调查显示, 人们89%的时间在室内度过 ^[1]。空调系统直接影响室内空气品质和室内人员的舒适度, 一方面空调系统需实现对空调区域热湿参数 (温度、湿度、洁净度、空气流动速度) 的控制, 另一方面需提供足够的新风以实现对空调区域污染物浓度的控制, 改善室内空气品质。通常增大新风量有利于室内污染物的稀释和控制, 有利于降低室内各类污染物对人体健康、舒适度的影响, 但由于新风能耗占空调系统能耗的30%以上 ^[2], 新风量的增大意味着空调能耗的增大。因此, 对变风量空调系统新风控制策略进行研究具有重要意义。

　　 Kim等人提出了一种变风量末端最小空气流量控制方法, 该方法在满足空气品质要求的同时可以降低空调电耗 ^[3]。Sun等人提出了一种基于模型的新风量优化控制策略, 使用该控制策略既能满足室内空气品质要求, 又具有较大的节能潜力 ^[4]。Wang等人基于按需通风控制提出了一种连续分段控制策略, 研究表明使用该控制策略降低空调能耗的同时可提高室内空气品质 ^[5]。Lu等人对传统的以CO₂浓度为基础的按需通风控制策略进行了优化, 并通过模拟分析证实了该优化控制策略是简单、灵活、有效的 ^[6]。Nassif提出了一种基于送风CO₂浓度的按需通风控制策略, 通过仿真模拟验证了该控制策略在提高室内空气品质及降低空调能耗方面的优势 ^[7]。Xu等人建立了一个多区域变风量空调系统通风控制策略优化模型, 通过协调室内热湿环境、室内空气品质及空调能耗的关系来优化空调系统的新风量 ^[8]。Shan等人提出了基于现场应用的变风量空调系统新风控制策略, 试验表明采用该控制策略在保证室内空气品质的同时降低了空调能耗 ^[9]。

　　 现有的针对变风量空调系统的研究主要集中在新风控制策略与室内空气品质的控制效果上, 且大部分方法都是通过调节新风比控制新风量, 对多区域变风量空调系统的新风量分配基础研究较少, 鲜有不同控制方法的综合对比分析。传统的单风管变风量空调系统, 无论新风控制策略如何, 都是回风与新风混合后送到各空调区域, 即使各空调区的新风需求不同, 得到的新风品质也完全相同, 体现不出新风需求的差异性, 极大可能导致空调区域新风不足或过剩的情况出现。为了解决这一问题, 需要通过对不同定新风比控制策略和变新风比控制策略进行综合对比分析, 获取最优的新风量分配方法。

　　 为此, 本文首先介绍变风量空调系统常用的新风控制策略, 并分析变风量空调系统CO₂浓度模型。然后, 通过对比试验研究定新风比与变新风比控制策略在系统新风量及各区域新风量分配方面的控制效果。最后, 进一步通过对比试验研究变新风比控制策略对室内空气品质的控制效果及节能性。

　　 目前, 在变风量空调系统中应用较多的是最大新风比控制策略 (max Y策略 ^[10]) 与基于多区域方程的新风控制策略 (MSE策略 ^[11]) 。在多区域变风量空调系统中, 各空调区域的新风比是各区的新风需求量与送风量的比值, 实际所需新风比最大的空调区域被定义为关键区。最大新风比策略是将关键区的新风比作为系统新风比的设定值。

　　 max Y策略在满足关键区新风量的同时, 导致其他空调区域处于新风量过剩的状态, 增加了空调系统的新风能耗。参照ASHRAE标准, GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》建议多区域变风量空调系统新风量按式 (1) 确定。

　　 $Y=\frac{X}{1+X-{\rm Z}}(1)$

　　 式中 Y为修正后的新风比;X为未经修正的系统新风量占送风量的比例;Z为关键区的新风比。

　　 MSE控制策略是max Y控制策略的修正版, 即考虑了关键区外的空调区域新风比小于最大新风比, 可以利用这些区域尚未完全利用的新风对关键区进行稀释通风, 降低系统的新风需求量。然而, 定新风比控制策略往往无法实时满足系统新风需求量, 且易出现新风分配不均的现象, 这就需要根据实际新风需求量实时调整系统新风比, 以保证室内空气品质。

　　 变新风比控制策略指根据各空调区域新风需求实时修正系统的新风比。图1给出了变新风比控制策略流程。如图1所示, 冬季工况下变新风比控制策略具体如下:

　　 1) 取设计工况下系统新风比Y_{SP, 0}为新风比初始值, 实时采集送风CO₂浓度、各区域回风CO₂浓度及送风量, 根据动态人员监测法 ^[12]确定室内人员数量, 再根据每人最小新风量 (30 m³/h) 计算各区域的新风需求量, 同时根据送风CO₂浓度质量守恒方程计算系统实际新风量。

