丁笠偉 劉雪峰 黃 彬 徐瑾蔓 畢夢波 馬文靜

（華南理工大學電力學院 廣州 510640）

0 引言

建筑物能源消耗是中國全社會能源總消耗的重要組成部分，同時也是未來節(jié)能減排工作的重點。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，建筑能源消耗的比重在不斷的增加[1]，有關研究統(tǒng)計，2018 年全國建筑消耗總能耗占全國能源總消耗的46.5%，建筑運行階段能源消耗占比也高達21.7%[2]。同時，國家在《十四五規(guī)劃建議》中也強調(diào)了發(fā)展綠色建筑的重要性。因此，現(xiàn)階段以及未來對城市建筑物節(jié)能改造優(yōu)化運行刻不容緩。

據(jù)資料顯示，中央空調(diào)系統(tǒng)能耗在大型建筑物各設備系統(tǒng)能耗中占比最大，可達30%-50%[3]。同時，中央空調(diào)系統(tǒng)屬于多變量高度耦合的非線性系統(tǒng)，系統(tǒng)運維管理人員對冷水機組以及管網(wǎng)的調(diào)節(jié)存在嚴重滯后，往往根據(jù)建筑物內(nèi)部溫濕度傳感器以及冷凍水回水溫度對機組進行調(diào)控，負荷側的不確定性以及空調(diào)系統(tǒng)管網(wǎng)水力調(diào)節(jié)變動等問題引起的負荷波動會導致大量能源的浪費，可見中央空調(diào)系統(tǒng)存在著巨大的節(jié)能空間。當前研究人員廣泛采用對中央空調(diào)特定設備進行精確建模的方法，從而對系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的某一環(huán)節(jié)或某一設備進行改造節(jié)能[4][6]，或使用智能算法結合歷史運維數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行優(yōu)化以提供某種運行策略[7][9]；同時隨著樓宇自控系統(tǒng)（BAS）的發(fā)展，利用建筑能源數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫分解進行預測也獲得了一定的應用[10]。一些學者[11]Error! Reference source not found. 通過搭建符合中央空調(diào)系統(tǒng)原理以及功能的實驗平臺或利用實際中央空調(diào)系統(tǒng)，對冷凍水系統(tǒng)變壓差控制、冷卻水系統(tǒng)節(jié)能運行等問題進行了研究，通過實驗論證其節(jié)能優(yōu)化效果。但目前相關研究領域依然存在以下幾點問題：首先，整個中央空調(diào)系統(tǒng)精確數(shù)學仿真模型的建立難度較大，目前大多數(shù)相關文獻是建立孤立的冷源側模型或者末端管網(wǎng)模型，并沒有將全系統(tǒng)模型進行耦合；其次，絕大多數(shù)建筑物并沒有安裝BAS 系統(tǒng)，或在中央空調(diào)系統(tǒng)建造之初，管路的安裝設計也并沒有將大量的儀表考慮進去，管網(wǎng)各種類數(shù)據(jù)的獲取受到了實際條件的制約，中央空調(diào)系統(tǒng)在實際運行過程中，因運行工況穩(wěn)定導致的運維數(shù)據(jù)在時間分布上的同質(zhì)化、數(shù)據(jù)監(jiān)測種類單一、監(jiān)測儀表測量誤差等客觀因素對使用數(shù)據(jù)驅(qū)動算法的研究造成了阻礙；再次，相關學者搭建的中央空調(diào)系統(tǒng)實驗平臺，多以單臺大功率冷機和少量末端風盤為主，機塔泵搭配運行組合方式單一，水力與熱力工況實驗變化范圍較為局限；最后，實際大型樓宇中央空調(diào)系統(tǒng)由于運行成本和權限的問題，相關研究研究人員無法進行任意工況的實驗研究。

