大空間VAV空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)溫度優(yōu)化控制的探討

蔣仁嬌，何清衡

大空間VAV空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)溫度優(yōu)化控制的探討

蔣仁嬌1，何清衡2

（1.廣東南海國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東佛山528200；2.廣州市建準(zhǔn)檢測(cè)服務(wù)有限公司，廣東廣州514000）

本文在深入分析大空間VAV空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)溫度控制方法的基礎(chǔ)上，得出由于室內(nèi)垂直溫度梯度的影響，傳統(tǒng)的通過(guò)檢測(cè)室內(nèi)回風(fēng)管溫度作為室內(nèi)溫度的控制依據(jù)的控制方法具有一定的不合理性。本文利用PHOENICS軟件對(duì)一大空間商場(chǎng)VAV空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，依據(jù)模擬結(jié)果，通過(guò)采用溫度修正的優(yōu)化方法對(duì)回風(fēng)溫度檢測(cè)值進(jìn)行優(yōu)化，使得溫度檢測(cè)值與實(shí)際需求溫度值更貼近，降低了VAV空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，達(dá)到節(jié)能的目的，風(fēng)機(jī)可節(jié)能25.4%。

大空間；VAV空調(diào)系統(tǒng)；溫度修正；節(jié)能

0 引言

在使用中央空調(diào)系統(tǒng)的建筑中，中央空調(diào)的運(yùn)行能耗占建筑總能耗的比例高達(dá)60%以上[1]，降低建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗，是降低建筑能耗的有效措施，對(duì)建筑節(jié)能具有重要意義。VAV空調(diào)系統(tǒng)作為一種“節(jié)能、舒適、健康”的新型空調(diào)系統(tǒng)在建筑物中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[2，3]。大空間空調(diào)區(qū)域大，各區(qū)域負(fù)荷呈現(xiàn)不均勻性，易出現(xiàn)冷熱不均的現(xiàn)象，人員流動(dòng)性大，負(fù)荷干擾大，同時(shí)各區(qū)域之間的控制耦合性強(qiáng)，解耦困難，因此，VAV空調(diào)系統(tǒng)由于其在負(fù)荷調(diào)節(jié)上的顯著優(yōu)勢(shì)使得其逐漸被應(yīng)用到建筑物大空間中，例如香港環(huán)球貿(mào)易廣場(chǎng)（ICC）、廣東科學(xué)中心、廣州亞運(yùn)場(chǎng)館等[4]。

在大空間VAV空調(diào)系統(tǒng)中，末端裝置通過(guò)檢測(cè)到的回風(fēng)溫度參數(shù)值與室內(nèi)設(shè)定溫度值的偏差調(diào)節(jié)風(fēng)閥的開(kāi)度，改變末端送風(fēng)量，適應(yīng)室內(nèi)負(fù)荷的變化。但是，由于建筑室內(nèi)垂直溫度梯度較大，回風(fēng)口溫度較人體活動(dòng)高度實(shí)際需求溫度高，并不能真實(shí)有效地反映室內(nèi)人體活動(dòng)實(shí)際需求溫度，實(shí)際送風(fēng)量大于需求送風(fēng)量，末端運(yùn)行能耗會(huì)增大。系統(tǒng)的控制精度不高，VAV空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能潛力并沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)。因此，有必要對(duì)大空間VAV空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)溫度的檢測(cè)值進(jìn)行優(yōu)化，降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

本文通過(guò)利用PHOENICS軟件對(duì)一大空間商場(chǎng)VAV空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，得出該VAV空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)溫度分布狀況，分析室內(nèi)垂直方向溫度梯度變化規(guī)律，采用溫度修正的優(yōu)化方法對(duì)回風(fēng)溫度檢測(cè)值進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)其節(jié)能效果進(jìn)行了計(jì)算分析。

1 PHOENICS建模

1.1 模型簡(jiǎn)化

在模擬過(guò)程中，認(rèn)為空調(diào)房間室內(nèi)氣流是連續(xù)的，對(duì)流場(chǎng)氣體做不可壓縮流體處理，同時(shí)將內(nèi)墻按無(wú)熱交換處理，設(shè)置為絕熱邊界。

