（热能工程专业论文）定风量空调系统全年多工况节能运行研究.pdf

摘要 在节能减排的大环境下，中央空调的能耗问题引起了越来越多的关注。由于 空调系统运行过程中的不合理的运行模式，导致了大量能耗的浪费。随着计算机 自动控制技术的普及发展，使得空调系统的自控成为节约能源，降低系统能耗， 提高系统效率的有力手段。对空调系统进行全年多工况控制运行是有效降低空调 系统能耗、提高系统运行效率的有效方式。本文基于前人研究的基础上，针对定 风量舒适性空调系统，完善系统多工况运行的基础算法，力求达到提高系统运行 效率、降低系统能耗的目的。 本文对定风量空调系统全年多工况分区进行研究。基于对建筑物负荷分析， 通过对空调系统送风状态点随室外状态点变化运动关系的研究，提出转换温度的 概念，并提出全年多工况分区方法，及各工况区运行、调节及转换的策略；在不 同的工况，对空气采取不同的处理方法，并在对空气处理过程中，尽量使用室外 新风，推迟使用冷、热源，以达到节能的目的。该种多工况分区运行方法具有分 区合理、控制简便、经济节能等特点； 关键词：定风量空调系统多工况分区节能 a b s t r a c t t h e p r o b l e mo fh v a cs y s t e me n e r g ys a v i n gb r i n g sm o r ea t t e n t i o n su n d e r t h eg e n e r a l b a c k g r o u n do fc o n s e r v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n ge m i s s i o n s d u et os o m eu n r e a s o n a b l e o p e r a t i o nm o d e so fa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，al o to fe n e r g yi sw a s t e d a l o n g 、) i r i mt h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra u t o m a t i cc o n t r o l ，t h e a u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y b e c o m e sap o w e r f u ls o l u t i o nf o re n e r g y - s a v i n ga n de f f i c i e n c yi n c r e a s i n go fa i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m t h em u l t i - m o d ec o n t r o li sa ne f f e c t i v ew a yf o ra i rc o n d i t i o n i n g s y s t e me n e r g yr e s e r v a t i o n b a s e do np r e v i o u ss t u d i e s ，t h em u l t i z o n eo p e r a t i o n m e t h o df o rc a vc o m f o r ta i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi si m p r o v e df o rt h ep u r p o s eo f i m p r o v i n gs y s t e mo p e r a t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n t h em u l t i - z o n ed i v i d i n gm e t h o df o rc a va i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mo fa n n u a l o p e r a t i o ni ss t u d i e d b a s e do nb u i l d i n gl o a d sa n a l y s i sa n ds t u d y i n go nr e l a t i o n s h i p b e 佃e e no u t d o o ra i rs t a t u sa n di n s i d ea i rs t a t u s ，t h ec