舒适性空调系统能耗管理的研究

　　【摘要】节能降耗是舒适性空调的任务之一，本文研究了多主机并联时，主机的最优负荷分配的能源管理的方法和效果；对一次变流量的冷冻水泵系统的控制方法提出策略，提出最小静压法的变风量系统的控制方法。
　　关键词：空调自动化系统，节能，舒适性空调
　　1空调系统的能量管理
　　空调系统作为建筑物的能耗大户，必须有效的管理才能达到节能的目的。传统的中央空调系统往往通过间接的参数来调节以实现需求和供冷的平衡，例如主机系统和末端系统通过冷冻水的进出水温度和设定点的差来确定需求与供应的管理，空气处理机和VAV末端通过管道压力来平衡需求与供给。但是上述参数通常存在系统上的延时，存在系统稳定时间长，控制精度差的缺点。空调自动化系统的给负载的预测和冷量的“按需供应”提供可能〔绷。空调自动化系统通过收集空调末端的负载参数直接反馈到主机模块和冷冻水模块，大大的提高了控制速度和精度。
　　空调系统一般是按照最大的冷量负载来选型设计的，而实际运行中，绝大多数时间处于部分负载的状态，在满足舒适性的前提下，可以通过优化控制和管理来实现节能的目的。通过空调自动化系统可以在多方而实现节能的目的。本文主要讨论以下几个方面：
　　（1）多台空调主机共用冷冻水系统承担建筑物负荷时，如何对主机系统进行优化和管理;
　　（2）空调末端负载变化时，冷冻水泵如何根据负载进行调节，降低管路损耗。
　　（3）空调末端水系统的定流量控制，减少山于水管压头变化而造成末端欠流量和过流量的为问题。
　　（4）空气处理机和变风量末端实现最优的变风量控制。
　　2多主机的最优能量管理办法
　　空调主机是空调系统的耗能大户，据统计，空调主机在整个空调系统中的能耗要占到整个空调系统能耗的40%以上，如何对空调主机进行节能降耗的控制和管理将对实现空调系统的能量最优管理的关键。
　　2.1主机的经济运行模式
　　当空调系统不处于满负荷运行工况时，除了通过让主机运行于部分负荷工况来达到节约能源的目的外，还可以通过调节主机和末端的温度设定点来达到节能降耗的目的，但是通过提高制冷温度设定点的方法会造成末端的冷量达不到设计冷量，而造成空调不制冷等假象。因此在采用空调的经济运行模式时必须综合考虑满足系统的节能和舒适性两个方面，通过检测室外温度和湿度以及空调系统的运行时间表来控制机组运行在经济运行模式，以达到降低运行成本的目的。
　　2.2主机节能的展望
　　在多主机并联系统中，空调主机要达到节能降耗运行的目的，除了提高空调主机本身COP能力外，在部分负载的情况下，可以通过最优性能系数曲线法使空调主机始终运行于最高的COP段，也可大幅降低空调能耗。
　　在过渡季节时，使机组处于经济模式，通过调高空调主机的出水的温度，也可以达到节能降耗的结果。但是该种调节方式是以牺牲空调末端冷量和舒适性来达到的。由此使用该种方法来进行节能降耗时，需要权衡节能和舒适性这两个方面。
　　3水泵节能控制
　　水泵是空调主机冷冻水系统和冷却水系统的关键元件，水泵的控制与管理与整个空调系统的控制和管理有密切的联系，通过水泵控制方法进行改进。
　　如图1所示的一次泵变流量系统是冷水变流量系统，不管是供回水干管，还是冷水机组蒸发器中的冷水流量都随着末端负荷变化而变化的。这种系统与传统的变流量系统不同之处在于旁通管管径不同、旁通阀的控制源不同、水泵是否变速运行、冷水机组的出水管上是否设置电动隔离阀。图1所示系统的旁通管是按通过最大冷水机组的最小允许水量来设计的，而传统的旁通型变流量系统的旁通管是按旁通一台冷水机组的流量来设计的，因此前者的旁通管较后者的小。CSM控制器可以通过检查流经冷水机组两侧的水压差或流量计来检查主机侧和末端供水干管的冷冻水的水流量。当进入末端系统的冷冻水流量大于单台冷水机组的最小允许的水流量，旁通阀处于始终处于关闭状态；随着进入末端系统的水流量逐渐减少，即意味着末端的冷量需求逐渐降低，CSM控制器根据建筑物负荷情况关闭空调主机，并关闭该机组的电动阀，将该机组从系统中切出；当进入末端系统的冷冻水水流量小于单台冷水机组最小允许水流量时，旁通阀开度逐渐增大，进入末端干管的冷冻水量越少，旁通阀的开度越大，流经旁通阀的冷冻水量越多。当末端系统完全无需求时，所有的冷冻水经由旁通阀，主机侧水冷冻水系统短循环。

