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    China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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    变风量系统末端最小送风量设定对空调系统能耗与热舒适影响的研究

    • 作者:
    • 中国暖通空调网
    • 发布时间:
    • 2021-07-19

    北京工业大学绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室  赵 泽  逄秀锋  王 丹  赵丹阳  王 伟

           【摘  要】变风量末端的控制对变风量系统运行效果有重要影响,末端最小送风量的设计值是影响变风量系统能耗与室内空气品质的关键因素。目前我国相关设计手册对变风量末端最小送风量的设定较为保守,工程设计人员对末端最小送风量的设计不够重视,安装过程中通常使用默认设定值,而该默认值又往往偏高,从而造成使用过程中能耗偏高,且舒适性无法保证。基于此,本研究通过模拟计算,分析了几种常用末端最小送风量设定值对室内热舒适与空调系统能耗的影响。首先,使用EnergyPlus .ver.9.3.0软件分别建立末端最小送风比为15%、30%、45%的办公建筑实验模型;其次分析模拟数据,对比不同末端最小送风量对系统能耗、室内空气品质与热舒适的影响。研究结果表明,将变风量末端最小送风量由最大送风量的45%与30%降低至15%后,在不影响室内空气品质与热舒适的前提下,能将空调系统总能耗能降低24%~34%与11%~18%。

    【Abstract】The minimum airflow setting of VAV box is a key factor affecting the energy consumption and indoor air quality. At present, the suggested minimum airflow in design manual is quite conservative. Engineering designers do not attach enough attention to the design of minimum air flow of VAV box, the default setting is usually used during installation, which is often too high, resulting in high energy consumption and overcooling. The aim of this study is to evaluate the energy and thermal environment impact of the minimum airflow setting of VAV box using EnergyPlus software platform. First, an experimental model of office buildings with a minimum airflow ratio of 15%,30%,45% were established; Second, the effects of the minimum airflow on the system energy consumption and indoor air quality are compared. The results show that reducing the minimum airflow ratio from 45% and 30% to 15% of the maximum air supply volume can reduce the total energy consumption of HVAC system 24%-34% and 11%-18% without affecting indoor thermal comfort.

           【关键词】变风量末端,变风量系统调适,建筑节能

           【基金项目】国家重点研发计划项目“基于BIM的绿色建筑运营优化关键技术研发”(2018YFC0705900)

    0 引言

           变风量空调系统(Variable Air Volume,VAV)是我国高级写字楼中较为常见的一种空调系统,其末端(VAV Box)作为变风量系统的关键组件,对系统能耗、室内空气品质与热舒适有重要影响。末端最小送风量的设定通常表达为最大送风量的百分比。变风量末端设备的类型很多,本研究仅针对我国常用的单风道压力无关型无风机变风量末端。该设备的常用控制逻辑如图1所示。供冷工况下,VAV末端控制器在最大和最小送风量的范围内,通过调节送风量来保持室内温度;在供热工况下,则保持最小送风量,通过再热盘管调节送风温度来控制室内温度。最小送风量的设置,取决于如下因素:室内新风需求、气流组织要求,以及VAV Box控制精度。理想状态下的末端最小送风量应为动态值,恰好满足以上要求;为保守起见,我国实际工程中一般将其设置为30%-50%。然而相关研究[1]表明配置有DDC的末端能将送风量控制在5%-15%。如果最小送风量设置过高,因规范不允许冷热抵消,盘管无法加热送风,夏季以及过渡季节会导致室内过冷,并增加风机能耗;供暖工况下,则造成风机能耗的增若最小送风量设置过小,会导致室内新风量不足,或气流组织问题。基于此,很多研究者针对VAV Box最小送风量的优化做了大量研究。


