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压力无关型VAV末端变风量空调系统水力特性研究 工学硕士学位论文压力无关型 VAV 末端变风量空调系统 水力特性研究HYDRAULIC CHARACTERISTICS OF VAV AIR-CONDITIONING SYSTEM WITH PRESSURE-INDEPENDENT TERMINALS彭红莲哈尔滨工业大学 2008年 6月 国内图书分类号:TK321 国际图书分类号:628.8工学硕士学位论文压力无关型 VAV 末端变风量空调系统 水力特性研究硕 士 研究生:彭红莲 导 师:张吉礼 教授 申 请 学 位:工学硕士 学 科、专 业:供热、供燃气、通风及空调工程 所 在 单 位:市政环境工程学院 答 辩 日 期:2008 年 6 月 授予学位单位:哈尔滨工业大学 Classified Index: TK321 U.D.C: 628.8 Dissertation for the Master Degree of EngineeringHYDRAULIC CHARACTERISTICS OF VAV AIR-CONDITIONING SYSTEM WITH PRESSURE-INDEPENDENT TERMINALSCandidate: Peng Honglian Supervisor: Prof. Zhang Jili Academic Degree Applied for: Master of Engineering Speciality: Heating, Gas Supplying, Ventilating&Air-Conditioning Engineering Affiliation: School of Municipal and Environmental Engineering Date of Defence: June, 2008 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology 摘要 摘要变风量空调系统作为一种新型的空调技术,由于其具有高效、节能等优点,在工程上有很广的应用前景。为精确控制风量,目前在变风量空调系统的控制理论和控制实现上已做了大量研究,在传统的 PID 控制上引入了模糊控制、神经网络控制等等。然而,在变风量空调系统内部水力特性?压力、流量的分布及其随运行工况的改变而波动?方面的研究却比较少,相关文献寥寥无几。因此,本文以一个实际的变风量空调系统为背景,对其内部的水力特性进行研究,提出了一种可行有效的控制策略。 本文首先运用图论和流体网络的相关知识,将该变风量空调系统抽象成一个流体网络图,建立了流体管网数学模型。利用 MATLAB 语言编制的程序搭建了管网水力计算平台,以此为基础可对管网进行任意工况下的水力分析。 其次,通过调节单个末端装置的阀位角来改变系统的运行工况,计算了在所调节的末端不同阀位角下系统内部的压力、流量的分布;分析讨论了单个末端装置的阀位调节所带来的系统流量的波动;界定了所调节末端对系统的影响范围;并对不同位置的末端装置对系统的影响作了比较,得出了它们对系统的影响规律。 昀后,计算了在两种调节方案下,以 某个末端装置关闭为激励,系统所作出的响应以及系统在响应过程中其内部压力、流量的变化情况;对比了两种调节方案的优劣,昀后给出了 较优调节方案的调节策略。关键词 变风量空调;流体网络图;水力特性;相互影响;调节策略 - I - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 AbstractVAV system has been introduced as an attractive option for a wide variety of advanced air conditioning technology, due to high efficiency and energy savingIn order to accurately control variable air volume, there has been much investigation on control theory and realization of VAV, such as fuzzy control and neural network control on the basis of classical PID control. However, there is little research on