以上情況，集中反映出在實際建筑物中央空調(diào)系統(tǒng)中，由于監(jiān)測設備的不完備，造成研究人員無法獲得準確、足量、工況多樣的運行數(shù)據(jù)；同時單一類型建筑物無法兼顧各種規(guī)模、不同形式的中央空調(diào)系統(tǒng)，實驗實施難度大，實驗技術手段不足；且通過數(shù)學建模，對實際建筑物現(xiàn)有歷史數(shù)據(jù)進行分析并不能很好的解決問題。因此，為了改善以上現(xiàn)狀，本文設計并搭建了中央空調(diào)系統(tǒng)縮尺模擬實驗平臺，研究人員可以實現(xiàn)運行模式可控的中央空調(diào)系統(tǒng)運行工況模擬，同時按照實驗需求構造多種負荷運行工況，獲取大量在實際工程應用中無法獲得、數(shù)量不夠的中央空調(diào)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，從而避免運行數(shù)據(jù)的單一，為整個系統(tǒng)優(yōu)化運行和智能診斷提供實驗研究基礎，為構建系統(tǒng)運維大數(shù)據(jù)創(chuàng)造有力支撐。

1 實驗平臺搭建原理及功能

1.1 冷源側系統(tǒng)構成

為能夠?qū)υO備進行組合搭配運行，本實驗平臺冷源測系統(tǒng)設置有5 臺的渦旋式冷水主機，同時配備有5 臺冷卻塔，冷凍水泵與冷卻水泵各5 臺，皆采用2+2+1 的型號搭配形式；以冷水主機為例，實驗臺具有制冷量7.5kW 主機2 臺，12.5kW 主機兩臺，20kW 主機1 臺。如圖1 所示冷凍水與冷卻水管路采用一級泵先并后串的布置形式，管道上安裝有高精度壓力表、渦輪流量計、玻璃溫度計對冷凍水冷卻水的水力熱力參數(shù)進行測量，同時安裝有Y 型過濾器、止回閥軟連接等常用管道零部件，在設備構成以及熱力原理方面與實際中央空調(diào)系統(tǒng)接近。冷源測設備明細如表1 所示。

表1 冷源側設備Table 1 Cold Source Equipment

圖1 冷源測原理布置圖Fig.1 Schematic Layout of Cold Source Measurement

1.2 末端管網(wǎng)及風柜系統(tǒng)構成及功能

本實驗平臺30 個末端風柜按照5 層6 列布置，尺寸皆為H500mm×D1500mm×W1000mm，風柜保溫材料厚度為30mm。為減少實驗平臺自身的熱損失，冷凍水管網(wǎng)及其末端管網(wǎng)全部進行保溫處理。實驗臺末端管網(wǎng)實行通斷調(diào)節(jié)，同時冷凍水管網(wǎng)在層內(nèi)與層間都可在同程與異程布置形式間自由切換，因此可以構建層間同程-層內(nèi)同程、層間同程-層內(nèi)異程、層間異程-層內(nèi)異程、層間異程-層內(nèi)同程四種管網(wǎng)布置形式。同時，在層間、層內(nèi)末端之間都設有手動調(diào)節(jié)閥，用以改變管道的阻力特性，從而呈現(xiàn)出不同規(guī)模不同形式的冷凍水管網(wǎng)以進行實驗研究，管網(wǎng)布置形式變換原理如圖2 所示，當進行水平布置形式的調(diào)節(jié)，以第一層末端為例，開啟閥門H1，關閉閥門H2 時為水平異程；開啟H1，關閉H2 即可改變?yōu)樗酵獭τ谪Q直布置形式的調(diào)節(jié)，開啟閥門V1，關閉V2 為豎直異程；關閉V1，開啟V2 為豎直同程。

圖2 末端管網(wǎng)及風柜搭建原理Fig.2 Cold Source Measurement Principle Layout Terminal Pipe Network And Fan Cabinet Construction Principle

