葛俊伶,孟慶龍

(長安大學 環(huán)境科學與工程學院, 陜西 西安 710054)

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變風量空調(diào)系統(tǒng)改進總風量法研究

葛俊伶,孟慶龍

(長安大學 環(huán)境科學與工程學院, 陜西 西安 710054)

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

變風量空調(diào)系統(tǒng); 改進總風量法; 常規(guī)總風量法; 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)已建成的變風量空調(diào)系統(tǒng)的運行并不盡如人意,通常變風量空調(diào)系統(tǒng)控制效果差,控制參數(shù)不穩(wěn)定,風量不平衡,缺少新風,空氣品質(zhì)和舒適感達不到要求,節(jié)能性低。有些變風量系統(tǒng)甚至不能正常運行,而改為普通的定風量系統(tǒng)[1-3]。

在變風量空調(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、遺傳算法等機器學習的方法,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]。在變風量空調(diào)的實際運行過程中,風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,導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

1 變風量空調(diào)系統(tǒng)總風量法控制原理

文獻[5]通過對壓力無關(guān)型變風量末端的分析，得出了以設(shè)定風量作為控制變量,通過計算系統(tǒng)總設(shè)定風量而控制風機轉(zhuǎn)速,提出了變風量空調(diào)系統(tǒng)總風量控制方法。經(jīng)過對總風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)總風量法控制原理

常規(guī)總風量法控制原理如圖1所示。

圖1 常規(guī)總風量法控制原理

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

1.2 改進總風量法控制原理

改進總風量法通過對總風量系統(tǒng)進行水力特性分析,從物理模型的角度分析總風量系統(tǒng)不同工況下，風管管路的最不利壓降計算以及各末端所需風量之和,直接得出風機頻率，從而控制風機。為了降低風機能耗,需要保證在滿足空調(diào)系統(tǒng)風量的前提下系統(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]。

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

改進總分量優(yōu)化控制方法原理如圖2所示。

圖2 改進總風量優(yōu)化控制方法原理

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

改進總風量控制方法流程如圖3所示。

圖3 改進總風量控制方法流程

2 改進總風量方法的數(shù)學模型

2.1 變風量末端數(shù)學模型

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

(1)

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

ρa——空氣密度;

A1——風閥截面積。

2.2 變速風機的數(shù)學模型

變速風機在頻率fi時的風機性能可表示為

(2)

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

2.3 風管的數(shù)學模型

變風量系統(tǒng)中風管也存在一定的阻抗[8-9]。對于風管內(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。為了使改進總風量法具有普適性和推廣性,本文分別對不同規(guī)格的風管進行風管阻抗計算[10]:

ΔP=SQ2

(3)

在同規(guī)格風管下,對不同風速所對應(yīng)的風管阻抗進行數(shù)值擬合,得到風管阻抗S與風管內(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)格風管對應(yīng)的多項式系數(shù)。

3 試驗研究

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

圖4 變風量系統(tǒng)原理

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

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

表1 兩種變風量末端阻力損失系數(shù)的系數(shù)

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

為達到變風量末端風量設(shè)定值，各編號管段內(nèi)空氣風速為

(5)

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

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

Sj=av2j+bvj+c j∈1～5

(6)

其中,a、b、c為擬合系數(shù)。

不同規(guī)格風管的擬合系數(shù)如表2所示。

表2 不同規(guī)格風管的擬合系數(shù)

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

Si=Sj+Svalve

(7)

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

ΔPi=Si(∑Qbox-i)2

(8)

結(jié)合實際的風管系統(tǒng),每個變風量末端所在環(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

采用改進總風量法、常規(guī)總風量法、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)需求的總風量控制

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

圖5 系統(tǒng)實際總風量與設(shè)定總風量比較

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

4.2 最不利環(huán)路控制

由于401房間變風量末端距離風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,變靜壓法的實際風量始終大于設(shè)定風量;改進總風量法部分控制良好,部分實際風量偏小;常規(guī)總風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機的功率和能耗,所以用風機的頻率來代替風機功率,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)總風量法次之,改進總風量法最小。改進總風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

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

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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。