1、變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬,2,1概述,最近許多研究人員致力于動(dòng)態(tài)模型的開(kāi)發(fā)HVAC和VAV系統(tǒng)模擬方面的研究。然而，這些模型的焦點(diǎn)都放在動(dòng)態(tài)熱力學(xué)及能量特性上。 由于人們對(duì)控制方案對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響越來(lái)越關(guān)注，因此在模擬時(shí)，必須考慮空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際室內(nèi)環(huán)境特性。 盡管有些文獻(xiàn)中涉及了使用模擬方法來(lái)研究室內(nèi)環(huán)境控制的方案，但都沒(méi)有詳盡地闡述這些問(wèn)題。用EMCS集成數(shù)字控制器，要求對(duì)大范圍的VAV系統(tǒng)進(jìn)行綜合的模擬,即綜合考慮系統(tǒng)熱力學(xué)、水力學(xué)、環(huán)境(如C02和污染物)、控制特性和能量特性。,3,2建筑及變風(fēng)量系統(tǒng),所選建筑為香港的一棟46層的寫字樓。研究的樓層是一個(gè)約有2300m2使用面積的辦公區(qū)，

2、安裝有兩個(gè)空調(diào)箱(AHU)。一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)由一個(gè)空調(diào)箱、一個(gè)VAV及一個(gè)CAV系統(tǒng)組成，具有40個(gè)VAV風(fēng)閥和超過(guò)100個(gè)送風(fēng)口。 模擬樓層區(qū)域劃分 模擬建筑時(shí)，將該層面積分成8個(gè)區(qū)，其中6個(gè)區(qū)為周邊區(qū)，2個(gè)為內(nèi)部區(qū)，如圖1所示。 空調(diào)系統(tǒng) 空調(diào)系統(tǒng)如圖2所示。,4,3系統(tǒng)部件模型,簡(jiǎn)化建筑模型 用一個(gè)簡(jiǎn)化的建筑模型模擬建筑的能量、濕度、C02和污染物的動(dòng)態(tài)平衡。這個(gè)模型適于測(cè)試實(shí)時(shí)局部控制特性、能量和環(huán)境特性及管理控制方案。 建立C02和其他污染物模型是為了模擬人體產(chǎn)生和非人體產(chǎn)生的污染物狀況。 開(kāi)放式辦公室模型可用熱阻、熱容和空氣容積及其聯(lián)接來(lái)表示，如圖3所示。 圖中表示出了被分成多個(gè)空間的

3、辦公室的動(dòng)態(tài)能量平衡原理。,5,每個(gè)空間都被視為一個(gè)具有單一溫度、濕度、CO2含量和污染濃度的充分混合的空氣容積。 區(qū)域間的聯(lián)系是由空氣流動(dòng)引起的空氣質(zhì)量交換。 每個(gè)區(qū)域周邊的墻由熱容及熱阻代表，并與外界相鄰。 每個(gè)單獨(dú)區(qū)域采用4個(gè)常微分方程來(lái)描述能量、濕度、C02和非人體產(chǎn)生的污染的平衡。,6,T，G，C和C2-分別為該空間的溫度、濕度、C02和污染物的濃度； Q，GS，CS和PS-分別為該區(qū)域的總內(nèi)部熱量、水分、C02和污染物生產(chǎn)速率； M，V-分別是這個(gè)區(qū)域內(nèi)空氣的總質(zhì)量流量和體積流量 m，v-空氣的質(zhì)量和體積流量； Rwi-外墻與室內(nèi)空氣間的熱阻； Rfut-內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)備與室內(nèi)空氣間

4、的熱阻； Rwin-室內(nèi)空氣與外界間的熱阻。,7,能量平衡： 濕量平衡： CO2平衡： 污染物平衡：,空氣質(zhì)量,內(nèi)部熱量,VAV送風(fēng)能量,CAV送風(fēng)能量,滲入空氣能量,泄漏空氣能量,相鄰房間得失能量,外墻得熱量,內(nèi)部結(jié)構(gòu)得熱量,窗戶傳入的熱量,8,系統(tǒng)壓力平衡 圖4給出了一個(gè)建筑及空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的模擬壓力平衡模型。氣流動(dòng)壓和風(fēng)壓對(duì)系統(tǒng)阻力平衡的影響忽略不計(jì)。 10個(gè)假定 （）假定VAV和CAV的過(guò)濾器和表冷器的流動(dòng)阻力為常數(shù)。 （）假定在VAV壓力傳感器之前的固定流動(dòng)阻力代表了傳感器前的消聲器和風(fēng)管的阻力。 （）假定在VAV壓力傳感器之后的風(fēng)管阻力假定為常數(shù)。,9,（）假定CAV風(fēng)管流動(dòng)阻力代表

