压力无关型VAV末端变风量空调系统水力特性研究优秀毕业论文.pdf

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 engineering hydraulic characteristics of vav air conditioning system with pressure independent terminals candidate supervisor academic degree applied for speciality affiliation date of defence degree conferring institution peng honglian prof zhang jili master of engineering heating gas supplying ventilating fluid network graphy hydraulic characteristics abstract i interaction regulation strategy 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ii 目录目录 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 目录 iii 第 4 章 单末端阀门调节下vav系统水力特性分析 46 4 1 最不利末端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v102 v111 调节 86 5 1 2 末端vrh112 vrh121 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 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iv 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理 114 致谢 115 第 1 章 绪论 1 第第1章 绪论章 绪论 1 1 课题背景课题背景 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 每年竣工建筑面积约为 20 亿m2 其中公共建筑约有 4 亿m2 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 耗特别高 采暖空调节能潜力也最大 1 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 日本的 7 2 倍 1f2 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 年世界能源的 80 将由中国消耗 2f3 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 的总量将持续保持在 10 亿m2 年左右 到 2020 年 新增城镇民用建筑面积 将为 100 150 亿m2 由于人民生活水平提高 采暖需求线不断南移 新建 建筑中将有 70 亿m2以上需要采暖 10 亿m2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 4000 4500 亿 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 kw h 年用电量 这将成为对我国能源供应的巨大压力 4 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 4000 4500 亿 kw h 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 1100 1300 亿 kw h 年 所节约的燃煤量约为我国目前煤炭总产量的 10 所节约的电力约为三峡全面建成后年发电总量的 4 倍 4 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最重要的措施 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 20 以上 其中单位面积耗电量更是普通民宅的 5 15 倍 5 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 面积年均耗电量是普通住宅的 10 15 倍 6 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 10 20 倍 是欧 洲 日本等发达国家同类建筑的 1 5 2 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 表 1 1 各类公共建筑耗能系统能耗比例 7 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 宾馆 46 1 13 5 31 9 4 商场 40 5 33 7 10 7 15 1 办公楼 49 7 33 3 2 7 17 医院 30 3 13 9 41 8 14 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 第 1 章 绪论 3 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 空调系统的主流 并在其它国家也得到应用 8 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 最后又改为普通的 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 其中最大的原因 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 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 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 业主很难再投资进行改造 干脆放弃不用 9 10 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 最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 第 1 章 绪论 5 1 3 1 vav 系统控制研究进展系统控制研究进展 1 3 1 1 vav 系统控制方法概述系统控制方法概述 vav 空调系统的控制方法发展经历了以下 4 个阶段 11 30 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 达不到最 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 最小静压法 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 压使最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 trav terminal 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 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 6 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最 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 较定静压控制好 较变静压控制差 31 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最佳需求风量值和实时运行风量值 计算出变风量系统 实时最佳需求风量和实时运行总风量 从而实现总风量控制 31 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 控制法 均为上海大智科技的专利技术 31 