　　 2) 通过实时采集室外新风、回风温度计算室外空气温度平均值t_OA和回风温度平均值t_RA。当t_OA>t_RA时, 应尽可能地利用新风承担空调负荷, 此时系统应全新风运行 (系统新风比Y_SP=1.0) ;当t_OA<t_RA时, 在满足室内空气品质的前提下应尽可能减小新风量, 此时根据计算得到的各区域的送风需求量及新风需求量计算系统总送风需求量、总新风需求量及各空调区域的新风比, 然后按照MSE方程计算系统新风比, 再根据计算得到的系统新风比和系统总送风需求量计算系统新风需求量。

　　 3) 根据系统新风需求量与系统实际新风量调节新风阀、回风阀和排风阀的开度。

　　 无论采用何种新风控制策略, 都需要计算新风量。考虑到CO₂传感器存在测量误差, 以及CO₂在房间内分布的不均匀性, 采用理论公式计算法计算实际新风量, 理论公式计算法根据新风、送风、回风CO₂浓度间的差值得到系统新风量 ^[13]。图2给出了变风量空调系统CO₂浓度模型。其中:C_OA, C_RA, C_SA, C_i分别为新风CO₂浓度、回风CO₂浓度、送风CO₂浓度及房间i室内CO₂浓度;S_i为空调房间每个人的CO₂释放量;V_i为空调房间i的体积;Q_OA, Q_RA, Q_SA分别为新风量、回风量、送风量;Q_{e, i}为房间i的漏风量。

　　 对于送风系统CO₂浓度, 存在如下关系:

　　 $\begin{array}{l}C{}_{\text{S}\text{A}}Q{}_{\text{S}\text{A}}=C{}_{\text{R}\text{A}}Q{}_{\text{R}\text{A}}+C{}_{\text{Ο}\text{A}}Q{}_{\text{Ο}\text{A}}(2)\\ Q{}_{\text{R}\text{A}}=Q{}_{\text{S}\text{A}}-Q{}_{\text{Ο}\text{A}}(3)\end{array}$

　　 通过式 (2) , (3) 可得到系统实时新风量Q_OA和各空调房间的实时新风量Q_{OA, i}:

　　 $\begin{array}{l}Q{}_{\text{Ο}\text{A}}=\frac{C{}_{\text{S}\text{A}}-C{}_{\text{R}\text{A}}}{C{}_{\text{Ο}\text{A}}-C{}_{\text{R}\text{A}}}Q{}_{\text{S}\text{A}}(4)\\ Q{}_{\text{Ο}\text{A},i}=Q{}_{\text{S}\text{A},i}Y{}_{\text{r}}=Q{}_{\text{S}\text{A},i}\frac{Q{}_{\text{Ο}\text{A}}}{Q{}_{\text{S}\text{A}}}(5)\end{array}$

　　 式 (5) 中 Q_{OA, i}为空调房间i实时送风量。

　　 对于空调房间内的CO₂浓度, 存在如下微分关系:

　　 $\frac{V{}_i\text{d}C{}_i}{\text{d}\tau }=S{}_i{\rm P}{}_i+Q{}_{\text{S}\text{A},i}C{}_{\text{S}\text{A}}-Q{}_{\text{R}\text{A},i}C{}_i-Q{}_{\text{e},i}C{}_i(6)$

　　 式中 P_i为空调房间i的人员数量, 人。

　　 假设空调区域送风量与回风量相等, 且空调房间漏风量为零, 则空调房间内的人员数量计算式为

　　 ${\rm P}{}_i=\frac{1}{S{}_i}[\begin{array}{l}\\ \end{array}\frac{V{}_i\text{d}C{}_i}{\text{d}\tau }-Q{}_{\text{S}\text{A},i}(C{}_{\text{S}\text{A}}-C{}_i)\begin{array}{l}\\ \end{array}](7)$

　　 通过式 (7) 可以计算出当前时刻的室内人数P_i, 即所谓动态人员监测法。

　　 采用理论公式计算法可以准确计算出系统及各区域的实际新风量和新风需求量, 进而实现不同控制策略对区域内新风的控制。在此基础上, 进一步通过对比试验研究分析不同新风控制策略的控制效果及节能性。

　　 试验研究平台为大连理工大学多区域变风量空调系统集成控制试验台, 图3, 4分别为该平台主要设备平面布置图及控制原理图, 表1给出了空调系统主要设备参数。VAV空调系统控制回路包括新风量控制回路 (C1) 、送风温度控制回路 (C2) 、送风静压控制回路 (C3) 、室内温度控制回路 (C4) 、表冷器能耗监测回路 (C5) 和送风机电耗监测回路 (C6) 。

