JZQK0103EnergyBuildings174(571)翻译.doc

针对提高舒适性和最小化的能源利用率的暖通空调控制策略马修斯 E.H. *,1，博塔C.P. 1， 阿恩特D.C.1,马兰A.机械工程部商业研究中心Potchefstroom大学，邮政信箱2156，南非斯凯岛00432000年12月22日收到, 2001年3月25日接受摘要:良好的供暖、通风和空调(HVAC)控制系统保证了舒适度。它通常也是提高空调建筑能源效用的最有效途径。在这篇文章中，比勒陀利亚大学用新的控制策略带来的舒适性的增强和节能潜力确定了人类科学建筑。一个新的软件工具，快速控制，被用于完成复杂和充分综合的建筑、暖通空调和控制模拟。调查研究了不同的控制策略，包括空气旁路，重置控制，后退控制，提高了启动停止时间，节热器控制和二氧化碳控制。这种模拟模式相对于用来确保准确性和改进模拟的真实性首先被验证。这在确保舒适性和预测暖通空调节能百分之六十上是可行的。它是在为期九个月的投资回报中得到的结果。准备输入数据花费大约两天时间，同时建立模拟模型额外花费一天时间。对于完全集成建筑的典型运行时间，暖通空调系统和控制模拟在一台英特尔奔腾133兆赫兹的个人电脑上大约每天花费90秒。关键词:暖通空调系统 综合动态仿真分析 能源改进研究 节能潜力1.介绍在全球范围内能源消耗对于政策制定者而言成为一个重要的话题。主要原因在于世界能源需求在未来30年内期望的巨大增加导致环境压力的进一步拉紧1。除了全球的关注度增加外，能源消耗的逐渐扩大使得节能成为建筑所有者唯一的选择。更多的能量利用有效的建筑因此不仅可以为所有者得到财政奖励，而且能够减少温室气体的产生。研究显示，在南非，所有能够利用的市政电能，大约百分之二十被用在商业和办公建筑2。进一步研究表明，空调对此现象的百分之五十负主要责任。很明显，空调节能对整个消耗主体而言具有相当大影响。在追求节能的同时，维持可接受的室内空气品质是一个约束，需认真考虑4。室内空气品质是主要问题，由于不适合的等级会导致居民的不舒适感，这反过来会影响生产力。研究表明,因室内空气品质不良产生的成本惩罚可能远大于能量潜在成本的节省5。为了达到相当大的减少与暖通空调相关的能源消耗的目标，同时不影响空气品质，需要更好地调节方式的执行。复杂的相互作用的动态空调系统，建筑和它的控制，能够得到从控制一个困难任务的修改导致的室内空气品质和节能的预测。改变的实际预测源于暖通空调的修改，需要一个模拟工具，能够用一个综合的方式有效且准确的模拟暖通空调系统。尽管，许多模拟项目都是可行的，但是它们确实不能满足标准。一个新兴的模拟工具“QUICK控制”应运而生。它的发展是用以为一个有效的，准确的模拟项目建立必要条件，并且在不影响室内空气品质的前提下达到空调节能。“QUICK控制”用一个电子分析模式去模拟联合建筑的热传导过程。这个模拟模型是完全基于将模拟和使用户能够模拟更加广泛的操作情形的简化。图1.模拟模型的构成图例每一个组成部分（图1）都是综合了热力学基本定律和离散经验数据10,11。这个新型模拟模型的性能和准确性通过一系列研究得到证实。被成功证实后，它于是被应用于评估在实质的减少空调能耗且增加室内舒适的新能源管理策略的潜能。在比勒陀利亚大学人类科学建筑（HSB）被用作为调查研究的主题。2.建筑和暖通空调系统的描述所研究的建筑由22层组成，用于办公和演讲目的。它包括一个完全的空调楼层，面积达4265 m2,每个工作日能够承载1600人。地下两层一直到地上三层组成了报告厅，上边的16层都办公用。办公室一半朝北，另一半朝南。在办公室和报告厅中，用荧光灯进行照明。多数办公室安有电脑，报告厅安有放映机。空气调节采用定容量冷冻水系统。报告厅采用中央空气处理单元（AHU）。