大空间VAV空调系统室内温度优化控制的探讨

蒋仁娇，何清衡

大空间VAV空调系统室内温度优化控制的探讨

蒋仁娇1，何清衡2

（1.广东南海国际建筑设计有限公司，广东佛山528200；2.广州市建准检测服务有限公司，广东广州514000）

本文在深入分析大空间VAV空调系统室内温度控制方法的基础上，得出由于室内垂直温度梯度的影响，传统的通过检测室内回风管温度作为室内温度的控制依据的控制方法具有一定的不合理性。本文利用PHOENICS软件对一大空间商场VAV空调系统进行了模拟，依据模拟结果，通过采用温度修正的优化方法对回风温度检测值进行优化，使得温度检测值与实际需求温度值更贴近，降低了VAV空调系统的运行能耗，达到节能的目的，风机可节能25.4%。

大空间；VAV空调系统；温度修正；节能

0 引言

在使用中央空调系统的建筑中，中央空调的运行能耗占建筑总能耗的比例高达60%以上[1]，降低建筑暖通空调系统的能耗，是降低建筑能耗的有效措施，对建筑节能具有重要意义。VAV空调系统作为一种“节能、舒适、健康”的新型空调系统在建筑物中的应用越来越广泛[2，3]。大空间空调区域大，各区域负荷呈现不均匀性，易出现冷热不均的现象，人员流动性大，负荷干扰大，同时各区域之间的控制耦合性强，解耦困难，因此，VAV空调系统由于其在负荷调节上的显著优势使得其逐渐被应用到建筑物大空间中，例如香港环球贸易广场（ICC）、广东科学中心、广州亚运场馆等[4]。

在大空间VAV空调系统中，末端装置通过检测到的回风温度参数值与室内设定温度值的偏差调节风阀的开度，改变末端送风量，适应室内负荷的变化。但是，由于建筑室内垂直温度梯度较大，回风口温度较人体活动高度实际需求温度高，并不能真实有效地反映室内人体活动实际需求温度，实际送风量大于需求送风量，末端运行能耗会增大。系统的控制精度不高，VAV空调系统的节能潜力并没有完全发挥出来。因此，有必要对大空间VAV空调系统室内温度的检测值进行优化，降低空调系统的能耗。

本文通过利用PHOENICS软件对一大空间商场VAV空调系统进行了模拟，得出该VAV空调系统室内温度分布状况，分析室内垂直方向温度梯度变化规律，采用温度修正的优化方法对回风温度检测值进行优化，并对其节能效果进行了计算分析。

1 PHOENICS建模

1.1 模型简化

在模拟过程中，认为空调房间室内气流是连续的，对流场气体做不可压缩流体处理，同时将内墙按无热交换处理，设置为绝热边界。

1.2 湍流模型的选取

选用平均湍流能量模型k-ε[5]双方程模型来求解紊流扩散问题。湍流动能方程和紊流能量耗散率方程分别表示为：

式中Gk—由平均速度梯度引起的湍流动能，定义为

Gb—由浮力引起的湍流动能，定义为其中，gi为速度分量；β为热膨胀系数，

C1，C2，C3—经验常数；

σk，σε—湍流动能和湍流能量耗散率对应的普朗特数；

μt—湍流粘度，μt=ρCμk2/ε，（Cμ为经验常数）。

1.3 模型相关参数

（1）商场面积1020m2，长、宽、高尺寸为34m× 30m×5m。

（2）人体负荷按轻劳动强度计算，取25℃条件下成年男子显热散热量，按64W/人计算。依据《公共建筑节能设计标准GB 50189-5005》，商场人员密度选取4m2/人计算，商场总人数为255人。经计算人体负荷为14524.8W，在模型中，将人体简化为9个28×0.4×1.8的立方体Block。每个Block热负荷为1613.87W，间隔2m平均布置于模型中。由于人体的外形是否精确对于气流组织会有一定的影响，但这种影响对于整个流场完全可以忽略，因此这种近似是合理的。

