变风量空调系统改进总风量法研究

葛俊伶,孟庆龙

(长安大学 环境科学与工程学院, 陕西 西安 710054)



变风量空调系统改进总风量法研究

葛俊伶,孟庆龙

(长安大学 环境科学与工程学院, 陕西 西安 710054)

为改进变风量空调系统总风量控制方法对末端风量的控制效果,提出了一种改进总风量法,通过系统的最不利压降和系统所需总风量,直接计算出风机应有的频率,并加以控制。试验结果表明,变风量空调系统改进总风量法相比于较为节能的普通总风量法和变静压法,对最不利末端的控制基本达到要求,更具有节能效益。

变风量空调系统; 改进总风量法; 常规总风量法; 变静压法

葛俊伶(1991—),女,硕士研究生,研究方向为中央空调系统递阶控制与节能优化。

0 引 言

随着建筑节能与舒适感要求的提高,以及计算机技术和控制技术在暖通空调领域的发展应用,变风量空调系统逐渐被推广和使用。然而,国内已建成的变风量空调系统的运行并不尽如人意,通常变风量空调系统控制效果差,控制参数不稳定,风量不平衡,缺少新风,空气品质和舒适感达不到要求,节能性低。有些变风量系统甚至不能正常运行,而改为普通的定风量系统[1-3]。

在变风量空调系统的研究领域中,绝大部分是对其控制的优化方法进行研究,采用神经网络法、遗传算法等机器学习的方法,其本质为多变量的回归,没有说明其优化效果产生的物理机制[4]。在变风量空调的实际运行过程中,风量随负荷的变化而变化,出现很强的动态特性,并且各控制回路之间发生强耦合性,导致系统不稳定。

1 变风量空调系统总风量法控制原理

文献[5]通过对压力无关型变风量末端的分析，得出了以设定风量作为控制变量,通过计算系统总设定风量而控制风机转速,提出了变风量空调系统总风量控制方法。经过对总风量控制方法与定静压控制方法、变静压控制方法的比较,得出总风量法的节能效果稍低于变静压方法,但比变静压方法稳定。

1.1 常规总风量法控制原理

常规总风量法控制原理如图1所示。

图1 常规总风量法控制原理

风机初始运行状态为点1,系统阻抗为S1,风机频率为n1,风机送风量为Q1。当空调系统中某部分的负荷降低时,系统所需的总风量由Q1变为Q2,此时为使风机送风量达到Q2,风机频率变为n2。由于变风量末端风阀的变化,系统阻抗不可能维持在S1不变。假设风阀关小,系统阻抗变为S2,则风机实际运行状态点不是点2,而是点3,即风机的实际送风量为Q3。因此,风机频率进一步改变到n3,同时系统阻抗变化为S3,风机工作状态移动到点4,风机送风量为Q4。依次类推,风机的实际送风量Qi无限接近于风机的设定送风量Q2。常规总风量法的不足之处在于风机的送风量并不是只由风机的频率决定,风机工作状态点与整个系统的阻力系数有关。当末端阻力系数改变后,风机的送风量也会随之变化,送风量与实际所需风量存在偏差。

1.2 改进总风量法控制原理

改进总风量法通过对总风量系统进行水力特性分析,从物理模型的角度分析总风量系统不同工况下，风管管路的最不利压降计算以及各末端所需风量之和,直接得出风机频率，从而控制风机。为了降低风机能耗,需要保证在满足空调系统风量的前提下系统阻力最小,即末端阀门开度较大,没有多余的静压被消耗在末端阀门上[6]。

改进总风量优化控制方法实际上是对常规总风量控制法进行改进,目的是根据各变风量末端所需风量进行风机调节时,提前考虑变风量末端阻力系数的改变对风机工作点的影响,通过系统所需最大压降和风量,直接算出风机所需频率,避免风机频率经常变化导致的系统振荡。

改进总分量优化控制方法原理如图2所示。

图2 改进总风量优化控制方法原理

风机初始运行状态为点1,系统阻抗为S1,风机频率为n1。当空调系统中某部分的负荷降低时,系统所需的总风量由Q1变到Q2,同时为使变风量系统阻力最小,在计算最不利回路压降时规定将变风量末端控制回路中风阀设定值为最大的风阀开到95%,假定工况为在满足变风量末端所需流量的情况下阻力最小的管网工况。在设定风量下,系统最不利环路压降为H2,最不利环路压降为风机应提供的压头,因此以H2为风机压头,Q2为风机送风量,确定风机运行状态点2。根据风机特性曲线，计算出风机应有的频率为n2,风机提供的总风量满足末端风量,且能耗最小。对于末端水力状况的稳定性和风量的分配,在风机提供的风量假定满足末端状况所需风量和,压头满足空调风管系统最不利回路压降的前提下,由于风机控制回路和变风量末端房间控制回路没有耦合,压力无关型变风量末端的控制回路自行调节。

改进总风量控制方法流程如图3所示。

图3 改进总风量控制方法流程

2 改进总风量方法的数学模型

2.1 变风量末端数学模型

从整个系统水力特性的角度考虑,变风量末端实际上是一个可变风阀开度的末端。对风阀建立稳态数学模型，找出风阀的角度与其阻力系数的关系，求得整个管网在各变风量末端不同阀位开度下的阻力特性[7]。变风量末端风阀阻力系数K与风阀开度θ的关系为