每个房间利用各自的风机盘管（FCU）进行调节，两个中央空气处理单元（AHU）为风机盘管（FCU）进行新鲜空气的供给。 这个暖通空调系统的功率为1300KW，大约300W/m2.这就意味着它显然是特大型的，是南非普通办公建筑的通常用的12。 此外，这个系统由14个中央空气处理单元组成，能延展到第四层楼，它们中两个用于办公室和风机盘管系统。这个系统在上午五点到下午三点运行，一星期运行七天。 这12个中央空气处理单元坐落在第三层楼，向五个报告厅区域提供定量的空气，过程被图解在图2和3.空气通过安装在中央空气处理单元内的制冷盘管和安装在用于输送空气导管到每个大厅的盘管的下游的电子加热器来进行调节。空气从大厅中通过格子返回到空气导管一直沿着中心轴返回来的。在这里，它们与外界空气在混合后进入轴里。混合率设定为百分之二十并像没有预热循环一样保持固定。这些中央空气处理单元被设定用于提供恒定的下行螺管空气温度。一些这样的单元中，一种空气绕流控制法也是充分的。这意味着通过盘管一个用以控制下流盘管空气温度的绕流减震系统提供流动空气。报告厅的温度控制通过安装在每个区域底部的空气供给管道上的加热器实现的。加热器被控制从安装在每个区域的温度传感器返回到空气导管。每个办公室用它的自己的风机盘管和安装在建筑顶部的两个中央空气处理器用来加热外部空气一起进行调节。这些单元用全新风，并且可以在加热模式下向风机盘管提供被加热到最低温度的空气。室内温度控制用风机盘管实现。两个水冷器向包括那些风机盘管在内的所有的制冷盘管提供冷冻水。冷凝水通过安装在建筑顶部的冷却塔进行冷却。暖通空调系统控制通过在制冷模式下的PID控制器和加热模式下的梯级控制器得以实现的。图2.标准中央空气处理器的布局概要图 图3.建筑模型水循环布局概要图 3.舒适性和能量审计 3.1.舒适性审计舒适性审计的目的在于在HSB模式下评估当前室内空气调节。测量被用于评估当前的状况下模拟模型的确认和应用标准。那些室内条件，在与代码一致性上是令人满意的【13】，能够作为标准用于评估更新选项。审计开始于微小的问题区域，例如指定暖通空调系统的外围和可忽略的维护区域。用于居住着评估室内舒适性等级的选项也可以被选择。室内空气状况的测量紧接着进行。室内温度在大热天应在16到21.6摄氏度波动，与美国ASHRAE标准进行比较，发现太低。在没有影响室内舒适等级下的能源消耗量减小的过程中，对于决定用户末端的能量消耗的分类是明智的。这用来指出，最大的能源消耗者相对应的往往有最大的节能潜力，这将在3.2部分进行讨论。3.2.能量的审计能量审计的目的是用来决定能量消耗用户末端的分类。它包括通过审计来识别很大变化的能量用户，比如说灯光和电脑。能量审计结果被概括在表4.“other”代表不同的能量消耗设备，比如电梯，电脑等。如显示，暖通空调系统通过原来能量消耗者，因此，较大的节能潜力区域能够被意识到。 图4.高级建筑电能消耗的分类 图5.暖通空调系统电能消耗分类图5显示的是测量期限的暖通空调系统能量消耗分类。如图5显示，加热器的能量消耗占总的最大部分。这部分能量是随着重新加热冷空气丢失的能量。对于离开盘管的空气温度的单独控制能够弥补多半这部分能量。通过提到离开冷却盘管离开的温度，然后提高当前低的室内温度来达到适合的值将来在冷却器耗能的减少能够被预测出来。从上边可以看出，暖通空调系统是建筑中最主要的耗能者，改进的能量控制策略被期待用来达到有效最大的节能潜力。由于建筑的复杂性和相互的自然热力学作用，暖通空调系统和它的控制，这个模拟工具“QUICK控制”将被用于调查不同控制策略的节能潜力。为了保证真实的节能潜力预期，这些能够模拟热力学系统行为的工具的准确性首先必须被证实。4.实例研究这个实例研究包括特殊的建筑，暖通空调系统和以模拟为目的的控制，然后来证实模拟结果。