（3）依据《公共建筑节能设计标准GB 50189-5005》，商场照明功率密度值选取19W/m2进行计算。照明负荷为19380W，在模型中，将照明冷负荷简化为16个长、宽、高为28×0.2×0.2的立方体Block，每个Block的热负荷为1211.25W，间隔2m平均布置于2.8m高度处。

（4）东墙为玻璃外墙，热流密度选取40W/m2，总负荷为4080W。

1.4 边界条件

计算区域的边界条件包括入口边界、出口边界和固体边界三种类型。

（1）入口边界

本研究对商场的气流组织模拟计算以送风口为进口边界。模型中设置25个尺寸为1.8m×0.2m的长条型风口，均匀布置于室内高度3.2m处，近似认为气流以垂直于送风口断面的方向进入室内房间，送风温度为18℃。

（2）出口边界

依据建筑实际设计情况及图纸标注，在建筑高度3.5m的侧墙上设置3个尺寸为1.60.55m2的回风口，采用自然回风形式。

（3）固体边界

北墙、南墙、西墙、屋顶及地面对大空间气流组织的影响可忽略不计，按绝热边界条件处理。东墙为玻璃外墙，热流密度选取40W/m2。

1.5 模拟工况

（1）模拟工况一：总送风量为8573m3/h，送风速度为0.882m/s。

（2）模拟工况二：总送风量为7776m3/h，送风速度为0.8m/s。

1.6 模型效果图

图1 商场PHOENICS模型效果图

2 模拟结果与分析

通过截取某一典型截面来对模拟的结果进行分析。空间的温度场模拟结果如图2所示。

图2 送风口断面处温度分布图（X=17m）a）工况一b）工况二

依据模拟结果，得出VAV末端控制区域送风口截面（X=17m）的各处室内垂直温度分布规律如图3所示。

图3 工况一及工况二下送风口截面（X=17m）垂直温度分布a）工况一b）工况二

在工况一模拟条件下，室内回风口高度3.2m处的温度为25.02℃，依据VAV系统末端风量控制原理可知，当回风口检测温度与室内设计温度相等时，空调系统送风量将维持不变。然而，室内1.7m高度处的平均温度为24.36℃，明显低于室内设计温度25℃，人体会有偏冷的感觉。在工况二的条件下，人体活动高度1.7m处的温度为25.01℃，与室内设计温度几乎相等，能够很好的满足人体热舒适性温度的需求。然而，室内回风口高度3.2m处的温度为25.8℃，依据VAV系统末端风量控制原理可知，当回风口检测温度大于室内设计温度时，空调系统将增大送风量，直到调节至工况一条件，再维持系统送风量不变。

3 优化的温度控制方法

在空调环境中，从人体感觉舒适性上讲，将温度传感器布置在1.7m高度是比较合理的做法，因为人的前额是人体对热舒适性感觉最敏感的部位之一[6]。然而，在实际工程应用中，温度传感器一般安装于回风口处，依据回风温度检测值控制送风量，这种控制方法具有一定的不合理性。如果可以对回风温度检测值进行一定的修正，使之更贴近室内人体活动高度的实际需求温度值，那么将可以有效降低空调系统的送风量，达到节能的目的。因此，本文给出了温度梯度的计算方法：

垂直方向温度梯度：

垂直方向温度修正量：

由于大空间温度分布并不是均匀的，因此我们应以各VAV末端区域检测到的温度的平均温度梯度来进行计算。垂直方向的平均温度梯度σ为：

式中σ—垂直方向的平均温度梯度，℃；

T1，Ti-1—i检测点和i-1检测点的检测温度，℃；

yi，yi-1—i检测点和i-1检测点垂直方向的高度，m；

n—温度场中检测点的数量，个。

依据上述公式以及PHOENICS模拟结果，计算出工况一及工况二条件下室内温度垂直温度梯度见表1和表2。

由上述表格中的数据可知，室内环境垂直方向的温度梯度分布具有一定的规律性。工况一及工况二条件下，虽然室内送风量有较大差别，但是两种工况计算出的温度梯度相差并不大，可近似为不变。引入温度梯度的计算结果，对回风温度检测值进行修正，在控制器控制算法中引入修正系数，将可以使得回风温度检测值与实际温度需求值更贴近，可以减少系统的送风量。送风量的变化间接反映了室内负荷的变化，因此文中得出的温度修正系数实际是建立在负荷变化的基础上得出的。