o n c 印to f t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ， t h em u l t io p e r a t i n gz o n ed i v i s i o nm e t h o d sa n ds t r a t e g i e so fo p e r a t i o n ，a d j u s t m e n ta n d t r a n s i t i o nf o re a c ho p e r a t i n gz o n ea r ep r o p o s e d i nd i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e s ，t h ea i r i st r e a t e di nd i f f e r e n tm e t h o d s d u r i n gt h et r e a t m e n tp r o c e s s ，t h eo u t d o o rf r e s ha i ri s u s e da sm u c ha sp o s s i b l e ；t h eh e a t c o l ds o u r c ei sp o s t p o n e du s e df o rt h ep u r p o s eo f e n e r g yc o n s e r v a t i o n t h i sm u l t iz o n eo p e r a t i n gm e t h o dh a sa d v a n t a g e so fr e a s o n a b l e z o n ed i v i d i n gm e t h o d ，c o n v e n i e n tc o n t r o l ，e c o n o m i c a la n de n e r g y - s a v i n g k e yw o r d ：c a v ；a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ；m u l t io p e r a t i o nm o d e ；z o n ed i v i d i n g ； i i 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 课题意义2 1 3 课题研究方法及创新点2 第二章文献综述4 2 1 空调系统多工况运行的发展4 2 2 几种具有代表性的空调系统分区方法综述5 2 2 1 喷水系统的多工况分区调节方法n4 1 5 1 一5 2 2 2 表冷系统的调节方法阳1 2 1 5 1 7 1 7 2 2 - 3 存在问题一1 1 2 3 本课题主要研究内容1 1 2 4 本章小结1 2 第三章多工况分区调节的原则及一般方法1 3 3 1 系统分区调节的原则。1 3 3 2 区域划分的一般方法1 3 3 2 1 引言13 3 2 2 空调系统送风状态点分析一1 5 3 3 转换温度o 2 8 3 3 1 转换温度的定义。2 8 3 3 2 转换温度的一般计算方法2 9 3 4 本章小结31 第四章空调系统多工况分区及调节策略一3 2 4 1 引言3 2 4 2 分区处理方法概述3 2 4 3 多工况分区及调节策略3 3 4 3 1 空调系统流程简介3 3 i i i 4 3 2 夏季工况分区与处理过程一3 4 4 3 3 冬季工况分区与处理过程4 0 4 3 4 多工况分区调节运行方法4 5 4 3 5 分区优化探讨4 6 4 4 本章小结4 7 第五章空调系统多工况分区模拟及验证。4 8 5 1 模拟实验系统简介4 8 5 1 1 系统概述4 8 5 1 2 系统框图一4 9 5 1 - 3 系统硬件构成。5l 5 1 4 系统功能及特点5 4 5 2 模拟验证5 5 5 2 1 模拟条件一5 5 5 2 2 操作步骤5 6 5 2 3 模拟结果。5 7 5 2 4 多工况运行节能估算6 4 5 3 本章小结“ 第六章总结与展望6 5 6 1 研究工作总结6 5 6 2 研究展望6 5 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表论文6 8 致谢6 9 i v 硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 目前，人类面临能源短缺和环境恶化两大问题，而这两者又紧密联系，由此带 来的诸多问题已成为2 1 世纪全球经济发展所遇到的巨大挑战之一。近两年来， 在我国，特别是夏季，屡次出现了电力短缺的问题。