HVACSIM作为空调系统性能检证工具的适用性.docx
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HVACSIM作为空调系统性能检证工具的适用性
HVACSIM+作为空调系统性能检证
工具的适用性
株式会社三晃空调技术研究室郑明杰
名古屋大学名誉教授中原信生
摘要为了最大限度地满足用户对空调系统的机能及性能的要求,在空调系统的计划,设计,施工,试运转调整,实际运用等各阶段,有必要进行阶段性的性能检证(检查与鉴定)。
用计算机仿真程序来对空调系统的机能与性能进行模拟计算可以使性能检证工作能够迅速且有效地被实行。
本文归纳整理了从设计到实际运用等各阶段中空调系统的性能检证工作对模拟计算程序的机能及性能的要求,阐述了HVACSIM+作为空调系统的机能及性能检证的模拟计算工具的适用方法,并展示了几个性能检证的实际应用例。
关键词HVACSIM+空调系统动态特性模拟性能检证
1硼究背景及目的
最近,空调系统的性能检证(检查与鉴定)越来越受到重视。
为了最大限度地满足用户对空调系统的机能及性能的要求,在空调系统的计划,设计,施工,试运转调整,实际运用等各阶段,有必要进行阶段性的性能检证。
用计算机仿真程序来对空调系统的机能与性能进行模拟计算的方法是使空调系统的性能检证工作能够被迅速且有效地实行的一个手段。
因此,需要一个能够正确地模拟空调系统的动态特性的仿真程序。
至今为止,各国的研究者开发了许多用来进行空调负荷以及消费能量计算的计算机程序,例如,美国的BLAST,DOE一2,TRANSYS,HVACSIM+,EnergyHus,中国的DeST,日本的ACLD/ACSS等。
这些程序虽然不是为了性能检证而开发的,但如能有效地利用这些程序,他们将可能被用来作为空调系统的机能及性能的确认,或者对影响能量消耗的因素进行分析的性能检证的模拟计算工具。
但是,在各阶段的性能检证工作中,使用哪个程序更合适,各种程序的使用方法,制约性,问题点等等关于各程序的适用性的研究尚未被展开。
本文试图把美国国家标准局开发的用于空调系统的动态特性模拟计算的程序HVACSIM+(HeatingandAirConditionsystemSIMulation+otherVentilationsystem)作为性能检证的模拟计算工具,把某研究所大会议室的定风量空调系统的实测数据和HVACSIM+的计算结果进行了比较,验证了HVACSIM+对空调系统的动态特性的再现性,并对把它作为性能检证的模拟计算工具的适用性进行了考察。
三、空调与控制类
2备阶段性能柱疆作业对模拟计算工具的机筐和牲能豹要求
在建筑,空调系统的计划,设计,施工,运用等各阶段中,为了确认及评价各种机器,部分系统或者全系统的机能与性能,需要各种各样的辅助模拟计算工具。
因需要确认及评价的对象,目的的不同,对仿真程序的机能,简易程度的要求也不尽相同。
表1给出了各阶段性能检证所需方针计算程序的主要机能,在性能检证的各个阶段,我们期待通过使用具有不同机能的模拟计算程序来帮助我们检讨和确认对象空调系统的工作状态和环境,能量消耗等各种性能指标,从而达到最大限度地满足用户对空调系统的机能及性能的要求的目的。
各阶段的性能检证对模拟计算程序的机能和性能的要求
建筑计划设计表1为了围护材料结构.开口部形状.位置等等的最优化,需要自然室温和年间空
调负荷的模拟计算
企划计划为了决定空调方式,分区方法,需要年间空调负荷.能量消耗的概算.以及运
用成本的简易计算
为了确定空调方式,外气处理方式,和机器容量,需要年间时刻别空调负荷的
详细模拟计算基本设计
实施设计
空调系统为了各种机器,控制系统的设计参数的最优化,需要对室内环境,消费能量进行动态解析
施工为了确认各种机器,部分系统、BEMS的机能及动作性能,需要模拟系统的各
种工作状态
试运转调整各种机器、系统、BEMS的机能及性能的简易检证计算,年间环境及空词负荷
的计算,运转管理者的简易模拟训练工具
结合BEMS的监测数据.进行环境及能量消费的统计性分析,在线故障检知.
