空调系统变流量调节优化研究.docx

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空调系统变流量调节优化研究

成绩

大学

《科研创新》课程考试试卷

空调系统变流量调节优化研究

时间2012年1月9日

学生姓名

学号

班级

任课教师

中国矿业大学力建学院

空调系统变流量调节优化研究

摘要：

变流量系统是一种能有效节约冷水输送系统能耗的节能技术，随着变频器和控制技术的发展，这项传统技术开始焕发出新的生命力，其应用也越来越广泛。

分析了变频调速水泵在三种控制（压差控制、温差控制、末端压差控制）方式下的运行过程、运行效果和节能效果,认为应综合考虑空调水系统的规模、负荷组成和分布、空调控制精度要求等因素选择最合适的控制方式。

Abstract:

Analysestheoperatingprocess,operatingeffectandenergysavingeffectofvariablefrequencypumpsunderthreecontrolmethods,i.e.pressuredifferencecontrol,temperaturedifferencecontrolandterminalpressuredifferencecontrol.Essaysuggeststhattheselectionofcontrolmodeshouldbebasedonthescaleofwatersystem,thecomposinganddistributionofload,thecontrolprecisiondemandofairconditioningsystem,etc.

关键词：

变流量节能控制高效

1.问题的提出

随着节能问题的白炽化，如何更加合理的利用暖通空调中的能源已经提上日程。

由于空调负荷需求是动态变化的，为避免出现“大流量、小负荷"的情况，变流量空调的应用目益广泛。

空调是现代建筑的主要耗能设施，传统的空调系统长期运行在定流量的状态，不能随着实际的要求来供冷，造成了相当大的浪费，定流量已经不能满足实际的需要。

随着科学技术的发展，变流量技术在中央空调系统中得到了很好的应用。

通过分析中央空调系统的结构和运行原理，结合变流量的工作原理，提出中央空调变流量智能控制系统，从而说明变流量在中央空调系统中的应用是高效节能的，有很好的应用前景。

1.1变流量概述

传统的中央空调系统是基于定流量运行和传输能量的原理，基于传统的工程设计方法进行冷热负荷计算和设备选型的。

由于公共和民用建筑空调系统的负荷主要来自围护结构传热（包括太阳辐射）和新风负荷，建筑物的外部环境温度随季节和昼夜的变化是动态的，建筑物内部对冷热负荷的需求变化将导致对中央空调能量负荷需求的动态变化，造成空调系统负荷是随室外气象条件而变化的，而空调设计、设备选择是按最不利工况进行的，目前很多设计人员都是用概算指标估算并且指标一再加大，冷热源选择过大的情况相当多。

在大多数时间空调负荷达不到设计标准，而在实际使用的大多数时间里，系统则处于部分负荷下低效率地运行。

因此从舒适与节能的角度出发，变流量系统（VAV，VWV，VRV）的应用越来越广泛，而变流量系统的正常运行以及它们实际的运行特性完全依赖于系统的控制。

随着自动控制技术、信息技术、变频调速技术和计算机技术、特别是软件工程技术的发展及应用性产品的成熟，在中央空调系统中以变流量运行方式替代传统的定流量运行方式已经成为可能。

所谓变流量系统（VariableWaterVolume，简称VWV），是以一定的水温（送风温度）供应空调机以提高热源机器的效率，而以特殊的水泵（风机）来改变送水量（送风量），顺便达成节约水泵（风机）用电的功效。