为了今后的可持续发展，如 何有效的节约能源成为一个越来越亟待解决的问题摆在了人们面前。 随着经济建设的发展以及生活水平日益提高，人们对居住、办公舒适度有了 更高的要求，建筑物的能耗也随之增加，建筑能耗是指建筑物在使用中的能耗， 包括空调系统、电力、照明等等n 1 。自上世纪初，美国一家印刷厂首次建成了能 够实现全年运行并带有喷水室的空气调节系统后，空调技术迅速发展，如今，各 种大型空调机组已在众多建筑，尤其是中、大型公共建筑中普及。虽然，诸多空 气调节技术为人类的生活、居住提供了更好的舒适度保证，但也带来建筑能量消 耗需求日益增加乜1 。 据统计，在发达国家建筑能耗约占总能耗的3 0 - - 4 0 口1 。在我国，建筑能耗 占全国总能耗的比例已从原来的1 4 水平向1 3 水平发展h 1 。在2 0 0 0 年，它在 全社会能源消费量的比重为2 7 8 畸1 。对于一些大型公共建筑，虽然这类建筑的 建筑面积仅占城镇建筑面积的5 - - 6 ，但能耗量为一般住宅建筑的1 0 倍以上， 在我国大型和特大型城市，这类建筑的总耗电量大于当地住宅的总电耗。而在此 类建筑的能耗中，空调系统耗能( 包括冷源，能量输配系统，末端装置等) 单位 面积约为2 0 1 2 0 k 、胁( m 2 年) 砸1 ，占建筑总能耗的4 0 , - - , 6 0 ，在一些大型商 场类建筑中，可达到7 0 。在各种大型建筑中，一次回风全空气空调系统应用较 为广泛。目前普遍采用的全空气空调系统都是定风量方式，全年各季节风量不变， 根据室内温度状况调节送风温度，以满足环境控制要求。导致此类空调系统能耗 较高的主要原因有砸1 ： ( 1 ) 不合理的建筑设计与建筑通风导致空调冷量过高； ( 2 ) 不合理的系统和设备运行方式，导致空调系统效率过低； 因此对空调系统，尤其是定风量全空气空调系统，研究出一种针对该系统更 第一章绪论 为高效的运行模式，对降低建筑能耗，乃至对国民经济的可持续发展都具有十分 重要的意义。 1 2 课题意义 在空气调节系统的全年运行中，室外气象参数是不断变化的，从而带来室内 空调负荷的变化，进而对空调送风状态也是不同的口，8 | 。系统的设计与设备选型 都是根据室内负荷在最不利条件下而定的，但从全年来看，室外空气状态等于设 计计算参数的时间是极少的，绝大部分时间会随着季节不同而变化凹1 。所以，如 果空调系统不能根据室外气象参数、室内负荷的不断变化而调整系统的运行策 略，这样既不能满足设计要求，而且又浪费了冷、热量，是十分浪费与不经济的。 虽然，计算机技术的不断发展，为空调系统全年运行调节提供了技术支持。但是， 就现有一些系统的运行情况来看，空调系统全年运行调节并未很好得到解决，其 中一个重要的原因就是缺乏一种简便、高效的控制算法。 本课题针对舒适性空调多采用的定风量一次回风全空气系统，提出基于系统 全年多工况运行的简便、实用的节能控制策略，使得空调系统能够随着室外气象 参数的变化而不断调整运行状态，达到提高系统运行效率、降低空调系统能耗的 目的。 空调系统节能控制运行技术的研究，符合当前建筑节能的大潮流，有利于 能源的可持续发展。该技术的研究，可提高空调设备的调节质量，有效降低建 筑能耗，也必将在建筑节能改造、设计中发挥重要作用。 1 3 课题研究方法及创新点 本课题基于建筑物负荷分析，通过综合气象参数、人体舒适性、控制系统的 稳定性等多方面，确立空调系统的基本分区方法。该课题作为一项应用性研究， 主要运用在一般民用舒适性空调系统上。通过理论与计算机模拟等技术的结合， 验证研究结果的优越性，并争取将其运用到实际工程中。本课题主要有以下创新 点： ( 1 ) 分析了定风量一次回风空调系统全年多工况节能调节的实质性关系和核心 内容，提出了全年多工况节能运行分区的原理性方法。本方法具有普遍实用性和 2 硕士学位论文 工程推广价值： ( 2 ) 提出以负荷分析为基础、以“转换温度 为控制点的多工况划分运行模式， 使空调系统全年多工况运行及转换更为精确； ( 3 ) 兼顾温度、湿度，控制调节范围全面； ( 4 ) 分区适宜，算法简便，具有良好的应用性。 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 空调系统多工况运行的发展 随着空调节能技术研究的新兴和发展，国内外有不少专家致力于探讨集中空 调系统的多区多工况的运行调节，即根据室外空气的状态变化情况，将湿空气的 焓湿图划分成若干个气象区( 即空调工况区) ，并针对不同的工况区，采取不同 的空气处理方法，以减少空调系统的能耗，达到节能的目的，据有关资料统计， 空调系统采用多工况转换运行，全年可节约热量约5 0 6 0 ，节约冷量约 1 5 2 0 1 0 ，1 。 目前，无论是工艺性集中式空调系统，还是舒适性集中式空调系统，一般都 采用分区多工况的运行调节方式。