北京工業大學綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室  趙 澤  逄秀鋒  王 丹  趙丹陽  王 偉

       【摘  要】變風量末端的控制對變風量系統運行效果有重要影響，末端最小送風量的設計值是影響變風量系統能耗與室內空氣品質的關鍵因素。目前我國相關設計手冊對變風量末端最小送風量的設定較為保守，工程設計人員對末端最小送風量的設計不夠重視，安裝過程中通常使用默認設定值，而該默認值又往往偏高，從而造成使用過程中能耗偏高，且舒適性無法保證?；诖?，本研究通過模擬計算，分析了幾種常用末端最小送風量設定值對室內熱舒適與空調系統能耗的影響。首先，使用EnergyPlus .ver.9.3.0軟件分別建立末端最小送風比為15%、30%、45%的辦公建筑實驗模型；其次分析模擬數據，對比不同末端最小送風量對系統能耗、室內空氣品質與熱舒適的影響。研究結果表明，將變風量末端最小送風量由最大送風量的45%與30%降低至15%后，在不影響室內空氣品質與熱舒適的前提下，能將空調系統總能耗能降低24%～34%與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.

       【關鍵詞】變風量末端，變風量系統調適，建筑節能

       【基金項目】國家重點研發計劃項目“基于BIM的綠色建筑運營優化關鍵技術研發”（2018YFC0705900）

0 引言

       變風量空調系統（Variable Air Volume，VAV）是我國高級寫字樓中較為常見的一種空調系統，其末端（VAV Box）作為變風量系統的關鍵組件，對系統能耗、室內空氣品質與熱舒適有重要影響。末端最小送風量的設定通常表達為最大送風量的百分比。變風量末端設備的類型很多，本研究僅針對我國常用的單風道壓力無關型無風機變風量末端。該設備的常用控制邏輯如圖1所示。供冷工況下，VAV末端控制器在最大和最小送風量的范圍內，通過調節送風量來保持室內溫度；在供熱工況下，則保持最小送風量，通過再熱盤管調節送風溫度來控制室內溫度。最小送風量的設置，取決于如下因素：室內新風需求、氣流組織要求，以及VAV Box控制精度。理想狀態下的末端最小送風量應為動態值，恰好滿足以上要求；為保守起見，我國實際工程中一般將其設置為30%-50%。然而相關研究^[1]表明配置有DDC的末端能將送風量控制在5%-15%。如果最小送風量設置過高，因規范不允許冷熱抵消，盤管無法加熱送風，夏季以及過渡季節會導致室內過冷，并增加風機能耗；供暖工況下，則造成風機能耗的增若最小送風量設置過小，會導致室內新風量不足，或氣流組織問題?；诖?，很多研究者針對VAV Box最小送風量的優化做了大量研究。

圖1 VAV Box控制示意圖

       為降低夏季最小送風量，且不影響供暖工況時室內氣流組織，Taylor等人提出VAV末端送風的雙最大送風（dual maximum control sequence），該方法將最小送風量與供熱工況下的送風量解耦，有利于將最小送風量設置更低，但該研究并沒有深入研究最小送風量的設計對系統能耗影響^[2]。Lee K H等人研究了韓國氣候下不同變風量末端最小送風量對空調系統能耗的影響，研究結果表明合理優化VAV末端最小送風量能節省20%的空調系統能耗^[3]。Saber等人分析了在美國不同氣候條件下變風量末端最小送風量對不同建筑類型中變風量空調系統能耗影響，實驗結果表明降低末端送風量能在保證室內熱環境同時降低末端再熱能耗。并得出結論認為對于高通風率空間（比如學校等），將最小送風量比設置為0.1是一種比較節能的控制策略^[4]。為了研究降低末端最小送風量對熱舒適與室內環境的影響，Zhang, B等人通過模擬實驗的方法，分別計算不同末端最小風量控制邏輯下變風量系統各部分的能耗狀況與室內空氣品質。研究結果表明20%與30%的末端最小送風比都可滿足ASHRAE Standard 62.1-2010的通風要求，但在非重點控制區域均存在著過度通風問題^[5]。為研究末端最小送風對室內熱舒適的影響，Arens E等人分別針對高低不同的最小送風量展開實驗并調研室內居住者的熱感覺，研究結果表明更低的最小送風量值（5%-15%）也不會對建筑用戶產生不利的熱舒適感覺，最小送風量比可設置更低^[6]。為了優化VAV末端最小送風量，使末端送風同時滿足熱舒適與通風需求，Young-Hum Cho提出一種能根據實際供暖工況而自動優化送風溫度與末端最小送風量的控制策略，研究表明該控制策略在保證室內良好熱舒適的同時能實現33%的節能量^[7-9],但該控制策略主要研究的是供暖工況下末端最小送風量控制邏輯，且僅關注VAV Box本身能耗，其控制邏輯復雜難以在實際工程中應用。Liu G提出一種能根據實際人數實時調整末端最小送風量設定值的控制策略^[10-11]，研究表明該OBC控制策略不僅可以有針對性地控制末端送風量，還可以實時調節AHU的送風量、制冷機組的運行效率，以及動態調節室內照明狀況，是一項極其具有應用前景的技術，但其傳感器成本高且控制邏輯復雜，目前難以在實際中應用。