internal hydraulic characteristics of VAV systems available in the literature, such as distribution of pressure and flow and their fluctuations on the changing working conditions. Therefore, in the present work, a feasible and effective control strategy is proposed on the basis of the investigation on internal hydraulic characteristics of VAV systems with a practical VAV project as the research backgroundIn this work, on the basis of related theory of Graph and Fluid Network, the practical VAV system was abstracted as a fluid network graph, Mathematical modeling of VAV pipe-net system was proposed, and the platform for hydraulic calculation with the function of analyzing the hydraulic characteristics of the VAV system under any working condition was put up using MATLAB programMeanwhile, the VAV systems working condition was changed to study the dynamic characteristic by modulating the valve of a VAV box. In this study, the internal distribution of pressure and flow of the system under variable valve positions was proposed, the flow fluctuation due to the modulation of the valve was analyzed and discussed, and the influence scope was specified. And the influence law of VAV boxes in different positions of the system was also gained by comparing them with each otherFurthermore, according to two different regulation schemes, how the system responses and whatthe distribution of pressure and flow were analyzed by using a VAV box valve closing as an excitation. And finally a better regulation strategy was presented by evaluating and comparing the two schemes control effectsKeywords variable air volume; fluid network graphy; hydraulic characteristics;- II - Abstract interaction; regulation strategy - I - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目录 摘要I Abstract.II第 1 章 绪论1 1.1 课题背景. 1 1.2 课题的提出及意义 4 1.3 国内外研究现状. 4 1.3.1 VAV系统控制研究进展5 1.3.2 流体管网水力分析方法概述. 7 1.4 课题来源及主要研究内容 9 第 2 章 VAV空调系统各部件阻力特性数学建模11 2.1 研究对象介绍.11 2.2 VAV系统各部件阻力特性的数学模型. 