过渡季节VAV空调系统送风温度的优化控制策略.docx

过渡季节 VAV 空调系统送风温度的优化控制策略晋欣桥，柴小峰，杜志敏(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)摘 要：变风量空调系统中，如何在良好室内空气品质与节能之间进行权衡一直是研究的难点通过对多区域变风量空调及其控制系统进行分析研究，按照 ASHRAE 通风标准对新风量的要求，针对混和送风系统提出并在 Trnsys 仿真 平台上分析了送风温度优化控制方案在不同负荷条件下的控制效果研究结果表明，室外新风温度低于室内温度设定 值时，送风温度的设定值受到设计风量和运行时刻各个空调区域风阀开度大小的限制当过渡季节早晚的新风温度低 于室内设定温度的工况时，若将送风温度由 13 升高到 16 ，不但可以减少 2.8%的空调系统能耗，而且有助于改善 空气品质关键词：多区域；部分负荷；变风量系统；送风温度重设定；节能文章编号：0493-2137(2009)07-0586-05中图分类号：TU8文献标志码：AOptimal Control Strategy of Supply Air Temperature for VAV Air-Conditioning Systems Under Transition SeasonJIN Xin-qiao，CHAI Xiao-feng，DU Zhi-min(School of Mechanical and Power Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)Abstract：For variable air volume(VAV)systems，its a key issue to reduce the energy consumption while the indoor air qual-ity(IAQ)remains good. Based on the study of multi-zone building and VAV air-conditioning systems and the requirement of ASHRAE Standard，a supply air temperature(SAT)reset control strategy for the mixing systems was presented and evalu- ated. The performance of outdoor air distribution of multi-zone and energy consumption of systems while using this strategy was analyzed. The results show that SAT is limited by the design capacity of supply air and the damper positions of air condi- tioned zones. When the temperature of outdoor air is lower than the indoor setting value，the SAT-reset control strategy can save 2.8% of the daily energy consumption and improve the indoor air quality.Keywords：multi-zone；part-load；variable air volume(VAV) system；supply air temperature(SAT)reset；energy con- servation随着工业的进步和经济的发展，人们对工作和生活环境的要求也有很大的提高变风量(variable air volume，VAV)空调系统由于其具有追踪负荷的特点， 而且在低负荷下节能效果大大优于定风量(constant air volume，CAV)系统，因此它在大型商务楼等方面 的应用日益广泛不少研究者已经投入大量精力研究 VAV 空调系统的新风控制，期望能够找出一种最优的控制策略，使得在系统运行稳定、室内空气品质(indoor air quality，IAQ)符合 ASHRAE 标准的前提下尽可能节约能耗1-4 在我国，过渡季节的昼夜温差一般都波动较大，有必要对 VAV 系统的送风温度进行实时优化并重设 定送风温度重设定(supply air temperature reset， SAT-reset)是指在一定工况下提高系统送风的送风温 度，从而达到节能目的的一种控制策略从 2 个角度来看，提高送风温度是有利于系统节能的：一方面，收稿日期：2008-03-31；修回日期：2008-08-19.基金项目：中国博士后科学基金资助项目（20070410180）.