引用本文：侯听扬陈超，苏年，等.全工况仿真输所变风量空训系统训适的案例研究[J].联通空调，202252（7）：96-10058，DOI: 10 19991/j hvac1971. 2022 07 14
全工况仿真辅助变风量空调系统 调适的案例研究
侯昕扬陈超苏辉卢亚开田喆1△
（1.天津大学，天津；2.中铁建工集团有限公司，北京）
摘要：针对变风量空调系统调适阶段存在的经济性差、最优性未知的现象，以某办公建筑为例，选用实际的复杂系统，利用Modelica机电平台选行仿真，反映系统真实物理特性的系统的热力、水力和控制特性，实现全工况的设计辅助，得到在保障房间温度的前提下减少能耗的最优值. 仿真支撑调适的方法可以有效支撑静压控制点的选取和设定的现场调适工作.
关键词：变风量空调系统；耦合仿真；系统调适：静压控制点；静压设定值
Case study on missioning of VAV air conditioning system assisted by simulation under whole working conditions
Hou Xinyang' Chen Chao² Su Hui' Lu Yakai' Tian Zhe
conditioning system in the missioning stage taking an office building as an example. the coupling Abstract: Considering the phenomenon of poor cconomy and unknown optimality of VAV airsimulation of thermal. hydraulic and control characteristics of the system refleeting the real physicaldesign asistance of the whole working condition is realized and the optimal setting value of cnergy saving is characteristics of the system is carried out by Modelica electromechanical simulation platform. Finally. theobtained under the condition of keeping the room temperaturc. The simulation supported missioning method can be used to effectively support the selection and setting of static pressure control points.
Keywords: variable air volume air conditioning system: coupling simulation; system missioning; staticpressure control point; static pressure setting value
中.丁帅针对变风量系统中的静压传感器位置与 仿真手段越来越多地应用在暖通空调系统的研究最优位域的选择问题，用TRNSYS软件作为仿真模拟工具，通过实验数据寻找最优控制策略.闫秀英等人使用TRNSYS软件，设计开发了压力无关型控制下变风量末端（VAVBox）数字仿真器， 所开发的系统可以进行变风量系统的仿真并进行优化控制设计，付强等人采用EnergyPlus软件，分析了一个地铁站的能耗情况，建立相关模型等人针对集中空调系统的变风量与变水温协调运 对比了定风量与变风量情况下的能耗.孟庆龙
0引言
变风量空调系统具有系统灵活性较好、部分负荷下能耗低等优点，但系统的复杂性导致调适工作存在较大困难，不合理的调适将直接影响系统的运行效果，针对变风量系统的静压调适问题，夏春海等人以某变风量空调系统改造工程为例，将既有建 筑调适流程分解为3个阶段，并对每个阶段所需进行的工作进行了详细闸述.王刚借鉴国外建筑调适技术体系，并结合我国工程实际情况，建立了适合于我国既有建筑变风量空调系统的调适体系，并对调适过程中的关键技术展开了深入探讨. 武根峰等人以一个实际项目为例，提出了根据提前设定的最不利环路，在调适阶段现场实际测试确定静压设定值的方法，廖滟等人介绍了全过程调证.随着计算机的发展与模拟仿真软件的运用， 适技术中的联合运行调适方法，并进行了案例验
行间题，建立了TRNSYS动态仿真空调系统模型，行全工况仿真与不同静压点的测试实验以完成静可以同时进行变风量和变水温调节，洪阳等人压设定点的测试与优选.个动态模拟仿真平台，包括房间模型、空调系统模 型和控制模型，并验证了模型的准确性.现有研究多针对变风量系统的调适工作或仿真优化工作分别开展，将仿真技术与系统调适相结合的研究较少.
采用Modelica语言和BuildingsLibrary建立了一2案例简介
编号为K-3-1的变风量空调系统及其对应的房间 建筑为位于浙江舟山的一栋办公楼，本文选取作为典型案例进行仿真研究.所选择的变风量空调系统位于该办公楼3层南侧，自空气处理机组出来后共有呈南北走向的2根支管，VAVBox的设计风量范围在120~1500m²/h之间，最大设计风 量之和为27300m/h.房间功能包括会议室、办公室、等候区、卫生间和走廊，其中会议室和办公室的夏季房间设定温度为26℃，其余为27℃，送风平面及压力测点示意图见图1.