18 2.3 VAV末端装置建模18 2.4 送、回风机建模21 2.5 风管建模. 24 2.5.1 摩擦阻力损失元件模型. 24 2.5.2 局部阻力损失元件模型. 25 2.6 空调房间建模 30 2.7 本章小结. 30 第 3 章 基于图论的VAV空调系统管网数学建模31 3.1 图论基本理论介绍及其在流体管路中的应用 31 3.1.1 图论的基本概念. 32 3.1.2 流体网络基本方程 36 3.2 基于流体网络基本方程的VAV空调系统管网数学模型的建立 37 3.2.1 系统的网络图余枝、树枝、环路. 37 3.2.2 基本关联矩阵与基本回路矩阵的MATLAB程序. 41 3.2.3 整体计算的程序方框图. 42 3.3 试验工况下初始条件的确定 44 3.4 本章小结. 45 - - II目录 第 4 章 单末端阀门调节下VAV 系统水力特性分析. 46 4.1 昀不利末端 V106 的调节 46 4.1.1 V106 所在支路的阻抗、压力及流量变化 46 4.1.2 V106 所引起的其它支路的流量变化49 4.2 次不利末端V101 的调节 56 4.2.1 V101 所在支路的阻抗、压力、流量变化 56 4.2.2 V101 所引起的其它支路的流量变化60 4.3 中部末端VRH113 的调节66 4.3.1 VRH113 所在支路的阻抗、压力、流量的变化 66 4.3.2 VRH113 所引起的其它支路的流量变化69 4.4 近端末端V122 的调节. 74 4.4.1 V122 所在支路的阻抗、压力及流量变化 74 4.4.2 V122 所引起其它支路的流量变化 77 4.5 管网不同位置的末端调节对系统影响的比较 82 4.6 本章小结. 84 第 5 章 整体调节过程中VAV 系统水力特性分析86 5.1 V101 关闭后只有末端box的调节86 5.1.1 末端V102V111 调节. 86 5.1.2 末端VRH112VRH121 调节 89 5.1.3 末端V122、VRH123 调节 92 5.2 V101 关闭后送、回风机与末端VAVbox都参与调节95 5.2.1 送、回风机的调节 95 5.2.2 末端V102、V106 的调节. 97 5.3 两种调节方案的比较. 100 5.3.1 从送风系统各末端支路流量变化的比较100 5.3.2 从送风系统压力、末端阀开度以及风机转速的比较 101 5.3.3 从房间压力的比较. 103 5.4 VAV空调系统调节策略的合理选择 104 5.5 本章小结106 结论 108 参考文献.110 哈尔滨工业大学硕士学位 论文原创性声明.114 哈尔滨工业大学硕士学位 论文使用授权书.114 - III - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学硕士 学位涉密论文管理.114 致谢.115 - - IV第1章 绪论 第1 章 绪论 1.1 课题背景 能源问题是关系到我国经济社会可持续发展的重大战略问题。中国能源的 30%都消耗在形形色色的建筑上,迫切需要推动建筑节能。根据“十一五”规划要求,建筑节能已经成为国内建设节约型社会和发展循环经济的重要内容。胡锦涛总书记指出:“要突出抓好节约能源、节约原材料和节约用水工作,大力发展循环经济”,要发展“节能节地型建筑”;温家宝总理也强调“要坚决贯彻节约优先的原则,把节能、节水、节地作为可持续发展的大政策”,并多次批示、关注建筑领域的节能问题。这充分表明建筑节能已经得到了党中央、国务院的高度重视。今后的 10 年是我国城市建设关键的 10年,发展建筑节能是实现我国可持续发展的城市化进程中关键性一环。 我国建筑用能已超过全国能源消耗总量的 1/4,并将随着人民生活水平的提高逐步增加到 1/3 以上。公共建筑用能数量巨大,浪费严重。目前中国2 2每年竣工建筑面积约为 20 亿m ,其中公共建筑约有 4 亿m 。在公共建筑中,尤以办公建筑、大中型商场,以及高档旅馆饭店等几类建筑,在建筑的标准、功能及设置全年空调采暖系统等方面有许多共性,而且其采暖空调能 1耗特别高,采暖空调节能潜力也昀大 。 目前,国内所有大城市中的新建建筑,符合节能规范的只有10%15%。能源利用效率目前仅为 33%,比发达国家落后 20 年,相差10%;能源消费强度大大高于发达国家及世界平均水平,约为美国的 3 倍、 21F日本的 7.2 倍 。在 2004 年第十四届炎热和潮湿气候下建筑物系统优化国际会议上,世界能源专家做出预测:中国的能源情况如不加改善,则 2025 32F年世界能源的 80%将由中国消耗 。因此,我国面临严峻的节能形势。 