运用系统状态诊断工具,机器,系统全体的劣化程度的诊断工具,省能施策的导人效
果的检证计算
3ItVACSIM+的最要及在性能枪证备阶段的话用牲
HVACSIM+为1984年美国国家标准局开发的空调系统的动态模拟计算程序,1987年由名古屋大学的中原信生教授引人日本并作了部分改进,1998年4月作为日本版HVACSIM+(J)在日本公开发表。
HVACSIM+的内部构成为模块构造形式,由许多称为各种形式的空调系统的计算模型。
在各个构成要素模型中给出了进行动态模拟计算所需的输人参数,使用者可以通过改变这些参数来模拟空调系统的不同工作状态。
当所要模拟的系统的构成要素的TYPE在原程序中不存在时,使用者也可以自己开发新的TYPE,并把吼的子程序包来描述空调系统的各个构成要素,用户可以把这些7n『PE组合起来构筑它装入程序中。
为了提高计算精度和缩短计算时间,HvAcs瑚+采用了可变时间步长,其最短时间步长为1秒。
所以,HVACSIM+可以用来详细计算空调机及自动控制系统的动态响应。
这个机能是至今为止所有的程序都不能比拟的。
三、空调与控制类
因为HVACSIM+有如上所述诸多优点,所以虽然它不是作为性能检证用模拟计算程序而被开发出来的,我们仍可以把它作为性能检证用模拟计算程序来有效地应用。
问题是现存的HVACSIM+可用来计算哪些空调系统,它可适用于哪个阶段的哪些性能检证的检讨项目,以及适用方法等等。
我们归纳整理出了在性能检证的各个阶段中,可能用HVACSIM+来进行模拟计算和考察的事项,并示于表2。
在各个性能检证阶段中由HVACSIM+可以考察事项
阶
段
表2
检讨事项
分区的检讨
适用方法
分区负荷计算空调系统变更热源系统变更
舒适性,能耗量的计算空调方式变更
全热交换器设置的有无设计条件变更
计划
空调系统方案的检讨热源系统方案的检讨舒适性能耗性的检讨
空调方式的选定外气导人方式的选定
室内设计条件的检讨
基本设计
预热.间歇运转时的负荷特性的确认
空调机容量的选定热源机器容量的选定
运转计划,负荷率的变更最大负荷计算
热源机器容量变更蓄热形式.槽容量变更设计参数变更负荷特性曲线变更控制方法变更热源台数变更VAV最小风量变更最大最小流量的设定
部分负荷时的环境.能耗的计算设定流量.温度的变更
蓄热槽容量的选定
空调机设计参数的最优化
实施设计
泵.送风机的选择外气量控制的最优化热源.泵台数的最优化VAV最小风量的最优化
试运转调整
泵流量控制范围的最优化部分负荷特性的确认蓄热槽3通阔的最适调整
给气温度范围的最优化
运
用
给气温度控制幅的更变更
机器负荷特性变更输入参数的变更设定各种输出值的确认
机器.系统性能退化的确认故障检知,系统状态诊断能耗构造分析和最优化
4对象空堋系统及实验的概要
对象空调系统为在筑波市的某研究施设的大会议室的定风量空调系统。
对象室,空调
系统的概要分别示于表3,表4。
计测点如图1所示,包括室外温湿度,日射,空调机内
各点的温湿度,室内温湿度,合计共有13点。
由中央监视系统以3min的时间间隔收集了
计测数据。
实验时没有导人外气。
实验的诸条件示于表5和图2。
三、空调与控制类
271
.
