基于熱舒適度的辦公建筑HVAC系統(tǒng)節(jié)能控制①

逯廣浩,汪 明,謝浩田,孫啟凱

(山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院,濟(jì)南 250101)

建筑節(jié)能是綠色建筑可持續(xù)發(fā)展方面的一項重要內(nèi)容.在住宅和商業(yè)建筑的能源消耗中,供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)占總體能源消費的50%[1].因而對建筑HVAC 系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制和優(yōu)化,是一項關(guān)鍵且有效的措施[2].然而在我國,一方面由于辦公建筑是依據(jù)建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計和建造的,通常缺乏針對辦公建筑的外部環(huán)境、應(yīng)用場景、室內(nèi)設(shè)備等實際條件的考量依據(jù),對不同情景下的建筑運維績效沒有進(jìn)行全面有效的模擬與測試[3];另一方面,由于缺乏建筑專業(yè)知識,客戶一般也不會向設(shè)計院和建筑公司進(jìn)行運維績效方面的反饋[4].這造成了建筑后期運行時不是處在最佳運行工況下,無法保證既舒適又節(jié)能的滿意效果.為此,對辦公建筑的能源消耗情況進(jìn)行模擬和評估,通過對比氣候條件、建筑設(shè)計、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、居住者行為、設(shè)備系統(tǒng)控制、建筑運維等不同參數(shù)變化對能源消耗的影響尋求更好的建筑節(jié)能策略,這對研究建筑節(jié)能問題是非常必要的[5].

在所采取的建筑節(jié)能策略中,需要對熱舒適性有深入了解,從而建立HVAC 系統(tǒng)合適的節(jié)能策略,這是因為節(jié)能不應(yīng)以犧牲用戶的舒適度和工作效率為代價[6].因此在建筑能耗模擬的最終報告中,熱舒適性報告是不可忽視的一部分,考慮建筑節(jié)能同時保證全年熱舒適性也是最優(yōu)的.當(dāng)前的建筑能耗模擬軟件程序,例如EnergyPlus,可分析HVAC 性能(滿負(fù)荷/部分負(fù)荷)、設(shè)計運行策略和替代方案,并可在較大的時間范圍(每年,每月,每天)提供精確的能耗評估[7].

針對建筑能耗分析,國內(nèi)外眾多研究人員使用建筑能耗模擬軟件對建筑模型進(jìn)行了能耗分析,Sardoueinasab 等利用EnergyPlus中的能源管理系統(tǒng)(EMS)模塊開發(fā)了并聯(lián)風(fēng)扇供電的終端單元進(jìn)行了建模和分析[8].石磊等通過建筑能耗模擬軟件對內(nèi)蒙古西部辦公樓的能耗現(xiàn)狀分析,利用統(tǒng)計學(xué)方法提出了針對辦公建筑的節(jié)能策略[9].Al-janabi 等[10]建立了自由浮動模型(free-floating aire system)、理想負(fù)載空氣系統(tǒng)模型(ideal loads air system)和實際空氣系統(tǒng)模型(detailed air system)對在建的斯坦利保利工程大樓進(jìn)行了建模,并分析了不同建模方法之間的差異.

為使研究具有典型性,本文選用山東濟(jì)南某辦公建筑空間進(jìn)行能耗模擬,主要開展了以下工作:(1)對建筑空間進(jìn)行了建模;(2)進(jìn)行EMS 開發(fā)并進(jìn)行能耗模擬;(3)基于PMV 設(shè)計了基于數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的HVAC控制策略,并對不同策略進(jìn)行了分析對比,最終得出了最優(yōu)控制區(qū)間.