作者简介：晋欣桥（1965），男，博士，教授，.xn.通讯作者：杜志敏，.2009 年 7 月晋欣桥等：过渡季节 VAV 空调系统送风温度的优化控制策略587提高送风温度后可以适当地提高空气处理单元(airhanding unit，AHU)的进口水温，有利于提高冷水机 组的性能系数(coefficient of performance，COP)5；另 一方面，过渡季节新风温度较低且持续时间长，可以使用全新风送风以减少 AHU 负荷，此时提高送风温 度将使得系统引入更多的新风，减少了 AH U 的能耗6送风温度的提高也不是没有限制的7一方面， 送风温度的升高受到送风管道设计容量的限制如果 某时刻送风流量已经达到了送风管道设计流量上限， 此时就不可以再升高送风温度，否则将导致空调系统 的控制恶化另一方面，针对 VAV 系统而言，送风温度的升高还受到运行时刻各个空调区域 VAV 末端风 阀开度的限制如果某时刻一空调区域的风阀已经开 到了最大(即已经达到了该区域的最大送风量)，此时 如果再增大送风温度 ，将导致该区域的温度失去 控制笔者在定工况条件下分析了送风温度优化控制 的节能效果、对系统的影响和其所受的限制，在此基础上，提出了一种可行的送风温度优化控制方案，并 进行仿真试验为了说明提高送风温度对系统能耗的影响，下面以实例来分析送风温度对系统的影响图 1 AHU 负荷与新风温度的线性关系Fig.1 Linear relationship between the AHU load and the outdoor air temperature1.1 新风温度低于室内温度设定值假设 toa18 ，tset24 系统处于稳定工况下，可以认为排风温度为 24 ，并且新风量与排风 量相等为保证各个区域的新风要求，采用最大新风比(新风量/送风量)控制策略(max Z)，即采用临界区域 (所需新风比最大的区域)所需的新风比进行送风8， 如图 2 所示图中：Foa 为区域所需的最小新风量， kg/s；Fsa 为区域所需的送风量，kg/s；Zn 为区域 n 的新 风比要求1几种稳定工况下的 SAT-reset 结果比较将 AHU 和空调区域看作一个温度保持在 tset(空调设定温度)的开口系统，系统本身有热源，即空调区 域的内部负荷 Qi(即所需移除的空调负荷)、系统流 入的能量(即新风)、流出的能量(即排风)和 AHU 负 荷 Qr(即 AHU 从系统中移除的热量)以 t 表示温 度，F 表示流量；并用下标“oa”代表新风，“ea”代表 排风，“ sa ”代表送风，“ set ”代 表空 调设定温 度在稳定工况下，Foa = Fea，tea = tset如果忽略比定 压热容 cp 变化的影响，由能量平衡方程可得toa=18 、tsa=13 时的系统图 2Fig.2 System when toa=18 ，tsa=13 6#区域的新风比要求(Z6)最大，因此使用 Z6 作 为送风的新 风比设定值 所有区域送风量总和 为24 kg/s ，计算 得到 系统所 需新 风 为 7.2 kg/s 由式 (2)得Qr = 7.2 18c p + Qi 7.2 24c p = Qi 43.2c p(3) 在图 2 所示的系统中，系统的送风是由 18 的 新风和 24 的回风混合，再由 AHU 处理成 13 的新风温度比回风温度低很多，此时如果使用全新 风送风，不但有利于室内空气品质，还有助于减少(1 )Fea t ea c p + Qr = Foa t oa c p + Qi整理得Qr = Foa c p t oa + Qi Foa c p t set( 2 )式中 Qr 与 toa 呈线性关系，其斜率为 Foacp，如图 1 所示当 toa 等于 tea 时，Qr 始终等于 Qi；当 toa 低于 tea时，Foa 越大，即直线斜率越大，AHU 负荷就越小，能 耗也越小；当 toa 高于 tea 时，Foa 越大，AHU 负荷就越大，能耗也越大从节能角度考虑，新风温度较低时 应当尽量增大新风量；新风温度较高时，应当在保证 空调区域最小新风要求的前提下尽量减少新风量588天津大学学报第 42 卷 第 7 期AHU 的能耗在相同的负荷条件下，使用全新风送风，则送入 系统的新风为 24 kg/s由式(2)得Qr = 24 18c p + Qi 24 24c p = Qi 144c p(4)比较式(3)与式(4)可以看到，当新风温度较低时 ，使 用全新 风策略 可以 大幅度 降低 AHU 的负 荷在此基础上，如果升高送风温度，各个区域所需送风量将增大，送入系统的新风将更多，AHU 的负荷 也就更小如果将送风温度增高为 15.5 ，则各个区 域所需的送风量将增大 1.3 倍，系统总共所需的送风 量(全新风)为 31.2 kg/s由式(2)得Qr = 31.2 18c p + Qi 31.2 24c p = Qi 187.2c p(5) 显然 ，提高 送风温度后进入系统的新风更多 了tsa 越接近 tset，所需的 Fsa 