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最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最优的 即不可能都达到最小静压状态 同时对于权重 的选择要认真选取才能达到较好的控制效果 32 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 制方法 integrated damper and pressure reset idpr 34 feder spiel 等人发展 了传统的变静压控制法 提出了 inctetm 的 sav static pressure adjustment from volume flow 静压控制 35 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 第 1 章 绪论 7 变风量热力装置的运行情况来控制风道静压的策略 36 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 耦合是造成系统不稳定的主要根源 8 并且在文献 37 39 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 环节存在着一定的耦合特性 系统本身含有不稳定因素 40 1 3 2 流体管网水力分析方法概述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 收敛速度快 41 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 资用动力的方法 42 天津大学张立勇利用流体网络及网络图论的有关定理 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 8 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 制出基本回路法 mkp 程序 43 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 计算的工作量 提高了计算精度 44 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 计算工作量 提高了计算精度 45 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 与 hardy cross 法的计算结果进行了对比 46 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 损失 提高变风量系统的调节性能 48 1 3 2 2 基于流体网络基本方程的基于流体网络基本方程的 vav 系统水力稳定性分析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 第 1 章 绪论 9 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 使得最终的结果要比该文献中得到的公式 更复杂些 49 2005 年 李彬 肖勇全等应用上述方法对变风量空调水系统 的稳定性做了理论分析和实验研究 50 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最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 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 10 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 最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 最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 第 2 章 vav 空调系统各部件阻力特性数学建模 11 第第2章 章 vav 空调系统各部件阻力特性数学建模空调系统各部件阻力特性数学建模 2 1 研究对象介绍研究对象介绍 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 367 482ft2 平方英尺 3 41 万 m2 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 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 12 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机组及风机盘管之间循环 能源管 理和控制系统采用直接数字式控制系统 ddc 所有的泵 阀门 空调机 组 风机盘管 末端 box 均由局部 ddc 控制器控制 其中 7 个为霍尼韦尔 xl100cu 系列控制器 4 个为 xl50 系列控制器 区域管理器为单冷 再热 末端服务 c bus 采用的是霍尼韦尔 xbs 系统 用于局部控制器和建筑管 理控制系统之间的通讯 该酒店一周 7 天全天 24 小时营业 各个空调机组 根据技术人员设定的作息时间表运行 本文所选的系统是 ahu 1 的 vav 空调系统 ahu 1 采用的是麦克维 尔公司的 cah030fdac 型号的空调机组 服务于一层的办公室 健身房 桑拿室等 该机组放置在空调机房 1102 室内 其结构见图 2 2 送风机型 号为 draw thru af21 56 的翼截式离心风机 其设计风量为 15000cfm 立 方英寸每分 7 08m3 s 设计风机压头为 3 83inw 英寸水柱 954 34pa 电机 100 转速为 1750rpm 此时电机功率为 20hp 14 92kw 风机转速为 2231rpm 风机带有变频器 vfd 以进行其转速 的调节 回风机设计风量为 13500cfm 6 372m3 s 本文拟采用与送风机 同型号的变频风机作为回风机进行研究 图 2 2 ahu 1 的结构 fig 2 2 configuration of ahu 1 第 2 章 vav 空调系统各部件阻力特性数学建模 13 新风口 12 07 12 05 12 08 12 09 12 11 12 12 12 06 12 10 11 88 11 89 11 79 11 80 11 82 11 90 11 91 11 77 11 76 11 75 11 72 11 71 11 83 11 92 1 19 3 11 95 11 84 11 85 11 96 11 87 11 81 12 13 11 94 11 97 12 01 12 01 11 98 12 00 12 02 12 04 12 20 12 14 12 15 12 47 12 51 12 50 12 54 12 35 12 44 12 40 12 41 12 60 12 72 11 25 11 14 11 10 11 05 11 06 11 07 11 09 11 03 11 17 11 15 11 02 12 37 11 18 12 70 12 65 12 66 12 67 12 68 12 63 12 62 12 39 12 42 12 69 12 33 12 32 12 34 12 26 12 28 12 34 12 29 12 31 12 24 12 04 vrh123 v122 v 1 1 7 vrh121 vrh120 vrh119vrh118 vrh116 vrh115 vrh114 vrh113 vrh112 v 1 1 0 v 1 1 1 v 1 0 9 v 1 0 6 v 1 0 8 v 1 0 4 v 1 0 5 v 1 0 7 v 1 0 1 v 1 0 2 v 1 0 3 ahu 1 e1 e2e3 e4 e5 e6 e7 e8 e9 e10 e11 e12 e13 e14 e15 e16 e17 e18 e19 e20 e21 e22 e23 e24 e25 e26 e27 e28e29 e30 e31 e32 e33 e34 e35 e36 e37 e38 e39 e40 e41 e42 图 2 3 vav 送风平面图 fig 2 3 the air supply plan of vav system 