1 建筑空間建模

為了使研究具有典型性,需要選擇實際工程進(jìn)行分析[11],本文選取研究對象是位于山東省濟(jì)南市的一座25 層辦公建筑中的辦公空間.該辦公空間位于整棟建筑的一層?xùn)|南角,南部開窗,總建筑面積672.1 m2.其內(nèi)部隔斷分為大辦公空間、院長室、會議室、休息室和衛(wèi)生間等子空間,建筑設(shè)計圖如圖1所示.大辦公空間設(shè)計人數(shù)為70 人,每人配備臺式電腦1 臺,額定設(shè)計功率400 W,HVAC 系統(tǒng)采用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng),辦公空間內(nèi)部有8 臺送風(fēng)設(shè)備;東部外墻無窗,南部外墻窗墻比為42%,是一個典型的公共辦公空間,院長室設(shè)計人數(shù)為2 人,每人配備臺式電腦1 臺,額定設(shè)計功率600 W,一臺變量空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)設(shè)備,內(nèi)墻為玻璃隔斷,外墻窗面積為4.5 m2.會議室設(shè)計人數(shù)為14 人,無電腦設(shè)備,一臺變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)設(shè)備,內(nèi)墻為玻璃隔斷,外墻窗面積為4.5 m2.休息室設(shè)計人數(shù)為3 人,無電氣設(shè)備.其它外部區(qū)域包括衛(wèi)生間為其他空間空調(diào)設(shè)備供暖制冷,不予考慮.因此,辦公空間建模的總面積為456 m2,設(shè)置一個單獨的HVAC 區(qū)域,HVAC 系統(tǒng)采用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng),溫度設(shè)定點為制冷25 ℃、供暖20 ℃.

圖1 研究對象建筑設(shè)計情況

整個辦公空間設(shè)計總?cè)藬?shù)為89 人,其中休息室和會議室使用時間較短,且與其它空間人員有重合.因此不予考慮,定義實際設(shè)計人數(shù)為72 人,其中大辦公空間內(nèi)設(shè)計人數(shù)為70 人,院長室設(shè)計人數(shù)為2 人.

對于建筑物照明,其功率密度按照國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為11 W/m2.辦公設(shè)備主要是臺式電腦,每人配備1 臺,設(shè)計每位員工的可用設(shè)備功率為400 W/人,院長室中的正副院長按600 W/人設(shè)計.在設(shè)計時,辦公空間的總?cè)藬?shù)設(shè)計為72 人,設(shè)備功率與人員數(shù)量相匹配.通過調(diào)查該辦公空間人員上班時間可以制定人員時間表,作為控制室內(nèi)照明、電氣設(shè)備以及HVAC 系統(tǒng)的依據(jù),調(diào)查后制定的人員時間表如圖2所示.

圖2 工作日人員時間表

根據(jù)國家制定的《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,夏季空調(diào)溫度標(biāo)準(zhǔn)值在22-28 ℃之間,冬季采暖溫度標(biāo)準(zhǔn)值在16-24 ℃之間.因此將制冷溫度設(shè)定點設(shè)定為25 ℃,供暖溫度設(shè)定點設(shè)定為20 ℃.

2 基于PMV 優(yōu)化控制

HVAC 系統(tǒng)的優(yōu)化控制內(nèi)容主要是節(jié)能和保證舒適度,對于HVAC 系統(tǒng)節(jié)能的研究有許多先例,包括利用預(yù)估模糊PID[12]、自抗干擾控制[13]、TR 智能算法[14]等先進(jìn)控制技術(shù)達(dá)到節(jié)能的目的,也有基于舒適度的HVAC 系統(tǒng)優(yōu)化控制[15,16].對于新建建筑,在對HVAC 系統(tǒng)的優(yōu)化控制進(jìn)行研究的過程中,利用Energy-Plus的能源管理系統(tǒng)(EMS)進(jìn)行HVAC 系統(tǒng)優(yōu)化控制模擬是一個直接且有效的手段[17].