合理、正确地确定集中式空调系统运行调节的 工况分区十分重要：分区过多、过细，则调节环节较多，调节机构也较多，从而 使一次投资费用增高；分区过少，则满足不了全年运行中维持空调房间室内空气 状态参数的需要。随着调节器由模拟控制器发展到数字控制器( 电子计算机) ， 空调工况分区经历了由3 个工况分区发展到最多1 4 个工况分区，而后又回到目 前大多只采用3 个工况分区的过程阳1 2 1 。根据系统的空气处理方式的不同，多工 况分区的方法也是不一样的，而目前的一些分区方法，未将采用不同种空气处理 方式的空调系统多工况分区方法明显区分出来，易导致在运用中的设计不合理， 达不到理想的效果。 空气调节的自动控制技术是近代自动控制技术的一种应用，是热力过程自动 控制的一个重要分支。由于空调技术应用面广，从工业环境、楼房、机房到家用 空调均有迅速的发展。随着自动控制理论的发展，自控技术也由以反馈理论为基 础的自动调节原理，向智能控制技术发展。预测控制，p i d 参数自适应和白调整 控制技术已应用于空调系统中h 驯。 空调系统的多工况运行自动控制也随着自控技术的发展而应用也逐渐应用 起来，多工况调节的任务是按照要求的调节指标设计调节控制系统，考虑调节方 法，选择调节器，做到满足技术要求的同时，尽量使仪表设备数量最少，调节系 统既简单又经济可靠，达到全年自动经济运行，节约能量的目的。 4 硕士学位论文 2 2 几种具有代表性的空调系统分区方法综述 2 2 1 喷水系统的多工况分区调节方法n 4 坫3 喷水式空调系统采用喷水室对空气进行处理，在空气调节工程，尤其是工业 工程中应用较为广泛，它具有能够实现多种空气处理过程、具有一定的净化空气 能力、耗费金属少和容易加工等优点，但由于该系统存在对水质有要求、占地面 积大、水泵耗能多等缺点，对于一般民用舒适性建筑则不适用，不在本课题研究 范围内，但其多工况分区运行方法亦体现了空气调节系统多工况运行的发展过 程，对于表冷系统仍有可借鉴之处。一般喷水空调系统的工艺流程图见图2 1 。 图2 1 一次回风喷水空调系统流程图 f i g 2 1f l o wc h a r to fa l l - r e t u r na i rs p r a ya cs y s t e m 由于喷水加湿是一个等焓过程( 严格来说是等湿球温度) ，对于此系统一般 按照焓值来分区，总结起来具有代表性的有两大类分区方法：少分区法和多分区 法。简述如下。 ( 1 ) 少分区调节策略 此方法最为普遍，分区思路较为简单，控制及实用也简便，基本上属于定 ( 机器) 露点的调节方法。 1 、，为冬、夏季室内设计状态点，近似菱形区( n ) 为室内状态允许范 围，夏季设计工况时。以机器露点三，送风( 热湿比s ，) ；冬季设计工况时，以机 器露点l 。经加热制d l 点后送入室内( 热湿比占。) 。全年工况分区见图2 - 2 。该系 统的全年运行调节见表2 1 。 g - _ 章文献综述 图2 - 2 一次回风喷水空调系统全年工况分区图 f i g 2 - 2m u l t io p e r a t i n gz o n eo fa u - r e t u ma i rs p r a ya cs y s t e m 表2 1 一次回风喷水系统全年工况调节方法 t a b l e2 - la d j u s t m e n tm e t h o do f a l l - r e t u r na i rs p r a ya cs y s t e m 分 空气参数 相对湿度 调节内容 区控制 温度控制 一次加热二次加热新风回风喷雾 中nft nf 最小最大 i i w i w l 一次加热二次加热喷循环水 加热量l加热量l( m g ) ( g o t nf o nfm nf i i i w l i w i l l 新、回风比例二次加热停新风量回风量喷循环水 加热量i fl t nf nfo nf i i i l l 一 i w i l 2 新、回风比例二次加热停新风量回风量喷循环水 加热量l f t nfnf i i i i l 2 、 i w i r 。喷水温度二次加热停喷水温度 加热量l( m g ) ( g 0 l 一次加热器全关后转到i i 区 新风阀门关至最小后转到i 区；i w i l l ；转到i i 区 转换条件 i 。 一i n 转区 i w 一 i n 转i i i 区 ( 2 ) 多分区调节策略n 6 1 由于以上方法在全年各区域经常出现须把空气预先处理到机器露点，然后， 经再热后送入室内，造成冷热量抵消，所以，为了克服这一缺点，产生了另一种 6 硕士学位论文 多分区方法，分区更为细化，并且每个分区都有与之相对应的节能运行工况。该 分区见图2 3 。 