　　 新风量分配试验算法分别为基于max Y方程的定新风比控制策略 (max Y-F) 、基于MSE方程的定新风比控制策略 (MSE-F) 、基于max Y方程的变新风比控制策略 (max Y-V) 和基于MSE方程的变新风比控制策略 (MSE-V) , 表2给出了试验相关设计参数。由于试验室内除人员产生的CO₂污染物外无其他污染物, 因此各空调房间的新风量依据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定按每人30 m³/h选取, 各空调房间的人员数量根据式 (7) 计算。MSE-F策略和max Y-F策略的系统新风比分别为0.192, 0.225, MSE-V策略和max Y-V策略的初始新风比分别为0.192, 0.225。变新风比控制策略的新风比计算周期依据室内人员流动情况设定为10 min。本文通过改变房间温度设定值来分析变风量空调系统在不同运行状态下各空调房间的新风量分配情况。试验开始时, 各空调房间温度设定值同时升高1 ℃, 之后空调房间温度设定值维持不变。

　　 为对比不同新风量控制方法各空调房间的新风量分配情况, 需保证对比试验工况的均衡性。表3给出了不同新风控制策略试验工况。不同新风控制策略室外温度最大相差3.75%, 送风温度最大相差0.13%, 对比试验工况均衡性较好。

　　 图5显示了不同新风控制策略对应的各空调房间室温变化情况, 可以看出, 在房间温度设定值变化时, 不同控制方法均能够实现快速响应并达到稳定状态。表4给出了不同新风控制策略对应的室温平均偏差, 可以看出, 各种控制策略的温度偏差不大, 对室温的整体控制效果相同。

　　 定义新风不保证率β为需求新风量与实测新风量之差占需求新风量的百分比, 如式 (8) 所示:

　　 $\beta =\frac{Q{}_{\text{Ο}\text{A},\text{D}}-Q{}_{\text{Ο}\text{A},\text{Τ}}}{Q{}_{\text{Ο}\text{A},\text{D}}}\times 100\%(8)$

　　 式中 β为新风不保证率;Q_{OA, D}为需求新风量, m³/h;Q_{OA, T}为实测新风量, m³/h。

　　 图6显示了不同新风控制策略下系统新风量变化情况, 图中需求新风量为空调房间室内人员数量 (30人) 与每人最小新风量 (30 m³/h) 之积。表5给出了不同新风控制策略下新风量平均值及不保证率, 其中系统实时新风量根据式 (4) 计算得出。可以看出:max Y-F策略与MSE-F策略的实测新风量均小于需求新风量平均值, 且新风不保证率分别为20.22%, 52.60%;max Y-V策略与MSE-V策略均能够满足系统需求新风量, 且新风不保证率分别为-30.12%, -13.24%, 其中, max Y-V策略实测新风量较MSE-V策略高14.91%, 因此在满足需求新风量的基础上, MSE-V策略的新风能耗较低。

　　 图7显示了不同新风控制策略对应的各空调房间新风量变化情况, 表6给出了不同新风控制策略对应的各空调房间新风量分配情况。由图7、表6可见:max Y-F策略与MSE-F策略各空调房间实测新风量均小于需求新风量平均值, 各空调房间新风不保证率最大相差25%左右;max Y-V策略与MSE-V策略各房间实测新风量基本均高于需求新风量, 各空调房间新风不保证率最大相差22%左右;max Y-F策略与MSE-F策略各空调房间的实测新风量均不能满足新风需求量, 且新风分配存在不均现象;max Y-V策略与MSE-V策略各空调房间的实测新风量均能满足新风需求量, 但各空调房间的新风分配仍存在不均现象。

　　 在保障室内空气品质的基础上, 本章重点研究max Y-V与MSE-V策略的能耗情况, 以寻求较好的新风控制策略。规定:若室温实测值稳定在设定值附近, 且室温的平均偏差均在测量精度范围内, 则认为能实现对空调房间室温的控制;若室内CO₂浓度在设定限值以内, 则认为能实现对空调房间CO₂浓度的控制;若在不同控制策略下, 室温与CO₂浓度均达到要求, 则认为达到了相同的室内空气品质。

