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【菱泰能源】公共建筑空调系统运行调适方法研究 5 全空气变风量系统

本文来源: 菱泰能源 责任编辑: 发布日期:2021-03-04


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 引言

       在大型公共建筑中,末端往往采用全空气系统,对用户进行统一的空气调节。全空气系统末端风机电耗占建筑总电耗比例较大,甚至与制冷站能耗接近,可占到总电耗的15%~30%,占到空调系统电耗的50%。

       全空气系统又分为定风量系统和变风量系统。目前对于写字楼类型的公共建筑,随着人们对室内热舒适性及其独立调节特性需求的日益增强,末端风口可变风量的全空气变风量(variable air volume,VAV)系统得到了越来越多的推广。对于VAV系统的应用效果,存在着一定的争议。VAV系统的支持者认为其可以提供较好的温度和湿度控制。但实际往往存在运行能耗高,使用效果舒适性不佳的问题。

       以往研究多从理论推导和仿真模拟出发。关于系统形式,薛志峰提出了VAV系统分区的重要性。Sekhar和Aktacir等人分别从能耗和经济性对比了VAV系统与定风量系统。Aynur等人通过模拟方法对比了VAV系统与多联机空调系统的特性。

关于控制策略,研究倾向于采用遗传算法、模糊控制、神经元网络等流行的机器学习算法。此类研究中,Wang采用的遗传算法将总电耗与PMV 、CO2、VOC、湿度、气流组织情况及总电耗进行加权,作为优化的目标变量,整定送风温度设定值、冷水温度设定值和新风量设定值,得到了广泛的引用。

       关于故障诊断,由于变风量系统自控程度较高,且依赖传感器较多,因此有较多的故障诊断研究。基本的诊断思路是将实测数据与无故障时系统的数据作比对,包括了ARX、AFMM、PCA及神经网络方法等。Qin等人总结了变风量系统可能出现的10种故障,并给出了相应的诊断策略。

       可以看到,上述研究方法大部分采用理论推导、模拟分析、实验台测试的方法,缺少实际项目的测试和运行数据的分析。对于控制策略,大多从控制机理和物理模型出发,对于系统形式、房间数量和负荷情况过于简化。所得出的优化控制逻辑一方面缺少对实际供冷需求的精准把控,另一方面缺少实际项目的应用与验证。针对上述问题,本文以一个实际项目为例,介绍了该项目VAV系统的运行调适工作。从末端实际供冷需求和热舒适性出发,优化系统控制参数和控制逻辑,实现了良好的节能效果。

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全空气变风量系统调适方法

1.1   项目介绍

     本文所研究的项目为我国夏热冬暖地区一栋高档办公建筑,共27层,其中1~2层为大堂区域,3~27层为甲级写字楼。总建筑面积约为7.5万m 2

      其中办公层采用全空气变风量系统,每层分为2个子系统,送风由2台空调箱分别提供。每个子系统根据空间位置分为带再热末端与不带再热末端,其中带再热末端分布于外区,VAV Box(变风量空调箱)中安装有电加热设备,以备冬季供热需求。对于全空气VAV系统,其控制思路如图1所示,各VAV Box根据实际室温(即VAV Box回风温度)与设定值的差别,计算VAV Box需求的送风量。随后根据实际送风量与需求送风量的差别调节阀门开度,使得实际送风量达到需求值。而风量与阀门开度的变化使得风道静压值随之改变。随后通过风机频率的变化调节风道静压值,使其达到相应的设定值。风机频率的变化进而影响空调箱(AHU)的风量和压头,从而决定风机电耗。由此可见,VAV Box的风量下限及AHU的静压设定值对系统运行能耗有很大的影响。

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 trtrset分别为回风温度实际值和设定值,℃;GmGr分别为送风量实际值和自控程序计算得到的需求值,L/s;ppset分别为风道静压实际值和设定值,Pa。
1 VAV 系统常用控制策略

      室内温度均由自控系统BMS统一设置,客户根据自身热舒适感觉向BMS反馈需求以调节室内温度设定值。对于空调箱的送风温度设定值,则采用设定值再设定程序,根据室内实际冷热需求实时调节设定值,以便精确匹配末端冷热需求。送风温度设定值多为13~18 ℃。对于空调箱的静压设定值,同样采用了再设定的程序,设定值范围为100~250 Pa。对于办公层的AHU,回风管道上安装有CO 2浓度传感器,并根据传感器监测值调节新风阀,从而调节新风供应量。