上文提到的三种空调系统（变风量，变水量和变制冷剂流量）是目前大楼空调最常被设计的系统。

中央空调控制也就是把管路、管件、阀体或阀门集中设定控制流体提供冷量。

所以有效组合中央空调控制即能有效控制耗能，设计合乎节能的空调系统。

变风量系统就是随着室内冷负荷不断变化，改变送风量，维持室温恒定的一种全空气空调系统。

当室内总显热负荷发生变化又使室温保持不变时，可将送风量L固定，而改变送风温度（传统意义上的定风量系统），也可将送风温度固定，而改变送风量。

所谓变水量系统，指的是冷冻水输送环路的总水量发生变化，而不仅仅是指通过末端设备的流量发生变化的冷冻水系统。

使用变冷冻水系统的目的之一就是要使冷冻水所载的冷量与不断变化的末端设备负荷所需的冷量相匹配，从而节约冷冻水输送环路运行费用。

保持供回水温差不变，控制冷水流量以达到对变化负荷的响应。

1.2变流量的发展前景

中央空调系统的能耗是建筑能耗中的重要部分，其份额约占建筑能耗的40%--50％以上，减少中央空调系统能耗，对建筑节能具有重要和深远的意义。

通过能耗统计与分析表明，中央空调系统中的实际能耗，第一位的是空调机组，其次才是制冷机，其输配系统（包括空调机组、风机盘管、水泵和冷却塔等）的能耗占中央空调系统总能耗的60%--70％以上。

设计人员往往重视制冷机的设计、选型，而忽视输配系统方面的设计，造成输配系统上的不合理和浪费能源的隐患。

可见中央空调节能，重视输配系统的设计和管理运行是提高能源利用率的最佳途径之一。

变流量是在保证系统安全稳定运行的前提下，实时响应系统末端负荷变化，按照末端温度的要求，动态改变空调管道中的水流量，空调的末端要多少就给多少，不会造成浪费；同时根据制冷主机的制冷变化或天气等其他原因引起的温度变化，实时跟踪空调主机发热量的变化，动态改变冷却水管道的水流量，提高空调主机的热交换效率，控制空调主机的COP值，使其处于较佳状态。

变流量系统在国内是有发展前景的，它是一种既节约能源又能同时满足室内要求的智能化空调系统，对于我国的大型商用办公建筑来说将会是一个良好的选择，也可为空调系统以旧换新的改造提供一个选择。

1.3研究意义

现代空调系统在系统及设备上的节能研究主要集中在两个方面，一方面是冷热源节能方面的研究，包括新能源的利用；另一方面是空调装置输送系统节能方面的研究，如变风量技术、空调大温差的研究等。

变流量系统就是一种能有效节约冷水输送系统能耗的节能技术，随着变频器和控制技术的发展，这项传统技术开始焕发出新的生命力，其应用也越来越广泛。

早期变风量、变水量调节是通过采用手动控制风机的开、停或变换档数调节风机的送风量和室内恒温器控制三通阀或两通阀调节盘管的过水量来实现的。

这种调节方式也使用温度检测元件，形成了闭环调节系统，有较好的调节性能。

该方法是定水量、变风量调节和定风量、变水量调节方式的组合，但是，房间温、湿度仍有一定程度的波动。

选择盘管的过水量作为主调节量，辅以手动风量调节，使调节范围有所增加。

目前绝大多数室内恒温器设定的高、低档水量的范围为1~0.3，高、低档风量的范围为1~0.5，负荷调节范围可达1~0.53。

空调的变风量、变水量调节，即通过风机盘管的冷冻水流量和风机的风量同时改变，以此调节风机盘管的供冷量。

风机盘管的无级变风量、变水量运行，可以使空调房间有更好的舒适性和节能性，使风机盘管的可控性增加，整个集中空调系统容易控制，能够达到更好的性能。

因此，变风量、变水量运行将是风机盘管控制和调节的发展趋势。

2.国内外变流量系统控制方法现状

变流量和变流量节能的概念已经使用了相当长时间，采用的技术手段是在不断进步的。

最初简单的手动调档，控制风机、水泵运行台数等方法也可以达到变流量的目的，由于科技的进步，自动控制技术和变频调速技术已经普遍应用在变流量控制中。

控制方案的优劣是决定变流量空调系统好坏的关键。

目前，国内外对变风量和变水量控制的研究很多，中央空调系统变流量控制都是变风量和变水量分别控制的，很少有结合在一起进行控制的。

变风量系统是通过控制风量来保证空调区域温湿度要求的空调系统，具有单个区域控制能力、局部区域运行的灵活性以及好的节能性等优点，但存在控制技术复杂的缺点。

从系统组成看，与定风量系统相比，表面看来只是增加了末端装置和控制部分，但却为暖通行业带来了挑战。

VAV空调系统问世以来，其控制系统的发展经历了以下三个阶段：

第一阶段，定静压定温度法，20世纪80年代开发；

第二阶段，定静压变温度法（ConstantPressureVariableTemperature，简称CPT法，也称不定静压法），20世纪90年代前期开发；

第三阶段，变静压变温度法（VariablePressureVariableTemperature，简称VPT法，也称变静压法，最小静压法），于20世纪90年代后期开发并普及推广。