图2 3 一次回风喷水空调系统全年工况分区图 f i g 2 - 3a n n u a lo p e r a t i n gz o n eo fa l l - r e t u ma i rs p r a ya cs y s t e m 该策略共有1 4 个分区，对于每一分区的运行策略，在此不做详细介绍，此 种控制策略能够较好的通过各区之间的转换运行达到节能的效果，但是该方法分 区过多，过于繁琐，不利于工程中的运用。 2 2 2 表冷系统的调节方法豳，1 2 1 毛1 7 1 表冷系统构造简单、占地少、系统阻力小，多被一般性民用建筑空调系统 采用。采用电热式加湿器的表冷空气调节系统，能够满足舒适度的需要。由于采 取电热式加湿接近于等温过程，表冷器干式冷却为等含湿量过程，所以，对于该 类系统，其分区调节应以室外新风温度和含湿量大小划分n5 l 。总结该系统的多工 况分区方法，目前同样存在少分区法、多分区法两种，分别概述如下。 ( 1 ) 三区法 工况分区见图2 4 所示，图中t 仃线为过送风状态点d 的等温线，也是冬季与 过渡季的分界线；d n 线为过系统送风状态点d 的等湿线，等温线和等湿线将湿 g _ - 章文献综述 空气的焓湿图分为i ，i i ，i i i - - 个工况区。各个工况区的运行调节条件及调节内容 见表2 2 ，运行调节过程的焓湿图见图2 5 。空调房间内的空气状态点为。 l r l 图2 - 4 一次回风表冷空调系统全年三工况分区 f i g 2 - 4t h r e e - z o n eo fa l l - r e t u r na i rs u r f a c ec o o l i n ga cs y s t e m 图2 5 一次回风表冷空调系统全年三工况焓湿图 f i g 2 5i - dd i a g r a mo ft h r e e - z o n ea l l - r e t u r na i rs u r f a c ec o o l i n ga cs y s t e m 表2 2 一次回风表冷空调系统全年三工况调节方法 t a b l e2 - 2a d j u s t m e n tm e t h o d so ft h r e e z o n ea l l - r e t u r na i rs u r f a c ec o o l i n ga cs y s t e m 调节内容 工况区分区条件温度控制湿度控制 加热调节阀加湿调节阀冷水调节阀 i t w m t o , d w l t o d m d o 二次加热冷水调节调节关闭调节 当室外空气状态点位于i i 区且f 蒯 f 矿 如，b “时，由于空调系统运行中 的新回风比固定不变，总有新回风混合状态点的比焓h c 大于新风状态点的比焓 值h 矿，在此条件下使用一次回风方式处理空气则会多消耗冷量，不符合节能的原 则，该分区方法不够合理。 ( 2 ) 四区法 该分区方法的运行调节工况分区见图2 - 6 ，t 线为过空调系统室内状态点 的等温线，t 矿等温线为过渡季与冬季的分界线。各个工况区的运行调节条件及 调节内容见表2 3 。与采用三工况分区的调节方式相比，可以最大限度地利用自 然能源，推迟制冷系统春季制冷的时间，这样既节约了能量，又满足了运行调节 的需要。但此分区方法对区仍没有进行进一步的工况分区分析，不能最大程度 降低系统在区运行时的能耗，虽然此法比三工况法有所提高，但仍需改进。 b 图2 - 6 一次回风表冷空调系统全年四工况分区图 f i g 2 - 6f o u r - z o n eo fa l l - r e t u r na i rs u r f a c ec o o l i n ga cs y s t e m 表2 3 一次回风表冷空调系统全年四工况调节方法 t a b l e2 - 3a d j u s t m e n tm e t h o d so ff o u r - z o n ea l l - r e t u r na i rs u r f a c ec o o l i n ga cs y s t e m 调节内容 工况区分区条件温度控制湿度控制 新风调节阀回风调节阀加热阀加湿阀冷水阀 i t w l t w d ，d w c l o 二次加热加湿量最小最大调节调节关闭 i i t w d t w 2 0 ，混合后的温度 均高于送风温度t s ，需冷却到送风温度，用调节冷却量保持室温。冷却不需要 减湿，需保持冷却器为干式工况。 区、v 区均采用改变混合比调节送风含湿量，区用二次加热、v 区用干 式冷却达到送风温度以保持室温。当室外空气含湿量大于送风含湿量时，室内参 数整定为夏季值，所出现的、v 区按照区和v 区的方法处理。 当d 矿 d s ，h 矿 d s ，h 矿 h 时为区，处理方法为 调节表冷器的水量。 