置选取和静压数值的确定是系统调适的重要内 在变风量空调系统中，系统静压控制点的位容.当前在设计阶段通常根据经验在主风管末端1/3处布设静压点，不提供静压值，导致在调适阶段，静压控制点的位置不一定最理想，静压设定值也缺乏参考.为解决上述2个问题需进 行反复测试，以试错方式进行的现场调适需耗费大量人力物力，仅考虑部分负荷工况的现场调适对全年负荷工况来讲未必最优.因此，利用仿真进行静压设定点的选取与确定的寻优，可以有效 平台实现在低成本条件下生成全工况的数据，井解决上述问题.
本文以某办公建筑为例，选用实际系统进行仿真调适工作，仿真输助调适的技术路线主要包括数据收集、模型建立、模型准确性校核、静压设定点 的选取与确定4个部分，最后采用穷举法得到在保障系统房间温度前提下的节能最优值，用以支撑静压控制点的选取和设定的现场调适工作.
图1房间送风平面及压力测点示意图
3仿真模型
达到仿真调适目的的难点在于如何建立准确而又贴近实际的仿真模型，首先，影响静压控制点的位置选取和静压数值确定的主要因素为管道的压力、风量与末端阀门开度，因此空调系统模型应实现仿真得到阀门的开度组合值的功能.其 次，在工程中简化设定为最不利工况下阀门全开即满足系统风量要求，但是在实际中考虑送风量能否满足全年负荷中最不利工况的房间湿度，因此建筑系统模型应实现仿真得到每个房间实时温度的功能.最后，应依据实际系统控制模式与控制策略建 立控制系统模型，连接空调模型与建筑模型形成系统闭环.
1技术路线
阶段. 仿真辅助调适的技术路线主要包括以下4个
数据收集阶段通过查询设计图纸或现场测试收集详细的工程信息，例如风管系统布置情况、尺寸及设备性能参数等、为后续工作做准备.
模型建立阶段是仿真支撑调适的关键：利用收集到的工程信息，建立变风量空调系统各组件模型，随后进行空调系统、建筑系统和控制系统的组件搭建，最后开展模型的平衡调适工作，以建立反映实际系统特性的仿真模型.
上述功能通过Modelica 实现.Modelica是一种代码编写可以实现系统水力、热力、控制耦合仿真并 开放的、跨越不同物理领域的语言，通过元件搭建与完成模型搭建、调适、测试等功能，基于机理的建模方式可以使模型更具可读易改性仿真输出更具多元性.建立的系统如图2所示.
模型准确性校核阶段将搭建的仿真模型与实际系统进行数据对比分析，以证明模型的准确性和可靠性.
静压设定点的选取与确定阶段即在建立反映实际系统特性的仿真模型基础上，通过仿真平台进
管道和末端模型如图3所示.风管模型是空
图2模型建立示意及关键模型组件示意图
调系统搭建的基础：变风量空调具有多支路耦合特 性，管道的阻力损失是影响流量分配的关键因素，主要包括沿程和局部阻力损失，分别查阅相关图纸和规范进行阻力计算和参数赋值.
图3管道和末端模型实现示靠图
VAVBox模型是空调系统模型建立的关键：系统的压力分布取决于当前工况的管道风量，即主 要受末端阀门控制，所以应准确仿真阀门的开度特性，本文将VAVBox视为一个可变阻力系数的阻力元件，以风阀开度9作为自变量，建立0~1之间，风阀开度为0时表示风阀全开，风阀开 VAVBox风阀的阻抗模型.自变量9调节范围在度为1时表示风阀全关.VAVBox总的阻力损失与流量的关系可用下式表达：
式中△pv为通过VAVBox的总阻力损失，Pa；为VAVBox的阻力损失系数：p.为空气密度，kg/m²，当处于标准状态时.p=1.2kg/m²；A√为内截面面积，m²；Gv为通过VAVBox的体积流量m²/s.