1.2 湍流模型的選取

選用平均湍流能量模型k-ε[5]雙方程模型來(lái)求解紊流擴(kuò)散問(wèn)題。湍流動(dòng)能方程和紊流能量耗散率方程分別表示為：

式中Gk—由平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能，定義為

Gb—由浮力引起的湍流動(dòng)能，定義為其中，gi為速度分量；β為熱膨脹系數(shù)，

C1，C2，C3—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

σk，σε—湍流動(dòng)能和湍流能量耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；

μt—湍流粘度，μt=ρCμk2/ε，（Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)）。

1.3 模型相關(guān)參數(shù)

（1）商場(chǎng)面積1020m2，長(zhǎng)、寬、高尺寸為34m× 30m×5m。

（2）人體負(fù)荷按輕勞動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算，取25℃條件下成年男子顯熱散熱量，按64W/人計(jì)算。依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 50189-5005》，商場(chǎng)人員密度選取4m2/人計(jì)算，商場(chǎng)總?cè)藬?shù)為255人。經(jīng)計(jì)算人體負(fù)荷為14524.8W，在模型中，將人體簡(jiǎn)化為9個(gè)28×0.4×1.8的立方體Block。每個(gè)Block熱負(fù)荷為1613.87W，間隔2m平均布置于模型中。由于人體的外形是否精確對(duì)于氣流組織會(huì)有一定的影響，但這種影響對(duì)于整個(gè)流場(chǎng)完全可以忽略，因此這種近似是合理的。

（3）依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 50189-5005》，商場(chǎng)照明功率密度值選取19W/m2進(jìn)行計(jì)算。照明負(fù)荷為19380W，在模型中，將照明冷負(fù)荷簡(jiǎn)化為16個(gè)長(zhǎng)、寬、高為28×0.2×0.2的立方體Block，每個(gè)Block的熱負(fù)荷為1211.25W，間隔2m平均布置于2.8m高度處。

（4）東墻為玻璃外墻，熱流密度選取40W/m2，總負(fù)荷為4080W。

1.4 邊界條件

計(jì)算區(qū)域的邊界條件包括入口邊界、出口邊界和固體邊界三種類型。

（1）入口邊界

本研究對(duì)商場(chǎng)的氣流組織模擬計(jì)算以送風(fēng)口為進(jìn)口邊界。模型中設(shè)置25個(gè)尺寸為1.8m×0.2m的長(zhǎng)條型風(fēng)口，均勻布置于室內(nèi)高度3.2m處，近似認(rèn)為氣流以垂直于送風(fēng)口斷面的方向進(jìn)入室內(nèi)房間，送風(fēng)溫度為18℃。

（2）出口邊界

依據(jù)建筑實(shí)際設(shè)計(jì)情況及圖紙標(biāo)注，在建筑高度3.5m的側(cè)墻上設(shè)置3個(gè)尺寸為1.60.55m2的回風(fēng)口，采用自然回風(fēng)形式。

（3）固體邊界

北墻、南墻、西墻、屋頂及地面對(duì)大空間氣流組織的影響可忽略不計(jì)，按絕熱邊界條件處理。東墻為玻璃外墻，熱流密度選取40W/m2。

1.5 模擬工況

（1）模擬工況一：總送風(fēng)量為8573m3/h，送風(fēng)速度為0.882m/s。

（2）模擬工況二：總送風(fēng)量為7776m3/h，送風(fēng)速度為0.8m/s。

1.6 模型效果圖

圖1 商場(chǎng)PHOENICS模型效果圖

2 模擬結(jié)果與分析

通過(guò)截取某一典型截面來(lái)對(duì)模擬的結(jié)果進(jìn)行分析。空間的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 送風(fēng)口斷面處溫度分布圖（X=17m）a）工況一b）工況二

