基于优化空气节能器方案的开发与评价外文翻译资料

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基于优化空气节能器方案的开发与评价

J.E.Seem. J.M.House

摘要:本文介绍了两种新的空气节能器控制方案。基于模型的控制方案使用一个模型来估计100%的室外空气和最小的室外空气以及在这两个位置之间的过渡气流调节器在冷却盘管上的负荷，并将负荷降到最低。基于优化控制方案使用的是一个冷却盘管模型和一个一维优化程序来确定盘管负荷最小化时的室外空气比例。本研究采用基于接触-混合物类比的盘管模型，并使用实验数据进行了验证。采用仿真方法对新的节能装置控制方案和传统的控制方案进行了比较。模拟评估了年冷负荷和峰值冷负荷对室外空气和回风传感器误差以及气候条件的敏感性。传感器误差引起的错误的控制决策降低了节能量，并导致高峰时负荷增加。对于维护不良的传感器情况，所研究的节能装置方案的最低年盘管负荷比基于优化控制的理想情况下传感器高出3.0-40.3%（即：无传感器误差），以及最低峰值时负荷比理想情况下高6.8%-84.1%。

关键词：空气节能器；空调机组；接触-混合类比

1引言

商业建筑通常需要全年制冷，因为即使在室外条件相当寒冷的情况下，内部热量的增加也可能超过外围的损失。蒸汽压缩设备通常用于提供'机械制冷'在建筑物中；然而，当室外条件足够凉爽时，可以使用空气或水节能器来提供“自由冷却”，从而大大减少或消除对机械制冷的需要。图1是单管空调机组（AHU）和控制器的原理图。空调机组如图1所示，通常用于商业建筑当中的空气调节和分配。空调机组有一个送风机和一个回风机，三个气流调节器用于控制空调机组与室外空气之间的气流，加热和冷却盘管来调节空气，一种用于去除空气中粒子的过滤器，各种传感器和执行器以及一种接收传感器测量值（输入）并计算和传播新的控制信号(输出)的控制器。空调机组通常被控制在保持送风机下游的设定温度。顺序逻辑用于确定如何控制空调机组各部件（如加热盘管、冷却盘管、气流调节器）以达到送风温度设定值。

机械制冷通常是通过空调机组冷却盘管循环冷却水来实现的。空气通过盘管被冷却并被分配到建筑当中。空气节能器控制空调机组引入超过最低通风要求的室外空气（高达100%的室外空气）试图减少或消除机械制冷的需要。当室外空气过热或潮湿时，或者当需要加热的时候，气流调节器控制着提供通风所需的最低数量的室外空气，以下称为最低限度的室外空气。

图1.单管空调机组

本文介绍了两种控制空气节能器的新方案，当需要机械制冷时，使用模拟方法与传统的空气节能器方案的能量性能进行比较。第一个新方案使用一个模型来估计100%的室外空气冷却盘管上的负荷和最小的室外空气的负荷，并转换两个位置之间的气流调节装置，使估计的负荷值最小。第二种方案使用冷却盘管模型和一维优化程序来确定室外空气的比例，从最小到100%，使盘管负荷最小化。对于无传感器或建模错误的理想环境，新的控制方案与传统的控制方案相比，具有更好的气候无关性和更高的能量利用率。本文评估了在理想情况下可能的节能效果，以及传感器误差对新型和传统空气节能器性能的影响控制方案。

本文的结构如下：第2节介绍了目前常用的两种节能器方案。然后在第3节中描述了两种新的节能器控制方案。第4节描述了新方案用于估算冷负荷的模型，第5节对模型进行了验证。第6节介绍了控制区域（即最小室外空气，100%室外空气，最小和100%室外空气的最佳比例）用于新的节能装置方案在焓湿图上的分布。在第7节中，仿真结果表明比较了新方案与第2节的两种传统方案的性能，以及不使用节能装置的情况。第8节进行了总结。

2控制节能器的传统方案

美国采暖、制冷和空调工程师协会(ASHRAE)根据单个空调机组的制冷能力和建筑位置^[1]的天气特点，规定了节能装置的使用要求。美国采暖、制冷与空调工程师协会根据温度和湿度对气候数据进行分类（数字从1-7）,其中字母A-C分别代表潮湿（或湿润）、干燥和海洋气候^[1]。美国有18个气候区。表1列出了美国某一特定区域内的一座城市的气候带，除了三种情况意外。表1的第四列（节能装置需求）列出了节能装置需要的冷能^[1]。

表1.美国15个城市的气候带和节能装置要求（代表冷却能力）

传统的节能装置方案是将室外空气环境的测量值与回风条件或固定阈值进行比较，以确定当需要机械制冷时，空调机组气流调节器是放置在100%室外空气还是最小室外空气位置。美国采暖、制冷与空调工程学会^[2]描述了一些可以在基于计算机的控制系统中编程的传统方案。在本研究中，我们考虑了干球温差控制方案和焓差控制方案。