阻力损失系数由下式表达：
式中a、b、c为拟合系数.
本文通过现场测试不同电动风阀开度及不同风量下VAVBox的阻力损失进行公式拟合，得到 风阀的特性曲线，并输人到模型中：拟合得到式（2）中的拟合系数，见表1，拟合曲线见图4.
平衡阀模型的建立与初平衡的调节是保证系统真实性的关键一环；依据规范要求，变风量空
调系统在联动运行前宜进行一次风系统静态初平
(1)
(2)
表1VAVBox阻力特性曲线拟合系数
TSS6 设备型号 7 023 . 1 451TSS8 1. 038 0. 207 7 834 2.399TVS0808 0.587 7 441 2. 323
图4VAVBox照力特性拟合典线
衡调适，目前最常使用的空调风系统静态初平衡调 适方法为基准风口法和流量等比分配法，为反映实际物理特性，保证风量可靠，仿真系统也需要进行初平衡调适，仿真系统调节平衡前后，各支路设计风量与实际风量的流量比如图5所示，此处的平进行调节，调平衡后最不利环路的流量比差值在 衡阀为调节阻力的元件，系统采用流量等比分配法3%以内.
图5初平衡调节情况
在工程中确定最优静压值时，通常假定满足阀门在设计工况达到阀门全开即为最优，但实际 上阀门开度最大只是一种工程简化.阀门的选取通常考虑了余量，且计算得到的风量与阀门型号对应的风量往往不相同，为达到保证性通常取较大值，这就导致了静压设定值的偏高，在实际中确定 静压设定值的关键在于系统风量所提供的冷量应当满足负荷需求，计算得到每个末端的真实负荷需要通过对每个房间分别建模，实时仿真房间的温度与控制情况.为达到上述目的，采用VDI规范所推荐的二阶RC模型建立房间模型，房间系统的
模型如图6所示.通过计算墙体等结构的厚度、材料特性等物性参数得到模型输人所需的热阻值和热容值完成外墙、外窗部分的参数设置，太阳辐射接口负责接受室外气象数据，内扰参数接口负责输 入内扰时刻表信息，空调系统对房间空调信号通过空调管道接口输人.
图6房间系统模型实现示意图
最后，基于系统实际功能建立了控制模型.定静压控制为一个PID控制，得到房间的设定温度与实际温度差值，将此差值输出信号传递到末端阀门中，阀门根据信号执行相应的动作，以达到房间温度的动态平衡，其中的PID参数通过参数整定 设定.
4模型准确性校核
前文所述模型均是在实际工程信息基础上建立的，但是由于各种不确定因素的存在，模型的准 确性仍无法得到保证，因此，需要对模型的准确性进行校核.由于在风系统的水力特性中，风量和压力为主要变量，因此本文通过以下方式进行模型的准确性校核：在实际系统和仿真模型均完成初平衡调适后，随机选择风道中多个测点测试其静 压，同时记录此时各VAVBox的实际送风量，与仿真模型的仿真值进行比较，若偏差在可接受的范围内，则证明仿真模型是准确可靠的.
选择如图1所示的5个测点，其中P位于所所在支管末端的1/3和2/3处.仿真值与实测值 在支管的中点，P：P、P、P分别位于风机出口至的对比结果见图7和图8.
图7和图8表明实测值与仿真值的偏差均在10%以内，可以认为模型能够反映实际情况.
5静压设定点的选取与确定
静压点与静压值的选取原则：为建筑提供足够的风量以满足负荷需求，在此基础上综合考虑稳定性和节能性，为保证稳定性，需要将静压点设定在干管管路上；从经济性考虑则是选择风机至系统
图7测点静压仿真值与实测值对比
图8VAVBox风量竹真值与实测值对比
风量空调系统通常有多条支路，因此符合上述描述 末端的1/3或2/3处作为备选静压点的位置.变的点有多个，均列为备选静压设定点.在本系统中符合上述要求的测点即为在模型准确性校核中选择的测压点，因此，将这5个点作为备选静压点的位置.