能源管理系統(tǒng)是EnergyPlus中可實現(xiàn)高級控制模塊之一.EMS 能夠訪問各種傳感器數(shù)據(jù),并使用此數(shù)據(jù)來指揮各種類型的控制動作.其概念是在EnergyPlus內(nèi)部模擬實際建筑中使用的數(shù)字能源管理系統(tǒng)可能實現(xiàn)的控制類型.在EnergyPlus 控件的層次結(jié)構(gòu)中,EMS模塊是建筑系統(tǒng)的高級通用監(jiān)視控件,它支持建立各種變量,并使用ERL (Energyplus Run Language)編寫控制程序,實現(xiàn)對建筑物能源相關(guān)系統(tǒng)的高級監(jiān)督控制.由于熱舒適性(PMV)需要考慮的因素較多,且建筑節(jié)能問題的研究中經(jīng)常會有忽視熱舒適度作用的情況存在,利用EnergyPlus 進(jìn)行EMS 模塊開發(fā)基于熱舒適度的HVAC 系統(tǒng)優(yōu)化控制方法并進(jìn)行分析是解決建筑節(jié)能問題的一項有意義的工作.

2.1 PMV 指標(biāo)選擇

自二十世紀(jì)六十年代建立了第一個基于Fanger的人體熱平衡方程式的熱舒適模型起,Fanger 熱舒適度模型一直是最經(jīng)典的熱舒適模型[18],熱舒適模型包含6 個參數(shù):空氣溫度、輻射溫度、相對濕度、風(fēng)速、衣物熱阻和活動性.EnergyPlus 軟件內(nèi)置多種熱舒適度模型,其中就包括Fanger 模型,通過對輸入文件中對象People 進(jìn)行相關(guān)設(shè)置可以輸出Fanger 模型的各項參數(shù)變量,最主要的兩個判斷人體熱感覺的指標(biāo)就是PMV(預(yù)測平均熱感覺指標(biāo))和PPD(預(yù)期不滿意百分率).

PMV模型采用ARSHER55-2004 標(biāo)準(zhǔn)7 分制,其指標(biāo)如表1所示[19].《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》中對不同熱舒適等級的PMV和PPD值進(jìn)行了規(guī)定,熱舒適性等級規(guī)定如表2所示[20].由于Fanger 模型的兩個主要指標(biāo)PMV和PPD在考慮多中因素的情況下對人體感覺情況具有直觀的反映,因此選用Fanger模型進(jìn)行EMS 程序的開發(fā).

表1 ARSHER55-2004 標(biāo)準(zhǔn)7 分制

表2 熱舒適性等級規(guī)定

在EnergyPlus中PMV與PPD的計算方式如下:

其中,M為人體能量代謝率,W/m2;W為人體的機(jī)械功率,W/m2;Pa為人體周圍空氣水蒸氣分壓力,Pa;ta為人體周圍空氣溫度,℃;tr為平均輻射溫度,℃;fcl為人體服裝面積和裸露面積,m2;tcl為服裝外表面溫度,℃;hc為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/m2·k.

2.2 變量

在EMS 程序中,主要用到的變量類型傳感器、執(zhí)行器和全局變量等需要使用以下變量來進(jìn)行整體區(qū)域的控制,雖然模型簡化為單區(qū)域的HVAC 系統(tǒng),但經(jīng)過變量執(zhí)行設(shè)備的更改可以應(yīng)用于多區(qū)域HVAC 系統(tǒng)中.表3顯示了用于實現(xiàn)基于舒適度控制算法的不同變量.

表3 EMS 程序變量表

在設(shè)定的變量中,傳感器的作用是獲取建筑內(nèi)部系統(tǒng)或組件的狀態(tài),全局變量的作用是對程序進(jìn)行控制和計算,物理上并不不存在,執(zhí)行器變量的作用是控制組件完成基于PMV的溫度設(shè)定點控制在HVAC 系統(tǒng)中的運行.

2.3 程序的調(diào)用

在 EnergyPlus的模擬過程中,需要定義EMS 程序的調(diào)用點,從而在合適的模擬步驟中調(diào)用設(shè)計的EMS程序.在EMS 模塊中,ProgramCallingMananger是用于管理調(diào)用程序的時間點.本次開發(fā)的EMS 程序需要在模擬運行階段:① AfterPredictorAfterHVACManagers和② InsideHVACSystemIterationLoop 進(jìn)行程序的調(diào)用.第一個調(diào)用點是調(diào)用程序(ModelSet)的部分,該部分通過傳感器得到室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)判斷舒適度程序的運行模式,第二個調(diào)用點主要用來調(diào)用算法主程序,即(RUNPMVControl),該程序作用是通過不同模式判斷是否需要運行基于PMV的控制算法.