    图1 VAV Box控制示意图

           为降低夏季最小送风量,且不影响供暖工况时室内气流组织,Taylor等人提出VAV末端送风的双最大送风(dual maximum control sequence),该方法将最小送风量与供热工况下的送风量解耦,有利于将最小送风量设置更低,但该研究并没有深入研究最小送风量的设计对系统能耗影响[2]。Lee K H等人研究了韩国气候下不同变风量末端最小送风量对空调系统能耗的影响,研究结果表明合理优化VAV末端最小送风量能节省20%的空调系统能耗[3]。Saber等人分析了在美国不同气候条件下变风量末端最小送风量对不同建筑类型中变风量空调系统能耗影响,实验结果表明降低末端送风量能在保证室内热环境同时降低末端再热能耗。并得出结论认为对于高通风率空间(比如学校等),将最小送风量比设置为0.1是一种比较节能的控制策略[4]。为了研究降低末端最小送风量对热舒适与室内环境的影响,Zhang, B等人通过模拟实验的方法,分别计算不同末端最小风量控制逻辑下变风量系统各部分的能耗状况与室内空气品质。研究结果表明20%与30%的末端最小送风比都可满足ASHRAE Standard 62.1-2010的通风要求,但在非重点控制区域均存在着过度通风问题[5]。为研究末端最小送风对室内热舒适的影响,Arens E等人分别针对高低不同的最小送风量展开实验并调研室内居住者的热感觉,研究结果表明更低的最小送风量值(5%-15%)也不会对建筑用户产生不利的热舒适感觉,最小送风量比可设置更低[6]。为了优化VAV末端最小送风量,使末端送风同时满足热舒适与通风需求,Young-Hum Cho提出一种能根据实际供暖工况而自动优化送风温度与末端最小送风量的控制策略,研究表明该控制策略在保证室内良好热舒适的同时能实现33%的节能量[7-9],但该控制策略主要研究的是供暖工况下末端最小送风量控制逻辑,且仅关注VAV Box本身能耗,其控制逻辑复杂难以在实际工程中应用。Liu G提出一种能根据实际人数实时调整末端最小送风量设定值的控制策略[10-11],研究表明该OBC控制策略不仅可以有针对性地控制末端送风量,还可以实时调节AHU的送风量、制冷机组的运行效率,以及动态调节室内照明状况,是一项极其具有应用前景的技术,但其传感器成本高且控制逻辑复杂,目前难以在实际中应用。

           现有针对末端最小送风量的研究主要集中在末端最小送风量的优化控制算法与末端最小送风量对能耗或热舒适的影响,这些优化控制策略需要较高的硬件成本,且控制策略复杂,实际应用较为困难。对于目前大部分VAV空调系统而言,其末端最小送风量为固定值,通过合理地降低末端最小送风量,对于既有VAV系统而言不失为一种高效且成本极低的VAV系统调适手段。目前我国相关设计手册建议VAV末端最小送风量,不得低于最大送风量的30%~50%[12-15],为了研究这些推荐值对空调系统能耗与室内热舒适影响,需要对不同推荐值进行相同条件下的对比试验分析,以获取在我国气候条件下,满足室内热舒适要求,且空调系统能耗最低的末端最小送风量设计值。

           为此,本研究通过模拟计算,分析了在我国不同气候条件下,设计手册所推荐的末端最小送风量对系统各组成部分能耗的影响,并分析了在我国不同热工分区中降低末端最小送风量对室温以及室内空气品质的影响,为实际应用中VAV末端最小送风量的设计提供了参考依据。首先使用EnergyPlus9.3.0软件建立所需的实验模型,修改末端最小送风比为15%、30%、45%;其次,分析系统能耗与室内空气品质以及热环境,对比不同末端最小送风量设计对系统各部件能耗与室内空气品质的影响。

    1 模型概况

           1.1 建筑概况

           本研究采用美国能源部(DOE)所开发的典型公共建筑参考能耗模型,选用其中的办公建筑为研究对象。其建筑外形与热工分区如图2所示,建筑体共3层,每层被分为5个热区,整个楼层的面积约为920m2;总窗墙比约为25%。除对模型的天气文件与变风量末端送风参数进行修改外,围护结构的热工参数根据不同城市有所改变。本研究所使用的天气文件及其所对应围护结构热工性能如表1所示。建筑内扰密度如表2所示,其变化情况如图3所示。


    a.建筑立体图                         b.平面图
    图2 建筑模型信息
    表1 外围护结构热工参数

    表2 内扰密度


    图3 内扰随时间变化图

           1.2 空调系统概况

           该模型为单风道VAV系统,冷源为3个双级直接蒸发冷却设备,热源为燃气加热盘管与末端电加热再热盘管,基于GB50736-2012要求,供冷时将热盘管关闭。AHU送风温度设为12℃,供热工况时送风经末端再热到合适温度后送入房间;VAV末端为带再热盘管的压力无关型末端,其控制方式为单最大控制;空调系统详细数据如表3所示。系统水泵、风机控制方式为间接运行,室外新风量控制方式为基于MZE方程的动态新风量控制方法。在室温调节中,末端控制器根据室温实测值和设定值之间的偏差,经PI温度控制器计算后得到新的送风量设定值,将该值与实际送风量之间的差值经计算后得到新的阀门权值。本研究分别设置末端最小送风比为15%、30%、45%。