目前我国正处在城市化高速发展的过程中。为适应城镇人口飞速增加的需求和继续改善人民生活水平的需要,在 2020 年前我国每年城镇新建建筑2的总量将持续保持在 10 亿m /年左右,到 2020 年,新增城镇民用建筑面积2将为 100150 亿m 。由于人民生活水平提高,采暖需求线不断南移,新建2 2建筑中将有 70 亿m 以上需要采暖,10 亿m 左右为大型公建,按照目前建筑能耗水平,则需要增加 1.4 亿吨标煤/年用于采暖,增加 40004500 亿- 1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4kWh/年用电量。这将成为对我国能源供应的巨大压力 。 当没有采取有效的建筑节能措施,基本维持目前建筑能耗水平时,与目前能耗总量相比,到 2020 年,我国需要新增采暖用煤 1.4 亿吨/年,新增建筑用电 40004500 亿 kWh/年。而采取有效的节能措施后,有可能在同样的新增建筑量的条件下,基本不增加采暖煤耗,建筑用电总量仅增加11001300 亿 kWh/年。所节约的燃煤量约为我国目前煤炭总产量的 10%,4所节约的电力约为三峡全面建成后年发电总量的 4 倍 。因此,建筑节能应是解决我国经济和社会发展与能源供应不足这一矛盾的昀重要的措施。 清华大学建筑节能研究中心的研究报告显示,我国 2 万平米以上的大型公共建筑面积占城镇建筑面积的比例不到 4%,但是能耗却占到建筑能耗 520%以上,其中单位面积耗电量更是普通民宅的 515 倍 。据调查,北京全市的宾馆、饭店、商厦、写字楼等大型公共建筑面积仅占民用建筑的5.4%,但全年耗电量却高达 33 亿度,接近全市居民生活用电的一半,单位 6面积年均耗电量是普通住宅的 1015 倍 。这是一组沉甸甸的数字。说明大型公共建能源浪费巨大,节能潜力也很大。 随着我国经济的发展,国家机关办公建筑和大型公共建筑高耗能的问题日益突出。据统计,国家机关办公建筑和大型公共建筑年耗电量约占全国城镇总耗电量的 22%,每平方米年耗电量是普通居民住宅的 1020 倍,是欧洲、日本等发达国家同类建筑的 1.52 倍,做好国家机关办公建筑和大型公共建筑的节能管理工作,对实现“十一五”建筑节能规划目标具有重要意义。 7 表 1-1 各类公共建筑耗能系统能耗比例Table 1-1 Energy consumption rate of several kinds of public buildings 建筑类型 空调 照明 供热水 其它动力 46.1% 13.5% 31% 9.4% 宾馆 40.5% 33.7% 10.7% 15.1% 商场 49.7% 33.3% 2.7% 17% 办公楼 30.3% 13.9% 41.8% 14% 医院 在公共建筑特别是大型商场、高档旅馆酒店、高档办公楼等的全年能耗中,大约 50%60%消耗于空调制冷与采暖系统,20%30%用于照明。各类建筑耗能系统能耗比例如表 1-1 所示。可见,空调系统是建筑内部的主要耗能系统之一。空调系统节能成为了国内外学者关注的要点。变风量系统variable air volume system本世纪 60 年代诞生在美国。变风量技术的基本原理很简单,就是通过改变送入房间的风量来满足室内负荷的变化。由于空- 2 - 第1章 绪论 调系统大部分时间在部分负荷下运行,所以,风量的减少带来了风机能耗的降低。变风量系统出现后并没有得到迅速推广,当时美国占主导地位的仍是定风量系统加末端再热和双风道系统。西方 70 年代爆发的石油危机促使变风量系统在美国得到广泛应用,并在其后 20 年中不断发展,已经成为美国 8空调系统的主流,并在其它国家也得到应用 。我国在 80 年代初曾经引进过变风量系统,但由于对系统性能不够了解,致使系统不能按设计要求运行,一时间变风量系统的应用和研究停顿了下来,近来工程师又把目光转向了变风量系统。 变风量系统有如下优点: 1由于变风量系统通过调节送入房间的风量来适应负荷的变化,同时在确定系统总风量时还可以考虑一定的同时使用情况,所以能够节约风机运行能耗和减少风机装机容量; 2系统的灵活性较好,易于改、扩建,尤其适用于格局多变的建筑; 3变风量系统属于全空气系统,它具有全空气系统的一些优点,可以利用新风消除室内负荷,没有风机盘管凝水问题和霉变问题。 虽然变风量系统有很多优点,但是据国外文献介绍,大部分变风量系统或多或少地也暴露出一些问题,主要有: 1控制系统控制效果较差,节能效果较差,甚至转为定风量系统运行; 2缺少新风,室内人员感到憋闷; 3房间内正压或负压过大导致房门开启困难; 4室内噪声偏大; 5系统运行不稳定,尤其是带“经济器循环economizer cycle”的系统; 6系统的初投资比较大; 7对于室内湿负荷变化较大的场合,如果采用室温控制而又没有末端再热装置,往往很难保证室内湿度要求。 