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变风量系统的风压设定点根据末端的需求信号不断做出调整。
当末端风阀开到某一个较高位置(比如90%打开)或末端风量在一段规定时间(5分钟)内不能满足要求时,就会发出需求信号;
当风阀位置回到较低位置(比如85%打开))或风量满足要求时,则停止需求信号的发生。
任何末端都根据以上规则发出需求信号,所有的末端发出的需求信号会在AHU汇总。
AHU根据需求数量总和不断调整风压设定点。
当有末端需求时则向上增大风压设定点,增长速度也随着需求数量的增长而加强;
当需求信号降低时,风压设定点也不断降低直到需求的再次出现。
以此往复便可节省大量的风机能耗。
控制系统需要对一定范围内的需求数量忽略不计,这样可避免对设备控制的频繁变化和个别末端由于设计不当造成的负面影响。
在这个控制逻辑中,每次调整的时间、调整范围、单次调整数量、忽略数量均可以做出调整优化。
VAV末端也可以根据需要将需求信号再乘以一个系数以增大权重。
图1是修剪与响应法控制网络和逻辑结构图:
图1修剪与响应法控制网络和逻辑结构图
与PID控制的变静压法相比,修剪与响应变静压法有以下一些优点:
1.容易调试。
修剪与响应法包含很多直观的参数,比如单次增加的压强量,调整时间等等,容易理解。
参数数量多,也比较灵活。
这就比PID中的比例积分参数有更强的适应性。
2.增减压速度可独立设置。
修剪与响应法可对增压与减压设定不同的速度,减压时可以每次降低比较小的幅度以保持压强的稳定性;
增压时的幅度与总需求量成正比,则可以迅速满足末端需求。
3.降低通讯量。
修剪与响应法的控制逻辑根据设定的间隔时间进行判定与通讯,大大减小了控制系统的通讯量。
PID控制则要不间断的进行最大风阀位置的判定,消耗大量控制系统资源。
4.个体控制。
在修剪与响应法中,任何一个末端都可以根据需要进行个性化设定。
例如某个会议室需要迅速满足风量需要,则可以增强其需求信号以增大权重;
某个房间由于设计不当持续要求增大风压设定点的,也可以忽略其参与修剪与响应的运算。
修剪与响应法逻辑规则
以下是修剪与响应法的具体逻辑规则和判定条件,主要分为VAV末端发送需求和AHU风压再设定两个部分。
VAV末端发送需求规则
为每一个VAV末端设定如下规则:
1)根据阀位
a.风阀开度达到95%发送一个需求信号,直到风阀降低至85%
2)根据末端风量
a.实际风量低于设定点70%达一分钟,发送两个需求信号
b.实际风量低于设定点50%达一分钟,发送三个需求信号
3)单个末端需求:
RA=R0*W(RA为单个VAV末端发出的需求,W为权重因子,R0为根据以上规则生成的需求)
4)所有VAV末端总需求
R=R1+R2+R3+…Rn(n为末端个数)
AHU风压再设定规则
1)AHU系统开启,静压设定点达到初始值(SP0)(静压设定点应该在实际运行范围内调节(100-300Pa))
2)开机一段时间(Td)后,接收末端发送需求,每隔T时间,控制程序检验来自末端需求R,以此判定增压或减压的压强量级
3)如果总需求低于最小忽略值I,则降低静压设定点一档SPtrim,此时静压设定值SPj(j=1,2,3…)为:
SPj=SPj-1-SPtrim;
4)如果需求RT高于最小忽略值I,则升高静压设定点一档(SPres)
a.如果(R-I)*SPres<
SPres-max此时静压设定值SPj为:
SPj=SPj-1+(R-I)*SPres-SPtrim
b.如果(R-I)*SPres>
=SPres-max,SPj=SPj-1+SPres-max-SPtrim
5)AHU响应完成后T分钟之后继续检测VAV末端发送需求,如此循环。
表1列举了修剪与响应法的中间变量和推荐初始值,每个变量在调试阶段可以根据实际情况适当修改以取得最佳运行效果。
表1中间变量和推荐初始值
参量
定义
初始设定值
SP0
压强初始设定点
200Pa
SPmin
压强最低设定点
100Pa
SPmax
压强最大设定点
300Pa
Td
响应滞后时间
10min
T
调节步长
2min
I
忽略需求次数
2
R
末端需求总和
*
SPtrim
单次减压量
10Pa
SPres
单次增压量
15Pa
SPres-max
单次最大增压量
37Pa
控制逻辑图如图2:
图2修剪与响应法逻辑流程图
实验设计和进展
实验方案