　　 本节对比新风控制策略max Y-V与MSE-V对室内CO₂浓度的控制效果及空调系统能耗, 其中送风量采用静压设定值线性调整算法确定 ^[14]。

　　 试验期间通过动态人员监测法得到不同新风控制策略下各空调房间人员数量平均值, 保证不同控制策略各个空调房间人员数量一致 (房间1为9人, 房间2为15人, 房间3为8人, 总计32人) , CO₂释放量按每人0.02 m³/h计算 ^[15], 新风量按每人30 m³/h确定。本节在保障新风量的基础上重点研究空调区域CO₂浓度特性, 通过固定室内温度设定值的方式研究空调系统负荷对室内CO₂浓度控制效果的影响, 即各空调区域室内温度均设定为23 ℃, 且试验期间维持不变。

　　 表7给出了不同新风控制策略试验工况, 可以看出:不同新风控制策略室外温度平均值相差0.34%;不同新风控制策略空调系统送风温度设定值均为30 ℃, 且送风温度实测值相差0.20%;不同新风控制策略新风CO₂体积分数相差0.95%。可认为对比试验的工况均衡性较好。

　　 图8显示了不同新风控制策略各空调房间室温变化情况, 表8给出了不同新风控制策略各空调房间室温平均偏差。由图8、表8可以看出:不同新风控制策略室内温度实测值在设定值附近波动, 均能实现对空调房间温度的控制;max Y-V策略各空调房间平均偏差的最大值为0.09 ℃, 平均值为0.07 ℃;MSE-V策略各空调房间平均偏差的最大值为0.06 ℃, 平均值为0.05 ℃;2种控制策略各空调房间平均偏差均在精度范围内, 空调房间的控制效果稳定。

　　 图9显示了不同新风控制策略各房间室内CO₂体积分数变化情况, 表9给出了不同新风控制策略各空调房间CO₂体积分数平均值及最大、最小值。max Y-V控制策略各空调房间室内CO₂体积分数最大值为979×10^-6, MSE-V控制策略各空调房间室内CO₂体积分数最大值为960×10^-6, 且各空调房间CO₂体积分数最大值均小于1 000×10^-6, 因此可认为2种控制策略均能实现对房间CO₂浓度的控制, 且达到了良好的室内空气品质控制效果。max Y-V控制策略各房间CO₂体积分数平均值较MSE-V控制策略分别低20×10^-6, 25×10^-6, 26×10^-6, 2种控制策略房间CO₂浓度差值均在传感器误差范围内 (小于30×10^-6) , 因此可以认为2种控制策略室内CO₂浓度控制效果相同。

　　 考虑到送风机的电耗及表冷器将系统回风和新风处理到送风状态点所消耗的冷量 (热量) 均为变风量空调能耗的重要组成部分, 为准确比较不同控制策略的系统能耗, 将变风量空调系统的表冷器能耗与送风机电耗折算为统一单位的能耗, 定义为综合能耗 ^[16]。不同控制策略相应的能耗分析结果如表10所示。可以看出, max Y-V策略的回风能耗较MSE-V策略低7.19%, 但MSE-V策略的新风能耗及系统综合能耗分别较max Y-V策略低13.28%及6.76%, 且空调系统的新风能耗占综合能耗的60%以上。因此, 在满足室内空气品质的前提下, MSE-V策略更大程度地降低了空调系统的能耗。本文空调系统能耗仅为送风机能耗与表冷器能耗, 若考虑表冷器能耗降低带来的冷源及输配系统间接节能效益, MSE-V策略的节能效果更加明显。

　　 1) 在实现相同室温控制效果的前提下, 定新风比控制策略的系统实测新风量及各房间实测新风量不能满足新风量需求, 而变新风比控制策略以关键区为控制目标, 系统实测新风量及各房间实测新风量均能满足新风量需求, 但关键区的新风比过大将导致新风量过剩。无论定新风比控制策略还是变新风比控制策略, 都存在新风量分配不均的现象。

　　 2) 基于最大新风比的变新风比控制策略 (max Y-V策略) 与基于多区域方程的变新风比控制策略 (MSE-V策略) 对室内温度与CO₂浓度控制效果基本相同, 且均能满足规范对室内空气品质的要求, 但MSE-V策略的空调系统能耗较max Y-V策略低6.76%。

　　 3) 传统的变风量空调系统新风控制策略具有较难逾越的技术障碍, 并非与策略相关, 而更多地是同新风与回风集中混合、集中输配、集中分配的系统形式相关, 解决该问题的主要尝试可能是独立新风系统。但对于既有多区域变风量空调系统而言, 与定新风比控制策略相比, 变新风比控制策略的控制效果更好, 且基于按需通风控制的MSE-V策略是较为理想的新风控制策略。

　　 4) 本文的对比试验是在现有试验台上完成的, 其分析结果对其他控制策略的对比试验提供了理论基础, 同时对多区域变风量空调系统新风量控制策略的选取提供了参考依据。