变风量空调系统运行参数模拟研究

陈冰杰, 何子睿, 刘广东, 张 野, 高 岩

(1.北京建筑大学北京节能减排与城乡可持续发展省部共建国家协同创新中心,北京100044;2.北京建筑大学供热、供燃气、通风及空调工程北京市重点实验室,北京100044;3.鲁能集团有限公司,北京100020;4.清华大学,北京100084)

1 概述

与定风量空调系统相比,变风量空调系统可通过自动控制进行送风量调节,节能效果明显[1]3。

目前,模拟是分析变风量空调系统性能、运行能耗等问题的重要手段。DeST软件能够模拟分析空调系统控制方案并计算建筑全年运行能耗,但由于DeST软件将空调系统控制设为理想状态,计算得到的空调负荷也是理想值,不能完全真实地反映空调装置在部分负荷下的特性[2]。

EnergyPlus软件除可实现建筑运行能耗的动态控制外,还可对空调系统采用模块化模拟[3]。许多学者应用EnergyPlus软件对变风量空调系统进行了仿真研究。文献[4]对比模拟了定风量空调系统与变风量空调系统的全年能耗情况,研究表明:由于EnergyPlus软件采用节点算法逐个描述并计算空调装置能耗,需要输入建筑及空调系统详细的参数,因此大型建筑的建模过程过于繁琐、运算量大,还可能出现结果不收敛等问题。文献[5]基于EnergyPlus软件,对变风量空调系统提出了3种不同准确度的空调装置简化建模方法,但易影响空调装置能耗模拟结果的准确性。

TRNSYS软件擅长系统仿真,将设备、管道、建筑区域等组件连接起来实现信息的传递。文献[6-7]应用TRNSYS软件针对实际工程进行变风量空调系统建模仿真及控制优化,结果表明:与定风量空调系统相比,变风量空调系统可大幅降低风机耗电量,且优化控制可以减少系统能耗。在使用TRNSYS软件时,需要用户自行编辑模块,对于结构复杂规模大的系统模拟运算往往耗时严重。

变风量空调控制系统主要由温度、湿度控制回路组成,本文仅对室内温度控制进行分析。在Matlab中搭建变风量空调系统自动控制程序,在DeST软件中对建筑进行建模,将计算得到的房间自然室温、建筑热特性系数作为自动控制程序的输入参数,进行房间温度计算、送风参数计算、空调负荷计算、设备能耗计算。结合案例,对典型房间室内温度、空调冷负荷、送风量、空调箱风机耗电功率进行模拟分析。

2 研究方法

2.1 模拟计算流程

采用DeST软件搭建房间模型。DeST软件将建筑传热方程转化为常微分方程组,计算出建筑热特性系数、房间自然室温。建筑热特性系数反映建筑在热扰作用下产生的响应特性,热扰包括:太阳辐射得热、新风负荷、邻室传热、人体散热、照明装置散热、设备散热等。房间自然室温指当建筑没有空调系统时,在围护结构传热以及热扰的联合作用下导致的房间温度。本研究暂不考虑室内潜热负荷。

变风量空调系统见图1。室内回风与室外新风经空调箱风阀进入空调箱混风段进行混风处理,混风在空调箱经盘管段冷却后达到设定送风温度,由空调箱风机送入变风量空调系统的末端装置(VAVBOX)。在VAVBOX,通过改变VAVBOX风阀开度调节房间送风量。VAVBOX风阀开度根据室内温度进行PID控制,室内温度由室温传感器测量。通过改变空调箱盘管水阀开度进行盘管冷水流量调节,盘管水阀开度根据送风温度进行PID控制,送风温度由温度传感器反馈至水阀控制器,将送风温度控制在设定送风温度。由于空调箱盘管水阀开度变化引起冷水管网阻力的变化,冷水管供回水压差发生改变。此时,变频控制器将供回水压差控制点的压差测量值与压差设定值(由水力计算得到)比较,进行冷水泵频率调节,保证系统运行过程中冷水管网压力的稳定[8-9]。

图1 变风量空调系统

笔者在Matlab中搭建了变风量空调系统自动控制程序,详细控制流程如下。

在DeST软件中对建筑进行建模,将计算得到房间自然室温、建筑热特性系数作为Matlab程序的输入参数。利用Matlab搭建的变风量空调系统自动控制程序,采用5 min的时间步长进行室温、送风参数调节以及房间负荷、设备能耗计算,将房间温度设定为26.0 ℃,温度波动范围设置为±1.0 ℃。输入冷水管网信息(包括冷水机组阻力、冷水泵流量-扬程特性曲线、冷水管网局部阻力、管子长度、管子内直径等),输入冷水机组及用户侧设备数据(包括冷水机组、冷水泵、空调箱、VAVBOX等设备参数)。

在空调系统开启时刻,设定VAVBOX风阀全开且空调箱冷水流量为额定流量。由VAVBOX风阀模型计算风阀阻力,并结合空调箱风机模型、空调箱风阀模型(空调箱风阀始终处于设计开度)计算出送风量。将初始时刻的室内温度作为回风温度输入空调箱混风模型,结合新风量、新风温度计算出混风温度。将混风温度、送风量、冷水供水温度(设定为7 ℃)、冷水流量(此时为额定流量)输入空调箱盘管模型,得到空调箱盘管换热量、出水温度、送风温度。将送风量、送风温度输入房间模型计算得到当前室内温度,并将其作为下一轮计算中的回风温度输入空调箱混风模型。