1.2   调适方法

       如前所述,该项目全空气VAV系统基本实现全自动控制,包括静压设定值、送风温度设定值的自动设定。因而,系统的高效匹配和精确控制是降低运行能耗、提升运行性能的关键。如图2 所示,本文利用该项目的详细监测数据,提出了一套从外因、内因及内外协同3个方面考虑的全空气VAV系统运行调适方法,用于指导系统的分析和运行。

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           图 全空气VAV 系统运行调适方法   
       其中外因主要表示设备或系统工作的外部环境。对于该项目而言,确保全空气VAV系统的外因合理即为精准把控供冷需求,避免过量供冷。空调风系统的运行以满足末端供冷需求为目的,而对实际供冷需求的精准把控是避免能源浪费的重要环节。因此,在实际运行过程中,一方面要维持室内热舒适环境,另一方面要避免过量供冷。
       实际供冷负荷根据是否随室内外温湿度变化可以分为两部分。其中不随室内外温湿度变化的负荷主要包括日射得热负荷,灯光、设备负荷。而与室内外温湿度相关的负荷主要包括新风负荷、人员负荷及围护结构传热负荷。在室外气象条件确定以后,新风负荷主要受新风量及室内温湿度的影响,对于后两者,同样受到室内温湿度的影响。考虑到常规空调系统在实际运行过程中,主要对新风量和室温进行监控调节。因此,分析系统是否过量供冷主要从新风是否过量供给及室温是否过低两方面入手。
       而内因,即为系统内部效率,这里主要考量的是空调箱风机自身的运行效率是否合理。对AHU、PAU风机实际工作点进行测试分析,避免风机偏离高效工作点。

       内外协同,是指在精确掌握研究对象外部需求和外部条件,准确了解研究对象内部固有技术特征和能力的前提下,精准匹配的运行调节过程。对于全空气VAV系统,在确定了末端供冷需求后,通过送风温度及送风量合理调控,精准匹配供冷需求,满足室内环境要求显得尤为关键。其中送风温度主要由水侧供水量来调控,因而送风温度是否合理不仅影响着送风量的大小,也是风侧与水侧联合运行的关键所在。而对于送风量,如前所述,受末端各VAV Box风量上下限的限制及空调箱静压设定值的影响,在影响末端气流组织分布的同时,还直接影响了风系统的阻力,进而影响风机能耗。

  2  

精确把控末端需求,避免过量供冷

       如前所述,降低空调风系统能耗首先需要从明确供冷需求入手。而明确供冷需求主要从避免室温过低及明确实际新风需求两方面入手。对于室温设定值,主要受在室人员不同需求所决定,难以统一调控。因此本文主要针对避免新风过量供应,介绍运行过程中需要注意的关键环节。

       新风供应量是否足够或是否过量供给主要根据室内CO2 浓度及人均新风量这2个指标进行判断。对于前者,笔者统计了该项目2017年所有AHU工作时间段回风CO2 体积分数的监测值,结果如图3所示。

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                                图该项目2017AHU回风CO2体积分数统计值  

        由图3可以看到,该项目办公区工作时间段回风CO 2 体积分数普遍低于800×10-6 ,全年平均值为616×10 -6 ,远低于限值。

        随后,笔者对该项目集中新风机总送风量进行了现场实测,并从物业获取了实时在室人数(根据上下班刷卡人次统计得到),对该项目人均新风量进行了分析,结果如表1所示。

该项目人均新风量统计结果

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      由表1可以看到,该项目人均新风量达到了41.8 m 3 /(人·h),超过实际需求的30 m 3 /(人·h)。由于办公区域属于开放式办公区,未设置独立小房间,整个办公空间相互连通,空气存在一定流动性。因而从上述2个指标都可以看到,该项目新风存在过量供应的情况。

       而导致上述新风过量供应的原因主要为新风机控制不当。该项目新风由FF-R01、FF-R02、FF-201 3台新风机供给。3台新风机均安装有变频器,且根据新风道压力变频,即末端AHU通过回风CO 2浓度调节新风阀开度,从而调节该AHU所需新风量。随着新风阀的调节,新风道压力会出现相应变化,而新风机随即变频保持新风道压力达到设定值。但是从BMS监测数据显示(如图4所示),FF-R01、FF-R02全年均为工频运行,FF-201在2017年1—3月频率有一定变化,但随后维持工频运行。

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该项目新风机 2017年日均风机频率  

       由此可见,该项目新风机运行策略仍待精细化调节,夏季以满足卫生需求(CO 2浓度控制)为目标,在过渡季以尽可能利用新风免费供冷为目标,同时辅以主动的时间控制,精确匹配末端新风需求,避免过量供应。