温差控制比较室外温度和回风温度。如果室外温度大于回风温度，气流调节器用来控制最小量室外空气。这项方案在1A、2A、3A和4A气候区被禁止^[1]。

焓差控制比较了室外空气焓和回风焓，由测量室外和回风温度以及相对湿度确定。如果室外空气焓大于回风焓，气流调节器用来控制最小量室外空气。

图2显示了在心理测量图上用100%室外空气和最小室外空气分隔控制的过渡线，用于温差控制(标记为T=常数)和焓差控制(标记为h=常数)。在过渡线的左下角，当室外空气温度高于13°C的送风温度设定值时，控制方案允许100%的室外空气进入空调机组，以及过渡线的右上角将室外气流限制在通风所需的最低限度。用焓湿图上的阴影表示在给定的室外空气条件下，产生最小机械制冷负荷的室外空气比例。有三个阴影区域，即：(1)最少室外空气(浅灰色)；(2)100%室外空气(深灰色)；(3)当室外空气温度低于送风点温度时，两者之间的混合（即：自由冷却不需要机械制冷）。室外最小风量工况与100%室外风量工况的分离线称为理想过渡线。该这些结果与25℃的温度和50%的相对湿度的回风条件相对应，至少20%的室外空气，以及一种理想盘管，当水从空气中冷凝时，在送风定点温度处产生饱和空气，否则空气产生在送风定点温度和盘管进口空气含湿量处。

图2的结果表明，在一定的室外空气条件下，传统的节能装置方案不能使盘管负荷最小化。图2中标注为A-D的区域定义了室外空气条件，在这种情况下，无论是温差控制方案还是焓差控制方案，都是会导致能源浪费的控制方案。表2比较了混合空气和排气的条件，以及每个区域的最小室外空气和100%室外空气在一个室外空气条件下产生的负荷。在表2中，符号T、Ф和q分别表示温度、相对湿度和盘管负荷，下标oa、ma、la分别表示室外空气、混合空气和排气条件(见图1)，下标min和100%分别表示最小室外空气和100%室外空气。

图2.分隔100%室外空气运行区域和最小20%室外空气运行区域的过渡线路

区域A的边界由理想过渡线，通过返回条件的恒定干球温度线和饱和曲线组成。在A区域，室外空气湿度较大，超过最低要求的室外空气进入会给盘管带来额外的潜热负荷。对于表2所示的区域A，与最小室外空气相比，温差控制使用100%室外空气时，将会导致盘管负荷增加44%。

区域B的边界由理想过渡线，通过返回条件的恒定焓和焓湿图的底部组成。在区域B中，室外空气是温暖（或热）和干燥的。这个区域的大部分，进入盘管(混合空气)的空气含湿量足够低，水不会在盘管上凝结。这是正确的操作，无论是最低限度空气或100%室外空气。在这种情况下，盘管只做显热处理，通常在这种情况下混合空气在焓湿图上向右移动更远。在区域B的左上角，室外空气的含湿量足够大，当空调机组以最小的室外空气运行时，会发生冷凝，但是当空调机组以100%的室外空气运行时，则不会发生冷凝。在B区，使用100%的室外空气所产生的额外显热大于在室外空气最少的情况下运行时的潜热。对于表2中的所示区域B，与具有最小室外空气的操作相比，焓差将控制使用100％的室外空气，导致盘管负荷增加27％。

区域C的边界由理想的过渡线，经过返回条件的恒定干球温度线和焓湿图的底部组成。区域C代表了一个特例，即混合空气在焓湿图上向右移动越远，显热越高。在C区，室外空气温度和回风温度几乎相同。因此，混合空气温度几乎是恒定的，无论空调机组引入多少数量的室外空气量。由于湿空气比热随含湿量的增加而增大，因此，随着混合空气含湿量的增加，相同进出口温度下的显热略有增加。对于表2中所示的C区域，温差控制使用最小量的室外空气时与使用100%室外空气相比，这将导致盘管负荷增加0.5%。

区域D的边界是由理想的过渡线和经过返回条件的恒定干球温度线所组成的区域。在D区，使用100%的室外空气对盘管的显热大于最小室外空气的操作，但更大程度的降低了潜热。对于表2中所示的D区域，温差控制将使用最少量的室外空气，这将导致盘管负荷比100%室外空气运行情况下增加5%。

在文献(如[3-6])中对传统空气节能器方案的应用提出了不同的建议。这种缺乏共性的情况是下一节所述的新的空气节能器方案发展的动力因素之一。

表2.图2 A-D区域最小(20%)和100%室外空气盘管负荷对比

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