l o 硕士学位论文 该分区方法较为详细，但分区数目太多，控制策略烦琐，需要进一步优化。 2 2 3 存在问题 ( 1 ) 目前的方法虽对空调系统的分区及各工况区运行方法进行了介绍，但 是没有说明分区的原理，未从本质上阐述清楚，分析不够完善； ( 2 ) 分区方法上存在不足，如定露点调节方法，虽控制简单、方便，但各 区域常出现将空气处理到机器露点，再加热后送入室内，这就多耗了冷热量。另 一些方法虽避免了冷热抵消的现象，但分区数目过于繁多，控制过程较为复杂， 不利于实际应用和推广； ( 3 ) 未考虑到人体对舒适性的适应性，分区转换不够灵活。 2 3 本课题主要研究内容 本文拟在总结前人工作的基础上，改进前人工作的不足，采用较为科学和综 合的方法，对定风量一次回风空调系统的全年多工况节能运行进行研究分析。其 中关键技术为定风量空调系统全年的多工况运行分区。 本文基于全年负荷分析，以室外状态点与送风状态点的关系为主线，提出既 有效而又相对简便的分区方法。由于空调系统的运行地区不同，各地气候的变 化情况不一；空调系统所采用的形式和设备也有所不同，如开式、闭式系统，喷 淋、表冷系统，一次回风、二次回风系统，定风量、变风量系统等；以及不同的 室内参数要求，如工艺性空调、舒适性空调等，以上这些原因造成各空调系统工 况划分的多样性和可变性，因此，必须根据一定的理论基础来进行各系统的工况 划分。 本文提出的空调系统全年多工况运行、转换策略，在不同的工况区中，对空 气采取不同的处理方法，并在对空气处理过程中，尽量使用室外新风，推迟使用 冷、热源，以达到节能的目的。并采用计算机模拟技术，对系统进行模拟运行。 第二章文献综述 2 4 本章小结 总结概括了前人在空调系统多工况分区运行的成果，并分析了一些存在的问 题：没有对分区的基础进行深入分析，未从根源上解决空调系统多工况分区运行 问题，缺乏针对性；分区方法上简繁不够得当。提出本课题在基于前人研究的基 础上，针对定风量舒适性空调系统，完善系统多工况运行的基础算法，力求达到 提高系统运行效率、降低系统能耗的目的。 1 2 硕士学位论文 第三章多工况分区调节的原则及一般方法 3 1 系统分区调节的原则 在空调系统的设计中，通过i - d 焓湿图来分析和确定空气处理的过程和设备 的要求，这些设计参数能够满足夏季、冬季室外空气状态处于设计参数、室内负 荷也是在最不利情况下的空气调节要求。但是，根据全年气象条件( 温度、相对 湿度等) 统计资料，这些参数每时每刻都是在发生变化的，等于设计计算参数的 时间是很少的。另一方面，室内设备、人员、照明等发热量也会不断变化。如果 空调系统不随以上参数作相应的调节，则在室外空气参数和室内负荷不断变化的 情况下，将会使室内参数发生相应的变化或波动，这样即浪费了空调的冷量和热 量，又不能满足工艺或舒适性的要求。因此，空调系统的设计和运行必须考虑到 在室外气象条件和室内热湿负荷变化时，系统如何进行调节，才能在全年范围内， 既满足室内温湿度要求，又能达到经济运行的目的。要达到以上的运行效果，首 先要对空调系统全年运行工况进行分析，要通过全年运行条件的不同，对空调系 统划分出若干工作区，在同一区域内采取统一工况运行，并要符合以下调节及节 能的原则： ( 1 ) 保持系统内各房间的温、湿度等参数在规范要求范围内；并合理利用波 动值，减少使用冷、热源； ( 2 ) 分区适宜，既能较为精确的调节运行，又减少控制、调节的环节； ( 3 ) 避免出现为调节室内温湿度而出现的冷、热量抵消问题； ( 4 ) 扩大不用冷、热源的时间。冬、夏季，充分利用室内回风，保持最小新 风量，节省能量；在过渡季，充分利用室外新风的调节能力，推迟或减少使用冷、 热源。 3 2 区域划分的一般方法 3 2 1 引言 无论空调系统的形式如何不同，采用的空气处理设备有何不同，系统的设 计过程都是按照室外气象情况而设计的，空调系统对空气的处理有较强的季节 第三章多工况分区调节的原则及一般方法 性。一般而言，可将一年的气候划分为冬季、夏季及过渡季节，虽然室外气象 情况是处在不断变化的状态中，从理论上，需要不断调整空调系统的运行工况 来适应室外气象参数的变化，但在实际中，当室外参数在一定范围内变化时， 空调系统只需采取某种处理过程，即可使室内参数满足设计要求。 系统的这种适应性特点，为全年工况区域划分提供了一般性的方法。将采用 同一种空气处理过程方法的相似室外气象参数划分为一个区域统一控制运行，可 大大提高系统运行的效率。在同一区域中，所采用的空气处理过程既要能够满足 室内舒适度要求，又要保证运行经济、尽量减少能耗，区域与区域之间采取转换 条件进行界定，并将此作为各工况间运行转换的判别条件。 一般而言，分区的确定受以下因素的影响口1 ： ( 1 ) 室内负荷特性。