根据上一时刻回风温度与房间设定温度的偏差调整VAVBOX风阀开度,同时根据上一时刻送风温度与设定值的偏差调节并计算冷水流量。然后进行空调箱风机变频计算并得出送风量,由空调箱盘管模型计算出盘管换热量、出水温度、送风温度,由房间模型计算得出室内温度并作为回风温度。计算冷水机组及冷水泵开启台数并进行冷水泵变频调节。最后得到冷水机组及用户侧各设备的能耗。

2.2 相关模型

① VAVBOX风阀模型

VAVBOX风阀属于节流型变风量装置,根据控制方式可分为压力无关型、压力相关型[10]。压力无关型变风量装置根据实际室温与设定室温偏差估算设定送风量,根据实测送风量与设定送风量的偏差不断调整VAVBOX风阀开度,实现送风量实时控制。由于压力无关型变风量装置采用了串级控制环节,设备运行更稳定,室内温度波动较小[11]。

基于压力无关型变风量装置原理,以阀位角θ作为自变量建立VAVBOX风阀模型。VAVBOX风阀全开时阀位角为0,VAVBOX风阀关闭时阀位角为π/2。

VAVBOX风阀阻力系数S的计算式为[1]29:

式中S——VAVBOX风阀阻力系数,Pa·s2/m6

a、b、c——阀门系数,由VAVBOX风阀样本提供的数据拟合得到

θ——VAVBOX风阀阀位角,rad,范围为[0,π/2]

ρ——空气密度,kg/m3

A——风阀截面积,m2

② 房间模型

室内温度ta的计算式为[12]:

式中ta——室内温度,℃

tbz——房间自然室温,℃

φ——建筑热特性系数

cp——空气比定压热容,J/(kg·K)

qs——送风量,m3/s

ts——送风温度,℃

③ 空调箱风机模型

可由风机样本提供的数据拟合得到风机流量-扬程特性曲线方程。

④ 空调箱混风模型

空调箱混风模型能够得出新风和回风按照一定新风比混合后的空气温度、相对湿度。整个混风过程符合质量守恒定律、能量守恒定律[13]。

⑤ 空调箱风阀模型

空调箱内部风阀包括排风阀、新风阀、回风阀,空调箱风阀阻力系数SV计算式为:

式中SV——空调箱风阀阻力系数,Pa·s2/m6

ΔpV——风阀设计压力降,Pa

qV——风阀设计流量,m3/s

⑥ 空调箱盘管模型

空调箱盘管模型见文献[8-9]。

3 案例

3.1 案例概况

某办公建筑位于北京,选取1个典型房间进行研究。房间面积为25 m2,窗墙比为0.67,房间围护结构传热系数、面积见表1。办公建筑工作时间为8:00—21:00,采用DeST软件中的标准办公室人员-灯光-设备作息模式进行模拟,并对太阳辐射得热量进行了设定。人员密度为0.1 人/m3,人均发热量为66 W/人,照明装置最大热功率密度为18 W/m3,设备最大热功率密度13 W/m3。邻室不存在传热。房间布置1台VAVBOX。冷水系统使用一级冷水泵变流量系统,冷水供水温度设定为7.0 ℃。室内温度设定为26.0 ℃,温度波动范围为±1.0 ℃。暂不考虑室内潜热负荷的影响,变风量空调系统供冷时间为8:00—21:00。模拟日供冷时间室外空气干球温度、含湿量见图2。

表1 房间围护结构传热系数、面积

图2 模拟日供冷时间室外空气干球温度、含湿量

3.2 模拟结果与分析

使用Matlab搭建的变风量空调系统自动控制程序对案例变风量空调系统进行模拟计算。模拟日供冷时间室内温度、空调冷负荷见图3。由图3可知,在空调系统刚开启时,由于风阀、水阀全开,室温下降较快,之后室温较好地控制在26.0 ℃左右。空调冷负荷与室内温度变化趋势一致。

图3 模拟日供冷时间室内温度、空调冷负荷

模拟日供冷时间送风量见图4。由图3、4可知,送风量与室内温度、空调冷负荷变化基本一致。在8:40前,由于房间温度高于设定值,送风量一直保持在0.12 m3/s左右。在8:40—10:30,由于空调冷负荷较小,送风量呈下降趋势。在10:30—14:30,随着空调冷负荷增大,送风量也逐渐升高。在14:30以后,送风量随着空调冷负荷减小持续下降。

图4 模拟日供冷时间送风量

模拟日供冷时间空调箱风机耗电功率见图5。由图5可知,空调箱风机耗电功率与送风量变化趋势一致。空调箱风机平均耗电功率为0.26 kW,与采用定风量空调系统相比,变风量空调系统可节省约44.6%的空调箱风机能耗。

图5 模拟日供冷时间空调箱风机耗电功率

4 结论

① 室内温度、空调冷负荷、送风量、空调箱风机耗电功率变化趋势基本一致,变风量空调系统自动控制程序调节效果良好。

② 空调箱风机平均耗电功率为0.26 kW,与采用定风量空调系统相比,变风量空调系统可节省约44.6%的空调箱风机能耗。