。
\
、7
|
耐
/
lI
时间【h】
¨
对象室的概要
表3l
RC造
蔷
眦
州
图2实验日的气象条件(1997年8月7日)
图1空调系统概要及计测点
Ts,Tm:
AHU出口,人口空气温度
Tr,}Ir,Tn,Tu:
室内温度,室内相对湿度,邻室温度。
上层室温
构造
l
面积
180m2
旦堡垒望里I
堕【!
:
塑
表4
空调系统概要
空调方式
单风道定风量方式
风量
Tel,Tc2:
表冷器人口冷,温水温R1.R2:
冷.温水阀的要求开度信号
m,Rd.Tout,Hout:
全日射量,直达日射量.外
气温度.外气相对湿度
送风机样式
表冷器
2600m3/h
045kPa
全静压
冷却能力
设计最大流量冷水温度
135kW
32Umin7C—13℃
计测日的条件
实验日
天
表5
I
24cc
1997年8月7日
晴有时阴
7:
00—17:
308:
G0—17:
30
邻室温度PI控制参数
数
照明电力
候
比例带2℃积分时间4分
测定时阈
空调运转时问|
288kw
设定温度
26qc
在室人数
I
7(16:
00~17:
30)
5再现性柱证
5.1模拟计算模型的做成
如前所述,HVACSIM+为1个具有模块构造形式的仿真模拟计算程序。
所以计算前,首先需要把被模拟空调系统中存在的要素机器的TYPE的输入和输出按照热移动的顺序进
行连接,形成如图3所示的被模拟空调系统的计算模型。
表6至表9给出了模型中的主要TYPE的输人参数。
另外,室内环境的舒适性评价指标PMV的输人参数,代谢量,着衣
量,室内风速的值采用了在日本公认的办公楼的通用数据,0.5clo,1.2met,O.2m/s。
在图
3中,T为在HVACSIM+中被定义的1Ⅵ)E番号,U为系统模拟模型中所包括的要素模型的
顺序号。
为了使计算快速收敛,我们把对象空调系统的模拟模型分成了5个模块。
另外,在建模时我们进行了以下的3个假定。
=、空调与控制类
图3对象空调系统模拟计算模型输入参数的说明殛其初始值
记号
PlP2P3
表6
记号
C15C16C17C18
R1112
初期值
101.7kPa
名称
记号
T15
初期值
25cc25口c
名称初期值
00
名称
室内压力AHU吹出压力
东北壁温度东北窗温度
冷水给水温度
表冷器表面浸温系数
故障信号
要求开度
PMV
101.7kPa1017kPa
101
7kpa
T16
冷水泵人口压力
大气压
"I'17
T18
T19
8℃8℃
25cc26cc
00380rev/s0rev/s
174
P5
表冷器冷水人口水温表冷器冷水出口水滤
下层温度南东窗温度
西北窗温度
101.7kPa
冷水泵出口压力
AHU冷水出口压力
送风扇转效泵转数直达13射量散射日射量全天日射量壁面对流传热量短波辐射热量长波辐射热量显热负荷潜热负荷空调机全热负荷空调机显热负荷送风机消费电量泵空调机全热负荷窗的日射侵人量室内湿度k∥kg(DA)
P6
101.7kPa
T20T21T22'1"23Cl
WI
W2
0吲s
00
空调机风量
吹出风量
25℃
25口c
Ql
ow/m2
k∥sk∥s
啦
∞
Q4Q5
0W/矗
0W/m2
0kW0kW0kW0kJ/s0kJ/s0kW0kW0kW0kW0kW001300130013
W3
T1
冷水流量室内温度外气温度表玲器入口气温表冷器出口气温
送风温度吹出温度
上层温度
24℃
0
邻室温度ON—OFF开关在室者数机器运转状态照明状态南东壁13影系数南东窗日影系数北东壁日影系数北东窗目影系数北西壁日影系数北西窗日影系数室内温度信号定室内温度要求开度信号冷水阏开度
272℃
T2
13T4
25℃26℃26℃
26cc26cc
也
C3
0人
00000000
27
Q6妒
Q8
G4
C505C7C8C9C10CIIC12C13C14
T5
T6
Q9QlOQllQ12Q13
H1