       而对于工作日,也需要根据人员在室规律主动调节新风机频率。图5显示了该项目典型周总新风量和3台新风机频率变化调节情况。可以看到,这一周内新风机均处于工频运行,工作日开启3台,周六开启2台。工作日总新风量达到22万m 3/h左右,周六为13万m3 /h左右,工作日全天基本不变,缺少相应的调节策略。

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                                                                      图该项目2017年典型周总新风量分析    

对于上述情况,建议对新风量进行精细化调节,调节步骤如下:

1)将新风机频率的上限统一调整为40 Hz。

2)观察AHU回风CO2 浓度传感器监测值,如果日平均值低于800×10-6,则次日适当降低新风机频率上限;如果日平均值超过800×10 -6,但低于1 000×10-6 ,则维持目前的频率;如果高于1 000×10-6,则适当提高新风机频率上限。

3)而在工作时间段,结合主动调节新风机和根据回风CO2 浓度反馈控制的方式进行调节:

① 08:00—09:00,频率由50%匀速提高至100%;

② 09:00—12:00,自动控制;

③ 12:00—14:00,频率降低至70%;

④ 14:00—17:00,自动控制;

⑤ 17:00—19:00,由当前频率匀速降低至50%,之后关闭或根据加班情况调整。

        对于自动控制,本系统新风机原控制方法为根据新风道压力变频,但由于每层AHU变风量时新回风混合点静压是变化的,导致新风定静压法控制效果不佳。建议更改为总风量控制法,根据AHU回风CO 2浓度对新风量设定值进行再设定。随后对比各层AHU总新风量的实际值和需求值来调节新风机的运行频率。

       为了分析避免过量供应新风带来的节能效益,笔者对该项目实时供冷量进行了拆分,结果如图6所示。


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                                                                       图该项目典型工况冷负荷拆分   

        可以看到,新风负荷在总负荷中占比较大。如果通过优化新风控制策略,将人均新风量由现在的41.8 m 3/(人·h)减少至30 m3 /(人·h),供冷量将减少9.3%,即减少584.3 kW供冷量。在系统能效不变的情况下,风侧和水侧供冷能耗也将减少9.3%。

      由此可见,通过上述全年不同负荷阶段,工作日不同人员在室规律,结合主动调节与反馈调控的方式,避免新风过量供应,节能效果显著。

  3  

内外协同,降低系统运行能耗

3.1   现有控制策略及系统运行情况

       该项目空调箱静压设定值控制逻辑如图7所示,通过末端VAV Box风阀开启情况及风量供给情况调节静压设定值。当末端VAV Box阀门均未全开时,空调箱静压设定值会自动下调3 Pa,当末端存在1个及以上VAV Box风阀全开时,系统将判断总送风量是否达到需求风量,如果达到(偏差小于20 n L/s,n 为风阀全开的个数),则维持当前静压设定值不变。如果总送风量小于实际需求(偏差大于20n  L/s),则将静压设定值上调5 Pa。该情况如果累计出现10次以上,则将静压设定值恢复至初始设定值(250 Pa)。该判断程序从空调箱运行开始时自行启动,当AHU停止运行时,静压设定值自动恢复为初始设定值(250 Pa),并作为下次开机时的设定值。

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注:p 0 为初始静压设定值,通常为250 Pa;Δv 为风阀全开VAV Box的总送风量与总需风量之差。

空调箱静压设定值控制逻辑  

        通过该控制逻辑可以看到,AHU每次开机时,都会以初始静压设定值(通常为250 Pa)开始运行。只有当末端所有VAV Box风阀均未全开时,才会降低静压设定值。而风阀的开度主要受VAV Box回风温度及其设定值影响。在实际运行过程中,可能出现室温设定值过低或回风温度传感器存在误差等原因,导致个别VAV Box风阀全开,而其他VAV Box阀门均处于部分关闭状态的情况下,AHU风机仍然需要维持在高频率运行,增加了系统的电耗。

      而当末端存在风阀全开的VAV Box时,系统会比较送风量与需求风量,以判断静压设定值是否需要升高或维持不变。以存在1个VAV Box阀门全开的情况为例,此时当送风量较需求风量偏小20 L/s时,该控制逻辑就会自动升高静压设定值直至初始值。由于末端VAV Box均采用皮托管,通过测量动压计算送风量。该类型的风量传感器会由于测孔脏堵导致测量值偏小,另一方面,由于20 L/s限值过低,很容易就会出现送风量较需求风量偏小20 L/s的情况,导致系统静压设定值不断升高直至250 Pa。