选取中国石油大厦D栋11-24层(楼层标号中没有13层与14层,共12层)进行对比试验,每层面积均为1673m2。
其中11-18(共6层)层为实验区,由编号为AHU-12和AHU-16相同型号的AHU并联运行,每周一、三、五运行TR法,每周二、四运行原有总风量法。
19-24层(共6层)为对比区,由编号为AHU-17和AHU-22相同型号的AHU并联运行,运行原有总风量法。
实验区与对比区的建筑朝向、内扰相同。
附录列举了实验区AHU和VAV末端的技术参数。
编程阶段
编程从2016年8月25日开始,到2016年9月12日结束,主要针对修剪与响应的控制逻辑首先搭建网络共享平台实现电脑的联机操作,用NiagaraAX软件编写控制逻辑模块,此过程包括3个控制模块:
VAV末端需求的发送、AHU设定静压的规则和风机的控制逻辑。
VAV末端需求和AHU响应的逻辑按照第一章节的介绍的算法进行编程。
风机控制逻辑主要涉及到两台风机配合运转和切换。
风机控制采用PID控制,以风压和风压设定点为输入,以风机频率控制信号为输出。
主要算法为,单台风机最小工作频率为20Hz,当一台风机达到45Hz时,切换为两台风机共同运行。
两台风机运行时采用同样的控制信号,当两台风机频率均低于20Hz时停止一台工作。
两台风机切换时遵循先进先出后进后出的规则。
整个控制逻辑编写完成后,分别对AHU和VAV模块进行封装,需要调整的变量不进行封装。
调试阶段
编程完成后将整个控制逻辑应用到大厦实验区域,连接实际控制点。
主要连接点包括:
末端风阀位置、末端风量和风量设定点、AHU实际风压测量点和风机控制信号。
在程序正式植入控制系统后,对实际运行逻辑和参数进行调试(2016年9月13日至2016年9月23日)。
在调试具体过程发现并解决了以下主要问题:
1)末端需求信号规则调整。
在调试过程中发现某些VAV末端风阀还没有开到95%,风量判定已经率先发送需求信号,使得风压设定点提高,因此修改了程序逻辑,在利用风量和风阀规则发送需求时,先判定风阀是否已经发送需求信号(开度达到95%),再进风量发送需求信号的规则判定。
2)调整风压再设定步长为10分钟。
调试过程中步长在2分钟与20分钟之间进行调整。
在实验中发现,初始步长2分钟使静压设定点调整过于频繁,而实际运行中的末端负荷变化相对较慢,这就使风压在短时期内造成较大波动。
随后将步长定位5分钟,仍然变化频繁。
由于目前应用的温度再设定的计算步长为20分钟,参考此值也将修剪与响应设为20分钟,结果发现系统反应过慢,出现1个小时内都无法满足末端符合的情况。
后又调整为15分钟,仍然反应过慢。
最后实验10分钟步长,风压波动较小,末端需求也能及时满足,在系统稳定与反应速度上找到了较好的平衡点,最后确定应用10分钟作为计算步长。
3)压强调整量的确定。
配合步长的调整,单次增压、单次减压、单次最大增压也随之调整。
基本原则是步长较长时单次压强调整量应该较大;
步长较短时单次压强调整量也应该较小。
最后确定压强值为:
单次减压量5Pa;
单次增压量8Pa;
单次最大增压量15Pa
4)末端权重调整。
在调试过程中发现某些末端频繁发送需求,造成AHU静压设定点持续升高,针对这些末端进行了核查,发现频繁发送需求有以下原因:
一是面板温度设定点过低,有些末端(如18层VAV16、17层VAV14等)面板温度设定点为23º
C,造成VAV末端持续开大风阀,发送增压需求信号。
可能出现的情况是用户在某一时间点将温度设定点定为23º
C,而之后在25º
C的室温下并未感到不适,遗忘了对温度面板的设定。
二是在内区大开间某些末端(如12层VAV9等)由于平衡阀设置原因,明显比临近的VAV末端风阀开度要大。
而内区开间由于有几个VAV末端共同服务,总体制冷负荷相对外区较小,降低其中一个末端的权重并不会对舒适度造成太大的影响。
三是某些公共区域如卫生间等的串联风机末端(如16层VAV7、15层VAV8等)风阀开度较大。
原因是串联风机持续进行内循环,引入一部分比AHU送风温度较高的室内空气,总体来说供风温度较高所以需求风量较大。
但是对于公共区域由于人员停留时间较短,适当降低末端权重并不会影响舒适度。
针对以上原因,对频繁发送需求的末端进行了权重调整,将其发送需求权重系数进行调整以降低AHU的频繁响应。
改变权重系数的末端及其调整后的权重如表2所示。
改变权重后,AHU静压升高幅度有所改善,而用户也没有发出过任何投诉。