竹鸭
"19T10T11T12
26cc
9A.cc25cc
送风道周围温度
辐射温度
天井温度地面温度
25℃
25cc
2℃
25℃
东南壁温度西南壁温度西北壁温度
26℃
1
H2
吹出湿度Wkg(nA)
外气湿度吲】曙(OA)
T13T14
巧℃
25℃
}移
0
注:
影印的参数为计算用输入参数。
三、空调与控制类
(1)因实测时没有加热负荷,所以假定空调机仅由表冷器和送风机来组成。
(2)实际建筑的东南,西北壁面各有2扇窗户。
为便于计算我们简化成1个窗户了。
表冷器特性参数
叶片形状正面面积
表7
方形
Cv
冷水阀的特性参数
阀全开时的压力降
阀阻力比全开阻力系数泄漏率滞后率动作时间指数特性系数
表8
37
(秆)
(m)(本)
(列)
O33860
10
(kPa)
30
005
长度管数列数叶片数管外径管内径叶片厚
气流方向管中心距离列方向管间距离
[kP一(kg/s)2]
(%)(s)
10343002
10
[枚/era(枝/inch)]
(m)(mm)
4
72(12)
163
15301533
63
1
(mm)
(一)
(mm)
HD控制器的输入参数表9
381O2030386
叶片热传导率管热传导率边
流路形式
[k'W/(m・K)][kW/(m・K)]
半回路
(3)实际上,大楼内各系统的空调机由1台泵来输送冷水,所以对象空调机统的冷水流量很难把握。
我们用对象空调系统的设计扬程和最大流量来选定了1个假想的泵,冷水阀的特性也采用了具有和实际同样的特性的阀门。
5.2计算结果和考察
图4、图5、图6为对象空调系统的室内温度,送风温度,冷水阀要求开度信号的计算值与实测值的比较。
室温的计算值与实测值基本完全吻合。
但是送风温度和冷水阀的要求开度信号的计算值的振幅比实测值大。
计算误差的原因可认为有以下几点。
一一*∞m
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p
30
‘‘‘+’计算值
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时间(h)
图4室内温度的经时变化图5送风温度的经时变化
(1)表冷器的管外表面的热扩散系数的差异。
计算模型中没有考虑叶片的详细构造以及污染程度.所以表冷器的热交换特性的计算值比实际的热交换特性敏感。
(2)I-WACSIM+的墙体热通过计算模型中,不包含梁的热容量。
为了再现梁的热容量对室内温度的影响,我们把梁的热容量也算人房间的热容量中。
虽然送风
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上:
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温度的瞬间值与实测值之间有差异,瞬间供给热量的
图6阀要求开度信号的经时变化
274三、空调与控制类
差异这个较大的热被室内热容量吸收了。
送风温度振动幅的计算值比实测值大,但其平均值比实测值小。
这也是房间热容量较大的结果。
(3)冷水阀的要求开度信号的振动幅比实测值大,但其平均值比实测值稍高。
上述结果表明,虽然送风温度和冷水阀的要求开度信号的计算值的振幅比实测值大,但其变化倾向基本与实测值相同,另外室温计算值也几乎与实测值完全一致,所以可以说本模拟计算模型较好地再现了实际的空调系统的动态特性。
6吾阶段的性能控证前应用稠
为了考察HVACSIM+作为性能检证仿真工具的适用性,我们用上述的经过再现性验证的模拟计算模型,对表10示出假想性能检证的检讨项目进行了试算。
为了比较各种故障状态时的系统特性与正常(实测)状态的差异,我们把室内温度,室内相对湿度,PMV值,送风温度,冷水阀开度信号,空调机负荷,送风机,泵的耗电量,配管的热损失等指定为输出变数,并由这些输出数据算出了如下所示的3个统计量,作为性能检证的评价指标。