風柜冷凍水進水閥門及風柜內(nèi)部溫度tset都可進行人為調(diào)控設置，從而方便探究制冷空調(diào)房間或區(qū)域個數(shù)的變動以及設定溫度的改變對中央空調(diào)冷凍水管網(wǎng)的影響。上位機控制可控硅以及36V直流電源，改變風柜內(nèi)部加熱棒功率Pheating與加濕器加濕量dh，從而模擬實際建筑物冷負荷與濕負荷。每一個風柜在原理上模擬實際空調(diào)房間的熱濕交換機理。從而可將每一個風柜看作一個空調(diào)房間或者空調(diào)區(qū)域。風柜內(nèi)部的熱濕模擬過程如圖3 風柜熱濕負荷模擬原理所示，風柜內(nèi)的氣流組織進行內(nèi)部循環(huán)將顯熱于潛熱帶走。

圖3 風柜熱濕負荷模擬原理Fig.3 Simulation Principle of Heat And Humidity Load of Fan Cabinet

1.3 自動控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

使用LabView 平臺開發(fā)了冷源側與末端控制管理軟件，利用RS485 串口通訊，基于modbus 協(xié)議對實驗平臺進行遠程控制與數(shù)據(jù)采集。實驗平臺控制管理軟件能夠?qū)崿F(xiàn)實驗臺各設備的遠程啟停，可對風機、冷卻塔、水泵等設備進行變風量變頻調(diào)節(jié)，更改主機冷凍水出水溫度設定，設置末端風柜加熱量、加濕量、風量等；同時，該程序能夠?qū)崟r繪制各采集參數(shù)曲線并將實驗數(shù)據(jù)同步保存至本地，為后期數(shù)據(jù)處理與分析提供便利。實驗臺控制管理軟圖4 所示。

圖4 基于LabVIEW 的實驗平臺控制管理軟件頁面Fig.4 LabVIEW-Based Experimental Platform Control Management Software Page

實驗平臺數(shù)字信號的發(fā)送與接收利用研華ADAM 模塊進行實現(xiàn)，其中，ADAM-4068 負責控制各個電動閥的開閉；ADAM-4053 負責反饋閥門開啟、關閉以及故障信號；ADAM-4117 負責傳輸壓差傳感器、電磁流量計、高精度熱電偶、室外溫濕度傳感器、主機功率傳感器的4-20mA 信號。

除上述數(shù)控儀表信號以外，實驗平臺還通過RS485 通訊控制讀取流量計傳感器等設備，設備儀表如表2 所示。上位機控制36V 直流電源的開關以及輸出電壓的大小，從而間接控制加濕器的加濕量，控制西門子PLC 實現(xiàn)對加熱棒的控制，其中，加熱棒加熱功率范圍為0-2.5kW，對應PLC 的信號范圍為0-100，加濕器加濕量范圍為0-1.6kg/h，對應36V 直流電源電壓范圍為0-36V。此外，上位機控制變頻器的啟停以及頻率設定，同時讀取其功率；控制冷水主機的啟停、冷凍水冷卻水進出水溫度、蒸發(fā)壓力冷凝壓力等參數(shù)；控制西門子PLC，間接實現(xiàn)對風柜電源、風機風量的調(diào)控。

表2 實驗平臺數(shù)控儀表Table 2 CNC Instrument of Experimental Platform

2 實驗結果及討論

2.1 水力工況及熱力工況穩(wěn)定

2.1.1 旁通關閉下冷凍水管網(wǎng)水力特性在30 個末端冷凍水進水閥全開的情況下，關閉壓差旁通閥，改變冷凍水管網(wǎng)流量，記錄冷凍水管網(wǎng)在不同流量下的供回水壓差。實驗分別在水平豎直同程、水平豎直異程、水平同程豎直異程、水平異程豎直同程布置形式的管網(wǎng)進行，冷凍水運行水力工況點如圖5 所示，根據(jù)流體力學原理可知Error!Reference source not found.，管道壓降與流量的平方成正比。管網(wǎng)性能曲線應呈現(xiàn)出拋物線的形狀，可以看出，4 種管網(wǎng)布置形式下的管網(wǎng)特性曲線皆呈拋物線狀，符合實際。