依據(jù)模擬結(jié)果，得出VAV末端控制區(qū)域送風(fēng)口截面（X=17m）的各處室內(nèi)垂直溫度分布規(guī)律如圖3所示。

圖3 工況一及工況二下送風(fēng)口截面（X=17m）垂直溫度分布a）工況一b）工況二

在工況一模擬條件下，室內(nèi)回風(fēng)口高度3.2m處的溫度為25.02℃，依據(jù)VAV系統(tǒng)末端風(fēng)量控制原理可知，當(dāng)回風(fēng)口檢測(cè)溫度與室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度相等時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量將維持不變。然而，室內(nèi)1.7m高度處的平均溫度為24.36℃，明顯低于室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度25℃，人體會(huì)有偏冷的感覺(jué)。在工況二的條件下，人體活動(dòng)高度1.7m處的溫度為25.01℃，與室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度幾乎相等，能夠很好的滿足人體熱舒適性溫度的需求。然而，室內(nèi)回風(fēng)口高度3.2m處的溫度為25.8℃，依據(jù)VAV系統(tǒng)末端風(fēng)量控制原理可知，當(dāng)回風(fēng)口檢測(cè)溫度大于室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)將增大送風(fēng)量，直到調(diào)節(jié)至工況一條件，再維持系統(tǒng)送風(fēng)量不變。

3 優(yōu)化的溫度控制方法

在空調(diào)環(huán)境中，從人體感覺(jué)舒適性上講，將溫度傳感器布置在1.7m高度是比較合理的做法，因?yàn)槿说那邦~是人體對(duì)熱舒適性感覺(jué)最敏感的部位之一[6]。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，溫度傳感器一般安裝于回風(fēng)口處，依據(jù)回風(fēng)溫度檢測(cè)值控制送風(fēng)量，這種控制方法具有一定的不合理性。如果可以對(duì)回風(fēng)溫度檢測(cè)值進(jìn)行一定的修正，使之更貼近室內(nèi)人體活動(dòng)高度的實(shí)際需求溫度值，那么將可以有效降低空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量，達(dá)到節(jié)能的目的。因此，本文給出了溫度梯度的計(jì)算方法：

垂直方向溫度梯度：

垂直方向溫度修正量：

由于大空間溫度分布并不是均勻的，因此我們應(yīng)以各VAV末端區(qū)域檢測(cè)到的溫度的平均溫度梯度來(lái)進(jìn)行計(jì)算。垂直方向的平均溫度梯度σ為：

式中σ—垂直方向的平均溫度梯度，℃；

T1，Ti-1—i檢測(cè)點(diǎn)和i-1檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)溫度，℃；

yi，yi-1—i檢測(cè)點(diǎn)和i-1檢測(cè)點(diǎn)垂直方向的高度，m；

n—溫度場(chǎng)中檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)量，個(gè)。

依據(jù)上述公式以及PHOENICS模擬結(jié)果，計(jì)算出工況一及工況二條件下室內(nèi)溫度垂直溫度梯度見(jiàn)表1和表2。

由上述表格中的數(shù)據(jù)可知，室內(nèi)環(huán)境垂直方向的溫度梯度分布具有一定的規(guī)律性。工況一及工況二條件下，雖然室內(nèi)送風(fēng)量有較大差別，但是兩種工況計(jì)算出的溫度梯度相差并不大，可近似為不變。引入溫度梯度的計(jì)算結(jié)果，對(duì)回風(fēng)溫度檢測(cè)值進(jìn)行修正，在控制器控制算法中引入修正系數(shù)，將可以使得回風(fēng)溫度檢測(cè)值與實(shí)際溫度需求值更貼近，可以減少系統(tǒng)的送風(fēng)量。送風(fēng)量的變化間接反映了室內(nèi)負(fù)荷的變化，因此文中得出的溫度修正系數(shù)實(shí)際是建立在負(fù)荷變化的基礎(chǔ)上得出的。

