高校教室夏季空調優化控制研究

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(1.上海海洋大學食品學院，上海 201306； 2.農業部冷庫及制冷設備質量監督檢驗測試中心(上海)，上海 201306； 3.上海冷鏈裝備性能與節能評價專業技術服務平臺，上海 201306)

0 前言

據國際制冷學會(IIR)的估計，全世界15%電能消耗于制冷和空調行業[1]。我國建筑能耗占全部終端用戶總能耗比例將于近年達到35%[2]，而空調能耗占辦公建筑總能耗的比例最高可達60%[3]。

由于空調系統能耗大，所以國內外學者對空調系統的仿真和節能分析有很多研究。

李裴婕以Trnsys為仿真平臺，提出了一種被動式與主動式相結合的新型變風量送風系統故障檢測與診斷方法，該方法可以有效地診斷出風閥卡死、傳感器偏差等壓力無關型變風量末端常見硬件故障[4]。

于慧俐等采用Matlab軟件對基于PMV指標的模糊控制方式進行仿真計算。調節時間上縮短了57%，在滿足乘客熱舒適要求的基礎上，能很好地實現系統節能需要[5]。

巫春玲等使用BIM技術的能耗分析軟件Ecotect Analysis對某空調實驗室進行了熱工計算及能耗分析[6]。

李帥等對污水源熱泵系統不同連接方式下不同運行調控方式進行研究，采用多水泵并聯或水泵變頻運行均降低了系統的能耗，具有一定的節能效果[7]。

蔡盼盼等提出了一種基于 PSO 算法的空調機組送風溫度的優化方法并有效的應用于 AHU 變風量運行參數的優化，與常規變風量運行方式相比具有17.72%的節能效果[8]。

以上的空調系統節能的研究十分廣泛而且效果明顯。隨著高等教育的發展，高校建筑物種類越來越多。這些教室具體使用時間具有隨機性，各教室集中授課情況具有分散性，內部人員具有很大的流動性。針對高校教學建筑的空調系統節能的研究還十分欠缺。

由于教室上課人數可以通過教學管理系統提前預知，所以高校教室的空調系統可以采用人數控制的方案，在選課人數不多時候可以通過變頻調節，實現空調系統的節能[9]。

本文以上海市某高校206教室為例，并由上海市的氣象數據，及教學樓建筑結構、學生上課情況、教室電器能耗等情況建立Trnsys仿真模型。采用作息控制、溫度控制和上課人數控制三種控制模型，分別模擬夏季空調系統的運行情況，進行對比，分析其溫度變化和能耗變化，找到最合適的控制方式。

1 教室空調系統

1.1 教室

206教室的平面布置圖如圖1所示。整個教室位于教學樓的左上角，長10.8 m，寬7.2 m，面積74.20 m2，最多可容納76人上課。

1.2 空調系統

空調系統采用風機盤管加新風系統，室外采用風冷式冷水機組。各設備參數如表1所示。

表1空調系統設備

序號名稱型號性能參數1風冷式冷水機組TY-4A制冷量11.2 kW,壓縮機功率3.2 kW2冷凍水泵BYKT25-125流量4 m3/h,揚程20 m3風機盤管FP-238風量2 380 m3/h,制冷量11.1 kW4回風機GDF3.0-4風量2 000 m3/h,全壓570 Pa5新風機GDF2.5-4風量1 000 m3/h,全壓310 Pa

1.3 課程表

206教室的2017春季學期的課程表如表2所示。

表2 206教室課程表

節次星期一星期二星期三星期四星期五上午第一大節8:15-9:50食品微生物人數:46機械設計與制造人數:40通風工程人數:24大學物理人數:71概率論人數:38 第二大節10:05-11:40計算傳熱學人數:13水利學人數:57民法通則18有機化學人數:55思想品德修養人數:35下午第三大節13:00-14:35熱泵人數:7-大學英語4人數:20線性代數人數:75- 第四大節14:45-16:20會計學基礎人數:22-大學英語1人數:72流體力學人數:68-晚上第五大節18:00-19:35生物化學人數:49自然辯證法人數:76電工技術人數:43高等數學T人數:26-

