考慮變流量特性的大溫差空調系統自動平衡調試

戴軍

(中廣核工程有限公司，廣東深圳，518000)

0 引言

暖通空調是具有采暖、通風功能的空調器，通過控制空氣中的溫、濕度，提高室內空氣的舒適度[1]。在城市化進程影響下，建筑行業迅速發展，對大溫差變流量暖通空調系統的需求也不斷增長[2]。在全球能源短缺的環境下，如何調試暖通空調系統的平衡、減少空調系統帶來的消耗成為了當今研究的重點。為此，研究一種大溫差變流量暖通空調系統平衡調試方法。國外在研究暖通空調系統起步較早，提出了多種節能平衡控制方法，并實際運用到空調系統的節能控制上。國內平衡調試空調系統研究起步較晚，雖然近年來發展較快，但整體水平還處于起步階段，仍需不斷地學習研究。

1 暖通空調系統自動平衡調試研究

大溫差變流量暖通空調系統是指，相較于常規的空調系統溫差大，常規空調系統冷卻水、冷水溫度均為5℃，大溫差空調箱系統中供回水溫差大于常規溫差。當前國內已有部分工程采用了大溫差暖通空調技術，這一技術也將成為未來暖通空調系統的主流發展方向，因此研究大溫差變流量暖通空調系統的平衡調試是至關重要的。

■1.1 計算暖通空調大溫差變流量特性

暖通空調在實際運行過程中需要同時滿足室內的舒適性和節能的需求[3-5]。在實際工作時，調節暖通空調的溫控閥，能夠實現室內的換熱過程，此時換熱過程就可表示為：

其中，Q表示暖通空調中暖水的流量大小，tw表示未調節溫控閥時室內溫度，t1w表示調節后溫度，μ表示暖通空調內的換熱參數，?t表示調節前后溫度差。根據上述公式的數量關系可知，調節溫控閥前后，暖通空調的相對冷水流量與暖水流量數值呈現線性變化，空調內的流體在管道中與管壁產生一定的摩擦，進而產生一定的阻力損失，該部分損失就可表示為：

其中，? Py表示流體沿程產生的阻力損失，D表示管道的直徑，ρ表示管道密度，v表示流體在管道進口的體積。在大溫差的室內溫度控制中，暖通空調在管網管道的各支路分配不同大小的水流量，處在不同管網的管道有一定水力度數值，為了確保管道能夠正常運行，需控制管網的水力失調度，可表示為：

其中，Qs,i表示管網支路i實際的流量數值，Qd,i表示管網支路i設定的流量數值，其余參數含義不變。根據上述計算得到的失調度數值，當暖通空調設定的管網流量數值與實際流量數值相同時，滿足了室內大溫差的溫度需求，為了貫徹節能減排的目標，預測大溫差變流量暖通空調的運行負荷，設定平衡調試方法。

■1.2 預測運行負荷

在實際運行過程中，大溫差變流量暖通空調受到外部影響因素較多，預測運行負荷時較為復雜，所以將暖通空調的運行過程劃分為不同的識別周期[6-8]。按照周期內的末端數據與曲線擬合的相似性處理為周期末端數據，構建一個時間移動窗口算法，假設暖通系統的時間周期為t，以暖通空調的周期末期作為統計點，構建一個周期性的負荷預測過程。

其中，ai(t)表示暖通空調周期時間的系數項，xn表示暖通空調的觀測參數。

設定負荷預測過程的移動步長為固定數值，調節暖通空調的初始時間后，按照時間周期參數，計算暖通空調的熱負荷數據，將不同數值的時間周期參數，設定為不同的時間序列窗口，以一個時間周期內的暖通空調熱負荷數值序列變化作為基礎，構建一個周期性動態變化過程，實現周期性運行負荷的預測。周期性的末端負荷數據能夠針對不同周期內暖通空調的自適應性，完成對暖通空調不同運行階段的預測。根據構建得到的預測過程，設定平衡調試策略。

■1.3 構建變流量調節變化曲線

根據上述設定的預測周期，以管網管道中的總流量管道以及分支流量管道作為研究對象，構建一個變流量調節變化曲線，如圖1 所示。

圖1 變流量調節變化曲線

由上圖所示的變流量調節變化曲線可知，在設定的周期范圍內，兩種流量變化會產生三種調節方式，不同的調節方式能耗不同，所以在設定平衡調節策略時，以序號1～4 作為調節工作點，當暖通空調的流量為Q1時，固定管網內的總管道的揚程為周期T4的數值，并以此作為起點，將管網分管道內的流量設定為Q2，此時在不同的負載周期內產生了多種2、3、4 三種的揚程數值，計算對應揚程數值水泵的性能參數n1～ n3，當水泵的性能參數為n1時，周期參數為T4～T5，管網閥門處的阻力增加，管道內阻力變大，此時控制暖通空調系統調整總閥門調節，控制總管網管道中的流量為定值。當暖通空調的水泵性能參數為n2時，時間周期參數處于T2，管道對水流產生的阻力最大，為此采用變頻調速調節，控制管網中產生的阻力。當水泵性能參數為n3時，暖通空調的負載周期為T3，工況點較為穩定，故可控制空調系統內的水壓差數值為一個固定值，保證空調系統的節能。綜合上述處理過程，最終完成對大溫差變流量暖通空調系統平衡調試方法的設計。

2 對比實驗

上述分析中從理論上證明了調試方法的可行性，為驗證其實際應用效果，將設計方法與其他兩種方法做對比，進行下述實驗。

■2.1 實驗準備

準備可替代蒸發冷卻空調設備的傳統機械制冷空調以及水泵，選定的水泵參數和數量如表1 所示。

表1 選定的空調系統設備參數

使用如表1 參數的空調系統設備，控制冷水機組、空調機組、冷凍循環水泵以及冷卻塔的數量均為2，使用8 個新風機組，采用1 組軟化水處理以及補水裝置。組裝完畢后，分別使用傳統平衡調試方法、文獻[3]中的平衡調試方法以及文中設計的平衡調試方法進行實驗，對比三種調試方法的性能。

■2.2 結果及分析

設定三種調試方法控制下的暖通空調系統，平均每天工作10 小時，根據三種調試方法的調試功能，以三天作為一個統計點，統計暖通空調在一個月內的耗電量，耗電量結果如表2 所示。

表2 三種調試方法產生的耗電量

由表2 可知，設定三種平衡調試方法控制相同的暖通空調系統，設定相同的統計時間點，根據設定的統計時間點可知，傳統平衡調試方法在實驗周期內產生的耗電量最多，在統計時間點10 時，實際的耗電量數值為29929.7kW，實際的耗電數值較大，而文獻[3]中的平衡調試方法最終產生的電量數值在34043.7kW，實際產生的耗電量數值最大，而文獻[3]中的調試方法最終產生的電量數值在14968.0kW，與兩種現有的調試方法相比，文中設計的調試方法實際產生的耗電量數值最小，適合在大溫差變流量暖通空調系統中運用。

3 結束語

大溫差變流量暖通空調系統在實際工作過程中，不同的溫度會產生不同動態變化過程，針對該過程，設計一種平衡調試方法，在確定暖通空調大溫差變流量特性后，預測其運行負荷，并根據預測周期繪制曲線。經過實驗對比充分證明了設計的有效性，希望通過本文研究能夠改善現有平衡調試方法的不足，為今后平衡調試暖通空調提供一定的研究方向。