　　一次泵冷水变流量系统具有初投资小，节省制冷机房占地面积和降低运行费用的优点，但也有机组启停控制、旁通阀最小流量控制较复杂，机组启停时会造成供水温度波动的缺点。这种系统适用于至少有30%以上水流量变化、空调房间的温度控制允许冷水供水温度有少量变化（如舒适性空调系统）的变流量水系统。为了充分发挥这种水系统节能的潜力，正确设计水系统是十分重要的。
　　4末端水系统的控制
　　在变流量系统中，空调末端水系统的设计与控制也是决定该系统成功与否的关键，有很多失败的变流量系统的案例，往往是忽视空调末端水系统的设计与控制造成的。
　　对于空调末端的水系统来说，最优的运行系统是水力平衡系统，水力平衡系统包括两方面：流量平衡和压力平衡。前者指的是在任何情况下，系统供水和末端的流量均能满足载冷的量的要求。压力平衡指系统压力在任何情况均满足供水要求，不在任何阀门和管路上造成额外的压力降。水力平衡有两种类型，静态水力平衡和动态水力平衡，静态水力平衡多见于定流量系统，它指水力系统结构没有任何变化时，系统始终处于平衡状态；动态平衡多用于变流量系统，当水力系统中的阀门投切或者比例调节时，系统仍能维持平衡状态。
　　如图2所示，假设系统为静态平衡系统，当所有末端的水阀均开启时，调试时即使各个末端已经调试平衡，当实际使用时，当某些末端调节或关闭时，会造成其他末端两端的压差变化，从而因此其他未调节末端水量的变化，从而引起失调，这种失调现象是一种动态的失调现象，例如：当系统处于静态平衡的过程中，当节点2和7之间的末端的水阀关闭，系统流量不能瞬间变化，多余的流量主要是通过节点3和6、4和7之间的末端承受，造成上述末端的流量偏大和压降偏大的情况。
　

　　5变风量系统的控制
　　变风量末端主要有四种类型：节流型、风机动力型、双风道型、旁通型。现在比较广泛的运用到实际工程中的主要是节流型和风机动力型这两种。节流型变风量末端主要通过节流元件：出风导叶、气囊等对风道的开度大小进行调节以达到调整风量的目的。风机动力型的变风量末端装置是从节流型的变风量末端系统发展来的，通过在管道内置加压风机来增加机组的风量调节能力。根据加压风机的排列布置方式的不同，又分为：串联风机动力型和并联风机动力型。前者是风机和变风量阀串联在同一风道中，一次风既通过风机，也通过变风量阀，通过风机增加机组的静压。并联风机动力型的变风量末端是指风机和变风量阀并联布置，一次风只通过变风量阀，风机不作为加压风机。
　　本文提出最小静压控制的控制方法。对于最小静压控制法来说，系统中最远端的VAV末端作为系统测量的点，当风量需求增大时，优先开启VAV末端的风阀；当需求风量降低时，优先降低AHU的风机转速，始终维持最小的静压。如下图3为最小静压控制方法的原理图。“变风量控制器”包含两个PID循环，第一个PID循环为：根据被控制区域的采样温度和设定温度计算该区域需求风量；第二个PID循环，根据风量和风阀的最大开度计算该末端的满足风量的最小供风静压；第三个PID循环为“AHU变频控制柜”根据所有的末端中最低静压需求的一个末端作为控制点，控制输入AHU送风机的频率。其中最后一个PID的控制点会根据末端的需求静压变化而通过软件开关来选择。一般来说VAV末端会选取风阀开度为30%时作为最小开度，80%的风阀开度作为最大风阀开度，末端系统的裕量足够保证系统的稳定运行。
　　6结论
　　中央空调系统节能降耗的目标是空调自动化系统的一个重要任务，通过空调自动化控制系统来实现建筑物节能是未来发展的方向。本文主要是研究的能量管理的手段和方法，着重解决部分负载时，系统运行和管理的方法和策略：当多主机并联系统处于部分负载时可根据最优负荷曲线来分配负荷的方法，同时水泵节能、末端水系统、、变风量系统的控制等措施。
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