考虑变流量特性的大温差空调系统自动平衡调试

戴军

(中广核工程有限公司，广东深圳，518000)

0 引言

暖通空调是具有采暖、通风功能的空调器，通过控制空气中的温、湿度，提高室内空气的舒适度[1]。在城市化进程影响下，建筑行业迅速发展，对大温差变流量暖通空调系统的需求也不断增长[2]。在全球能源短缺的环境下，如何调试暖通空调系统的平衡、减少空调系统带来的消耗成为了当今研究的重点。为此，研究一种大温差变流量暖通空调系统平衡调试方法。国外在研究暖通空调系统起步较早，提出了多种节能平衡控制方法，并实际运用到空调系统的节能控制上。国内平衡调试空调系统研究起步较晚，虽然近年来发展较快，但整体水平还处于起步阶段，仍需不断地学习研究。

1 暖通空调系统自动平衡调试研究

大温差变流量暖通空调系统是指，相较于常规的空调系统温差大，常规空调系统冷却水、冷水温度均为5℃，大温差空调箱系统中供回水温差大于常规温差。当前国内已有部分工程采用了大温差暖通空调技术，这一技术也将成为未来暖通空调系统的主流发展方向，因此研究大温差变流量暖通空调系统的平衡调试是至关重要的。

■1.1 计算暖通空调大温差变流量特性

暖通空调在实际运行过程中需要同时满足室内的舒适性和节能的需求[3-5]。在实际工作时，调节暖通空调的温控阀，能够实现室内的换热过程，此时换热过程就可表示为：

其中，Q表示暖通空调中暖水的流量大小，tw表示未调节温控阀时室内温度，t1w表示调节后温度，µ表示暖通空调内的换热参数，∆t表示调节前后温度差。根据上述公式的数量关系可知，调节温控阀前后，暖通空调的相对冷水流量与暖水流量数值呈现线性变化，空调内的流体在管道中与管壁产生一定的摩擦，进而产生一定的阻力损失，该部分损失就可表示为：

其中，∆ Py表示流体沿程产生的阻力损失，D表示管道的直径，ρ表示管道密度，v表示流体在管道进口的体积。在大温差的室内温度控制中，暖通空调在管网管道的各支路分配不同大小的水流量，处在不同管网的管道有一定水力度数值，为了确保管道能够正常运行，需控制管网的水力失调度，可表示为：

其中，Qs,i表示管网支路i实际的流量数值，Qd,i表示管网支路i设定的流量数值，其余参数含义不变。根据上述计算得到的失调度数值，当暖通空调设定的管网流量数值与实际流量数值相同时，满足了室内大温差的温度需求，为了贯彻节能减排的目标，预测大温差变流量暖通空调的运行负荷，设定平衡调试方法。

■1.2 预测运行负荷

在实际运行过程中，大温差变流量暖通空调受到外部影响因素较多，预测运行负荷时较为复杂，所以将暖通空调的运行过程划分为不同的识别周期[6-8]。按照周期内的末端数据与曲线拟合的相似性处理为周期末端数据，构建一个时间移动窗口算法，假设暖通系统的时间周期为t，以暖通空调的周期末期作为统计点，构建一个周期性的负荷预测过程。

其中，ai(t)表示暖通空调周期时间的系数项，xn表示暖通空调的观测参数。

设定负荷预测过程的移动步长为固定数值，调节暖通空调的初始时间后，按照时间周期参数，计算暖通空调的热负荷数据，将不同数值的时间周期参数，设定为不同的时间序列窗口，以一个时间周期内的暖通空调热负荷数值序列变化作为基础，构建一个周期性动态变化过程，实现周期性运行负荷的预测。周期性的末端负荷数据能够针对不同周期内暖通空调的自适应性，完成对暖通空调不同运行阶段的预测。根据构建得到的预测过程，设定平衡调试策略。

■1.3 构建变流量调节变化曲线

根据上述设定的预测周期，以管网管道中的总流量管道以及分支流量管道作为研究对象，构建一个变流量调节变化曲线，如图1 所示。

图1 变流量调节变化曲线

由上图所示的变流量调节变化曲线可知，在设定的周期范围内，两种流量变化会产生三种调节方式，不同的调节方式能耗不同，所以在设定平衡调节策略时，以序号1～4 作为调节工作点，当暖通空调的流量为Q1时，固定管网内的总管道的扬程为周期T4的数值，并以此作为起点，将管网分管道内的流量设定为Q2，此时在不同的负载周期内产生了多种2、3、4 三种的扬程数值，计算对应扬程数值水泵的性能参数n1～ n3，当水泵的性能参数为n1时，周期参数为T4～T5，管网阀门处的阻力增加，管道内阻力变大，此时控制暖通空调系统调整总阀门调节，控制总管网管道中的流量为定值。当暖通空调的水泵性能参数为n2时，时间周期参数处于T2，管道对水流产生的阻力最大，为此采用变频调速调节，控制管网中产生的阻力。当水泵性能参数为n3时，暖通空调的负载周期为T3，工况点较为稳定，故可控制空调系统内的水压差数值为一个固定值，保证空调系统的节能。综合上述处理过程，最终完成对大温差变流量暖通空调系统平衡调试方法的设计。

2 对比实验

上述分析中从理论上证明了调试方法的可行性，为验证其实际应用效果，将设计方法与其他两种方法做对比，进行下述实验。

■2.1 实验准备

准备可替代蒸发冷却空调设备的传统机械制冷空调以及水泵，选定的水泵参数和数量如表1 所示。

表1 选定的空调系统设备参数

使用如表1 参数的空调系统设备，控制冷水机组、空调机组、冷冻循环水泵以及冷却塔的数量均为2，使用8 个新风机组，采用1 组软化水处理以及补水装置。组装完毕后，分别使用传统平衡调试方法、文献[3]中的平衡调试方法以及文中设计的平衡调试方法进行实验，对比三种调试方法的性能。

■2.2 结果及分析

设定三种调试方法控制下的暖通空调系统，平均每天工作10 小时，根据三种调试方法的调试功能，以三天作为一个统计点，统计暖通空调在一个月内的耗电量，耗电量结果如表2 所示。

表2 三种调试方法产生的耗电量

由表2 可知，设定三种平衡调试方法控制相同的暖通空调系统，设定相同的统计时间点，根据设定的统计时间点可知，传统平衡调试方法在实验周期内产生的耗电量最多，在统计时间点10 时，实际的耗电量数值为29929.7kW，实际的耗电数值较大，而文献[3]中的平衡调试方法最终产生的电量数值在34043.7kW，实际产生的耗电量数值最大，而文献[3]中的调试方法最终产生的电量数值在14968.0kW，与两种现有的调试方法相比，文中设计的调试方法实际产生的耗电量数值最小，适合在大温差变流量暖通空调系统中运用。

3 结束语

大温差变流量暖通空调系统在实际工作过程中，不同的温度会产生不同动态变化过程，针对该过程，设计一种平衡调试方法，在确定暖通空调大温差变流量特性后，预测其运行负荷，并根据预测周期绘制曲线。经过实验对比充分证明了设计的有效性，希望通过本文研究能够改善现有平衡调试方法的不足，为今后平衡调试暖通空调提供一定的研究方向。