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 14 12 50 回风机 新风口 ahu 1 12 04 12 24 12 31 12 29 12 34 12 28 12 26 12 34 12 32 12 33 12 69 12 42 12 39 12 6212 63 12 68 12 67 12 66 12 65 12 70 11 18 12 37 11 02 11 1511 17 11 03 11 09 11 07 11 06 11 05 11 10 11 14 11 25 12 72 12 60 12 41 12 40 12 44 12 35 12 54 12 51 12 47 12 15 12 14 12 20 12 04 12 02 12 00 11 98 1201s 1201n 11 97 11 94 12 13 11 81 11 87 11 96 11 85 11 84 11 95 1 19 3 11 92 11 83 11 71 11 72 11 75 11 76 11 77 11 91 11 90 11 82 11 80 11 79 11 89 11 88 12 10 12 06 12 12 12 11 12 09 12 08 12 05 12 07 图 2 4 vav 回风平面图 fig 2 4 the air return plan of vav system 第 2 章 vav 空调系统各部件阻力特性数学建模 15 表 2 1 末端基本情况 table 2 1 basic informations of vav boxes 末端编号 所辖房间 最大冷负 荷 kw 最大送风 量 cfm 最小送风 量 cfm 末端 所在 区域 末端型式所辖房间用途 vrh123 3 440 88 外区 热水再热办公室 v122 5 5 800 0 内区 单冷 办公室 vrh121 6 72 980 480 外区 热水再热卫生间 v117 7 82 1140 0 内区 单冷 餐厅 vrh120 6 72 980 480 外区 热水再热卫生间 vrh119 4 53 660 132 外区 热水再热办公室 vrh118 7 75 1130 565 外区 热水再热办公室 vrh116 10 98 1600 350 外区 热水再热洗衣间 vrh115 9 26 1350 270 外区 热水再热办公室 vrh114 7 51 1095 219 外区 热水再热会议室 vrh113 7 75 1130 565 外区 热水再热会议室 vrh112 10 33 1505 750 外区 热水再热会议室 v111 1 16 170 0 内区 单冷 办公室 v110 4 39 640 0 内区 单冷 办公室 v109 2 53 370 0 内区 单冷 办公室 v106 6 93 1010 0 内区 单冷 办公室 v104 10 64 1550 0 内区 单冷 健身房 v108 0 82 120 0 内区 单冷 办公室 v105 6 38 930 0 内区 单冷 桑拿按摩间 v107 1 71 250 0 内区 单冷 办公室 v102 4 4 640 0 内区 单冷 接待室 办公室 v103 2 68 390 0 内区 单冷 卫生间 健身房 v101 7 2 1050 0 内区 单冷 工作间 计算机 中心 图 2 3 图 2 4 为 ahu 1 系统的送 回风平面图 该系统共有 23 个末 端 各末端基本形式 其所负责房间的功能 设计冷负荷 最大 最小需求 风量见表 2 1 其中 13 个单冷末端 见图 2 5 10 个再热末端 见图 2 6 用 v 编号表示单冷末端 vrh 编号表示再热末端 单冷末端为内区服务 再 热末端为外区服务 由于内外区冷负荷具有不同的特点 所以内外区的末端装置的运行控制 模式也有所区别 内区单冷末端的运行方式如下 1 当需要供冷满负荷运 行时 末端装置按预先设定好的最大风量向房间送冷风 2 当房间冷负荷 减小 房间温度降低时 末端装置对送风量进行调节 减少冷风量 直至房 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 16 间温度降至或低于温度调节器的设定点时 冷风量减至最小值 51 其运行 控制示意图见图 2 7 图 2 5 内区单冷末端结构示意图 fig 2 5 configuration of single cooling vav box 房间温度上升 风量增加 最小风量 或为0 最大风量 设定点 图 2 7 内区单冷末端运行控制示意图 fig 2 7 operation schematic diagram of single cooling vav box in the inner zone 图 2 6 外区再热末端结构示意图 fig 2 6 configuration of reheating vav box 设定点 最大风量 最小风量 风量增加 房间温度上升 热水再热盘管水阀 图 2 8 外区再热末端运行控制示意图 fig 2 8 operation schematic diagram of reheating vav box in the outer zone 外区采用的再热型的单风道末端装置 其就是在单冷末端的后部加了一 个热水再热盘管 它的运行方式如下 1 当房间需要供冷满负荷运行时 末端装置向房间输送预先设定的最大冷风量 2 当房间温度降低时 调节 风阀 减少送风量 直至房间温度到达温度调节器的设定点时 冷风量减至 最小值 3 若房间温度进一步降低 则要打开热水再热盘管的水阀 将这 最小的冷风量进行再热 51 其运行控制示意图见图 2 8 对于 ahu 1 的回风系统 本文为了计算的方便 对其进行了简化 具体 见后文 3 2 1 简化后的回风平面图见图 2 9 第 2 章 vav 空调系统各部件阻力特性数学建模 17 11 18 12 70 12 65 12 66 12 67 12 68 12 63 12 62 12 39 12 42 12 69 12 33 12 32 12 34 12 26 12 28 12 34 12 29 12 31 12 24 12 04 ahu 1 新风口 回风机 12 50 e76 e77 e71 e75 e70 e74 e69 e68 e72 e73 e66 e67 e72 12 07 12 05 12 08 12 09 12 11 12 12 12 06 12 10 11 88 11 89 11 79 11 80 11 82 11 90 11 91 11 77 11 76 11 75 11 72 11 71 11 83 11 92 1 19 3 11 95 11 84 11 85 11 96 11 87 11 81 12 13 11 94 11 97 1201n 1201s 11 98 12 00 12 02 12 04 12 20 12 14 12 15 12 47 12 51 12 54 12 35 12 44 12 40 12 41 12 60 12 72 11 25 11 14 11 10 11 05 11 06 11 07 11 09 11 03 11 17 11 15 11 02 12 37 图 2 9 简化后的 vav 回风平面图 fig 2 9 the air return simplied plan of vav system 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 18 2 2 vav 系统各部件阻力特性的数学模型系统各部件阻力特性的数学模型 变风量空调系统可以分为送风子系统 回风子系统 新风子系统 空气 处理子系统以及末端子系统 空调房间等小系统 送风子系统由送风机 送 风主干管 送风支管及管道上的阀门组成 回风子系统由回风口 回风主干 管 回风支管 回风机及回风管道上的阀门组成 新风系统由新风口 新风 管段及新风阀组成 空气处理子系统则由冷热盘管 过滤器 加湿器等部件 组成 末端系统包括末端装置 散流器及连接末端装置与散流器的软管 由 此可见 一个完整的变风量系统是一个很复杂的系统 由于本文主要研究空 调系统内的压力 流量特性 暂不考虑系统的热力特性 送风温度视为一不 变的定值 因此本文主要进行如下的几个建模 1 风机模型 2 末端模 型 3 风道管网模型 4 空调房间模型 为了简化起见 作如下假设 1 系统简化成绝热系统 不考虑通过管壁和设备的热损失 2 管道空气的泄漏或渗透