由于PMV指標(biāo)的直觀可控,設(shè)計以PMV為控制量的基于經(jīng)驗和數(shù)據(jù)的空調(diào)設(shè)定點控制算法.EMS 程序算法如下.

Step 1.取本次時間步長中的人數(shù),然后確定系統(tǒng)中的人員模式(0-1),當(dāng)人員少于10%的情況下,設(shè)定為0,應(yīng)該關(guān)閉舒適度控制;人員多于10%的情況設(shè)定為1,應(yīng)該運行舒適度控制.

Step 2.模式的判斷選擇是否運行舒適度控制程序.當(dāng)人員模式為0 時不運行舒適度控制程序.當(dāng)人員模式為1 時,判斷系統(tǒng)模式.當(dāng)系統(tǒng)模式為0 時,不進(jìn)行程序的調(diào)用;當(dāng)系統(tǒng)模式為1 時,調(diào)用制冷模式的控制程序;當(dāng)系統(tǒng)模式為2 時,調(diào)用供暖模式的控制程序.

Step 3.當(dāng)前室內(nèi)溫度,并且與設(shè)定點溫度進(jìn)行比較.當(dāng)室內(nèi)溫度位于設(shè)定點溫度的死區(qū)內(nèi)部時,確定當(dāng)前溫度令人滿意,系統(tǒng)運行系統(tǒng)模式將設(shè)定為0,不進(jìn)行舒適度控制運行;當(dāng)室內(nèi)溫度高于冷卻設(shè)定點時,系統(tǒng)模式將設(shè)定為1 進(jìn)行制冷;當(dāng)室內(nèi)溫度低于供暖設(shè)定點時,系統(tǒng)模式將設(shè)定為2 進(jìn)行供暖.

Step 4.運行控制程序,調(diào)整全年舒適度.控制程序是基于經(jīng)驗和數(shù)據(jù)的控制,基本控制邏輯如模糊規(guī)則表4所示,將規(guī)則表精確化后進(jìn)行EMS 程序編寫,改變溫度設(shè)定點的變化量,如當(dāng)PMV＞1 或PMV＜-1 時,溫度設(shè)定點在25 ℃/20 ℃的基礎(chǔ)上進(jìn)行重新設(shè)定,當(dāng)PMV值為負(fù)時升高溫度設(shè)定點,當(dāng)PMV值為正時降低溫度設(shè)定點.對模型進(jìn)行多次建筑能耗模擬,分析控制方法的可行性.

表4 EMS 控制程序模糊規(guī)則表

3 仿真實驗及結(jié)果分析

3.1 模型能耗分析

自由浮動模型是沒有對內(nèi)部熱量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行定義的建筑模型,即沒有定義HVAC 系統(tǒng)的模型.此類建筑模型的內(nèi)部環(huán)境條件僅取決于建筑物的性能和外部天氣的變化.在ASHRAE90.1中自由浮動模型一般用于比較建筑能耗模擬的溫度計算方面.圖3是辦公空間的自由浮動模型運行結(jié)果.當(dāng)室內(nèi)負(fù)載達(dá)到設(shè)計最大值后,室內(nèi)的溫度最高可以達(dá)到55.7 ℃,最低在22.3 ℃,這說明設(shè)計數(shù)量的人員、設(shè)備和照明對整體空間的影響相當(dāng)大,且需要較高的冷卻負(fù)載.

圖3 自由浮動模型全年室內(nèi)溫度

加入高性能變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)后的建筑能耗組成如圖4所示,由于大量設(shè)備帶來的高熱負(fù)荷,制冷能耗占HVAC 系統(tǒng)能耗65.6%左右.