室内空调负荷由内热负荷和围护结构负荷两大部分组 成，当围护结构负荷所占比重较大时，送风状态点的变化大，反之送风状态点的 变化小。送风状态变化越大，则送风状态点与室外状态点在h - d 图上的距离可能 越近，这会导致空气处理方法的变化，从而改变分区的状态。 ( 2 ) 当地气象参数的分布。在不同的气候区域，需要采取不同的空气处理 措施。气象参数覆盖的范围越宽，则相应的处理过程越复杂，这将会导致分区量 的增加。但对参数频率进行研究可以简化分区处理，在一定的不保证率下，对一 些发生概率较小的室外状态可以不予考虑。 ( 3 ) 人体舒适性。人体舒适特性决定室内状态可以有一定的波动范围，而 室内状态的允许波动范围决定了送风状态点的允许波动范围。对于某个室内空气 状态，送风状态点允许在一定范围内变化，这样可以减少空气处理过程的复杂性， 减少分区数量。同时由于送风状态的范围较大，可以充分利用波动值的上、下限 值来节省处理过程中的冷热量。 ( 4 ) 控制系统的稳定性。多工况运行控制系统属于变结构系统，主要包括 系统构成的改变和执行器位置的突变。执行器类型的改变对系统的动态特性产生 影响，而执行器位置的突变则将造成被控参数大幅度波动，运行不稳定。因此变 结构系统必须对这种突变扰量加以消除和限制。显然，当分区越多时，系统调节、 转换、调节的次数增加，对系统造成的干扰随之增加。从控制系统运行稳定性的 角度考虑，分区数量不宜过多，系统运行时不能频繁进行区域间的转换。 1 4 硕士学位论文 这些分区方法和对分区的影响因素，为怎样进行空调系统多工况分区提供 了基本的模式和结构。影响因素的多样性将导致分区结果的变异，在进行实际 设计时，应根据影响因素的具体情况进行区域划分。 3 2 2 空调系统送风状态点分析 在系统的全年运行中，各工况区域内的室外空气参数是不断变化的，主要从 两个方面来影响室内空气状态：一方面是当空气处理设备不作相应调节时，引起 送风参数的变化，从而造成室内空气状态的波动；另一方面，由于室外气象参数 的变化而引起建筑外围护结构传热量的变化，从而引起室内负荷的变化，最终也 导致室内空气状态的波动，进而要求送风状态点随之变化，同时室外气象参数的 状态点又与不同空气处理过程是相联系的。所以，分析室外状态点与室内送风状 态点的位置关系是空调系统全年区域划分的基础。 在稳定条件下，据能量守恒及物质不灭定律，空调房间的受控空气不论热量 还是湿量均应守恒。 根据热量平衡方程：g f o + q = g i ，式中g ( k g s ) 为送入空气量；i d ，i ( k j k g ) 分别为送风状态点与室内状态点的焓值，q ( w ) 为室内冷负荷。 根据湿平衡方程：g 吃1 1 0 0 0 + 形= g “1 0 0 0 ，式中w ( k g s ) 为室内余湿 量，d d ，d ( g k g ) 分别为送风状态点与室内状态点的含湿量。 若要保持上述热湿平衡，送入房间的空气状态点必须位于室内状态点的热湿 比线占上n 2 1 ( 见图3 1 所示) 。 蝣 一j 图3 1 送风状态点与室内状态点关系 f i g 3 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e na i rs u p p l ys t a t u sp o i n t sa n di n d o o rs t a t u sp o i n t s 第三章多工况分区调节的原则及一般方法 房间的热湿比参数随室内散热量、散湿量变化而变化，因此，在全年的空调 系统运行中送风状态点是变化的，且和室内负荷紧密相关。对于一般定风量系统， 送风状态点与室内散热量、散湿量和送风温差有关，对于舒适性用途的空调系统 来说，该类建筑室内无大型设备，人员流动性较小，热负荷波动亦较小，所以可 以认为室内负荷的变化只与室外空气状态参数变化有关。所以，基于室外气象参 数变化对室内负荷的影响，对该类空调系统建筑物进行而负荷变化分析，是研究 其送风状态点与室内状态点关系，以及如何合理划分全年空调运行工况的基础。 ( 1 ) 室外气象参数对室内负荷的影响简述 室外影响因素包括室外空气的温度、湿度、太阳辐射照度，风速和风向等气 象条件，以及建筑周围的环境表面温度，包括天空有效温度、地面温度和邻近建 筑表面温度。( 图3 2 为建筑物热过程的物理模型图) 它们对房间热状态的影响都 蚝争瓜一 冬医圜 彩 k 囊 乃 小 强c ： 今懿一 氐雌 _ _ _ - 图3 - 2 建筑物热过程物理模型图 f i g 3 2p h y s i c a lm o d e lo fb u i l d i n gt h e r m a lp r o c e s s 产生两种效应，既有瞬时效应( 立即成为房间负荷的一部分) ，又有长期动态效 应( 成为房间负荷的过程存在延迟和衰减) 。