       現有針對末端最小送風量的研究主要集中在末端最小送風量的優化控制算法與末端最小送風量對能耗或熱舒適的影響，這些優化控制策略需要較高的硬件成本，且控制策略復雜，實際應用較為困難。對于目前大部分VAV空調系統而言，其末端最小送風量為固定值，通過合理地降低末端最小送風量，對于既有VAV系統而言不失為一種高效且成本極低的VAV系統調適手段。目前我國相關設計手冊建議VAV末端最小送風量，不得低于最大送風量的30%～50%^[12-15]，為了研究這些推薦值對空調系統能耗與室內熱舒適影響，需要對不同推薦值進行相同條件下的對比試驗分析，以獲取在我國氣候條件下，滿足室內熱舒適要求，且空調系統能耗最低的末端最小送風量設計值。

       為此，本研究通過模擬計算，分析了在我國不同氣候條件下，設計手冊所推薦的末端最小送風量對系統各組成部分能耗的影響，并分析了在我國不同熱工分區中降低末端最小送風量對室溫以及室內空氣品質的影響，為實際應用中VAV末端最小送風量的設計提供了參考依據。首先使用EnergyPlus9.3.0軟件建立所需的實驗模型，修改末端最小送風比為15%、30%、45%；其次，分析系統能耗與室內空氣品質以及熱環境，對比不同末端最小送風量設計對系統各部件能耗與室內空氣品質的影響。

1 模型概況

       1.1 建筑概況

       本研究采用美國能源部（DOE）所開發的典型公共建筑參考能耗模型，選用其中的辦公建筑為研究對象。其建筑外形與熱工分區如圖2所示，建筑體共3層，每層被分為5個熱區，整個樓層的面積約為920m²；總窗墻比約為25%。除對模型的天氣文件與變風量末端送風參數進行修改外，圍護結構的熱工參數根據不同城市有所改變。本研究所使用的天氣文件及其所對應圍護結構熱工性能如表1所示。建筑內擾密度如表2所示，其變化情況如圖3所示。

a.建筑立體圖                         b.平面圖
圖2 建筑模型信息
表1 外圍護結構熱工參數

表2 內擾密度


圖3 內擾隨時間變化圖

       1.2 空調系統概況

       該模型為單風道VAV系統，冷源為3個雙級直接蒸發冷卻設備，熱源為燃氣加熱盤管與末端電加熱再熱盤管，基于GB50736-2012要求，供冷時將熱盤管關閉。AHU送風溫度設為12℃，供熱工況時送風經末端再熱到合適溫度后送入房間；VAV末端為帶再熱盤管的壓力無關型末端，其控制方式為單最大控制；空調系統詳細數據如表3所示。系統水泵、風機控制方式為間接運行，室外新風量控制方式為基于MZE方程的動態新風量控制方法。在室溫調節中，末端控制器根據室溫實測值和設定值之間的偏差，經PI溫度控制器計算后得到新的送風量設定值，將該值與實際送風量之間的差值經計算后得到新的閥門權值。本研究分別設置末端最小送風比為15%、30%、45%。

表3 HVAC系統參數

2 實驗結果分析

       2.1 空調系統能耗分析

       本研究中的建筑模型及空調系統的其他控制參數均相同，僅改變末端控制器最小送風量并計算室內環境質量與空調系統能耗，模擬結果能有效揭示在我國不同城市中，最小送風量對空調系統能耗與室內熱舒適的影響。為研究在我國不同熱工分區下最小送風量對系統能耗與熱舒適的影響，分別選取北京、上海、廣州三個城市的氣象數據，將末端最小送風量修改為15%、30%、45%后空調系統的能耗計算結果如表4所示。

表4 空調系統能耗

       由結果可知，隨VAV末端最小送風量的增加，風機、冷熱源以及空調總能耗都是呈不同比例增加。當末端最小送風量由15%增至30%時，風機能耗在三個城市增加了8.1%至14.3%，當末端最小送風量由15%增至45%時，風機能耗增加了37%至45.5%。隨最小送風量由15%增至30%，三個城市的冷源能耗增加了4.7%至11.3%，最小送風量由15%增至45%時，三個城市的冷源能耗增加14.6%至24.8%；從表中數據可知，最小送風量對環境越熱地區的冷源能耗影響越大。最小送風量由15%增至30%時，熱源能耗增加了9.3%至62.5%，其中廣州的能耗增加62.5%，主要因為廣州全年很少出現供熱工況，其熱源耗能基數較小，導致增長率計算值較大；當末端最小送風由15%增至45%時，北京與上海的熱源能耗分別增加52%與40.0%。由此可知，最小送風量對風機、冷熱源能耗有重要影響，合理設計最小送風量對節能減排有重要意義。