(1)

式中:A、B、C——不同型号变风量末端经拟合得到的常数;

ρa——空气密度;

A1——风阀截面积。

2.2 变速风机的数学模型

变速风机在频率fi时的风机性能可表示为

(2)

式中:Pi——额定工况下风机全压;Qi——额定工况下风机风量;a1、b1、c1——不同型号风机对应的常数。

2.3 风管的数学模型

变风量系统中风管也存在一定的阻抗[8-9]。对于风管内不同的空气流速,其管段摩擦系数、管网压降都会发生变化。为了使改进总风量法具有普适性和推广性,本文分别对不同规格的风管进行风管阻抗计算[10]:

ΔP=SQ2

(3)

在同规格风管下,对不同风速所对应的风管阻抗进行数值拟合,得到风管阻抗S与风管内空气流速v的关系如下:

S=a′v2+b′v+c′

(4)

其中，a′、b′、c′为不同规格风管对应的多项式系数。

3 试验研究

变风量试验平台设于长安大学给水排水重点实验室。变分量系统原理如图4所示。

图4 变风量系统原理

在401、405、406、413房间安装变风量末端,并与上位机实现通信。

(1) 变风量末端风阀特性计算。安装在401、406、413房间是同种小规格型号的变风量末端,405房间是大规格型号的变风量末端。采用MATLAB对两种规格的变风量末端风阀阻力系数和风阀开度进行拟合,得到风阀阻力-开度特性公式中的参数A、B、C,如表1所示。

表1 两种变风量末端阻力损失系数的系数

(2) 风管阻力理论计算。按照风管的规格尺寸,将实验室风管划分为7个部分分别计算。

为达到变风量末端风量设定值，各编号管段内空气风速为

(5)

式中:Qbox-i——各房间变风量末端所需风量;Ai——不同编号管段的横截面积。

先求出各管段内空气流速,再进行其阻抗和风速的拟合,得到风管单位长度阻抗为[10]

Sj=av2j+bvj+c j∈1～5

(6)

其中,a、b、c为拟合系数。

不同规格风管的拟合系数如表2所示。

表2 不同规格风管的拟合系数

各编号管段阻抗由管段单位长度阻抗Sj和相应的风阀阻抗Svalve组成:

Si=Sj+Svalve

(7)

由上述求得各编号管段的风管阻抗,根据相应的变风量末端所需求的风量值,各段风管的压降值为

ΔPi=Si(∑Qbox-i)2

(8)

结合实际的风管系统,每个变风量末端所在环路的压降分别为

ΔP401=ΔP1+ΔP2+ΔP3+ΔP7

(9)

ΔP405=ΔP1+ΔP2+ΔP6

(10)

ΔP406=ΔP1+ΔP5

(11)

ΔP413=ΔP1+ΔP4

(12)

最后结合实验室工况下各部分的数学模型和控制逻辑,编入上位机组态王中。

4 试验结果分析

采用改进总风量法、常规总风量法、变静压法,对4个房间进行试验。试验工况均设定为每隔0.52 h将各个房间的设定温差与实际温差均调节到相差2 ℃的情况。

4.1 系统需求的总风量控制

三种控制方法下系统实际总风量与设定总风量比较如图5所示。

图5 系统实际总风量与设定总风量比较

由图5可见,在设定总风量和实际总风量的差值来看,常规总风量控制得最好,改进总风量法控制次之,变静压差值最大。变静压控制风机时,实际总送风量明显高于设定总送风量,平均差值达到180 m3/h;改进总风量法相比于常规总风量法,实际总送风量略低于设定总送风量,平均差值为20 m3/h,达到实际总风量等于设定总风量的控制效果。

4.2 最不利环路控制

由于401房间变风量末端距离风机的距离远大于其他末端,且401房间处于阳面,故最不利环路是401房间的风管系统。最不利末端控制效果如图6所示。

图6 最不利末端风量控制效果

由图6可见，在最不利末端的控制上,变静压法的实际风量始终大于设定风量;改进总风量法部分控制良好,部分实际风量偏小;常规总风量法控制值与实际值出现较大的差距。

4.3 能耗对比

三种控制方法能耗比较如图7所示。由于试验平台没有采集风机的功率和能耗,所以用风机的频率来代替风机功率,作为能耗的表征。

图7 三种控制方法能耗比较

由图7可知,在能耗方面,变静压法最大,常规总风量法次之,改进总风量法最小。改进总风量法的能耗比变静压法的能耗小27%,具有很大的节能潜力。

5 结 论

提出了一种变风量空调系统改进总风量法,通过系统最不利的压降和系统所需总风量,直接计算出风机应有的频率，并且加以控制。试验结果表明,改进总风量法相比于常规总风量法,实际总送风量略低于设定总送风量,达到实际总风量等于设定总风量的控制效果;相比于变静压法,改进总风量法的能耗小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

孟庆龙(1979—),男,副教授,研究方向为建筑设备自动化。