VAV中央空调能耗建模与仿真研究
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【摘要】中央空调在运行中煤气节能潜力是非常巨大的，以中央空调能耗模型作为节能优化的研究基础。根据vav中央空调相关设备的能够建立模型，对空调运行过程中不同变量与能耗之间关系进行仿真研究，并对结果进行验证。通过对VAV中央空调能耗进行数学建模与仿真研究，对空调节能优化控制的研究具有深远意义。
【关键词】VAV；中央空调；节能降耗；数学模型；仿真
现代建筑中，中央空调是能耗的主要方面，在建筑能耗中占据了绝大部分。在空调系统的设计和管理中，由于缺乏引导与管理，导致系统运行的效率较低，而且能耗较好，因此VAV中央空调系统的节能潜力是非常大的。利用计算机技术对空调能耗进行仿真建模，包含建筑负荷、空调及制冷机组能耗等，为研究中央空调节能优化奠定基础。VAV中央空调系统作为节能效果较好的一种空调类型，在我国的应用前景非常好，该系统是一个非线性，且具有多输入、输出的系统，其水侧循环和风侧循环过程的耦合关系比较复杂。因此，在建模研究时，先对各子系统进行能耗模型的建立，然后综合考虑各系统的耦合关系，最终构成一个大的模型系统。
1.建筑负荷估算
中央空调系统能耗分析是建立在建筑负荷计算的基础之上的。计算建筑负荷的主要方法是，首先建立建筑受热过程的动态模型，然后根据气象数据以及建筑设计参数，对建筑物的负荷进行计算。对建筑负荷估算的时候，着重考虑透过窗户的太阳负荷、围护结构热负荷等。在围护结构热负荷方面，可分为由是内外温差引起的稳定传热部分和不稳定热传导部分，其与室外温度之间的关系为：
Q=+Q （1）
TL= （2）
Q=+Q（3）
以上式中，Q表示透过窗户的太阳负荷；TL表示室内外温差引起的稳定传热部分；Q表示室内外温差引起的不稳定热传导造成的室内负荷；t表示室外温度；t表示峰值冷负荷温度；t表示峰值热负荷温度；t表示室内设定温度。
图1建筑负荷估算仿真模型
图1为建筑负荷估算仿真模型，室外温度为输入时变量，室内设定温度、围护结构面积、空调面积以及传热系数同根据建筑物的不同而不同，因此该模型的参数在设置的时候，应该以实际建筑来决定。
2.建立能耗仿真模型
VAV空调系统包含水侧循环与风侧循环两个过程，水侧循环中耗电设备包含冷冻水泵、冷水机组及冷却水泵，风侧循环中耗电设备为机组风机。
2.1冷水机组能耗仿真模型
中央空调系统中，冷水机组是重要的构成，其能耗通常会达到空调总能耗的一半。冷水机组因型号的不同，其蒸发器与冷凝器的流量也不是不同的，通常一定型号的冷水机组采用定制，因此冷水机组的耗电量受冷冻水进口温度与冷却水进口温度的影响较大：
f=D(T-T)(Tcl-T)（4）
上式中，D表示回归系数，T为冷冻水进口平均温度，Tcl为冷却水进口平均温度。由于制冷机组均按照设计条件下的负荷确定的，实际运行中很少出现满负荷运转，所以负荷调节性能是评价制冷机组性能好坏的主要指标，在实际能耗研究中也是重点考虑的因素。在对冷水机组部分负荷修正系数α进行，能够得到冷水机组的能耗模型：
W=α*f（5）
根据（1）（2）两式，能够建立起建筑物负荷、冷却水与冷动手进口温度基础上的冷水机组能耗仿真模型，如图2所示：
图2冷水机组负荷模型
2.2冷却水、冷冻水循环泵能耗仿真模型
这两种循环过程，能耗主要来自于水泵，在流量范围一定的时候，水泵的输出功率可看做是与水流量的立方成正比。因此在对冷却水、冷冻水泵能耗进行计算的时候，主要考虑的是水流量的问题：
G=（6）
Ge=（7）
上两式中，G、Ge分别表示冷却水流量与冷冻水流量；Q表示建筑逐时负荷；T、T、T、T分别表示冷却水进、出口温度和冷冻水进、出口温度。所以，冷却水与冷冻水循环泵能耗仿真模型分别如图3和图4所示：
图3冷却水循环泵能耗模型
图4冷冻水循环泵能耗模型