比=0目甜瓦L量“‰空调系统耗电量合计(kW)∞Ew)dt
室内温度环境评价指标
峨0o一舳出(2)室内平均舒适性评价指标
5施表冷器负荷(kW)
卜笛1送风机耗电量(kW)蛞
=,●Z【(3)
n.“n1“狐k拴配管热损失(kW)
5¨刮“>纠<v,弧¨锄5j泵耗电量(kW)
(3)圩,=‘,一l叭['fPMVdt(4)室内温度(℃)
矾以缉‰艮‰“k空调开始时间(h)
i空调终止时间(h)
各阶段的性能检证的计算例表加
阶段检讨项目系统状态再现方法问题发生时间
1)送风道过长设计(阻力为原来的2倍)送风道总阻力变更为原来的2倍8:
00—17:
30
设计
2)冷水阀过大设计(直径为原来的2倍)冷水阀全开阻力系数减少1/28:
GO一17:
30
施工3)温度控制器的输人信号厦设定信号误接把送风温度信号作为PJ室温控制器的输^
8:
00—17:
30
成送风温度信号及其设定信号信号.设定温度变更为160C
试运行4)温度控制器的参数调整不良用界限感度法进行调整8:
00—17:
30
5)冷水阀开度故障把阔开度固定在0%、20%、40%、60%、100%12:
00—14:
00
运用6)送风机故障送风量设定为原来的25%、50%、150%】2:
00一】4:
00
7)冷水供水温度异常冷水供水温度固定在2℃、18℃12:
00~14:
00
6.1设计阶段的性能检证例
6.1.1送风道过长设计
三、空调与控制粪
275
图7为送风道长度变更前后的室温,冷房负荷,室内平均PMV值的计算结果的比较。
虽然送风道长度被我们增长了1倍,室温并没有发生明显的变化,仅仅是室温的变化周期
变长了。
由表11给出的变更前后的评价指标以、日。
、以的计算结果也可看到,送风道
长度的变更对于室内环境的舒适性和系统的能耗没有明显地影响。
由于送风道阻力远小于
送风系统的总阻力,所以即使送风道阻力增大1倍,送风机的工作点仅有微小变化,因而送风量的变化也很少。
所以,对于这种设计上的过失,仅凭上述指标很难被发现,应当考察送风道的阻力及送风机的工作点是否合适。
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时间(h)
时间(h)
图7送风道长度对室内温度,冷房负荷,PMV的影响
6.1.2冷水阀过大设计
图8为冷水阀直径变更前后的室内温度,冷房负荷的计算结果的比较。
冷水阀直径变更为原来的2倍后,室温并没有发生明显的变化,仅仅是室内温度变化曲线产生了滞后现
象。
由表1l给出的变更前后的评价指标日。
H。
H。
的计算结果也可看到,冷水阀直径
的变更对于室内环境的舒适性和系统的能耗没有明显地影响。
因此,我们考察了冷水阀直径变更前后的冷水流量。
从图9示出的冷水流量的经时变化可看到,在9:
15~10:
30期间变更后的冷水流量的最小值较变更前为大。
这是由于冷水阎变大时,阀的全开阻力系数变
小,全闭时的泄漏量过大所造成的。
i麈
时蚵(h
#
蔷。
惜。
9
11
13
15
17
时间(h)
时间(h)
图8冷水阀尺寸对室内温度,玲房负荷的影响图9冷水阀尺寸变更前后的
冷水流量变化
6.2施工阶段的性能检证例
6.2.1室温控制器的输入信号误接续
图10为温度控制器的输入信号没有接错和错误地接续了送风温度信号的两种情况下的室内温度,冷房负荷,室内平均PMV值的计算结果的比较。
本来,室温控制器的输人
信号被误接成送风温度信号的话,自动控制系统将力图把室温控制在送风温度的设定值(16℃)上。
但由于空调机的能力有限,即使冷水阀达到最大开度,室内温度的最低值仍为24℃附近。
所以当空调机的能力不太大时,这种施工错误很容易被忽视。
由表11可知,
室温控制器的输入信号被错误地接续后,日。
H。
H。
的值均明显变坏。
276
一变更前…变更后
一15
三、空调与控制类
一变更前一建更后
o60.4