圖4 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)模型的全年能耗組成

調(diào)整人員設(shè)備數(shù)量為設(shè)計數(shù)量的25%、50%、90%進(jìn)行能耗模擬,得出其不舒適小時數(shù)情況如表5所示,隨著人員的增加全年不舒適小時數(shù)先減少后增加,在達(dá)到最低之后制冷負(fù)荷增加,平均溫度上升,舒適度下降,因此需要設(shè)計控制策略補(bǔ)足HVAC 系統(tǒng)的制冷與供暖效果.

表5 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)全年不舒適小時數(shù)(h)

3.2 控制算法結(jié)果

根據(jù)不同的PMV值調(diào)節(jié)不同的溫度設(shè)定點,PMV絕對值值高則溫度設(shè)定點變化大,PMV絕對值低則溫度設(shè)定點變化小.調(diào)節(jié)不同的溫度設(shè)定點變化幅度可以進(jìn)行比較,分析出較適合的控制溫度,達(dá)到改善全年舒適度的問題.將調(diào)節(jié)不同溫度設(shè)定點的控制策略進(jìn)行編號(0～3),其中控制策略0為不進(jìn)行控制,控制策略1為將溫度設(shè)定點在22/17 ℃到28/23 ℃之間調(diào)整,控制策略2 及控制策略3 溫度設(shè)定點分別在21/16 ℃到29/24 ℃和20/15 ℃到30/25 ℃區(qū)間內(nèi)調(diào)節(jié).

調(diào)整并運行有EMS 程序的建筑空間模型,并在總能耗報告和全年變量變化兩方面進(jìn)行與不運行EMS程序的模型對照.總能耗報告中的內(nèi)容主要進(jìn)行全年能耗與全年不舒適小時數(shù)的對比,能耗與舒適度數(shù)據(jù)如表6所示.具體的控制規(guī)則以控制策略1為例,通過EMS中的subroutine 使用ERL 語言進(jìn)行控制程序的編寫,設(shè)置溫度設(shè)定點,當(dāng)PMV值為3 以上時,設(shè)定制冷溫度設(shè)定點為22 ℃,供暖溫度設(shè)定點為17 ℃,PMV值在2 到3 之間時設(shè)定制冷溫度設(shè)定點為23 ℃,供暖溫度設(shè)定點為18 ℃,其他相應(yīng)調(diào)整幅度如表7所示,其中表內(nèi)數(shù)值為制冷/供暖溫度設(shè)定點的溫度.

表6 控制策略0～3的全年能耗與舒適度數(shù)據(jù)

表7 控制策略0～3的溫度與PMV 區(qū)間對應(yīng)表(℃)

根據(jù)全年能耗與舒適性報告可以分析得出,基于經(jīng)驗與數(shù)據(jù)的控制可以在增加能耗100 kWh/年左右的情況下達(dá)到增加超過40 小時/年的舒適時間.對于整體數(shù)據(jù)而言,控制程序?qū)θ甑氖孢m性有改善,但舒適度改善精確到每個步長,因而需要對全年的舒適度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,明確是否對全年運行程序的時間段內(nèi)的舒適度均有改善,改善程度如何.

比較PMV和PPD的變化,分析運行EMS 程序?qū)θ晔孢m度的控制效果,通過對全年運行時間內(nèi)的PMV與PPD數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.對于PMV先求絕對值,然后用控制策略0的數(shù)據(jù)分別與其它3 種控制策略的數(shù)據(jù)進(jìn)行做差,輸出為正值即可說明對全年的舒適度情況有正向影響.對于PPD指標(biāo)的數(shù)據(jù)處理方法相同,用控制策略0的數(shù)據(jù)與其它3 種控制策略的數(shù)據(jù)做差,PMV統(tǒng)計與PPD統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖5和圖6所示.

圖5 控制策略0與策略1～3 全年P(guān)MV 絕對值差

圖6 控制策略0與策略1～3 全年P(guān)PD 差

經(jīng)過PMV數(shù)據(jù)對照,可以得出,運行控制策略1～3 號的EMS 程序的在全年情況下均對舒適度改善效果顯著,其中策略1與策略2 在全年舒適度改善的平均表現(xiàn)較好,策略3 在全年舒適度改善的峰值表現(xiàn)較好,然而策略3 在舒適度改善的情況下有較多負(fù)值,且整體能耗指標(biāo)表現(xiàn)不佳.綜合考慮PPD指標(biāo)可以看出,策略1 在全年的舒適度改善上要好于策略2與策略3,策略3 在PPD指標(biāo)上出現(xiàn)了較大幅度的振蕩,在全年來看對舒適度的改善效果較差.總體來說,3 種控制策略都對舒適性有正面的影響.