就越大，送入系统的新风 就越多，根据式(2)，进入系统的新风越多，AHU 的 负荷就越小但是，tsa 的增大不是没有限制的事实 上，系统送风管道有其设计最大流量，各个区域的 VAV 末端也有其各自的最大流量限制另一方面，送 风量的增大将导致风机能耗的大幅度增加，这将大大 影响升高送风温度对系统节能的贡献考虑到动态工 况的实际情况，比较可靠的策略是升高 tsa 直至某区域 VAV 末端流量达到其最大流量的 801.2 新风温度高于室内温度设定值假设 toa28 ，tset24 此时新风温度高于室内空调设定温度，AHU 必须做功冷却新风在满足 各个区域新风要求的前提下，为了尽可能减少新风负 荷，应当使用最大新风比控制策略图 3 所示系统的送风温度为 13 ，而图 4 所示 系统将送风温度升高到 15.5 比较两图可以看到， 提高 tsa 将引起 Fsa 的增大，从而减小了各个房间的新 风比要求但是流入系统的新风量事实上是没有变化的如图 4 所示，新风温度的提高使得各个房间送风 量都增大了 1.3 倍，故各个区域的新风比要求都减少 为原来的 1/1.36#区域(临界区域)所需的送风量由 原来的 0.5 kg/s 增大到了 0.65 kg/s，而它的新风比 要求 Z6 由原来的 0.3 减少为 0.231系统总的送风量 增大了 1.3 倍，而送风新风比减少了 1.3 倍，所以进 入系统的新风量没有变化则由式(2)可知，升高送风温度前后 AHU 的负荷没有变化 可见，在新风温度高于室内空调设定温度时，升高送风温度对系统节能是没有好处的 总之，当新风温度低于室内空调设定温度时，提高送风温度并使用全新风送风，将减少 AHU 负荷，有益于系统节能；当新风温度高于室内空调设定温度 时，升高送风温度对系统节能没有贡献图 3Fig.3toa=28 、tsa=13 时的系统System when toa=28 ，tsa=13 图 4Fig.4toa=28 、tsa=15.5 时的系统System when toa=28 ，tsa=15.5 2优化的 SAT-reset 控制策略与其仿真结果通过对第 1 节中几种固定工况的能耗分析，可以看到在适当工况下升高送风温度是有益于系统节能 和室内空气品质的下面将建立一个多区域的 VAV 空调系统仿真模型，并在此模型中使用送风温度优化 控制策略，对比最大新风比控制策略，说明送风温度优化控制策略的节能性和健康性 本文选用的建筑物是位于上海地区的一栋商务2大楼，每层的面积为 2 332 m ，有 2 个相同的 AHU分别服务于南北两半，每个 AHU 各带有 8 个不受送3风静压影响的 VAV 末端，设计风量是 7.5 m /s选取1 个 AHU 及其服务的半层开放式的办公楼面作为实2际的研究对象，面积为 1 166 m 它被化分成 8 个区域，其中 6 个周边区域和 2 个内部区域控 制 方 案及程 序调 试性能 试验 在作者 开发的 9 VAV 空调系统及楼宇控制系统动态仿真软件上2009 年 7 月晋欣桥等：过渡季节 VAV 空调系统送风温度的优化控制策略589量的增加，从而使得风机的能耗增大了 7但总体而言，系统的总能耗减少了 2.8可见在过渡季节 的动态工况下，送风温度优化控制策略确实可以达到 减少系统能耗的目的进行差值 CO2 传感器检测到各个空调区域的人员负 荷10，并根据 ASHRAE 标准计算出该区域所需的新风量11，即Foa_dem(i)；VAV 末端的流量传感器检测到各个空调区域的送风流量，即 Fsa(i)；新风温度传感器检测到新风的温度 toa送风温度优化控制模块 根据 Foa_dem(i)、Fsa(i)和 toa 给出合适的新风流量设定 值 Foa_set 和送风温度设定值 tsa_set送风温度优化控制模块的工作流程如图 5 所 示在每个控制步长里，由传感器检测到的新风温度 toa、各个区域的送风量 Fsa(i)和各个区域所需的新风 量 Foa_dem(i)被送入优化控制模块为了防止出现振荡，规定如果 toatsetDt，则提高 tsa，直到某空调区 域的风阀流量达到其设计流量的 80为止同时，使 用全新风策略 如果 t oa t se t Dt ，则设定 t sa 13 ，并以各个空调区域所需的最大送风新风比作 为送风的新风比仿真实验采用过渡季节中某一天的气象数据，来 自于上海地区的气象资料(a) 新风与送风温度(b) 空调区域房间温度图 6 优化送风温度控制Fig.6 Results of SAT-reset表 1 能耗对比Tab.1 Comparison of energy consumption(kWh)图 5 优化送风温度控制策略Fig.5 Control strategy of SAT-reset优化送风温度控制策略不但可以减少系统能耗，而且还对空调区域的室内空气品质有益图 7 比较了2 种控制策略下各个空调区域平均 CO2 浓度由于人 是产生 CO2 的主要来源，故可以使用 CO2 浓度来表 