特性公式中的參數(shù)A、B、C,如表1所示。

表1 兩種變風(fēng)量末端阻力損失系數(shù)的系數(shù)

(2) 風(fēng)管阻力理論計算。按照風(fēng)管的規(guī)格尺寸,將實驗室風(fēng)管劃分為7個部分分別計算。

為達到變風(fēng)量末端風(fēng)量設(shè)定值，各編號管段內(nèi)空氣風(fēng)速為

(5)

式中:Qbox-i——各房間變風(fēng)量末端所需風(fēng)量;Ai——不同編號管段的橫截面積。

先求出各管段內(nèi)空氣流速,再進行其阻抗和風(fēng)速的擬合,得到風(fēng)管單位長度阻抗為[10]

Sj=av2j+bvj+c j∈1～5

(6)

其中,a、b、c為擬合系數(shù)。

不同規(guī)格風(fēng)管的擬合系數(shù)如表2所示。

表2 不同規(guī)格風(fēng)管的擬合系數(shù)

各編號管段阻抗由管段單位長度阻抗Sj和相應(yīng)的風(fēng)閥阻抗Svalve組成:

Si=Sj+Svalve

(7)

由上述求得各編號管段的風(fēng)管阻抗,根據(jù)相應(yīng)的變風(fēng)量末端所需求的風(fēng)量值,各段風(fēng)管的壓降值為

ΔPi=Si(∑Qbox-i)2

(8)

結(jié)合實際的風(fēng)管系統(tǒng),每個變風(fēng)量末端所在環(huán)路的壓降分別為

ΔP401=ΔP1+ΔP2+ΔP3+ΔP7

(9)

ΔP405=ΔP1+ΔP2+ΔP6

(10)

ΔP406=ΔP1+ΔP5

(11)

ΔP413=ΔP1+ΔP4

(12)

最后結(jié)合實驗室工況下各部分的數(shù)學(xué)模型和控制邏輯,編入上位機組態(tài)王中。

4 試驗結(jié)果分析

采用改進總風(fēng)量法、常規(guī)總風(fēng)量法、變靜壓法,對4個房間進行試驗。試驗工況均設(shè)定為每隔0.52 h將各個房間的設(shè)定溫差與實際溫差均調(diào)節(jié)到相差2 ℃的情況。

4.1 系統(tǒng)需求的總風(fēng)量控制

三種控制方法下系統(tǒng)實際總風(fēng)量與設(shè)定總風(fēng)量比較如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)實際總風(fēng)量與設(shè)定總風(fēng)量比較

由圖5可見,在設(shè)定總風(fēng)量和實際總風(fēng)量的差值來看,常規(guī)總風(fēng)量控制得最好,改進總風(fēng)量法控制次之,變靜壓差值最大。變靜壓控制風(fēng)機時,實際總送風(fēng)量明顯高于設(shè)定總送風(fēng)量,平均差值達到180 m3/h;改進總風(fēng)量法相比于常規(guī)總風(fēng)量法,實際總送風(fēng)量略低于設(shè)定總送風(fēng)量,平均差值為20 m3/h,達到實際總風(fēng)量等于設(shè)定總風(fēng)量的控制效果。

4.2 最不利環(huán)路控制

由于401房間變風(fēng)量末端距離風(fēng)機的距離遠大于其他末端,且401房間處于陽面,故最不利環(huán)路是401房間的風(fēng)管系統(tǒng)。最不利末端控制效果如圖6所示。

圖6 最不利末端風(fēng)量控制效果

由圖6可見，在最不利末端的控制上,變靜壓法的實際風(fēng)量始終大于設(shè)定風(fēng)量;改進總風(fēng)量法部分控制良好,部分實際風(fēng)量偏小;常規(guī)總風(fēng)量法控制值與實際值出現(xiàn)較大的差距。

4.3 能耗對比

三種控制方法能耗比較如圖7所示。由于試驗平臺沒有采集風(fēng)機的功率和能耗,所以用風(fēng)機的頻率來代替風(fēng)機功率,作為能耗的表征。

圖7 三種控制方法能耗比較

由圖7可知,在能耗方面,變靜壓法最大,常規(guī)總風(fēng)量法次之,改進總風(fēng)量法最小。改進總風(fēng)量法的能耗比變靜壓法的能耗小27%,具有很大的節(jié)能潛力。

5 結(jié) 論

提出了一種變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)改進總風(fēng)量法,通過系統(tǒng)最不利的壓降和系統(tǒng)所需總風(fēng)量,直接計算出風(fēng)機應(yīng)有的頻率，并且加以控制。試驗結(jié)果表明,改進總風(fēng)量法相比于常規(guī)總風(fēng)量法,實際總送風(fēng)量略低于設(shè)定總送風(fēng)量,達到實際總風(fēng)量等于設(shè)定總風(fēng)量的控制效果;相比于變靜壓法,改進總風(fēng)量法的能耗小27%。

[1] ENGDAHL F,SVENSSON A.Pressure controller variable air volume system[J].Energy and Buildings,2003,35:1161-1172.

[2] 葉大法,楊國忠.變風(fēng)量空調(diào)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[3] LORENZETTI D M,NORFORD L K.Pressure setpoint control of adjustable speed fans[J].Transaction of the ASME,1994,116:158-163.

[4] 潘云鋼.我國暖通空調(diào)自動控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].暖通空調(diào),2012,42(11):1-8.

[5] 戴斌文,狄洪發(fā),江億.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)機總風(fēng)量控制方法[J].暖通空調(diào),1999,29(3):1-6.

[6] 秦緒忠,江億.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機節(jié)能分析[C]∥全國暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會,1998:295-298.

[7] 晉欣橋.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的仿真及其實時優(yōu)化控制研究[D].上海：上海交通大學(xué),1998.

[8] 陳華.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)全年運行工況特性分析[D].天津大學(xué),2004.

[9] 付祥釗,肖益民.流體輸配管網(wǎng)[M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[10] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

Study on Improved Total Air Volume Method of Variable Air Volume System

GE Junling,MENG Qinglong

(College of Environment Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710054, China)

In order to improve the control effect of the total air volume control method on the terminal air volume in the variable air volume(VAV)system,an improved total air volume method was proposed which directly calculates the frequency of the fan by the most unfavorable pressure drop of the system and the total air volume required by the system.The experimental results show that,compared to the other two methods,the improved total air volume method can meet the basic requirements in the control of the most unfavorable end and has some energy-saving benefits.

variable air volume(VAV)system; improved total air volume method; conventional total air volume method; variable pressure method

TU 201.5

B

1674-8417(2016)10-0051-06

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.10.015

2016-10-08

孟慶龍(1979—),男,副教授,研究方向為建筑設(shè)備自動化。