因此，这些影响因素的数量大小 及其随时间的变化都将对建筑热过程产生影响，他们一般可以通过两种形式影 响房间的负荷状态n 8 | 。 通过热交换。周围空气温度以及太阳辐射，都会通过不透明的板壁围护 结构和半透明的门、窗玻璃等，向房间进行的传热量交换，以及太阳辐射透过半 1 6 硕士学位论文 透明玻璃向房间射入的辐射热等均为此交换。一般来说，通过板壁围护结构的热 传递过程包含三种情况： a 外墙、屋顶等围护结构。这些围护结构都是有一定虚热特性的、不透明 的物体。此类围护结构外表面长期接受室外空气温度、太阳辐射、天空散射等扰 量的作用。 b 地面等围护结构。地面、内墙等围护结构与外墙一样，也具有热阻和热 容量。 c 外窗或# b l - j 。外窗或夕b l - j 与墙面不同，虽然具有一定的热阻，但是由于 本身较薄，蓄热量很少。因此，外扰通过门窗的作用基本上会立刻影响到室内。 通过外窗的传递热量可以分为两部分，一部分是外窗的外表面接受室外空气温度 和天空辐射等作用，以导热形式通过门窗向室内侧传递的热量；另一部分是太阳 辐射透过玻璃窗，直接照射到房间其他围护结构内表面上的阳光，同样会影响到 室内负荷的情况。 通过空气交换。通过门窗缝隙，室内外空气将有一定数量的交换，即空 气渗透。以及通过空调通风系统也会向房间送入或从房间排出一定数量的空气， 伴随室内外的空气交换，外界的热量或湿量将直接影响房间空气的负荷状况。 影响空调房间负荷状况的主要室外参数是空气温度、湿度和太阳辐射强 度。地面和大气的能量主要来源于太阳辐射，某地区逐时所获得的太阳辐射量 主要取决于太阳的高度。对于某地区来说，全年季节不同，一天内各时刻的太 阳高度角都不同，所获得的太阳辐射量也不同，因而地面温度和室外空气温度 也随之变化。白天，地面及地面建筑物等吸收太阳辐射波，然后，再以对流换 热等形式将热量传给大气，使气温升高；夜间，地面不但得不到太阳辐射热， 还要以长波辐射形式向天空放出热量，周围气温也随之下降。气温变化体现在 气温日变化周期性，以及气温季节性变化的周期性。对于南京地区而言，最热 的月份一般在7 8 月份，最冷月份一般在1 月份左右。图3 3 给出了根据南 京逐时气象参数统计值所绘出的气温、湿度变化曲线图。 第三章多- y - j , l 分区调节的原则及一般方法 3 0 2 5 笳 p1 5 1 0 5 o l2345辱 7 891 0l l1 2 胄 2 s 期 l s 1 0 se 圈 l = = ：置毯互露蠢l 0 图3 - 3 南京全年空气温度、湿度变化曲线 f i g 3 - 3v a r i a t i o nc u r v eo f n a n j i n ga n n u a la i rt e m p e r a t u r ea n dm o i s t u r e 室外空气随着季节的不同不断变化，由此带来室内负荷也不断变化。对于空 气调节系统的负荷计算，一般分两种方法： 一种是各类简化计算方法，如度日法、扩大度日法等等，此种方法为当前实 际工程设计中经常采用的方法。因为作为设计来说，需要根据负荷计算结果来选 择和配置空气调节处理设备的容量大小。此种方法一般采用保证率法计算室内负 荷，具有计算简便、所选设备容量足够大，较为保险等优点。 另外一种负荷计算方法为长期负荷特性计算法。长期负荷计算是根据某地区 一年，甚至多年的每一时刻室外气象参数，计算出每一气象参数所对应的建筑物 室内负荷。此方法较为长期负荷计算是分析建筑物能耗以及研究建筑围护结构最 佳热工特性，空调系统最佳方案等必需进行的计算。随着国家能量消费日益增加， 迫切需要发展节能技术，越来越要求人们对建筑物的能量消耗能预先做出估计和 分析。对于本课题所研究的内容，亦需要依赖于此种计算分析方法对室内负荷进 行分析，为空调系统的多工况的区域划分打下基础。在计算机模拟技术快速发展 的今天，可运用有关软件，方便准确的计算模拟出不同室外参数情况下的室内负 荷情况。 ( 2 ) 夏季送风状态点分析 对于一般定风量系统，送风状态点与室内散热量、散湿量和送风温差有关。 尽管室内负荷受到室内热源和围护结构负荷量方面影响，但多工况分区的目的是 为了解决室外状态变化对空调系统的干扰，而室内热源的干扰通过调节热湿处理 设备的容量即可解决，另外对于民用舒适性用途的空调系统来说，该类建筑室内 无大型设备，人员流动性较小，热负荷波动亦较小，故在分析室外空气状态与送 硕士学位论文 风状态的关系时，假定室内热负荷与湿负荷不变，室内负荷的变化都是由围护结 构引起的。从而，基于以上负荷分析理论基础，结合当地全年逐时、日、月室外 气象条件参数，通过借助计算机辅助模拟技术，就可对分析外扰、内扰对建筑物 室内负荷的分析，并较为准确的计算出建筑物室内全年负荷。又由于所研究空调 n 系统为送风量全年不变的定风量系统，由公式江k