2.3 VAV中央空调系统风机能耗仿真模型
与定风量空调系统不同，VAV中央空调系统的根据其特点，在运行中送风量是变化的，经过处理一次新风与诱导二次风混合以后，经过表冷器和冷冻水进行热交换，然后送入室内。根据室内设计参数及室内人员的密度，一次新风量需要处于变化的状态。在建筑逐时负荷已知的情况下，根据室内设计相关参数，可以对送往室内的总送风量进行计算：
G=（8）
上式中，G表示总送风量；Q表示建筑逐时负荷；h表示室内设计参数状态点焓值；h表示送风状态点焓值。根据能量守恒，对混合后的送风状态点焓值h进行预设，而一次新风与二次回风状态点焓值分别为h'和h，风量分别为Gh和Gs，则有：
Gh+Gh0'=Gh （9）
VAV中央空调系统的能耗主要来自于新风与回风风机上，根据室内设计参数与人员密度可以确定新风量，根据（8）和（9）两式可以计算出回风量，则能耗系数与风量之积就是风机的能耗。则空调风机能耗仿真模型如图5所示：
图5空调风机负荷模型
2.4不同模块间的耦合关系
根据以上几种能耗数学模型能够建立VAV中央空调主要设备的能耗仿真模型。如果单纯依靠以上几个独立的仿真模型，还难以对VAV中央空调系统的整体能耗进行仿真研究。由于在空调系统运行的过程中，风侧与水侧循环系统之间的耦合关系非常复杂。这种关系主要体现在表冷器上，风循环系统与冷冻水循环系统在此进行热交换，那么经过表冷器的流量、送风量、温度等因素之间存在相互制约的关系。所以，要了解这些模块之间的耦合关系，对表冷器能量流动建立数学模型进行研究是对中央空调能耗仿真研究的重要环节。
在表冷器内，热交换时的能量流动可以用表冷器的热、冷流体的瞬时能量平衡进行表示，空气侧与冷水侧分别如式（10）、（11）所示：
mc(t-t)-Aq=cM （10）
Aq-mc(t-t)=cM（11）
式中，t、t表示表冷器空气侧进、出口温度；t、t为表冷器水侧进、出口温度。
在中央空调实际运行的过程中，表冷器水侧的进口温度也就是冷冻水的出口温度，通过冷水机组可以进行设定；而空气侧进口温度实际上就是新、回风的混合温度，根据公式（9）可以计算得到；表冷器空气侧出口温度实际上就是送风温度，该温度可以实际测量得到。所以，根据以上公式可以计算推导出冷水机组及冷冻水循环中的能耗，对中央空调运行过程中水、风系统的耗能影响进行模拟。表冷器能量流动仿真模型如图6所示：
图6表冷器能量流动仿真模型
2.5 VAV系统能耗仿真研究
对不同的能耗设备仿真模型研究后，了解了不同设备之间的耦合关系，在此基础上就可以通过不同模块之间的连接对VAV中央空调的实际运行中的能耗进行仿真研究，分析中央空调的总能耗，最终建立起VAV中央空调能耗仿真模型。如图7所示：
图7VAV中央空调仿真模型
对空调运行中的一些变量的特定进行研究是放着那系统仿真研究时的关键。其中，可控变量包含、冷却水进口温度、冷冻水出口温度、新风量等。而送风温度等量属于变量，可以通过传感器进行检测。在室外温度变化较大的时候，将可控量假定为定值，通过计算可以反映出各设备的能耗百分比。
3.结语
VAV中央空调运行中的能耗通过仿真模型中参数的变化与能耗间的关系反映粗来，对中央空调进行节能控制时，目标是系统输出的总能耗量最小，可以利用一些先进的宣发对模型参数进行优化，达到指导中央空调实际运行中节能的目的。本文中的模型中，部分参数与实际参数可能存在一定偏差，对模型的精度也产生一定影响，但是实际应用中，很多软件已经很成熟，因此在仿真研究中，应该采用专业的软件来提高仿真的效果。[科]
【参考文献】
［1］刘宪英.中央空调能耗现状与节能途径探讨[J].中国建设信息(供热制冷专刊),2011(06).
［2］孙晴,李明海.变风量(VAV)中央空调末端控制算法研究[J].智能建筑与城市信息,2011(09).
［3］赵廷法,王瑞华,王普.遗传算法在VAV中央空调优化控制中的应用[J].控制工程,2009(S2).