2 Trnsys仿真方法

2.1 控制方案

基于2017年上海市的氣象數據，模擬2017年6月1日～2017年6月30日一個月夏季空調的運行情況。模擬過程中采用三種不同的控制方案，如表3所示。

2.2 軟件流程

作息控制軟件流程如圖2所示，溫度控制和人數控制的流程圖除了控制部分外，其他都類似。從圖2可以看出，軟件涉及的部件分為四大類：

(1)控制部件：包括時間、日歷、課程表和時間控制器等。

(2)建筑物模型：這里指教室模型。

(3)空調系統部件：包括冷水機組、冷凍水泵、風機盤管、回風機和新風機等。

(4)輸出部分：包括控制信號、溫度和負荷輸出、功耗輸出等。

表3三種不同的控制方案

序號控制方案冷水機組冷凍水泵風機盤管回風機1作息控制上課時間開啟,周末、假日除外2溫度控制同1同1,且26℃開/24℃停3人數控制同1同2,且(教室人數/最大人數)實現變頻控制

2.3 計算條件

如圖3，仿真起始時間3 648 h(6月1日)，停止時間4 368 h(6月30日)，計算時間1個月，時間步長10 min。

3 控制結果對比分析

3.1 溫度對比

三種控制方式下教室空氣溫度的變化如圖4所示。從圖2可以看出，三種控制方式下的溫度均穩定在16～30℃之間。注意：16～20℃和28～30℃這樣的低溫和高溫均出現在教室非教學時間(包括周末休息和每天的19:35～次日8:15)，所以并不影響教室室內人員的熱舒服狀態。

為了進一步分析不同控制方式的下溫度對比，分別列出教室在教學時間的平均溫度和隨時間變化的均方差，如表4所示。

表4不同控制方案對應的溫度對比/℃

控制方式平均均方差作息控制22.32.3溫度控制25.12.0人數控制26.21.4

從表4可以看出，三種控制方式中，作息控制的平均溫度最低，達到22.3℃，其次是溫度控制,達到25.1℃，人數控制最高，達26.2℃。按照夏季空氣調節的要求，溫度應穩定在24～28℃[10]，人數控制和溫度控制效果最好。

從均方差來分析，作息控制、穩定局控制和人數控制的溫度均方差分別是2.3℃，2.0℃和1.4℃，所以人數控制方案的溫度穩定性最好。

3.2 能耗對比

圖5給出了三種控制方案的能耗對比。從圖上可以看出，作息控制的總能耗最高，達2 282 kJ；溫度控制的總能耗次之，1 211.5 kJ；人數控制方案的總能耗最小，為793.1 kJ。所以人數控制方案最為節能。

4 結語

本文以上海某高校教學的夏季空調系統為研究對象，采用Trnsys軟件模擬空調系統的運行，分別以作息控制、溫度控制和人數控制三種控制方案做對比分析，可得到如下結論：

(1)由于室外氣溫的波動，教室內的人數變化頻繁，三種控制方案的溫度均在16～30℃之間波動。但是教室在教學時間段的溫度集中在20～28℃之間，基本可以滿足教室內的學生的熱舒適要求。

(2)三種控制方案中，室內溫度從低到高分別是：作息控制(22.3℃)，溫度控制(25.1℃)和人數控制(26.2℃)。室內溫度均方差從大到小分別是

作息控制(2.3℃)，溫度控制(2.0℃)和人數控制(1.4℃)。所以從室內舒適性和溫度穩定性來看，人數控制是最好的。

(3)從總能耗角度分析，三種控制方案中，能耗從高到低的分別是作息控制(2 282 kJ)，溫度控制(1 211.5 kJ)，人數控制(793.1 kJ)。因此最節能的是人數控制方案。