在进入冬季后,由于带有再热盘管的末端有加热需求,风量要求高,所以相应的增加了有再热盘管末端的权重系数。
在全楼推广方案中将按末端类型对权重系数作统一规定。
表2末端权重系数
名称
VAV类型
权重
DF_18_1/VAV4
VVC+E
0.5
DF_17_1/VAV15
VV
0.2
DF_18_1/VAV7
FPC
0.3
DF_16_1/VAV11
DF_18_1/VAV16
DF_16_1/VAV17
VVC
DF_18_1/VAV9
DF_16_1/VAV7
DF_17_1/VAV10
DF_16_1/VAV12
VVC+P
DF_17_1/VAV6
DF_16_1/VAV14
DF_17_1/VAV8
DF_11_1/VAV8
DF_17_1/VAV9
DF_11_1/VAV15
DF_17_1/VAV16
DF_11_1/VAV10
DF_11_1/VAV12
DF_12_1/VAV1_1
DF_11_1/VAV17
DF_12_1/VAV5
DF_11_1/VAV16
DF_15_1/VAV8
DF_12_1/VAV17
DF_15_1/VAV10
DF_12_1/VAV4
DF_15_1/VAV12
DF_12_1/VAV9
DF_15_1/VAV3_1
DF_12_1/VAV7
DF_15_1/VAV16
DF_12_1/VAV15
DF_15_1/VAV17
DF_12_1/VAV14
DF_15_1/VAV7
DF_11_1/VAV9
0.8
DF_12_1/VAV1_2
DF_11_1/VAV14
DF_12_1/VAV10
DF_15_1/VAV4_1
DF_16_1/VAV5
DF_15_1/VAV18
DF_16_1/VAV13
DF_17_1/VAV4_2
DF_16_1/VAV16
DF_17_1/VAV7
DF_18_1/VAV14
调试稳定后,系统参量和初始设定值如表3所示。
表3系统参量和初始设定值
设定值
40Pa
180Pa
20min
5Pa
8Pa
由于末端再热的需要,取暖季系统总体风量加大,对系统静压的需求也随之增高,初期沿用过度季节的静压设定范围,发现某些时段压强持续处于最高点,不能满足风量需求。
目前已将系统静压最高设定点从180Pa升高至350Pa,经过几个寒冷日的测试基本满足需求。
5)针对两台风机切换时风压不能及时跟进和运行不稳定问题,调整了PID参数,并且添加风机切换死区,R-I=x,单机切换双机时x要大于5,双机切换单机时x要小于-5,否则即使PID输出达到切换阈值也不做改变。
需求最小忽略数I保持默认值2,将I值定为2而不是0是为了给控制一个缓冲死区,使AHU并不是一出现需求就开始升高静压设定点,这样可增强系统的稳定性。
较小的I值并不会影响末端的舒适度。
做以上更改后,修剪与响应逻辑实现了稳定运行,并且体现较好的节能效果。
图4列举了几个测试日中修剪与响应算法控制下的静压变化。
图4修剪与响应算法静压变化曲线
实验阶段
编程和调试工作后,从2016年8月20日到2017年8月30日完成了整年四个季节的实验测试。
具体季节划分见表4。
表4季节划分
季节
时间
秋季
2016.8.20—2016.11.14
冬季
2016.11.15—2017.3.30
春季
2017.04.01—2017.05.31
夏季
2017.06.01—2017.08.31
在实验中进行了TR法与总风量法的横向与纵向对比,并且确定了实验区与对比区的本底差值。
实验对比方案见表5。
表5实验对比方案
对比类型
控制方法
TR法
总风量法
纵向对比
(同区域不同时间)
每周一、三、五
每周二、四
区域
实验区
横向对比
(同时间不同区域)
对比区
在以下章节中将对实验结果进行具体统计分析。
由于秋季是整个实验初始阶段,初期还在不断调试,所以有效实验时间较短,在数据分析中将秋季与春季合并,作为过渡季分析,不做严格区分。
实验结果分析
本节按季节划分,比较分析横向与纵向实验测试结果。
对于风机功率对比,将季节内所有实验数据进行汇总并做数据拟合,最后按拟合公式计算风机节能。
具体分析方法以夏季为例见3.1节。
夏季实验结果
1.1.1纵向对比
(1)风机节能:
首先根据风机运行中频率数据计算风机功率。
已知每个风机的额定功率为37KW,工频为50HZ。
根据风机频率之比的三次方等于风机功率之比的关系,可得出每台风机频率与功率的关系。