征室内空气的清新程度123结果分析系统从早上800 开始运行，晚上 2000 关闭如图 6 所示，早上 800 到 1000 以及下午1900 到 2000 阶段，室外温度较低，优化送风温 度控制策略将送风温度提高到了 16 ，此时，使用 全新风送风1000 到 1900 期间，室外温度较高，送风温度 优 化控制策 略 重新将送 风 温度降低到 13 ，并使用区域最大新风比送风 送风温度优化控制策略对送风温度的调整没有对空调区域的温度控制产生不良影响通过图 6 可以 看到，8 个空调区域的温度基本上都维持在24 表 1 给出了 2 种控制策略的能耗对比可以看 到，由于采用了送风温度优化控制策略，冷水机组的 能耗降低了 8.1但是送风温度的提高导致了送风图 7 区域平均 CO2 浓度比较Fig.7 Average indoor CO2 concentration under two control strategies控制策略冷水机组/(kWh)风机/(kWh)总能耗/Max ZSAT-reset523.8485.3235.1252.8758.9738.1590天津大学学报第 42 卷 第 7 期可以看到，由于优化送风温度控制策略在室外温度较低的早上大量引入新风，因而区域的 CO2 浓度 明显低于最大新风比控制策略可见在保证控制稳定性的前提条件下，优化送风温度控制策略可以减少系统能耗，并且对 IAQ 有益and fanenergy and indoor air quality issues revisitedJ. Energy and Buildings，2005，37(1)：49-54.Jin Xinqiao，Du Zhimin，Xiao Xiaokun. Energy evalua- tion of optimal control strategies for central VWV chiller systems J . Applied Thermal Engineering ，2007 ，27(5/6)：934-941.Mathews E H，Botha C P. HVAC control strategies to enhance comfort and minimize energy usageJ. En- ergy and Buildings，2001，39(8)：853-863.Mumma S A，Bolin R J. Real-time，on-line optimization of VAV system control to minimize the energy consump- tion rate to satisfy ASHRAE 62-1989 for all occupied zonesJ. ASHRAE Transaction，1994，100(1)：431-443.Ke Y P，Mumma S A，Stanke D. Simulation results and analysis of eight ventilation control strategies in VAV sys- temsJ. ASHRAE Transactions，1997，103(2)：381-392.晋欣桥，夏 清，王盛卫. 多区域 VAV 空调系统及其 局部 DDC 控制 器 的 动态模 拟 J . 制冷学报 ，1999(1)：17-24.Jin Xinqiao，Xia Qing，Wang Shengwei. Simulation of multi-zone VAV system and local DDC controllersJ. Journal of Refrigeration，1999(1)：17-24 (in Chinese).564结语送风温度优化控制策略有相当的优越性首先，优化送风温度控制策略有益于室内空气品质由于在 一定的时间里使用了全新风送风，室内空气的清新度 有明显的提高其次，优化送风温度控制策略还有利 于系统节能一方面，在新风温度较低时，可以使用新风部分地代替冷水机组移除室内的负荷；另一方 面，送风温度优化控制策略在新风温度较低时大量地 引入了新风，减少了在正午或其他室外温度较高时所 需的新风量，从而减少了系统能耗在我国，过渡季节日温差较大，常常是早晚只有 十几度，中午则升高到二十多度这种温度条件正适 合使用优化送风温度控制策略节能，并且有益健 康789参考文献：10 Wang Shengwei ，Jin Xinqiao. CO2-based occupancydetection for on-line outdoor air flow controlJ. In- door Built Environment，1998，7(3)：165-181.11 晋欣桥，王盛卫，夏 清，等. 满足新标准 ASHRAE Standard 62-1989R 空调系统的实时控制方案J. 暖 通空调，1999 (2)：6-10.Jin Xinqiao，Wang S