VPT（变静压变温度法）克服了CPT（定静压变温度法）的缺点，该控制方法弥补了CPT法的不足之处，采用改变系统送风温度的手段，在舒适性、节能性、低噪声控制、保护新风量、降低成本等方面有充分优势，是当今国内外VAV空调设计时常采用的最佳控制方法。

变静压控制机理是由各VAV的要求风量计算出系统的要求风量进行前馈控制，同时根据各VAV的阀位开度判断系统送风量静压是否满足，由此进行反馈控制。

空调水系统首要目的是为各空调末端提供消除余热或者补偿热损耗所需的冷水或热水，然后在满足这个要求的前提下尽可能地节能，即以最少的能耗提供最好的服务。

变频控制的空调水系统有显著的节能作用，但由于变水量的空调水系统在理论分析上较定水量的空调水系统复杂，而实际运行中又存在许多问题，有可能造成水力失调、热力失调，所以变速变水量的空调系统一直是暖通空调界人士研究的热点。

变水量系统也经历了几个阶段：

20世纪60年代，变速水泵开始应用于空调冷水系统中，20世纪70年代的能源危机使得电价上涨，定速水泵逐渐失去市场，仿真控制已经出现并广泛代替了机械控制。

它相对于机械控制来说更容易调节，使用这种控制也能获得较为精确的水泵转速。

这一个时期的另一发展是，在用户处，空调末端采用二通阀取代三通阀来改变通过盘管的冷水流量，达到控制室内温度的目的。

20世纪80年代初，数字控制时代到来，冷水变水量系统发生了明显的变化，数字控制器的应用提高了冷水系统的控制精度，出现了一体化的整体型水泵系统。

进入21世纪，随着楼宇自控管理系统在大型中央空调系统中应用日益广泛化，各控制器之间的信息交换就变得更加方便快捷，各种控制算法发展也十分迅速，变水量空调系统必将迎来一个崭新的发展时期。

在变流量水系统的设计方法中，目前变流量水系统设计方法，大多仍然采用的是通过冷水机组蒸发器的水流量恒定（因为通过蒸发器的水流必须保持一定的流速，才能使水流处于紊流状态，避免出现层流，以防止蒸发器中水的冻结，保持蒸发器较高的换热效率），来保证冷水机组工况的稳定性和较高的效率。

无论是变风量系统还是变水量系统，控制问题都是关键核心，国内外一直针对变流量系统的控制策略不断研究探讨。

在变风量系统中，如何设定静压值是个棘手的问题，许多学者对此进行了研究。

1986年，Goswami.D提出了VBox集中控制的方案。

1993年，Warren.M在DCS控制系统的基础上提出了根据末端风量的限制报警来重新设定风道静压的控制策略。

同一年，陈向阳提出了针对模拟式自动控制器的试错控制策略和针对数字式自动控制器的计算方法控制策略。

1998年，王盛卫提出了基于DDC控制系统依据各末端风阀的最大开度个数实行静压优化的控制策略；同年，戴斌文根据VAV末端开度与阻力特性总结出一套变静压设定的算法。

在系统初始阶段设计一个比较适合的压力值，以保证各个末端均能达到设计流量，理论上说只要通过调节风机转速能够一直保持该点静压值不变，各个末端就能通过阀位调节来实现各房间对不同流量的变化要求。