国内 VAV系统使用情况不容乐观,这些建筑的 VAV空调系统投入运行后,存在问题较多,以致系统不能正常运行,重新改造,昀后又改为普通的空调系统。主要表现为自控系统与空调系统不匹配,调试不成功;设置参数不稳定,风量不平衡;空气品质和舒适感达不到设计要求。其中昀大的原因是控制系统的问题,控制过于复杂,不但要求设计人员既懂空调专业又懂自控专业,而且要求施工和管理人员也要懂空调和自控,脱离了中国的实际。- 3 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 在国内VAV控制系统一般是由自控公司施工,空调系统由安装公司承担,各负责一块,导致调试困难,互相推诿;其次,变风量空调系统管道千变万化,自控公司无法提供一个在工厂编制好的通用软件,需要调试人员现场编程,现场调试,难度很大;其三,VAV末端设备、变频器和控制设备由不同厂家生产提供,没有统一的协议,设备之间无法协调一致,进一步使调试复杂化;其四,变风量理论有待完善,由于变风量空调系统存在很多不确定因素,需反复调试方能运行;其五,由于季节的变化,VAV空调系统需进行多次调试;其六,使用单位无专业自控、空调技术人员专门管理,出现故障无法排除;其七,VAV系统末端装置和控制系统价格昂贵,一旦出现问题, 9,10业主很难再投资进行改造,干脆放弃不用 。因此,VAV空调系统其控制方法的选择尤为重要,其不但与系统初投资的数额有关,而且对系统运行的可靠性、经济性有很大的影响。 1.2 课题的提出及意义 前面提到国外文献指出大部分变风量空调系统有控制效果差、新风不足、房间正压度难以保证、噪声“令人厌恶”、运行不稳定等缺点。国内的变风量空调系统也不例外存在上述问题,除此之外,由于中国的实际国情是懂空调的人不懂自控,懂自控的人不懂空调,造成空调与自控分家,使得空调系统与自控系统不匹配、调试不成功的问题尤为突出,导致需要高度自控水平的变风量空调系统在中国的应用和推广举步维艰。 变风量空调系统由于其风量随负荷的变化而变化,在实际运行中,具有强动态的特性,使得各个末端控制、风机控制等控制环路发生强烈的干扰,导致系统不稳定,进而出现上述的一系列问题。因此,很有必要对系统运行工况下的水力特性进行深入分析,找出变风量系统在部分负荷下运行调节时空气流量的变化是怎样与各个控制环路联系起来从而导致强烈的相互干扰和可能的不稳定性,昀后找出 减小系统各控制环路相互影响的措施。这对变风量空调系统、自控系统的设计与调试都有很重要的意义。 1.3 国内外研究现状 国内外从各个角度对变风量空调系统做了大量研究,与变风量空调系统有关的文献非常多,下面主要就本文涉及到的方面的研究进展作一个综述。 - 4 - 第1章 绪论 1.3.1 VAV 系统控制研究进展 1.3.1.1 VAV 系统控制方法概述 1130VAV 空调系统的控制方法发展经历了以下 4 个阶段 : 第一阶段,定静压定温度法,80 年代开发。其控制对象是机械式 VAV末端,控制简单,但节能效率差,控制精度低,噪声偏高,目前该控制方法已基本不被采用。 第二阶段,定静压变温度法Constant Pressure Variable Temperature,简称 CPT 法,也称定静压法,于 90 年代前期开发。该控制方法根据风道的静压控制风机的转速或入口导叶的角度以保持风道内静压恒定。但实际上仅能保持安装静压传感器处的静压恒定。而且该控制方式本身使得系统送风量由某点静压值来控制,不可避免会使风机在部分负荷时转速过高,达不到昀佳节能效果。 第三阶段,变静压变温度法Variable Pressure Variable Temperature,简称 VPT 法,也称变静压法、昀小静压法 ,于 90 年代后期开发。该控制方法是根据变风量末端变风量箱的阀门开度来调节风机转速以保证风道内的静压使昀大开度的变风量末端 风阀接近全开位置。该控制方法只知道风机转速变化的方向,而不知道具体目标值,因而无法迅速改变风机转速以追随风阀开度的变化,同时这种方法要求末端风阀开度必须可测,加大了末端装置的建设成本。且该控制算法复杂,实现较为困难,尤其是控制公司的产品基本上都不提供变静压的控制算法,需要控制人员现场编程、调试,工作量太大。且以上方法均基于压力控制环节,从根本上就存在着控制的不稳定性。 第四阶段,1998 年提出了风机总风量控制方法。根据压力无关型 VAV末端装置设定的风量,确定系统的总风量,计算出风机转速从而对风机进行调节。