图8显示了该项目25层AHU稳定工作时间段静压设定值及风机功率的变化情况,可以看到,静压设定值全天均高于220 Pa,个别时间出现静压设定值下调的情况,但很快会上升至250 Pa运行,系统全天静压设定值偏高。

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该项目 25 AHU运行情况监测  

       但在当前控制逻辑下,系统仍然存在风量和冷量过量供应的情况。以该项目25层VAV系统为例。图9、10显示了该系统37个VAV Box实际室温状态及相应的统计值。

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该项目 25 VAV系统末端室温分析

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10 该项目25VAV系统末端室温统计   

       可以看到:在统计的37个VAV Box中,有15个末端实际室温处于设定值±1 ℃范围内,占41%;16个末端实际室温低于设定值1 ℃以上,占43%;5个末端实际室温高于设定值1℃以上,占14%。而对于这5个“室温偏高”的末端,其室温设定值均低于21 ℃,实际室温处于20~23 ℃之间,实际是处于舒适甚至过冷状态。随后,笔者对这37个末 端风量状态进行了统计分析,结果如图11所示。


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11 该项目25VAV系统末端风量状态统计    

      可以看到,对于过冷末端,有75%的VAV Box送风量处于风量下限。正常末端中也有53%运行在风量下限。由此可见,末端VAV Box过冷的主要原因之一即为风量下限设定值过高,导致送风量偏大。风量下限设定值存在进一步降 低的可能性,在避免过量供冷的同时,降低系统送风量和风机能耗。

      该系统VAV Box风阀开度结果如图12所示,可以看到:在统计的37个VAV Box中,仅2个过热末端的阀门开度为100%,而导致阀门全开的原因是室温设定值过低,仅为20 ℃,实际室温已经处理到21 ℃左右,很难进一步降低,导致阀门全开;其余VAV Box风阀均处于部分关闭的状态,阀门平均开度仅为26.1%。而此时该系统对应AHU静压设定值处于上限250 Pa,风机频率达到35.1 Hz。在上述运行模式下,末端VAV Box风阀开度普遍偏小,增加风机能 耗,AHU静压设定值存在进一步降低的可能性。

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12 该项目25VAV系统末端风阀开度统计   
3.2 VAV 系统控制逻辑优化调适

      通过上述分析可以看到,对于VAV系统运行现状,主要需要从降低VAV Box风量下限设定值和降低AHU静压设定值两方面开展优化工作。针对上述情况,基于当前控制程序,提出优化后的控制程序,如图13所示。


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G Gmin分别为风量实际值和下限设定值,L/s;psetpsetmax pset min 分别为风道静压设定值及其上下限,Pa; f f max f min分别为风机频率及其上下限,Hz; K 为风阀相对开度;t r t r set 分别为VAV Box回风温度及其设定值,℃;  t s set 为AHU送风温度设定值,℃; N N max 分别为满足相应条件的VAV Box数量及允许上限。

图13 优化后的VAV系统控制程序

       图13中,N max为允许阀门全开且室温偏高最大阀门数,建议设定为3个,在保证末端热舒适的前提下,避免个别VAV Box异常导致系统静压设定值偏高; G min 为VAV Box风量下限; T set 为VAV Box回风温度设定值; F min 为风机频率下限,可设定为25 Hz; F max 为风机频率上限,通常为50 Hz; P set 为AHU静压设定值; P set min 为静压设定值下限,可设为60 Pa;P set max 为静压设定值上限,建议不超过200 Pa。

       该控制程序相比于之前的控制程序,主要加入了风量下限设定值的优化过程。在调节静压设定值之前,首先对风量下限设定值进行调节,保证所有VAV Box送风量均处于风量上下限之间,不存在由于被风量下限设定值限制导致风量无法继续降低的情况。随后对静压设定值进行调节,当风阀全开,且回风温度高于设定值1 ℃以上VAV Box的数量大于3个时,逐步增加静压设定值直至200 Pa。而当该情况的VAV Box数量小于3个时,逐步降低静压设定值直至60 Pa。

        在确定调适方案后,笔者抽取了该项目5个VAV系统进行了现场调适,以其中某个系统为例,调适过程如图14所示,调适过程如下。

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14 VAV系统调适曲线    

       1)调适前,该系统静压设定值为250 Pa,VAV Box风量下限设定值为80 L/s,实际有9个VAV Box运行在风量下限,风阀平均开度仅为35.2%。

      2)对于实际风量运行在风量下限的9个VAV Box,将其风量下限设定值由初始的80 L/s逐渐降低至15 L/s,其实际送风量均逐渐降低。AHU送风量由26 798 m 3/h降低至25 175 m 3 /h,此时风机功率由初始的5.9 kW逐步降低至5.2 kW。VAV Box风阀平均开度由初始的35.2%降低至32.6%。