3.3 控制策略優(yōu)化

雖然策略1～3 有舒適度的改善效果,但控制粒度較粗,且控制精度較低,為尋求更優(yōu)的控制效果,因此需要尋求更合適的控制策略.因此,對策略1～3 進(jìn)行控制程序改進(jìn),將溫度控制粒度由1 ℃改變?yōu)?.5 ℃,將控制策略編號為4、5、6 號,與控制策略1～3 相似,其控制規(guī)則如表8所示,其中表內(nèi)數(shù)值為制冷/供暖溫度設(shè)定點的溫度.

表8 策略4～6的溫度設(shè)定點與PMV 區(qū)間對應(yīng)表(℃)

為研究溫度控制粒度對控制效果的影響,以策略1～3為對照組來分析策略4～6的舒適度數(shù)據(jù).通過改變溫度控制粒度,將全年運行程序時間內(nèi)的PMV和PPD值進(jìn)行處理,分析溫度控制粒度提高對全年舒適度的影響情況.其中PMV與PPD的處理方法是求絕對值,然后與相應(yīng)的對照組做差,策略4對應(yīng)策略1,策略5對應(yīng)策略2,策略6對應(yīng)策略3.全年能耗與舒適度數(shù)據(jù)如表9所示,全年P(guān)MV與PPD變化情況如圖7和圖8所示.

表9 控制策略4～6的全年能耗與舒適度數(shù)據(jù)

綜合表6和表9,對比控制策略1～3,提高了控制粒度確實對能耗和舒適度有一定的影響,但是改善的效果非常有限,在全年時間段內(nèi)只有幾個小時的舒適度提高,效果不明顯.因此需要從舒適度指標(biāo)上進(jìn)行分析.

分析圖7與圖8通過全年的PMV與PPD的變化趨勢看,策略4 相比于策略1,PMV與PPD的絕對值做差為負(fù)的時間較多,整體控制效果差于策略1.策略5 相比策略2,在PMV值上波動較大,PPD值全年優(yōu)于策略1,綜合來看策略5 控制效果優(yōu)于策略2.策略6 相比與策略3,全年P(guān)MV值表現(xiàn)優(yōu)于策略3,PPD值波動較大,但差值為負(fù)的時間較少且差值較小,總體來看控制效果優(yōu)于策略3.在綜合考慮模擬結(jié)果后可以得出結(jié)論,以PMV為控制量調(diào)節(jié)溫度設(shè)定點的控制方法中,溫度設(shè)定點在4 ℃以內(nèi)波動為最優(yōu)控制區(qū)間.

圖7 對照組全年P(guān)MV 絕對值差值

圖8 對照組全年P(guān)PD 差值

3.4 多場景應(yīng)用情況

控制策略的應(yīng)用研究主要面向于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)較為單一,為驗證控制策略在建筑能耗模擬中的適用性,對原建筑模型HVAC 系統(tǒng)進(jìn)行更改,建立風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)和可變性冷媒流量中央空調(diào)(VRF)系統(tǒng)進(jìn)行控制策略適用性研究.對實驗建筑模型來說,由于存在大量的制冷負(fù)荷,導(dǎo)致制冷能力較差的HVAC 系統(tǒng)會導(dǎo)致舒適性差的后果.對風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)和VRF 空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行建筑能耗的模擬,其PMV值如圖9所示.由圖可知較變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng),風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的熱舒適性較差,VRF 空調(diào)系統(tǒng)性能較好,應(yīng)用控制策略123對兩種模型進(jìn)行EMS 控制模擬,對其能耗與舒適性變化進(jìn)行分析,可以得出控制策略的應(yīng)用范疇.