总风量控制方式在控制特点上是直接根据设定风量计算出要求的风机转速,具有某种程度上的前馈控制含义,是一种间接根据房间温度偏差来控制转速的风机控制方法。该控制方法对末端的控制性能要求很高。而TRAVterminal regulated air volume system也是一种风量控制方法,该方法基本原理是,将末端装置送风温度、温控器读数、风量及阀位信号都送入一个中央控制器,由它来统一计算后再调节送风状态点送风机工况点以及表冷器后送风温度。但该控制方法需要解决送风状态点的预测和所需送风状态的实现这两个关键问题。 近年来,随着计算机技术和网络通信技术的发展,很多学者在上述传统- 5 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的定静压、变静压、总风量控制方法上做了改进和优化,涌现了很多新的控制方法: 单一总风量控制法,即比率法,根据变风量末端所测风量之和与设计昀大风量之比来确定某时刻送风机变频器的频率。该方法精度不高,节能效果31较定静压控制好,较变静压控制差 。 双重总风量控制法,即步长法与内插法。是上海大智科技的专利技术,根据计算出来的实时昀佳需 求风量值和实时运行风量值,计算出变风量系统31实时昀佳需求风量和实时运行总 风量,从而实现总风量控制 。 复合控制法,即包括定静压与总风量双重控制法、变静压与总风量双重31控制法,均为上海大智科技的专利技术 。 2006 年,严迪新、周虹提出了用加权流量法控制风机的思路和方法,通过模拟表明加权流量法的误差比总流量法更稳定且具有规律性,但因为该方法采用了单变量函数代替昀小静压计算法中的多变量 函数,故该方法不可能在各种情况下都是昀优的 ,即不可能都达到昀小静压 状态,同时对于权重32的选择要认真选取才能达到较好的控制效果 。 2007 年,李春旺等针对压力无关型变风量空调系统提出按需供冷控制原理和末段调节的控制策略,即在满足用户对冷量需求的条件下,对供冷设备实行节能控制,控制系统利用网络控制技术,对末段设备、冷水用户和冷源进行监控,并采用美国奥莱斯公司的控制模块库进行了控制系统的编制33。 此外,Liu Mingsheng 等人提出了将阀门控制和变静压控制相结合的控34制方法integrated damper and pressure reset, IDPR ;Feder spiel 等人发展了传统的变静压控制法,提出了 InCTeTM 的 SAVstatic pressure adjustment 35from volume flow静压控制 ,指出该控制方式节能性很好,而且不会影响房间的热舒适性和室内空气质量。 1.3.1.2 VAV 空调系统的稳定性以及控制回路之间的耦合性研究 VAV 空调系统是一个干扰大、高度非线性、强耦合的不确定性系统。一个典型的变风量空调系统应包括房间温度控制、送风量控制、送回风风量匹配控制、新排风风量控制和送风温度控制 5 个控制回路。早在 1988 年,香港大学工学院建筑服务部主任 Alan Dunn 博士就通过举例的方法,论述了变风量系统在部分负荷下运行时空气流量的变化将各个控制环路联系起来从而导致强烈的相互干扰和可能的不稳定性。从能耗、热力性能、声学性能和系统的稳定性的角度论述了静压控制的不良后果,介绍了一种通过直接感测- 6 - 第1章 绪论 36变风量热力装置的运行情况来控制风道静压的策略 。 1997 年,孙宁,李吉生,彦启森等指出了 VAV 空调系统各个控制回路中在设计中现存的问题,将系统控制稳定性问题提了出来,指出在实际工程中,每个控制环路单独工作都正常,但当几个控制系统都工作时,整个系统就会出现不稳定,其重要原因为变风量系统本身的强动态特性、空调系统中的非线性环节以及多个反馈控制环路之间的耦合,其中多个控制回路之间的8耦合是造成系统不稳定的主要根源 。并且在文献3739中利用相对增益的概念提出了定量计算变风量系统耦合程度的方法,采用正交试验法分析影响变风量系统耦合特性的因素,初步揭示了变风量系统的耦合机理,同时还探讨了实现系统稳定性的控制策略。1998 年,戴斌文等使用空调系统模拟软件 HVACSIM+,研究了变风量空调系统中风机的定静压、变静压控制方法,结果表明采用定静压的控制方法时,由于压力控制环节和末端流量控制40环节存在着一定的耦合特性,系统本身含有不稳定因素 。 1.3.2 流体管网水力分析方法概述 图论作为一门研究流体管网的得力工具,在暖通空调领域得到了广泛应用。很多学者纷纷利用这一工具进行燃气管网、供热管网、空调通风管网以及供水管网的水力计算和运行工况分析,推动了暖通空调行业的发展。 