、^^^^^^/
V
V
V
V、,V。
妻10蔷
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一。
11
13
15
l一o2
9
ii
13
15
17
917
时间m)
时甸(h)
图10温度控制器的输入信号错接对室内温度,冷房负荷,PMV的影响
设计。
施工阶段性能检证计算例的评价指标
原状态
表1l
施工3)
1149
设计I)
969
0
设计2)
948O
也(kW-h)
H。
(cc2・h)
Hp
962O0158
443一O088
01600158
6.3试运行调整阶段的性能检证例
6.3.1
PI室温控制器的最优调节
H室温控制器的放大系数k。
积分时间☆:
正确与否对室温的动特性有很大影响。
一般来说,调整工作很是费时费力。
考察室内温度的实测结果,我们发现室温存在小幅度的震动现象。
这可能是由于PI控制参数不合适所引起的。
我们使k。
从小向大变化进行了室温的模拟计算,得到了室温开始发生微小振动时的k。
值。
由Ziegler-Nichols的界限感度法的最适调整则算出了对象空调系统的最优k。
、k;值示于表12。
表12也给出了调整前后的评价指标的比较。
图11,图12分别为调整过程中的室温变化和调整前后的室温,冷房负荷的计算结果的比较。
由图12可知,调整后不仅室温振动的现象被消除了,而且系统能耗也稍有减少。
U
一28
U
倒
礴翟删
五27
理26
删
时间m)
图11界限感度法调整过程中的室温变化
图12
H参数调整前后的室温冷房负荷的比较
H控制参数调整前后的评价指标
K。
(1,℃)
调整前
0.5
135
表12
H。
(℃2・h)
0
置(s)
2401830
H.(kW・h)
962907
也
01580.18l
调整后
0
三、空调与控制类
6.4运用阶段的性能检证例
图13、14、15为假想在运用阶段中会发生的3种故障和正常状态时的室内温度,冷房负荷,PMV的计算结果的比较。
表13为3种故障和正常状态时的各个评价指标的计算
结果。
6,4.1冷水阕开度故障
由图13、表13可知,把冷水阀开度在12:
00~14:
00的期间固定在40%以下时,虽然系统耗能量比正常状态时少,但其代价是室内环境的恶化。
反之,把冷水阀开度固定在全开状态时,系统耗能量和室内环境两者均恶化。
i
98
7
26
25
蓊
正常
0%
2l01
l6464
O
>0
{o
O
弱
时间m
图13冷水阀开度发生故障时和正常状态的室温,冷房负荷,PMV
运用阶段的3种故障发生时和正常状态时的评价指标的比较
冷水阀开度
20%
146185
表13
给水温度
送风量
60%
234
00
40%
175004
100%
427
0.220050
25%
130l69
50%197
00264
150%
21700192
18cc
1l80040293
0
2℃
2l019l
儿(kW’h)
H。
(屯1・h)
HP
4
01910513
04220276
l笛
0.426
6.4.2送风机故障
由图14、表13可知,把送风量在12:
00~14:
00的期间固定在原风量的25%时,虽然
系统耗能量比正常状态时少,但其代价是室内环境的恶化。
反之,即使让送风量扩大到原风量的1.5倍,系统耗能量和室内环境两者均无明显变化。
一25%。
…・50%…一1
50%
一25%。
‘・。
‘50%一。
一1
50%
~25%
图14送风量发生故障时和正常状态的室温,冷房负荷,PMV
6.4.3冷水供水温度异常
由图15、表13可知,把供水温度在12:
00~14:
00的期间固定在18℃时,虽然系统耗能量比正常状态时少,但其代价是室内环境的恶化。
反之,即使让供水温度降低到2℃
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