    表3 HVAC系统参数

    2 实验结果分析

           2.1 空调系统能耗分析

           本研究中的建筑模型及空调系统的其他控制参数均相同,仅改变末端控制器最小送风量并计算室内环境质量与空调系统能耗,模拟结果能有效揭示在我国不同城市中,最小送风量对空调系统能耗与室内热舒适的影响。为研究在我国不同热工分区下最小送风量对系统能耗与热舒适的影响,分别选取北京、上海、广州三个城市的气象数据,将末端最小送风量修改为15%、30%、45%后空调系统的能耗计算结果如表4所示。

    表4 空调系统能耗

           由结果可知,随VAV末端最小送风量的增加,风机、冷热源以及空调总能耗都是呈不同比例增加。当末端最小送风量由15%增至30%时,风机能耗在三个城市增加了8.1%至14.3%,当末端最小送风量由15%增至45%时,风机能耗增加了37%至45.5%。随最小送风量由15%增至30%,三个城市的冷源能耗增加了4.7%至11.3%,最小送风量由15%增至45%时,三个城市的冷源能耗增加14.6%至24.8%;从表中数据可知,最小送风量对环境越热地区的冷源能耗影响越大。最小送风量由15%增至30%时,热源能耗增加了9.3%至62.5%,其中广州的能耗增加62.5%,主要因为广州全年很少出现供热工况,其热源耗能基数较小,导致增长率计算值较大;当末端最小送风由15%增至45%时,北京与上海的热源能耗分别增加52%与40.0%。由此可知,最小送风量对风机、冷热源能耗有重要影响,合理设计最小送风量对节能减排有重要意义。

           2.2 室内热舒适分析

           末端最小送风量对室内环境也有着重要影响。为分析末端最小送风量设置过大可能带来的供冷季与过渡季的室内过冷问题,本研究对不同最小送风量下的室温进行对比分析,其结果如图4所示。

           图4显示的是随机挑选日期内的室温控制效果图,由a、b、c图可知,在供冷季与过渡季时,若最小送风量设置为45%,则有明显的室温过冷现象发生;尤其在过渡季,其室温明显偏离设定值,在室温设定值为24℃情况下,过渡季时每天室温有数小时低于20℃,即不利于室内热舒适,且浪费空调系统能耗。最小送风比为30%时,各个城市的室温能控制在室温设定值的上下2℃偏差内,其控制效果与最小送风比为15%时明显较差;由此可见,适当降低末端最小送风量能很大程度地减少室内过冷现象的发生。


    图4 室温控制效果图

           d图显示的是天气文件为北京时不同最小送风量在供热工况下室温控制效果,由图可知15%-45%的末端最小送风量都能满足供热需求,其控制温差在3℃内。最小送风量设置15%时,热区1的送风范围为500CMH-2500CMH之间,通过合理选择末端散流器可将送风风速控控制在2m/s-5m/s之间,满足常用风口的气流组织要求。在单最大末端控制器中,供热工况下的末端送风量保持在最小送风量,为防止供热工况下末端送风量设计过低导致垂直室温分层,可设置双最大末端控制方法,这使供热工况下的末端送风量与供冷工况下末端最小送风量分离,有利于进一步降低夏季VAV末端最小送风量。

           2.3 室内空气品质分析

           末端最小送风量的设计值偏于保守,很大程度上是为了保证部分负荷时,满足室内新风需求。为了分析不同末端最小送风量情况下室内新风量是否满足要求,随机挑选热区1进行模拟分析,并以CO2浓度作为分析指标,并从每季度随机挑选一个月份的11号作为分析数据,其模拟结果如图5所示。