圖5 旁通關閉下末端管網(wǎng)性能曲線Fig.5 Bypass Off Lower End Pipe Network Performance Curve

2.1.2 旁通開啟下冷凍水管網(wǎng)水力特性

為了驗證實驗臺末端冷凍水管網(wǎng)在壓差旁通調(diào)節(jié)介入時的壓差調(diào)節(jié)特性，以開啟1-5 層末端的水平豎直同程管網(wǎng)為例，旁通壓差控制器的設定值ΔPset分別為80kPa、100kPa、120kPa、140kPa、160kPa、180kPa，其運行時水力工況點如圖6 所示。由圖6 可知，在不同的壓差設定值下，實驗臺冷凍水管網(wǎng)水力工況曲線均存在水力欠壓區(qū)[11]，實驗臺末端管網(wǎng)均具有較為穩(wěn)定的水力調(diào)節(jié)特性。在水力可調(diào)區(qū)，冷凍水管網(wǎng)實際壓差以壓差設定值為中心上下波動，本實驗臺的所使用的壓差控制器控制精度在±10kPa 左右，符合實際工程應用現(xiàn)狀。

圖6 旁通開啟下末端管網(wǎng)性能曲線Fig.6 Performance Curve of End Pipe Network Under Bypass Opening

2.1.3 不同末端規(guī)模與旁通壓差設定值下水力與熱力平衡

對于不同壓差設定值下的管網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定，分別在ΔPset為80kPa、100kPa、120kPa、140kPa、160kPa下進行5 層與3 層末端規(guī)模穩(wěn)定性實驗。對冷凍水管網(wǎng)壓差傳感器記錄數(shù)據(jù)進行畫圖分析，運行狀況如圖7 所示，在2 種末端規(guī)模5 種壓差設定值下，冷凍水總管實際供回水壓差均在ΔPset附近穩(wěn)定波動，波動范圍±10kPa，滿足要求。與之對應的冷凍水總管的溫度變化與平衡如圖8 所示，隨著ΔPset的增大，旁通流量降低，旁通前后的回水溫度差值減??；同時對于末端規(guī)模的改變，在減少主機臺數(shù)后，系統(tǒng)達到了新的平衡。

圖7 不同末端規(guī)模及壓差設定下供回水壓差Fig.7 Supply and Return Water Pressure Difference Under Different Terminal Sizes and Pressure Difference Settings

圖8 不同末端規(guī)模及壓差設定值下冷凍水總管熱力動態(tài)穩(wěn)定Fig.8 Thermal Stability of Chilled Water Header Under Different Terminal Sizes and Differential Pressure Settings

以5 層末端開啟AHU1-AHU30 為例，tset設定為24℃，Pheating為1kW。如圖9 所示，通過溫控調(diào)節(jié)閥控制冷凍水的通斷，能夠?qū)L柜內(nèi)部溫度穩(wěn)定在tset附近，波動范圍為±2℃。冷水主機冷凍水溫度動態(tài)平衡如圖10 所示，開啟2#～5#三種型號四臺主機，冷凍水進出水溫度都可以達到動態(tài)穩(wěn)定，波動范圍為±1.5℃。通過實驗結果可知，本實驗平臺可適應多種負荷規(guī)模以及旁通壓差設定，在此不同設定工況下，冷凍水總管供回水壓差、冷凍水總管以及冷水主機進出水溫度，末端風柜內(nèi)部溫度都可以實現(xiàn)動態(tài)平衡與穩(wěn)定，實驗結果符合規(guī)律，滿足實驗要求。

圖9 風柜內(nèi)部溫度動態(tài)穩(wěn)定Fig.9 Dynamic Stability of The Internal Temperature of The Fan Cabinet

圖10 冷水主機進出水溫度動態(tài)穩(wěn)定Fig.10 Dynamic Stability of Inlet And Outlet Water Temperature of Chiller