但是由于压力控制环节和末端流量控制环节存在一定的耦合特性，所以只要静压控制环节存在，系统必有不稳定的因素。

90年代末期，中国学者提出了总风量控制，它不再监测、调控静压点的压力值，而是直接统计各末端要求的风量之和，据此总风量来调节风机转速。

它需借助于BAS的DCS控制系统，属于前馈控制方式，该方法有待工程验证。

1999年清华大学江亿教授等就变风量系统总风量控制方法进行研究，通过对压力无关型变风量末端的分析得出了设定风量作为控制变量，这就是变风量系统总风量控制方法。

这种方法避免了压力控制环节，能很好的降低控制系统调试难度，提高控制系统稳定性。

仿真技术的发展为变流量控制策略的研究工作带来方便，大量学者以仿真为平台提出很多针对变流量的控制方案。

2004年宫涛对变风量空调系统中的定静压控布和最小总送风量控制进行实验研究。

采用遗传算法对PID控制器的参数进行寻优，设计了变风量空调系统的LON控制网络，以此为实现手段，进行了定静压控制和最小总送风量控制，解决了由于各个控制回路耦合作用、相互影响、相互干扰造成的系统不稳定的问题。

2008年王建玉采用基于模型预测控制策略的多输入多输出（MIMO）控制器对单通道变风量空调系统的控制问题进行了研究。

通过设定参考轨迹、输入输出约束、控制步长、预测步长及加权矩阵，采用基于MPC的MIMO控制器实现了单通道变风量空调系统的优化控制，解决了系统的凸二次型优化问题。

针对变流量空调系统的控制方案，中国学者近年做出了不少研究和探讨。

2008年中国学者胡清华等提出在变风量空调系统中应用自适应PID控制，利用两个控制环实时控制解耦控制方法（DecouplingControl），根据提供的送风温度、送风压力和房间温度三个参数控制单区域或多区域的变风量空调房间。

利用三个相互影响的控制环对风量进行响应负荷的控制被控对象的解耦、控制和辨识结合起来，可以实现参数未知或时变系统的在线精确解耦控制。

同年，黄永红等提出了将多变量自适应解耦控制系统应用于变风量空调系统中，这是一种同自适应控制系统一样的时变的非线性系统或时变的非线性随机系统。

其实这种理论在2006年就由王建提出过，这种控制方法是以总线控制为平台进行的。

2009年张子鹏等就空调的不规则负荷变化提出模糊控制的方案，研究了针对变流量空调的控制器。

同年，郭沉仪提出将PI控制应用于VAV系统中，依赖于神经网格控制对变风量系统进行控制。

2000年台湾学者常池明提出将变相器应用到变水量系统中，取代常规的开、关水泵的控制方式。

利用控制器控制水泵的流量，在水泵之前加入变相器的环节，这项新技术的应用可以节省更多的能源。

2007年，梁洪新就变水量冷水系统换热特性进行仿真研究，以TRNSYS为平台，针对定温差控制、定扬程控制、定末端压差控制进行仿真研究，得出对于通断控制风机盘管水系统，末端风机盘管换热特性与空调系统规模、管路布置情况、末端负荷分布情况有关，到底选择何种控制方式，应综合考虑的结论。

近年来发展较快的先进的控制技术是前馈（FF）控制。

前馈控制通过预测未来的负荷值，计算出后一段时间的送风、水流量（前馈信号），结合当前信息完成控制。

前馈控制法可分为前馈式模糊控制系统、神经网络结构在线控制系统和前馈式智能控制系统等，这种控制具有克服时滞效应和节能等优点。

2005年王军等采用前馈补偿法设计了变风量空调系统的解耦补偿器，该解耦补偿器可以使所研究的变风量空调控制系统的开环和闭环传递函数矩阵都变换为对角矩阵，从而解除各个控制回路之间的耦合，使变风量空调系统实现解耦。

该解耦控制方法在变风量空调中的应用效果较好，提高了系统的控制品质和性能。

2006年李超等采用机理分析和实验分析相结合的方法，建立了恒温恒湿空调系统的数学模型，推导了四输入、四输出的传递函数矩阵，并采用前馈补偿法设计解耦补偿器，增强了控制系统的鲁棒性，使控制系统的性能和品质得到较大的提高。