4.1.模拟模型特征不同建筑的特征和暖通系统的组成需要大量数据的输入，同所有的暖通空调组成数据和控制参数一样，那它包括建筑组成的结构数据，内部负荷，外部气候数据。所需数据由图画，技术数据表和测量值可得。在1998年8月为期两周的时间，测量值用于标注特性和确认的目的。它包括温度，相对湿度，空气流动速度，水流速度和每个暖通空调组件的电能消耗。它可能被记录因为在外界空气图中温度的波动被中心轴的热力学团给加湿（也称温度多样影响）。引入口温度在轴内被测量。图6.暖通空调系统布局概要图图7.HSB暖通空调系统QUICK控制模型图6和图7描绘的是模拟模型的布局。对于模拟目的，这个建筑分成13个区域：10个区域用于报告厅，11和12区域各自代表东边和北边的办公室。第13个区域服务于被外界空气温度波动加湿的室外空气轴。每个区域室内墙体和地板用作为隔层。每个区域的建筑结构数据从建筑图和视察中获得。所有的这些都被写进模拟项目中。对于暖通空调系统制冷器，水泵和风机模型来说输入数据是需要的，它是从提供者的性能数据表中获得。由于数据的年代，盘管，加热器和冷却塔的相关原始数据或失效或主要由类似的设备和测量数据表的替代。对于大多数系统构成来说，控制策略输入包括操作时间和控制参数，它们从暖通空调系统的操作手册中获得。其他从现场测量的参数像性能表数据是无用的。4.2.模拟准确性的验证通过对预期的室内温度和暖通空调系统能量消耗进行比较，这个完整的模拟工具对特殊时期的测量值被证实有效。室内空气温度，制冷器能力和电子加热能力的验证结果在表1和图8图9中描绘出。它可以被记录由于测量所有办公室的不切实际，办公室室内温度没被证实。在建筑的一边，一些风机盘管由于冷冻水供水泵的不足而出现故障。尽管这并不影响证实研究。这个热力学负荷假设由于那些风机盘管会非常小。表1模拟与测量温度的证实研究的结果图8.AHU能量证实结果每个区域室内空气温度的测量被用作报告厅和那些特殊的区域的平均数。从区域1到9概括在表1.很显然从图8图9和表1足够充分的精确室内温度结果能够得到。图8显示中央空气处理单元的测量和预期的电能消耗。图表显示用一个2.2%的最大的日常消耗错误得的结果是足够精确充分。记录的所有单元的结果由于在测量期的低活跃度而不能显示。模拟和测量的制冷器能量消耗在图9中进行对比。图中显示，模拟的梯级载入和卸载很成功。模拟建筑和暖通空调时间常数的真实性被测量和预测的数值的微小不同所证实。对于模拟一天24小时测量和预测的能量消耗仅有0.61%的差别。这是足够准确的。验证研究结果显示建筑的动力学，暖通空调系统和它的控制的模拟是相当精确的。随着模拟工具的精确性的成功验证，随着获得的可信的预测的保证它能够应用在改进调查研究。5.控制改进模拟5.1.序文一个改进的调查研究被发起用以获得建筑节能潜能。调查研究的焦点在于暖通空调系统在建筑总能量消耗中占54%多部分。不同的改进项目被评估。它包括对于更多可接受的标准的适应室内温度设置点，空气绕流和在中央空气处理单元的重置控制，在报告厅的逆流控制（运动检测器驱动），提高暖通空调开始和停止时间，结合以上所有的和CO2控制的节能器循环。图9.制冷器能量验证结果改进节能潜力是通过与新能量消耗数值和当前系统的值的对比被评估的。为了获得一个真实的对照，当前的能量利用数据为容易调节控制设置点的系统被计算，例如室内空气温度，设置为当前值。5.2.空气绕流调查的第一个节能改进项是中央空气处理单元制冷盘管的空气绕流。这个系统包括适应于中央空气处理单元的湿度控制单元去控制绕过制冷盘管的供给空气组成部分。当前那些单元负荷中央空调供给五个报告厅设备区域。对于满足微团流动速率，没有任何一个不能操作或不满足。空气绕流的改进组成了那些单元的修复和升级。当前的改进的系统年模拟结果在图10中显示。