2.1.4 不同旁通壓差設定值及水泵頻率下管網(wǎng)運行特性

如圖11 所示，在末端負荷以及冷源側設備搭配不變的情況下，在5 種ΔPset設定值下試驗臺冷凍水總管出水溫度在8～8.35℃之間波動，皆可維持冷凍水出水的穩(wěn)定。同時，隨著ΔPset的增大，旁通前后的回水溫度也逐漸趨于一致，兩者差值由2.8℃減至0.4℃；總流量與旁通流量隨著壓差設定值的增大而降低，旁通流量與總流量之比呈下降趨勢，根據(jù)流體力學知識可知Error! Reference source not found.，在水泵揚程一定的情況下，管道流量于壓降成反比，因此實驗結果符合水泵性能曲線水流量與壓頭的實際規(guī)律。

圖11 不同旁通壓差設定值下水力與熱力變化規(guī)律Fig.11 Hydraulic and Thermal Variation Rules Under Different Bypass Differential Pressure Settings

水泵頻率與流量成正比，水泵頻率的升高意味著水流量的增大。5 種水泵頻率試驗工況下冷水主機設定出水溫度皆為7℃，如圖12（a）所示，不同的水泵頻率下冷凍出水溫度都能維持在7.5℃左右，旁通后回水溫度隨著水泵頻率的升高，由13.7℃降至10.5℃，說明冷水機組能夠承擔水泵變頻運行工況。如圖圖12（b）所示，在末端負荷、冷源側設備搭配以及ΔPset不變的情況下，隨著水泵頻率的增大，為了維持供回水壓差不變，旁通閥開度隨之升高，由0%增大至60%，冷凍水總流量與旁通流量增大，旁通流量與總流量之比由8%增至48%，實驗結果符合實際規(guī)律。

圖12 不同水泵頻率下冷凍水總管水力與熱力穩(wěn)定工況Fig.12 Hydraulic and Thermal Stability Conditions of Chilled Water Main at Different Pump Frequencies

2.1.5 隨機負荷下的冷凍水管網(wǎng)穩(wěn)定

由于室外環(huán)境、用戶用冷行為、建筑物結構的不同，實際空調(diào)房負荷在時間、空間分布上具有隨機性Error!Referencesourcenotfound.，實驗人員通過本課題組編寫的隨機負荷計算程序，利用控制管理軟件可對負荷的隨機性進行模擬，基于空間的隨機負荷分布如圖13（a）所示，以三層末端為例，開啟AHU1 - AHU18 ， 管網(wǎng)采用水平豎直同程布置ΔPset設定為155kPa，每一個AHU 模擬一個空調(diào)房間，考慮到實驗平臺加熱功率上限以及負荷的非負性，同一時刻的隨機負荷服從如圖13（b）所示正態(tài)分布。

圖13 隨機負荷模擬Fig.13 Random Load Simulation

對于通斷調(diào)節(jié)末端管網(wǎng)系統(tǒng)，不同末端溫控閥的通斷狀態(tài)存在隨機性，管網(wǎng)系統(tǒng)存在一個總體閥門開啟率Error! Reference source not found.。由于實際工程中通過追蹤每一個末端水力與熱力工況的變化難度較大，冷凍水總管的波動則是大量隨機性疊加后的表征，遂將研究關注點聚焦總管總體效果上。如圖14（a）所示，末端隨機負荷工況下，冷凍水總管供回水溫差的波動與所有末端施加的總負荷呈現(xiàn)相同的趨勢。

圖14 隨機工況下系統(tǒng)穩(wěn)定狀況Fig.14 System Stability Under Random Conditions

圖14（b）顯示，雖然t1～t7 每一時刻每一個AHU 的負荷皆為隨機給定，負荷大小不盡相同，溫控閥通斷狀態(tài)各異，但總管熱力水力參數(shù)的方差差異不大，冷凍水流量、總管供回水溫度的方差都在2 以下，說明負荷在空間上分布的差異對其波動幾乎沒有影響。7 個隨機工況下的供回水壓差方差在54～58.6 之間波動，說明服從同一負荷分布的末端其總管供回水壓差波動狀態(tài)接近，實驗平臺在相同的隨機工況下具有相近的動態(tài)平衡水力規(guī)律，能夠進行相關的對照試驗。