圖9 風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)和VRF 空調(diào)系統(tǒng)全年P(guān)MV 情況

對運行控制策略1～3的風(fēng)機(jī)盤管模型和VRF 空調(diào)模型進(jìn)行能耗與舒適度的宏觀分析,總能耗報告中的內(nèi)容主要進(jìn)行全年能耗與全年不舒適小時數(shù)的對比,能耗與舒適度數(shù)據(jù)如表10所示.

表10 風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)與VRF 空調(diào)系統(tǒng)控制策略0～3的全年能耗與舒適度數(shù)據(jù)

根據(jù)表內(nèi)數(shù)據(jù)可以看出,控制策略對風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)有一定的舒適度改良,但對VRF 空調(diào)系統(tǒng)基本沒有影響,根據(jù)圖9全年P(guān)MV值可以看出,VRF 空調(diào)系統(tǒng)的熱舒適性非常好,大部分時間在不需要控制策略更改溫度設(shè)定點的PMV值內(nèi),導(dǎo)致EMS 程序運行時間短,對全年影響較小.對風(fēng)機(jī)盤管PMV值變化進(jìn)行分析,其3 種控制策略下的PMV差值如圖10所示.該控制策略對風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)影響較大,且溫度設(shè)定點調(diào)整幅度增加對熱舒適性改善有較明顯的正向效果.

圖10 風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)全年P(guān)MV 差值

根據(jù)模擬與分析可以得出結(jié)論,基于熱舒適度的溫度設(shè)定點控制策略對熱舒適性較好的HVAC 系統(tǒng)影響較小,對熱舒適性較差的HVAC 系統(tǒng)影響較大.在熱舒適性較差的HVAC 系統(tǒng)作用下,增加溫度設(shè)定點的調(diào)整幅度可以更好地產(chǎn)生正面影響,而在熱舒適度較好的HVAC 系統(tǒng)作用下,增加溫度設(shè)定點的調(diào)整幅度不一定對熱舒適性有正向影響,但總體來看不會產(chǎn)生負(fù)面影響.

4 結(jié)論

建筑HVAC 系統(tǒng)控制與優(yōu)化是保障建筑空間舒適、降低建筑能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié).本文從舒適和節(jié)能的多目標(biāo)角度出發(fā),針對典型建筑空間展開HVAC 控制研究,利用EnergyPlus的Energy Manager System 模塊建立了建筑空間能耗模型,提出了基于數(shù)據(jù)與經(jīng)驗的溫度模糊控制方法,并對不同條件下的全年能耗進(jìn)行了模擬,在此基礎(chǔ)上,通過對PMV與PPD兩個指標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度設(shè)定點在21/16 ℃到29/24 ℃之間變化的策略2 控制效果最優(yōu).當(dāng)將控制粒度細(xì)化到 0.5 ℃時,發(fā)現(xiàn)細(xì)化控制粒度后策略1～3的表現(xiàn)并不相同,其中策略1 提高控制精度后控制效果下降,策略2和策略3 控制效果提高,且策略2 提高控制精度后變化較穩(wěn)定,因此得出結(jié)論溫度設(shè)定點的控制在4 ℃左右調(diào)整最能提高人體舒適度.最后進(jìn)行了其它場景的應(yīng)用仿真,模擬了在風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)和VRF 系統(tǒng)下控制策略的影響情況,得出結(jié)論控制策略可以有效改善性能較差的HVAC 系統(tǒng)的熱舒適性,對性能較好的HVAC 系統(tǒng)影響較小.

本文針對現(xiàn)實問題提出了基于數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的室內(nèi)舒適度控制方法,并利用EMS 進(jìn)行了實際模擬,經(jīng)過多次模擬的實際數(shù)據(jù)分析,并進(jìn)行了多種場景的仿真及結(jié)果分析,得出了針對PMV值較優(yōu)的控制區(qū)間與控制策略適用范圍.所做的研究成果將對建筑HVAC 系統(tǒng)優(yōu)化控制具有很好的支撐作用.