1.3.2.1 基于图论的流体管网水力计算 图论首先应用于供热管网的水力计算和工况分析。哈尔滨工业大学李祥立、邹平华等采用图论方法建立了枝状热网水力工况分析数学模型,指出该方法比管路串、并联方法更适合于计算机求解,除水力工况模拟外,还可以解决热用户限定质量流量时的压力校核问题。针对一般的枝状管网的回水管网对称的特点,对管网环路平差方法进行了简化,只需生成供水或回水管网的基本关联矩阵和搜索各热用户与热源之间的路径,而无须对包括供、回水管在内的管网生成树构建基本回路矩阵。该方法编程求解简单,方便实用,41收敛速度快 。重庆大学肖益民、付祥钊等在明确环状干线、输送干线和枝状支线的概念与水力计算次序的基础上,提出了拟定环状干线流向的原则和进行流量初始分配的方法,建立了环状干线水力平差的数学模型,定义了节点参考压力的概念,并推导出计算节点参考压力的方程组及其矩阵表达式。在此基础上,开发了环状干线水力平差计算程序,给出了计算枝状支线42资用动力的方法 。天津大学张立勇利用流体网络及网络图论的有关定理- 7 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 定律,建立供热管网水力工况的数学模型。接着对供热管网进行流体网络分析。通过供热管网水力工况的数学模型,分析和计算管网调节工程中系统流量、压力等参数的变化规律;运用基本回路分析法MKP,推导出供热管网任意管段的压降与该管段流量变化之间的关系;采用平方根法进行计算并编43制出基本回路法MKP程序 。井汇、张春玲等通过对现有供热管网水力仿真计算模型的分析,开发了一个图形化的枝状管网和水力仿真计算软件,建立起枝状管网数学模型,完成了图形化供热管网水力计算图形的识别工作,导出管网流量分配的矩阵方程式,确定了求解数学模型的算法,大大减少了44计算的工作量,提高了计算精度 。 环状管网是工程中常采用的供水形式之一,由于大型环状管网具有多连通性质,拓补关系复杂,加之管段水力计算的非线性,使得网管中管段计算的分配显得十分复杂和繁琐。1994 年,陈钢军把图论引入环状管网水力计算中,建立环状管网的图模型。利用图论的定义、表达式和若干重要结论,导出管网流量分配的矩阵方程式,并构造计算流量的迭代格式,大大减少了45计算工作量,提高了计算精度 。哈尔滨工业大学曹慧哲等指出多定压节点管网具有复杂的拓扑关系,可充分发挥图论的优势对其进行水力计算。通过引入虚节点和虚环的概念将多定压节点问题转化为单定压节点问题,对相关矩阵按照定压和非定压节点、虚管段和实际管段、树支和链支管段进行分块表示。推导出了采用链支流量矩阵进行管网水力计算的解析表达式,在此基础上得到了适于计算机求解的离散模型,同时将此方法应用于实际算例并46与 Hardy Cross 法的计算结果进行了对比 。 目前图论在空调系统中的应用还不是很多。程海峰、沈致和根据网络图论理论,给出了一种空调管网系统的数学模型及其算法。借助树枝管段和链支的概念,压缩了数学模型方程组的独立变量数,使模型的求解更加简洁。同时指出该模型可用于空调水系统、风系统的设计计算和动态工况分析47。清华大学夏春海、朱颖心提出了利用网络法计算求解变风量系统中环状风道的水力特性,构造了三通关联矩阵,以解决模拟计算中三通局部阻力系数的计算问题。在网络计算模型和算例分析的基础上,比较了环状风道和枝状风道在风量分配和阻力损失方面的区别,指出环状风道能通过调整分支风道风量分配自动实现不同支路的阻力平衡,从而降低整个风道系统的阻力48损失,提高变风量系统的调节性能 。 1.3.2.2 基于流体网络基本方程的 VAV 系统水力稳定性分析 任何一个流体网络可以用一个相应的图来表示,流体网络基本方程见- 8 - 第1章 绪论 3.1.2 节是根据电网络方程比拟而来的,由电网络中的基尔霍夫电流定律得出流体网络中的节点流量平衡方程:与任何节点关联的所有分支流量,其代数和等于该节点的流量。由电网络中的基尔霍夫电压定律得出流体网络中的回路压力平衡方程:沿任一独立回路各管段压力降的代数和为零。流体网络基本方程在流体管网中非常重要,前面所叙述的图论在流体管网水力计算中的应用是通过流体网络基本方程来实现的。此外,很多学者基于流体网络基本方程分析管网稳定性。 清华大学江亿在 1997 年根据流体网络基本方程给出了管网流量?阻抗增益即管网流量 G 对管网阻抗 S 的导数,在此基础上,推导了管网支路可调性的表达式,同时,提出了水力稳定性的概念以及定量计算的方法。并且指出该方法对于风系统同样适用,尤其是分析变风量系统的稳定性和空气处理室中风阀对新回风比的调节作用。而与水网不同的是,风系统中三通的局部阻力系数与三通处流量分配比有关,不能再按照常数来考虑。