计算TR法和总风量法风机功率如下:
(a)
(b)
然后将实验区运行TR法时(周一、三、五)和运行总风量法时(周二、四)的风机功率和系统风量分别进行拟合,见图5。
由于收集的数据量大且分布范围广,直接进行关系式拟合不利于结果的精确性。
为使回归分析更加精确并且图表看起来更简洁、直观,需要将风量进行bin处理。
该方法是将所有数据分成若干区间,每个区间内的数据首先进行平均计算,最后对各区间的均值进行拟合分析。
bin区间数量的取值见式1,风量和功率均取每个bin区间的均值,最后对均值进行曲线拟合,见图1,拟合公式见式2和式3。
(1)
式中n为风量数据个数。
W总风量=1E-12Q3-7E-08Q2+0.0018Q-6.0181
(2)
式中,W总风量—运行总风量法时风机功率,KW
Q—运行总风量法时风量,m3/h
WTR=-1E-14Q3-7E-12Q2+0.0008Q-1.1909(3)
式中,WTR—运行TR法时风机功率,KW
Q—运行TR法时风量,m3/h
在进行节能分析时,将实验区TR法下的风量值分别带入式2和式3,则节省风机功率S1计算见式4,风机功率节约率V1计算见式5,即计算达到相同的风量时,用TR法比用总风量法的风机节能。
S1=W总风量-WTR(4)
(5)
图5夏季测试TR法和总风量法风机功率与风量拟合
(2)风机和冷量整体节能:
整体能耗是指AHU表冷段能耗+风机能耗。
AHU表冷段耗能是指给送往室内的空气降温的能耗,计算见式6。
负荷计算见式7。
在进行节能计算时,首先将负荷进行bin处理,然后将负荷和整体能耗进行拟合,拟合曲线见图6,将实验区的负荷值分别带入式8和式9。
节能量S2计算见式10,节能率V2计算见式11,即计算达到实验区的负荷时,用TR法比用总风量法的整体节能,计算结果见表1。
(6)
式中,
—AHU表冷段耗能,KW
—水的定压比热,KJ/Kg·
℃
—水的密度,kg/m3
—冷水流量,m3/h
—表冷段回水温度,℃
—表冷段供水温度,℃
(7)
—室内负荷,KW
—空气的定压比热,KJ/Kg·
—空气的密度,kg/m3
—送风量,m3/h
—回风温度,℃
—送风温度,℃
W总风量=-3E-05Q3+0.017Q2–1.2258Q+173.7(8)
式中,W总风量—运行总风量法时总能耗,KW
Q—运行总风量法时室内负荷,KW
WTR=-2E-05Q3+0.0067Q2+0.4998Q+84.983(9)
式中,W总风量—运行TR法时总能耗,KW
Q—运行TR法时室内负荷,KW
S2=W总风量-WTR(10)
(11)
图6夏季测试TR法和总风量法总能耗与室内负荷拟合
1.1.2横向对比
横向对比时需要考虑因实验区和对比区风管结构不同引起的能耗差值,此部分利用实验区和对比区同时运行总风量法时(周二、周四)的数据进行计算。
利用上述拟合方法,将两个区域的风机功率和风量进行拟合(图7),然后将对比区的风量分别带入两个拟合公式,得到两个区域达到相同的风量时,对比区风机功率为W1,实验区功率为W2,则本底差值Sz见式12。
Sz=W1-W2(12)
再次利用回归方法将实验区运行TR法,对比区运行总风量法时(周一、三、五)的风机功率和风量进行拟合(图8),将对比区风量带入两个拟合公式,得到两个区域达到相同的风量时,对比区风机功率为W3,实验区功率为W4,考虑本底差值,则节能量S3见式13,功率节约率V3见式14。
(13)
(14)
图7夏季测试对比区和实验区总风量法风机功率与风量拟合
图8夏季实验区TR法和对比区总风量法风机功率与风量拟合
过渡季实验结果
1.1.3纵向对比
图9过渡季TR法和总风量法风机功率与风量拟合
1.1.4横向对比
图10过渡季对比区和实验区总风量法风机功率与风量拟合
图11过渡季实验区TR法和对比区总风量法风机功率与风量拟合
冬季实验结果
1.1.5纵向对比
图12冬季TR法和总风量法风机功率与风量拟合
1.1.6横向对比
图13冬季对比区和实验区总风量法风机功率与风量拟合
图14冬季实验区TR法和对比区总风量法风机功率与风量拟合
风机节能分析
从以上的拟合曲线可以看出,总风量曲线在横向和纵向的各个季节对比中都位于TR曲线上方,即达到同一风量总风量控制法需要消耗更高的风机功率。
在整个测试期间,
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