表1 工況一下送風(fēng)口截面（X=17m）垂直溫度平均梯度

表2 工況二下送風(fēng)口截面（X=17m）垂直溫度平均梯度

4 節(jié)能效果分析

對(duì)比分析工況一與工況二，當(dāng)人體活動(dòng)高度1.7m處的溫度為25℃時(shí)，送風(fēng)量為7776m3/h，當(dāng)回風(fēng)口高度3.2m處的溫度為25℃時(shí)，送風(fēng)量為8573.04m3/h。上述研究中的VAV空調(diào)系統(tǒng)末端風(fēng)量的控制采用的是定靜壓控制方法，管道中壓力穩(wěn)定，風(fēng)道阻力特性近似不變，在理想狀態(tài)下，利用風(fēng)機(jī)相似定律，能耗與風(fēng)量成三次方正比例關(guān)系變化，可計(jì)算出工況二的能耗僅為工況一風(fēng)機(jī)能耗的74.6%，能耗降低了25.4%。在保證室內(nèi)舒適性溫度環(huán)境的同時(shí)大大降低了風(fēng)機(jī)的能耗。

式中P1，P2—風(fēng)機(jī)不同工況下的功耗，kW；

Q1、Q2—風(fēng)機(jī)不同工況下的流量，m3/h。

5 結(jié)語(yǔ)

在傳統(tǒng)的VAV空調(diào)系統(tǒng)中，利用室內(nèi)回風(fēng)口溫度監(jiān)測(cè)信息作為末端溫度調(diào)節(jié)控制依據(jù)具有一定的不合理性，回風(fēng)口檢測(cè)溫度一般較人體活動(dòng)高度區(qū)域溫度高，導(dǎo)致系統(tǒng)的實(shí)際送風(fēng)量大于需求送風(fēng)量，不利于風(fēng)機(jī)的節(jié)能。在采用模擬仿真軟件的基礎(chǔ)上，利用模擬得出的數(shù)據(jù)，分析室內(nèi)溫度垂直方向的分布規(guī)律，計(jì)算出回風(fēng)口與人體活動(dòng)高度1.7m高度處的溫度梯度值，采用溫度修正的優(yōu)化方法對(duì)回風(fēng)溫度檢測(cè)值進(jìn)行修正，使其更貼近室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)值，有效降低了系統(tǒng)的送風(fēng)量，風(fēng)機(jī)能耗可節(jié)約25.4%。

[1]冀建芳.淺談公共建筑中央空調(diào)節(jié)能技術(shù)[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013，（7）.

[2]羅濤.變風(fēng)量空調(diào)技術(shù)分析[J].智能建筑與城市信息，2006，（02）：103～106.

[3]周斌.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)（VAV）在智能建筑中的工程實(shí)例系統(tǒng)分析[J].科技風(fēng)，2010，20：250，251.

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[6]周子成.舒適性和舒適性指標(biāo)[J].制冷，2002，（01）：22～26.

Discuss to the Indoor Temperature Optimal Control of VAV Air-conditioning System in Large-scale Rooms

JIANG Ren-jiao1，HE Qing-heng2
（1.Guangdong Nanhai International Architectural Design Limited Company，F(xiàn)oshan 528200，China；2.Guangzhou Jianzhun Test Service Co.，Ltd，Guangzhou 514000，China）

Based on t he in-depth analysis of temperature control method of VAV air-conditioning system for large-scale rooms，the ordinary control method by using the return air temperature as the control basis has certain rationality for the influence of the indoor vertical temperature gradient.This article uses PHOENICS software to simulate a VAV air-conditioning system of a large space mall.According to the simulation results，using the temperature correction optimization method to optimize the testing value of return air temperature can make the testing value more close to the actual demand temperature value.The energy consumption of the VAV air-conditioning system operation is decreased.It can achieve the goal of energy saving and the fan can be energy-saving 25.4%.

large-scale rooms；VAV air-conditioning system；temperature correction；energy-saving

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.018

TU831

B

2095-3429（2015）01-0077-04

2014-11-24

修回日期：2014-12-23

蔣仁嬌（1989-），女，廣西人，碩士研究生，研究方向：空調(diào)與建筑節(jié)能技術(shù)。