    图5 室内CO2浓度模拟结果

           由结果可知,最小送风量为15%时,供热季工作时间内室内的CO2浓度在500-900ppm之间,供冷季与过渡季室内CO2浓度在450-700ppm之间,均符合GB/T18883-2016的要求。本研究中模型的新风控制方法是基于多区域方程的新风控制方法,且假定控制系统可获取室内实时人数,系统设定新风量为45m3/(h·人)。空调系统可根据实际人数,动态计算实际需求的新风量及室内实时送风量,因此动态计算临界区域所需新风比Z,并计算修正后的总新风比为:

         

           算式中X为设计工况下所需总新风量与实际送风量的比值。由此可知,室内所需送风量减少时,实时新风比会随之增加,这使得送入每个热区内的新风量都能达到所需量。从模拟结果也可看出,在供冷季与过渡季,最小送风量由15%增加45%时,室内CO2浓度变化不大,这是因为当室内送风量减少时,新风比也成比例增加,以满足室内新风量需求。由此可知,只要AHU新风控制策略合适,新风比能跟随送风量的变化做合理调整,将末端最小送风量设计为15%时仍可满足室内新风需求。

    3. 结论与展望

           VAV空调系统在我国已有30多年的应用历史,目前在高级写字楼中应用较为普遍,但其调适运行效果不佳,真正实现节能的建筑很少,甚至有不少建筑在实际运行中将VAV系统当定风量系统使用。造成VAV系统在我国使用效果不佳的原因有多,变风量末端最小送风量设定不合理是其中之一,而且相对易于改正。本研究初步得出了以下结论:

           1)VAV末端最小送风量对空调系统能耗有重要影响,适当减少VAV末端最小送风量可大幅降低空调系统能耗。本研究表明,分别将最小送风量从45%与30%降低至15%后,在我国不同气候条件下,能将空调系统总能耗能降低24%~34%与11%~18%。

           2)合理降低末端最小送风量能明显改善供冷季与过渡季室内热舒适。研究结果表明,最小送风量设置为45%时,供冷季与过渡季均存在明显的过冷现象;将最小送风量设置为15%能很好地控制室温,且室内空气品质能满足规范要求;同时通过合理选择送风散流器,可使最小送风量为15%时的风口风速达2m/s以上,满足常用散流器的组织要求。

           本文研究是基于静态最小送风量设定值的,即最小送风量设定值一旦设定,在运行过程中保持恒定。未来的研究,将集中在动态最小送风量的设定,即根据运行的实际边界条件,动态改变最小送风量设定值。

           [1] Dickerhoff, D., and J. Stein.. Stability and accuracy of VAV terminal units at low flow. Report #0514, Pacific Gas and Electric Company Emerging Technologies Program, 2007.
           [2] S. Taylor, J. Stein, G. Paliago, H. Cheng, Dual maximum VAV box control logic,ASHRAE Journal 54 (12) (2012) 16–24.
           [3] Lee K H , Chin K I , Yoon J H . Effect of Minimum Airflow Setting of VAV Unit on Building Energy Consumption under Korean Climatic Condition[J]. Advanced Materials Research, 2012, 450-451:1435-1439.
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           [6] Arens E, Zhang H, Hoyt T, et al. Effects of diffuser airflow minima on occupant comfort, air mixing, and building energy use (RP-1515)[J]. Science and Technology for the Built Environment, 2015, 21(8): 1075-1090.
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           [8]Young-Hum Cho, Gang Wang, Mingsheng Liu. Application of terminal box optimization of single-duct air-handling units [J]. International Journal of Energy Research, 34(1): 54-66
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           [10] Liu G, Brambley M R. Occupancy Based Control Strategy for Variable-Air-Volume (VAV) Terminal Box Systems[J]. ASHRAE Transactions, 2011, 117(2).
           [11]Liu G,  Review of Literature on Terminal Box Control, Occupancy Sensing Technology and Multi-zone Demand Control Ventilation (DCV)[J]. Office of Scientific & Technical Information Technical Reports, 2012.
           [12] 叶大法,杨国荣. 变风量空调系统设计. 北京:中国建筑工业出版社,2010
           [13] 陆耀庆. 实用供热空调设计手册第二版. 北京:中国建筑工业出版社,2008
           [14] 中国电子工业设计院. 空气调节设计手册 北京:中国建筑工业出版社,2008
           [15] 张少军.变风量空调系统及控制技术. 北京:中国电力出版社,2018

           备注:本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊 总第37期(第22届全国暖通空调制冷学术年会文集)。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。

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