VAV空调系统的动态模拟.ppt

变风量空调系统的动态模拟 1 1概述 b最近许多研究人员致力于动态模型的开发HVAC 和VAV系统模拟方面的研究。然而，这些模型 的焦点都放在动态热力学及能量特性上。 b由于人们对控制方案对室内环境的影响越来越 关注，因此在模拟时，必须考虑空调系统的实 际室内环境特性。 b尽管有些文献中涉及了使用模拟方法来研究室 内环境控制的方案，但都没有详尽地阐述这些 问题。用EMCS集成数字控制器，要求对大范围 的VAV系统进行综合的模拟,即综合考虑系统热 力学、水力学、环境(如C02和污染物)、控制特 性和能量特性。 2 2建筑及变风量系统 所选建筑为香港的一栋46层的写字楼。研究的楼 层是一个约有2300m2使用面积的办公区，安装有两个 空调箱(AHU)。一个空调系统由一个空调箱、一个VAV 及一个CAV系统组成，具有40个VAV风阀和超过100个送 风口。 模拟楼层区域划分 模拟建筑时，将该层面积分成8个区，其中6个区为 周边区，2个为内部区，如图1所示。 空调系统 空调系统如图2所示。 3 3系统部件模型 简化建筑模型 用一个简化的建筑模型模拟建筑的能量、 湿度、C02和污染物的动态平衡。这个模型适于 测试实时局部控制特性、能量和环境特性及管 理控制方案。 建立C02和其他污染物模型是为了模拟人体 产生和非人体产生的污染物状况。 开放式办公室模型可用热阻、热容和空气 容积及其联接来表示，如图3所示。 图中表示出了被分成多个空间的办公室的 动态能量平衡原理。 4 每个空间都被视为一个具有单一温度、 湿度、CO2含量和污染浓度的充分混合的空气容 积。 区域间的联系是由空气流动引起的空气 质量交换。 每个区域周边的墙由热容及热阻代表， 并与外界相邻。 每个单独区域采用4个常微分方程来描 述能量、湿度、C02和非人体产生的污染的平衡 。 5 T，G，C和C2-分别为该空间的温度、湿度、C02 和污染物的浓度； Q，GS，CS和PS-分别为该区域的总内部热量、水 分、C02和污染物生产速率； M，V-分别是这个区域内空气的总质量流量和 体积流量 m，v-空气的质量和体积流量； Rwi-外墙与室内空气间的热阻； Rfut-内部结构和设备与室内空气间的热阻； Rwin-室内空气与外界间的热阻。 6 b能量平衡： b湿量平衡： bCO2平衡： b污染物平衡： 空气质量 内部热量 VAV送风能量 CAV送风能量 渗入空气能量 泄漏空气能量 相邻房间得失能量 外墙得热量 内部结构得热量 窗户传入的热量 7 系统压力平衡 图4给出了一个建筑及空气调节系统的模 拟压力平衡模型。气流动压和风压对系统阻力 平衡的影响忽略不计。 10个假定 （）假定VAV和CAV的过滤器和表冷器的 流动阻力为常数。 （）假定在VAV压力传感器之前的固定流 动阻力代表了传感器前的消声器和风管的阻力 。 （）假定在VAV压力传感器之后的风管阻 力假定为常数。 8 （）假定CAV风管流动阻力代表了CAV消声器和风 管的流动阻力。 （）假定CAV末端及送风口的流动阻力为常数。 （）假定VAV末端及送风口的阻力随VAV风门的位 置变化。 （）假定在模拟的系统压力平衡时，整个室内区 域的压力相等。 （）通过建筑的外墙泄漏的空气量是通过假设一 个室内空间和外界的固定的流动阻力来计算。 （）假定回风风管的流动阻力为常数。 （）新风阀，循环风阀和排风阀的阻力大小随阀 门的位置而变。 9 图2 图4 模，为得是保留方向性 bb阻力平衡的计算是基于空气质量守恒和压力平衡的原理阻力平衡的计算是基于空气质量守恒和压力平衡的原理 。 bb式式(10)(10)，(11)(11)，(12)(12)给出了系统空气质量平衡的关系式。给出了系统空气质量平衡的关系式。 bb式式(13)(13)，(14)(14)，(15)(15)则给出了系统压力平衡的关系式。则给出了系统压力平衡的关系式。 bb式式(16)(16)为各部件上压降的计算式。为各部件上压降的计算式。 10 风管模型 风管模型模拟通过风管壁的热损，风管壁的动态 特性和温度、湿度、CO2和污染物的传递延迟。 物理模型 取一根导管，将其分成若干段。 假设在每一步模拟计算中空气在导管中的流动 过程遵从三个独立的“过程”： （）空气段的移动过程； （）在各段中的空气混合过程； （）通过管壁与外界的热交换过程。 11 假定 （）在每步过程模拟时，各空气段在极 短的时间内到达该步的终点位置。 （）随之管段内的空气迅速混合至新的 温度、湿度、C02和污染浓度并作为初值与环境 之间，通过相关段的管壁发生动态热量交换。 该动态热交换过程的时间为整个模拟步长的时 间。 （）沿气流方向的管壁热交换忽略不计。 图6给出风管模型示意图。 12 b 式（20）、（21）给出管内空气与管壁 、管壁与环境间的热平衡。 管内空气与管壁 管壁与环境 13 u风机模型 u在轴流风机模型中，引用了三个变量 （，）来代表空气体积流速，风机 总压头，风机理论输出功率。 u风机的特性曲线 u风机的特性曲线用含两个自变量的多项 式来描述。是额定的气流速度，是风 机叶片角度。 14 风机总压头 风机理论输出功率 额定的气流速度 风机叶片角度 风机静压风机全压 名义压头 15 表冷器模型 表冷器动态模型：静态模拟方法和动态模拟。 表冷器动态特性采用集总参数法用一个微分方 程来描述。 tc-盘管平均温度； ta,in、tw,in-进风和进水温度； Cc-盘管的所有热容； R1,R2-空气侧和水侧的总热阻。 16 DDG控制器、传感器和执行器模型 DDC控制器由一个“真实”控制器模型来模拟。 控制执行器的特性用执行器模型来模拟。 温度、压力、流量和C02传感器，采用时间常数 方法的动态传感器模型来模拟。 17 4VAV系统性能测试 u参数确定的数据来源 u制造商提供的产品性能说明书； u根据手册中的经验关系式； u实验测得。 18 u性能测试 u空调部件模型的参数的确定 u空调系统的运行参数由位于VAV空调系统各 处的监控器得到。 u风速及各部件压降的测量 u在不同的流速下，通过手动调节送风和回风 风机叶片角度，测量送风风速，回风风速， 新风风速及通过阀、过滤器、表冷器、风管 及VAV阀的压降。 19 阀流动阻力 风阀全开位置及最小开度位置时的VAV风 阀流动阻力通过手动设定的控制器控制输出。 阀流动阻力用实验数据由二阶曲线回归确定。 风机模型