2007年王海涛等应用前馈算法人工神经网络来预测夏季空调动态负荷，将人工神经网络作为一种工具，论证在空调动态负荷预测研究中切实可行。

2008年黄卫剑针对采用常规微分前馈回路带来的问题，提出动静态分开作用的微分前馈策略，解决了调节过程中出现偏差过大问题。

3.研究内容

3.1中央空调变流量节能原理

中央空调的节能是多方面的，大体上有三个层次。

行为节能，即尽可能少地使用空调，适度降低空调舒适性标准，如控制室内温度或使用时间。

行为节能侧重在行政管理层面，有一定成效。

在建筑中保持能量，即减少有用的冷热量的无谓流失，如建筑设计和隔热设计等。

利用先进的控制方法提高能源的利用效率，减少能量的浪费。

前两个层次都是治标不治本，提高能源的利用效率才是积极意义上的节能。

在中央空调系统中，交流电动机是主要的耗能设备，随着变频技术的发展，能对交流电动机实现大范围、高效率的无级调速，取得了很好的效果，因而变频器是实现中央空调节能的重要部分。

根据水泵的相似律，泵或风机的性能参数都是针对某一定转速nm来说的，当实际运行转速n与nm不同时，有下列关系

式中，Q、H、N与n分别是在转速为n运行状态下的流量、扬程、功率与转速；Qm，Hm，Nm与nm分别是在转速为nm运行状态下的流量、扬程、功率与转速。

交流电动机的转速与频率的关系为

式中，n为转子转速，r/min，f为交流电频率，Hz，s为定子与转子之间的转差率；p为电动机极对数。

由上式易得

即N

f3，因此从理论上来说，通过变频器对电动机的控制，如果电动机从工频50Hz变化到30Hz，那么

=

，节省功耗78.4%，具有相当好的节能效果，因而对系统的节能有着重要的意义。

3.2变流量在中央空调系统中的应用

从中央空调的运行和节能原理很明显地看出，整个系统对大厦的供冷（热）都是通过流体物质来传输的，也就是说，流体物质是系统能量传输的载体，其中主要的载体是水（分别是冷却水和冷冻水），但从广义上来说，系统的节能应该把制冷机组的流体物质也列为变流量控制的对象。

变流量的工作原理是在保证系统安全稳定运行的前提下，实时响应系统末端负荷变化，按照末端温度的要求，动态改变空调管道中的水流量，空调的末端要多少就给多少，不会造成浪费；同时根据制冷主机的制冷变化或天气等其他原因引起的温度变化，实时跟踪空调主机发热量的变化，动态改变冷却水管道的水流量，提高空调主机的热交换效率，控制空调主机的COP值，使其处于较佳状态。

变流量系统的控制是从改变能量传输的大小和提供舒适稳定的环境温度出发，最终的目的是要实现系统的节能；而控制的手段是通过控制水量的变化，来达到控制的目的。

冷却水泵、冷冻水泵与制冷机组是主要的耗能设备，自然它们就是控制的对象，而温度是控制的主要参数，从而来调节水流量的变化。

变频器是水泵电动机的关键执行部件，变频器频率的变化最终决定着水流量的变化，也导致了能量传输的变化，最终实现节能。

从中央空调的组成来看，在冷却水系统与冷冻水系统中，它们既是独立运行，又是相互耦合的，因而它们的控制是相互联系、相互影响的。

从它们的结构相似性的角度出发，其控制系统是相似的，如下图所示。

在系统的运行设置上，采用恒压恒温控制法。

首先要保证有足够的水压，使系统正常工作。

其次设定温差或温度等其他控制变量，当空调末端或其他控制点的温度受天气、季节或人流的影响而变化时，需要对空调系统进行变流量动态调节。

当末端温度高时，出水温度与回水温度的差值比设定的温差大，所以需要提高电动机运行的频率，加快电动机的转速，从而增加水流量，经过一段时间的调节，恢复到原来的温差水平，满足实际的需要；当末端温度低时，出水温度与回水温度的差值比设定温差小，此时需要降低电动机的运行频率、放慢电动机的转速，从而减少水流量，很快地又能恢复到原来的温差，达到预期的舒适效果。

随着自动控制技术、信息技术、变频调速技术和计算机技术的发展，对交流电动机能起到大范围的无级调速，因而这个控制的过程也是平滑的、安全稳定、快速且高效的，是一个全自动控制的高效节能系统，对节约成本和节省资源的浪费有着重要的现实意义。