      3)待系统运行稳定后,将静压设定值由初始的250 Pa逐渐降低至120 Pa。此时AHU送风量逐渐降低至21 769 m 3/h,风机功率由5.2 kW逐步降低至3.3 kW。VAV Box风阀平均开度由初始的32.6%增大至61.6%。

      通过现场调适工作可以看到,降低风量下限设定值,风机功率由5.9 kW降低至5.2 kW,节能率达到11.9%。在此基础上,随着静压设定值逐步降低,节能率逐步增大。当静压设定值由250 Pa降低至120 Pa时,节能率由11.9%上升至43.0%。在调适过程中,室内回风温度基本不变,维持在23 ℃左右。回风CO 2体积分数略微上升,但都低于520×10 -6 。由此可见,该优化程序在保证末端热舒适的前提下仍然能实现较大的节能潜力。

     其他系统调适结果如表2所示。

2 VAV 系统调适结果统计

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       通过上述5个VAV系统的运行调适可以看到,优化后的控制逻辑在保证末端舒适性的前提下,大幅度降低了风系统 运行能耗,起到了很好的运行效果

  4  

提升风机运行效率

       在实际运行过程中,由于末端阻力和风量需求与设计工况不同,容易导致风机实际运行工况与额定点偏离,导致运行性能的降低。根据实际工作点相对于额定点的偏移情况,可以将风机运行分为3种状态。

       如图15所示,风机实际工作点1位于性能曲线上,但相比于额定点左偏,实际扬程增大,风量减少。如果出现上述情况,说明系统阻力偏大,风道存在不合理阻力。一方面可能是末端VAV Box风阀开度普遍偏小,此时需要对静压设定值进行深入分析,判断是否过大。另一方面可能存在局部阻力过大,例如过滤器脏堵严重、板式换热器脏堵,需要通过测试局部阻力部件的实际压降进行判断,如果实际阻力过大,需要及时进行清理,避免由于系统阻力过大导致实际送风量不足,进而影响室内热舒适。

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15 风机实际工作点左偏     

       如果风机实际工作点位于性能曲线上,但相比于额定工作点右偏,实际扬程小于额定值,风量偏大,见图16实际工作点2。说明系统实际阻力小于额定值,也就是在风机的设计选型时对系统阻力估算过大,导致风机选型偏大。由于风机功率随着风量的增加而增加,可能会存在风机过载的安全隐患。对于定频风机,只有通过减小风道阀门开度避免风量过大。对于变频风机,可以通过降低风机频率,将风机实际工作点调整至实际工作点2′,保证实际风量与额定需求相同,此时风机扬程降低,风机功率相对降低,起到一定的节能效果。

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16  风机实际工作点右偏    

       第3种情况为风机实际运行工作点不在性能曲线上,风量、扬程均低于额定工作点,如图17中实际工作点3所示。如果出现上述情况,说明风机自身性能出现了衰减。对于电动机与风机之间通过皮带轮连接的机组,需要检查皮带轮是否松懈。而对于电动机与风机之间同轴连接的机组,则需要检测风机实际转速是否低于额定值,避免风机转轴与电动机转轴接触不良。如果检测后,均未发现上述问题,则需要联系厂家对风机叶轮尺寸进行检测评估,如果风机叶轮由于长期运行存在磨损问题,或由于出厂质量不佳,导致实际工作点偏离性能曲线,则需要进行更换。

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17 风机实际工作点偏离性能曲线    

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结语

       笔者通过对实际项目的详细测试和数据分析,总结出全空气变风量系统运行调适方法,从系统的外因、内因及内外协同3个方面入手,通过精准把控室内供冷需求,避免新风过量供应来避免过量供冷。随后通过优化系统控制逻辑,从降低VAV Box风量下限设定值及系统静压设定值,在满足末端供冷需求的前提下,降低系统总送风量及系统阻力,从而降低风机输送能耗。而对于风机自身性能,通过与性能曲线及额定工作点的对比分析,总结出风机实际运行中存在的3类典型问题,并有针对性地给出了优化建议。通过上述方法,在降低系统供冷量,提升室内舒适性的同时,优化了全空气变风量系统运行性能,提升了运行品质,起到了很好的节能效果。


本文引用格式:邓杰文,何适,郝志刚,等.公共建筑空调系统运行调适方法研究(5):全空气变风量系统[J].暖通空调,2020,50(11):66-73

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