       2.2 室內熱舒適分析

       末端最小送風量對室內環境也有著重要影響。為分析末端最小送風量設置過大可能帶來的供冷季與過渡季的室內過冷問題，本研究對不同最小送風量下的室溫進行對比分析，其結果如圖4所示。

       圖4顯示的是隨機挑選日期內的室溫控制效果圖，由a、b、c圖可知，在供冷季與過渡季時，若最小送風量設置為45%，則有明顯的室溫過冷現象發生；尤其在過渡季，其室溫明顯偏離設定值，在室溫設定值為24℃情況下，過渡季時每天室溫有數小時低于20℃，即不利于室內熱舒適，且浪費空調系統能耗。最小送風比為30%時，各個城市的室溫能控制在室溫設定值的上下2℃偏差內，其控制效果與最小送風比為15%時明顯較差；由此可見，適當降低末端最小送風量能很大程度地減少室內過冷現象的發生。

圖4 室溫控制效果圖

       d圖顯示的是天氣文件為北京時不同最小送風量在供熱工況下室溫控制效果，由圖可知15%-45%的末端最小送風量都能滿足供熱需求，其控制溫差在3℃內。最小送風量設置15%時，熱區1的送風范圍為500CMH-2500CMH之間，通過合理選擇末端散流器可將送風風速控控制在2m/s-5m/s之間，滿足常用風口的氣流組織要求。在單最大末端控制器中，供熱工況下的末端送風量保持在最小送風量，為防止供熱工況下末端送風量設計過低導致垂直室溫分層，可設置雙最大末端控制方法，這使供熱工況下的末端送風量與供冷工況下末端最小送風量分離，有利于進一步降低夏季VAV末端最小送風量。

       2.3 室內空氣品質分析

       末端最小送風量的設計值偏于保守，很大程度上是為了保證部分負荷時，滿足室內新風需求。為了分析不同末端最小送風量情況下室內新風量是否滿足要求，隨機挑選熱區1進行模擬分析，并以CO₂濃度作為分析指標，并從每季度隨機挑選一個月份的11號作為分析數據，其模擬結果如圖5所示。

圖5 室內CO₂濃度模擬結果

       由結果可知，最小送風量為15%時，供熱季工作時間內室內的CO₂濃度在500-900ppm之間，供冷季與過渡季室內CO₂濃度在450-700ppm之間，均符合GB/T18883-2016的要求。本研究中模型的新風控制方法是基于多區域方程的新風控制方法，且假定控制系統可獲取室內實時人數，系統設定新風量為45m³/(h·人)?？照{系統可根據實際人數，動態計算實際需求的新風量及室內實時送風量，因此動態計算臨界區域所需新風比Z，并計算修正后的總新風比為：

     

       算式中X為設計工況下所需總新風量與實際送風量的比值。由此可知，室內所需送風量減少時，實時新風比會隨之增加，這使得送入每個熱區內的新風量都能達到所需量。從模擬結果也可看出，在供冷季與過渡季，最小送風量由15%增加45%時，室內CO₂濃度變化不大，這是因為當室內送風量減少時，新風比也成比例增加，以滿足室內新風量需求。由此可知，只要AHU新風控制策略合適，新風比能跟隨送風量的變化做合理調整，將末端最小送風量設計為15%時仍可滿足室內新風需求。

3. 結論與展望

       VAV空調系統在我國已有30多年的應用歷史，目前在高級寫字樓中應用較為普遍，但其調適運行效果不佳，真正實現節能的建筑很少，甚至有不少建筑在實際運行中將VAV系統當定風量系統使用。造成VAV系統在我國使用效果不佳的原因有多，變風量末端最小送風量設定不合理是其中之一，而且相對易于改正。本研究初步得出了以下結論：

       1）VAV末端最小送風量對空調系統能耗有重要影響，適當減少VAV末端最小送風量可大幅降低空調系統能耗。本研究表明，分別將最小送風量從45%與30%降低至15%后，在我國不同氣候條件下，能將空調系統總能耗能降低24%～34%與11%～18%。

       2)合理降低末端最小送風量能明顯改善供冷季與過渡季室內熱舒適。研究結果表明，最小送風量設置為45%時，供冷季與過渡季均存在明顯的過冷現象；將最小送風量設置為15%能很好地控制室溫，且室內空氣品質能滿足規范要求；同時通過合理選擇送風散流器，可使最小送風量為15%時的風口風速達2m/s以上，滿足常用散流器的組織要求。

       本文研究是基于靜態最小送風量設定值的，即最小送風量設定值一旦設定，在運行過程中保持恒定。未來的研究，將集中在動態最小送風量的設定，即根據運行的實際邊界條件，動態改變最小送風量設定值。

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊 總第37期（第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。