2.2 不同機塔泵運行搭配組合下的工況穩(wěn)定

通過對冷水機組、水泵、冷卻塔、末端負荷的不同搭配組合運進行設置，本實驗平臺可以模擬多種中央空調(diào)系統(tǒng)工況。實驗時外界大氣環(huán)境溫度to=25.6℃，相對濕度φo=86%，工況S1-S5 主機出水溫度皆設定為7℃，以主機名義工況制冷量以及冷凍水供回水5 ℃溫差計算出來的冷凍水流量為標準對冷凍水泵頻率以及臺數(shù)進行設置，工況設置成如表3 所示。不同搭配組合下當實驗平臺達到動態(tài)穩(wěn)定時記錄數(shù)據(jù)，S1-S5 能耗及水力熱力參數(shù)工況如圖15 所示，隨著設備臺數(shù)介入的增多，實驗臺功耗增大；對于以上5 種不同的搭配組合，冷凍水供回水溫差在3.7℃～4.5℃之間波動；由于實驗條件下φo過大，冷卻水供回水溫差在2.3 ℃～3.6 ℃之間波動；系統(tǒng)平衡時的總管實際出水溫度最低7.8℃，最高12.6℃，經(jīng)實驗可知，實驗平臺能夠在不同水流量、末端負荷、機組搭配下達到動態(tài)穩(wěn)定時，且實驗結果皆符合實際規(guī)律，能夠為不同熱力范圍節(jié)能運行研究提供實驗基礎。

圖15 不同運行搭配組合下冷源測能耗及水力熱力穩(wěn)定Fig.15 Measurement of Energy Consumption and Hydraulic and Thermal Stability of Cold Source Under Different Operation Combinations

不同搭配組合下當實驗平臺達到動態(tài)穩(wěn)定時記錄數(shù)據(jù)，S1-S5 能耗及水力熱力參數(shù)工況如圖15 所示，隨著設備臺數(shù)介入的增多，實驗臺功耗增大；對于以上5 種不同的搭配組合，冷凍水供回水溫差在3.7℃～4.5℃之間波動；由于實驗條件下φo過大，冷卻水供回水溫差在2.3℃～3.6℃之間波動；系統(tǒng)平衡時的總管實際出水溫度最低7.8℃，最高12.6℃，經(jīng)實驗可知，實驗平臺能夠在不同水流量、末端負荷、機組搭配下達到動態(tài)穩(wěn)定時，且實驗結果皆符合實際規(guī)律，能夠為不同熱力范圍節(jié)能運行研究提供實驗基礎。

3 結論

本文設計了一種中央空調(diào)系統(tǒng)縮尺模擬實驗平臺，可對末端管網(wǎng)的布置形式、規(guī)模、負荷大小，主機臺數(shù)進行變動，對各設備諸如水泵、風機進行變頻變風量調(diào)節(jié)。從系統(tǒng)基本構造以及熱濕過程機理方面對實際大型中央空調(diào)系統(tǒng)進行模擬。本文詳細介紹了實驗平臺的設備構成、設計原理，并通過實驗數(shù)據(jù)分析論證該實驗平臺在水力與熱力穩(wěn)定性，能夠在不同末端負荷、水流量、冷源測搭配組合下達到穩(wěn)定的水力與熱力平衡，進行持久可靠的運行，實驗結果符合一般常識規(guī)律。通過該實驗平臺，研究人員能獲得不同管網(wǎng)布置形式、不同機組搭配、不同負荷運行工況的實驗數(shù)據(jù)，能夠為中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運維研究提供實驗基礎是數(shù)據(jù)支撐，為建立小型中央空調(diào)系統(tǒng)與實際大型中央空調(diào)系統(tǒng)之間的映射關系提供實驗基礎。