总的年节能达137MWh，节能效率4.6%。这明显不可观，然而这个改进相对来说的便宜性可以是一个选项，在章节5.9被考虑。5.3.重置控制为了节省更多的能量，重置控制作为一个改进选项被调查研究。这意味着空气绕流系统的中央空调的空气供给温度是从回流空气被控制的而不是供给空气温度传感器，如图11所示。控制室通过管理流经中央空调盘管冷冻水的流动速度来实现的。这将减小制冷和再热需要的数量。系统显示，任何一个控制器可能会渗透在一个很高的输出，因此用同时增大了加热和冷却来代替减小它。为了克服这个问题，控制器的设置点不得不设置足够的不同温度（例如，随着输入空气温度的降低，在加热器开始加热前制冷盘管不得不停止制冷）。此外，由于区域的多区域的本性，需要一个数字的系统在在特殊时期用以从这个区域用一个最大的热负荷（最大的返回空气温度）识别和控制冷冻水供给速度。其他区域室内温度的最后控制通过在加热来实现。年模拟结果在图12中显示出。结果显示，在暖通空调系统中总能量消耗实质节能45%。这每年节能1337MWh。图10.由空气绕流导致的暖通空调能量消耗图11.重置控制策略图12.重置控制暖通空调能量消耗5.4.退回控制退回控制有选择的减少暖通系统组成成分的设置点。一个典型的例子是，非主要区域的退回空气温度的释放。这可以通过动态探测器的使用来得以执行。它可以被视作为与重置控制一起的空气绕流系统的拓展。在区域未被占据时，退回的空气设置点允许在16到27摄氏度间波动。一个典型的应用，运动探测器的执行。这个范围用以保证系统的延迟时期（时间常数），它在热负荷出现时是无关紧要的，不影响舒适性等级发生突变。改进的模拟显示的是返回控制实质影响每年节能的60%或1763MWh（模拟结果在图13中显示）。思维存在着，在它相对低的消耗量，多功能性和强健的自然性中，数字控制很有可能形成更新的一部分，在经济分析中这个选项提出一个更为可能获利的选择价值评估。图13退回控制的暖通空调耗能5.5.改善暖通系统开启-停止时间在以上所有模拟中，暖通空调系统需像当前系统一样在整年的每一天都运行。对于这栋建筑的特定用途，很明显是没必要的。在空闲的时候，改进的模拟转为关断系统。例如，周末或是公共假期。改善开启-停止时间的改进模拟预示着每年节能66%，即1953MWh。模拟结果在图14中显示出。5.6.节能器控制（包括空气绕流，重置，退回控制和改善开启-停止时间）为了解释它的累积影响，新鲜空气的节省，与空气绕流，重置，退回控制和改善开启-停止时间同时被调查研究。利用节能器循环，进入系统的新鲜空气量得到控制。在不必要的供冷中如果冷却外界空气为了达到节约的这个计划，应该在系统内进行。相反地，可利用的暖的空气也能够被利用。在加热和冷却引入空气时，节省器的设置点各自应该选在22到23摄氏度间。结果显示每年节能达66%，即1951MWh。与其他的节能控制相比，在节能方面增加了一点价值（图15）。这是由于在夏季特殊的气候条件没有增添更冷的空气或在冬季没增加更热的空气，这被从外边绘制。5.7.CO2控制（包括空气绕流，重置，退回控制和改善开启-停止时间）在以上节省器系统上的改善，是通过二氧化碳来实现的。这个系统减少了新鲜空气的引入量在控制氧和香味的水平通过CO2的检测。这个控制策略与首先的四个再一次被模拟用于判定它的累积影响。图14.改善开启-停止时间的暖通耗能图15.节能器控制的暖通能量消耗与世界卫生组织一致，CO2集中水平被限制在1300PPM，600PPM是推荐值【13】。由于这个案例的外界空气有着高的CO2集中水平，900PPM这个等级水平被选用于室内空气（图16）。CO2的改进项产生预期的节能66%。与节省器项相似，在建筑能量的有效性上，CO2控制期待有着边缘效应。图16.CO2控制的暖通能量