另一方面，变流量可以克服定流量的缺点，保证设备安全高效运行，提高设备的运行寿命，体现一定的经济价值。

4.实施方案

随着人们节能意识的加强,空调水系统变流量节能控制技术在工程（特别是在一次泵系统）中得到了大量的应用,其节能效果得到了广大专业人士的认同。

下面以空调水系统为例探讨空调系统的变流量调节优化。

空调水系统变流量节能控制分析

空调水系统变流量运行时使用变频器控制循环泵变转速运行已成为众多的空调系统节能设计中应用最为广泛的一种。

变流量运行的控制方法目前常用的有以下三种方式：

　　a）供、回水干管压差保持恒定的压差控制（简称压差控制）；

　　b）末端（最不利）环路压差保持恒定的末端环路压差控制（简称末端压差控制）；

c）供、回水干管水温差保持恒定（△t＝5℃）的温差控制（简称温差控制）。

任何一种控制方法都有它的优缺点和适用范围，不能不分场合盲目推广。

应根据系统本身的特点和要求，采用合适的控制方法以及几种控制方法的合理组合，达到空调系统运行能耗的最优化。

同样采用变频器控制空调冷热水循环泵的转速，当采用不同的控制方法时节能效益是不同的。

1．不同控制方式下的运行过程分析

下面借助一典型的空调水系统（见图1）对三种控制方式进行分析。

设计工况时，系统流量为Q，4个支路的流量分别为Q1，Q2，Q3，Q4，供回水干管压差为Δpg，末端环路压差为Δpm，①，②两点间压差为Δp12，③，④两点间压差为Δp43，供回水干管水温差为Δt（5℃），变频泵的转速为n0。

图1空调水系统

由图1可知：

Δpg=Δpm+Δp12+Δp43

（1）

部分负荷工况时，假设图1中KT2，KT3两支路空调器前的阀门关闭，此时负荷减小，变频泵转速降低、流量减小。

下面分析采用上述三种控制方式时其结果有何不同。

1）压差控制

设此时系统流量为Qy，KT1支路的流量为Q1y，KT2，KT3支路的流量为0，KT4支路的流量为Q4y，供回水干管压差为Δpgy，末端环路压差为Δpmy，①，②两点间压差为Δp12y，③，④两点间压差为Δp43y，变频泵的转速为n1。

代入式

（1）有

Δpgy=Δpmy+Δp12y+Δp43y

（2）

根据控制要求有Δpgy=Δpg，由式

（1），

（2）可得

Δpmy-Δpm=（Δp12-Δp12y）+（Δp43-Δp43y）（3）

由于系统流量较设计工况时减小，而①～②管段和③～④管段的管径不变，因此①～②管段和③～④管段间的流速较设计工况时小。

而管段两端的压降与管段间流速的平方成正比，因此①～②管段和③～④管段的压降较设计工况时小，即：

Δp12y<Δp12，Δp43y<Δp43。

代入式（3）可得Δpmy-Δpm>0，即Δpmy>Δpm。

由不可压缩流体流量方程式Q=F（2Δp/ρ）1/2/ζ1/2（F为管段截面积，ρ为流体密度，ζ为局部阻力系数）可得Q4y=F（2Δpmy/ρ）1/2/ζ1/2，Q4=F（2Δpm/ρ）1/2/ζ1/2，由于F，ρ，ζ不变，而Δpmy>Δpm，因此Q4y>Q4。

即：

采用压差控制时部分负荷工况下KT4支路（末端支路）的流量大于设计工况时的流量。

同理可得部分负荷工况时其他支路的流量大于设计工况时的流量。

2）温差控制

设此时系统流量为Qw，KT1支路的流量为Q1w，KT2，KT3支路的流量为0，KT4支路的流量为Q4w，系统负荷为Ww，变频泵的转速为n2。

由公式Q=W/（cρΔt）（c为流体的比热容）有

Qw=Ww/（cρΔt）（4）

Ww等于设计工况下KT1，KT4支路的负荷W1，W4之和，代入式（4）可得Qw=（W1+W2）/（cρΔt），因为c，ρ在一定范围内可看作常数，又根据控制要求有Δt不变，因此有Qw