图9展示了建筑及房间的供冷季负荷，由于房间较多且仿真时间较长，故在此只突出展示了其中5天的负荷情况.不同朝向外区的负荷形态差异明显，且均随季节改变.内区房间主要受内扰影 响，因此变化较小.
图9建筑供冷季房间及建筑负荷
静压控制值的选取原则为：在全工况的时间维度上，静压设定值控制的风量能保障末端的送
风均能满足房间的负荷需求，因此，首先根据2种极端情况划定各备选静压点压力变化范围，以风机最低运行频率30Hz运行且VAVBox设置限，以风机最高运行额率50Hz运行且VAV 为最大设计风量运行状态时的各点静压值作为下Box设置为最小设计风量运行状态时的各点静压值作为上限，随后以一定的变化间隔对静压值不断调整并分别进行全工况仿真，最后从是否能满足风量需求及节能性两方面选择最优的定静压控制方 案，仿真模型中各点静压变化的划定范围如表2所示.
图10不同静压测点条件下对应静压值和风机能耗情况
的最优值（245Pa）和经验设定值（255~375Pa，以10Pa为变化间隔）进行风机能耗对比，结果如表3 所示，定义最优值节能率p为
表2各点静压变化范围
编号 P 静压最小值/Pa 40 静压最大值/Pa 873P: 31 875P P 25 45 874 879P t8 881
(3)
式中G，为经验设定值的风机能耗，kWh；G 为最优设定值的风机能耗，kWh.
表3选用经验静压值时与最优值节能情况对比
定值的允许偏差为土10Pa，因此，以20Pa作为变 我国现行规范中对定静压点实测静压值与设化间隔，对每个点的静压值从小到大依次分别进行全供冷季负荷工况的仿真，图10为5个静压测点条件下测点静压值与风机的供冷季能耗对比，仿真结果表明，当P~P的静压值分别设置为260、 251.245、265、268Pa时，以各个点控制下的变风量空调系统的每个VAVBox刚好能满足房间湿度需求.在均能满足温度需求的基础上，选用P:点风机能耗最大，为10244kWh:选用P点 风机能耗最小，为9467kWh；选用P 相较于选用P可减少8%的风机能耗.对于不同定静压点，在本例中风机整体能耗水平随不同点的静压值大小呈现相关关系，最小静压设定值的P点也对值的大小直接决定了风机运行频率的高低，也决定 应了最小风机能耗.对于同一定静压点，静压设定了总风量的多少和风机运行功率的高低.意味着如果较低的静压设定值可以满足要求，那么较高的静压设定值也必然可以满足要求，但是能耗却相对Pa为最优的定静压控制方案. 较高.综合考虑稳定性和节能性，将P，设置245
经验静压值/Pa 255 风机能耗/(kW-h) 10 251. 52 最优值节能率/% 2.6265 10 515. 86 5 0275 285 10 782. 21 11 051 22 9 6 7.4295 305 11 322 31 11 595 63 11 8 13 9315 11 871 17 15 9325 335 12 149 01 12 428 71 17 8 19 6345 355 28 012 21 12 994 69 21 4 23 1365 13 280 65 24.8375 13 568 93 26. 4
表3显示，与经验设定值相比，经过仿真得到的最优静压值可减少2.6%~26.4%的风机能耗.以上实际案例分析证明了本文提出的仿真支撑定静压点调适方法的可行性，可为实际工程提供参 考.
6结语
以具体系统为例，利用仿真平台通过水力、热力、控制的耦合仿真搭建模型，用以支撑VAV系统静压控制点的选取和设定的现场调适工作.实 际案例研究结果表明，利用本文提出的方法，可从由工程经验确定的5个不同位置的候选静压点中挑选出最优静压设定点的位置，并通过确定其最优设定值（245Pa），保证风机全年能耗最低.相比于
目前，我国尚未有相关规范对静压设定值给出参考，在工程中大多凭借设计人员或自控人员按经Pa之间.因此本文以P点为静压设定点，对仿真 验方法确定，文献[13]指出该值一般在250~375
（下转第58美)