因此部分阻力系数 S 值将是风量 G 的函数,使得昀终的结果要 比该文献中得到的公式49更复杂些 。2005 年,李彬、肖勇全等应用上述方法对变风量空调水系统50的稳定性做了理论分析和实验研究 。在文献40中,戴斌文利用流体网络基本方程进行了变风量空调风系统的相对增益分析,得出风机的定静压控制环路与末端阀位调节有很大的耦合特性,在未加整定的情况下,两个控制环节一起工作时将可能出现振荡现象的结论。在文献39中,孙宁、李吉生等也同样根据流体网络基本方程给出了变风量空调系统的阻力系数?流量增益、阻力系数?压降增益、风机转速?压差增益、风机转速?流量增益、阻力系数?混风温度增益、风机转速?混风温度增益的表达式进而给出系统的总增益矩阵。指出相对增益所反映的是被控过程耦合的特性,与控制器和执行机构等无关。通过计算系统相对增益矩阵,可以确定控制过程中每个被调量相对每个调节量的响应特性,指出过程关联的程度以及回路的控制性能,并以此为依据确定系统的调节量和被调量的昀佳配对和 设计控制系统或调整空调系统设计。 1.4 课题来源及主要研究内容 本课题来源于国家自然科学基金?多级耦合空调系统规则聚类自组织模糊控制方法,项目批准号 50578049 和“十一五”国家科技支撑计划课题:大型公共建筑能量管理与节能诊断技术研究之子课题?公共建筑机电- 9 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 设备系统节能控制调节的设计、分析、实施与检验标准方法研究,子课题编号 2006BAJ01A09-04。 前面的论述指出我国面临严峻的能源危机,VAV 作为一种节能的空调技术,其应当在空调领域得以广泛的应用,然而国内 VAV 系统使用情况却不容乐观。为了在国内推广 VAV 的使用,学术界从 80 年代就开始对 VAV进行了研究,但研究着重控制策略和控制实现方面。VAV 空调系统是一个干扰大、高度非线性、强耦合的不确定性系统,由于其运行时风量的改变使得系统内部的水力特性也在变化。对运行工况下系统内部水力特性的认知、分析是研究控制方法的基础、检验控制效果的重要依据。而目前国内在VAV 水力特性方面的研究还比较少,相关文献寥寥无几。因此,本文旨在对变风量空调系统运行工况下的水力特性进行研究,找出系统各末端相互之间的影响规律,昀后希望能得出 一种减小末端相互影响的措施。 针对上述内容,拟采用以下研究方法和思路: 1将以一个实际的 VAV 系统为研究背景,基于该系统建立 VAV 各部件阻力特性的数学模型,编制计算各部件阻抗的 MATLAB 程序; 2运用图论基本知识,建立变风量空调系统的流体网络图,根据流体网络基本方程,建立基于该实际 VAV 系统的管网数学模型,编制计算整个管网流量、压力的 MATLAB 程序; 3计算并分析单个末端装置的阀位调节所带来的系统流量、压力的波动特性,并对系统典型位置的末端调节对系统流量、压力影响程度大小作比较,找出单个末端调节下系统压力、流量的变化规律; 4昀后计算并分析在某个末端调节后,系统其余末端和风机的响应以及在响应过程中系统压力、流量的变化情况,在此基础上找到一种减小末端相互影响的调节策略。 - 10 - 第2章 VAV空调系统各部件阻力特性数学建模 第2 章 VAV 空调系统各部件阻力特性数学建模 2.1 研究对象介绍 本文从奥马哈希尔顿酒店见图 2-1的空调系统中选取了一个典型的单风道多区域变风量空调系统作为研究对象。奥马哈希尔顿酒店建成于 2004年,位于美国内布拉斯加州奥马哈市 Cass 街 1001 号。总建筑面积为 2 2367 482ft 平方英尺?3.41 万 m ,共八层楼,一层主要是办公室、洗衣房、厨房、饭店、健身房以及大厅,二层为会议室,三至八层为客房。总共9 个空调机组(AHU)为整栋大楼提供经温湿度调节的空气。这些空调机组分为三类:5 个带单冷再热末端的变风量系统为会议室、饭店、大厅和办公室服务;2 个全新风变风量系统为洗衣房、厨房服务;2 个全新风定风量系统为客房服务,此外,这些客房还自带有风机盘管。9 个空调系统均为单风道系统。一、二层共有 123 个末端,均为压力无关型,这些末端分为单冷末端和再热末端两类。图 2-1 奥马哈希尔顿酒店 Fig. 2-1 The general picture of Hilton Omaha- 11 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 奥马哈希尔顿酒店空调系统所用的冷冻水和蒸汽由能源公司提供,两台带变频器的冷水泵直接为空调机组和风机盘管的冷水盘管提供冷冻水,两台变频热水泵使热水在蒸汽热交换器和空调