5、了CAV消聲器和風(fēng)管的流動(dòng)阻力。 （）假定CAV末端及送風(fēng)口的流動(dòng)阻力為常數(shù)。 （）假定VAV末端及送風(fēng)口的阻力隨VAV風(fēng)門的位置變化。 （）假定在模擬的系統(tǒng)壓力平衡時(shí)，整個(gè)室內(nèi)區(qū)域的壓力相等。 （）通過(guò)建筑的外墻泄漏的空氣量是通過(guò)假設(shè)一個(gè)室內(nèi)空間和外界的固定的流動(dòng)阻力來(lái)計(jì)算。 （）假定回風(fēng)風(fēng)管的流動(dòng)阻力為常數(shù)。 （）新風(fēng)閥，循環(huán)風(fēng)閥和排風(fēng)閥的阻力大小隨閥門的位置而變。,10,圖2,圖4,模，為得是保留方向性,阻力平衡的計(jì)算是基于空氣質(zhì)量守恒和壓力平衡的原理。 式(10)，(11)，(12)給出了系統(tǒng)空氣質(zhì)量平衡的關(guān)系式。 式(13)，(14)，(15)則給出了系統(tǒng)壓力平衡的關(guān)系式。 式(16

6、)為各部件上壓降的計(jì)算式。,11,風(fēng)管模型 風(fēng)管模型模擬通過(guò)風(fēng)管壁的熱損，風(fēng)管壁的動(dòng)態(tài)特性和溫度、濕度、CO2和污染物的傳遞延遲。 物理模型 取一根導(dǎo)管，將其分成若干段。 假設(shè)在每一步模擬計(jì)算中空氣在導(dǎo)管中的流動(dòng)過(guò)程遵從三個(gè)獨(dú)立的“過(guò)程”： （）空氣段的移動(dòng)過(guò)程； （）在各段中的空氣混合過(guò)程； （）通過(guò)管壁與外界的熱交換過(guò)程。,12,假定 （）在每步過(guò)程模擬時(shí)，各空氣段在極短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)該步的終點(diǎn)位置。 （）隨之管段內(nèi)的空氣迅速混合至新的溫度、濕度、C02和污染濃度并作為初值與環(huán)境之間，通過(guò)相關(guān)段的管壁發(fā)生動(dòng)態(tài)熱量交換。該動(dòng)態(tài)熱交換過(guò)程的時(shí)間為整個(gè)模擬步長(zhǎng)的時(shí)間。 （）沿氣流方向的管壁熱交換忽

7、略不計(jì)。 圖6給出風(fēng)管模型示意圖。,13,式（20）、（21）給出管內(nèi)空氣與管壁、管壁與環(huán)境間的熱平衡。,管內(nèi)空氣與管壁,管壁與環(huán)境,14,風(fēng)機(jī)模型 在軸流風(fēng)機(jī)模型中，引用了三個(gè)變量（，）來(lái)代表空氣體積流速，風(fēng)機(jī)總壓頭，風(fēng)機(jī)理論輸出功率。 風(fēng)機(jī)的特性曲線 風(fēng)機(jī)的特性曲線用含兩個(gè)自變量的多項(xiàng)式來(lái)描述。是額定的氣流速度，是風(fēng)機(jī)葉片角度。,15,風(fēng)機(jī)總壓頭,風(fēng)機(jī)理論輸出功率,額定的氣流速度,風(fēng)機(jī)葉片角度,風(fēng)機(jī)靜壓,風(fēng)機(jī)全壓,名義壓頭,16,表冷器模型 表冷器動(dòng)態(tài)模型：靜態(tài)模擬方法和動(dòng)態(tài)模擬。 表冷器動(dòng)態(tài)特性采用集總參數(shù)法用一個(gè)微分方程來(lái)描述。 tc-盤管平均溫度； ta,in、tw,in-進(jìn)風(fēng)和進(jìn)水

8、溫度； Cc-盤管的所有熱容； R1,R2-空氣側(cè)和水側(cè)的總熱阻。,17,DDG控制器、傳感器和執(zhí)行器模型 DDC控制器由一個(gè)“真實(shí)”控制器模型來(lái)模擬。 控制執(zhí)行器的特性用執(zhí)行器模型來(lái)模擬。 溫度、壓力、流量和C02傳感器，采用時(shí)間常數(shù)方法的動(dòng)態(tài)傳感器模型來(lái)模擬。,18,4VAV系統(tǒng)性能測(cè)試,參數(shù)確定的數(shù)據(jù)來(lái)源 制造商提供的產(chǎn)品性能說(shuō)明書； 根據(jù)手冊(cè)中的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式； 實(shí)驗(yàn)測(cè)得。,19,性能測(cè)試 空調(diào)部件模型的參數(shù)的確定 空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)由位于VAV空調(diào)系統(tǒng)各處的監(jiān)控器得到。 風(fēng)速及各部件壓降的測(cè)量 在不同的流速下，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)送風(fēng)和回風(fēng)風(fēng)機(jī)葉片角度，測(cè)量送風(fēng)風(fēng)速，回風(fēng)風(fēng)速，新風(fēng)風(fēng)速及通過(guò)閥、過(guò)濾器、表冷器、風(fēng)管及VAV閥的壓降。,20,閥流動(dòng)阻力 風(fēng)閥全開(kāi)位