表1 工况一下送风口截面（X=17m）垂直温度平均梯度

表2 工况二下送风口截面（X=17m）垂直温度平均梯度

4 节能效果分析

对比分析工况一与工况二，当人体活动高度1.7m处的温度为25℃时，送风量为7776m3/h，当回风口高度3.2m处的温度为25℃时，送风量为8573.04m3/h。上述研究中的VAV空调系统末端风量的控制采用的是定静压控制方法，管道中压力稳定，风道阻力特性近似不变，在理想状态下，利用风机相似定律，能耗与风量成三次方正比例关系变化，可计算出工况二的能耗仅为工况一风机能耗的74.6%，能耗降低了25.4%。在保证室内舒适性温度环境的同时大大降低了风机的能耗。

式中P1，P2—风机不同工况下的功耗，kW；

Q1、Q2—风机不同工况下的流量，m3/h。

5 结语

在传统的VAV空调系统中，利用室内回风口温度监测信息作为末端温度调节控制依据具有一定的不合理性，回风口检测温度一般较人体活动高度区域温度高，导致系统的实际送风量大于需求送风量，不利于风机的节能。在采用模拟仿真软件的基础上，利用模拟得出的数据，分析室内温度垂直方向的分布规律，计算出回风口与人体活动高度1.7m高度处的温度梯度值，采用温度修正的优化方法对回风温度检测值进行修正，使其更贴近室内温度设计值，有效降低了系统的送风量，风机能耗可节约25.4%。

[1]冀建芳.浅谈公共建筑中央空调节能技术[J].城市建设理论研究（电子版），2013，（7）.

[2]罗涛.变风量空调技术分析[J].智能建筑与城市信息，2006，（02）：103～106.

[3]周斌.变风量空调系统（VAV）在智能建筑中的工程实例系统分析[J].科技风，2010，20：250，251.

[4]蒋水合.大空间空气环境参数检测方法及控制策略研究[D].重庆大学，2006.

[5]Q.Chen，J.Srebric.Simplified Diffuser Boundary Conditions for Numerical Room Airflow Models. ASHRAE RP-1009，2000.

[6]周子成.舒适性和舒适性指标[J].制冷，2002，（01）：22～26.

Discuss to the Indoor Temperature Optimal Control of VAV Air-conditioning System in Large-scale Rooms

JIANG Ren-jiao1，HE Qing-heng2
（1.Guangdong Nanhai International Architectural Design Limited Company，Foshan 528200，China；2.Guangzhou Jianzhun Test Service Co.，Ltd，Guangzhou 514000，China）

Based on t he in-depth analysis of temperature control method of VAV air-conditioning system for large-scale rooms，the ordinary control method by using the return air temperature as the control basis has certain rationality for the influence of the indoor vertical temperature gradient.This article uses PHOENICS software to simulate a VAV air-conditioning system of a large space mall.According to the simulation results，using the temperature correction optimization method to optimize the testing value of return air temperature can make the testing value more close to the actual demand temperature value.The energy consumption of the VAV air-conditioning system operation is decreased.It can achieve the goal of energy saving and the fan can be energy-saving 25.4%.

large-scale rooms；VAV air-conditioning system；temperature correction；energy-saving

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.018

TU831

B

2095-3429（2015）01-0077-04

2014-11-24

修回日期：2014-12-23

蒋仁娇（1989-），女，广西人，硕士研究生，研究方向：空调与建筑节能技术。