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风机盘管系统分布式模型预测控制研究

风机盘管系统分布式模型预测控制研究

作者：董菲菲西安建筑科技大学

学位级别：硕士

随着建筑规模增长及能源消耗水平提升,公共建筑占建筑总能耗的比例高达42%。风机盘管是公共建筑最常用的空调终端设备,对风机盘管系统进行优化控制是提高公共建筑能源效率的关键。风机盘管机组自身热交换以及与室内空气热交换大多具有... 详细信息

随着建筑规模增长及能源消耗水平提升,公共建筑占建筑总能耗的比例高达42%。风机盘管是公共建筑最常用的空调终端设备,对风机盘管系统进行优化控制是提高公共建筑能源效率的关键。风机盘管机组自身热交换以及与室内空气热交换大多具有非线性、时变以及纯滞后等特点,使其在实际工程应用中控制效果不能获得令人满意的结果。本论文主要针对风机盘管系统优化控制问题进行了探究,一方面建立面向控制的风机盘管模型;另一方面,利用分布式模型预测控制方法对风机盘管系统进行控制。论文主要研究内容归纳如下:(1)针对风机盘管系统建模研究中大多数未考虑水力学特性对其的影响,提出混合热工和水力特性的风机盘管系统建模方法,以满足实际工程中对于风机盘管系统控制的数学模型需要。在水力学模型中考虑风机盘管电动水阀,基于基尔霍夫定律建立水力平衡方程,通过遗传-粒子群相结合的(GA-PSO)优化算法求解各个盘管的水流量及对应的阀门开度;以水流量为输入,考虑风机盘管风量,采用非线性最小二乘法辨识求解其总传热系数,建立基于牛顿冷却定律的风机盘管热力学模型。实验结果表明:混合热工和水力特性的建模方法能够更好的反应风机盘管的物理过程;GA-PSO算法具有很好的稳定性和收敛性,能够更准确的求解水流量及对应的阀门开度,所提出的风机盘管控制系统模型能够精确反映风机盘管的传热过程。(2)针对办公建筑室内外热环境,对其影响因素进行研究,综合考虑建筑室内温度、相邻房间温度、风机盘管工作状态以及室外温度等因素。采用灰箱建模法,建立引入风机盘管热功率的室内热环境数学模型;提出了最小二乘-卡尔曼滤波相结合的LS-KF算法,利用卡尔曼滤波对最小二乘算法进行校正,辨识室内热环境模型未知参数并进行室温预测。实验结果表明:所建立的室内热环境模型在不同采样周期及相关工况下能较好地跟踪反映真实物理系统的实际热过程,具有很好的预测稳定性。(3)针对风机盘管系统非线性和滞后问题,依赖所建立的风机盘管系统数学模型和室内热环境模型,在满足房间负荷并维持室内热舒适前提下,建立以压降最小为目标函数,提出了一种用于多区域建筑室温调节的分布式模型预测控制(DMPC)方法,将纳什优化作用于分布式结构中搜索全局平衡点,利用天牛须-粒子群(BASPSO)混合优化算法对局部MPC进行在线优化。通过与传统控制方法进行了比较,验证了BASPSO-DMPC控制方法的合理性,具有良好的预见性,能够提前规划风机盘管系统供冷量,有效缓解系统惯性造成的控制滞后问题。本文针对中央空调系统末端风机盘管系统进行优化控制,解决了系统动态调节滞后和能耗过大等问题。研究对风机盘管系统进行分布式模型预测控制,系统以最小能耗运行的同时提高室内的舒适度,大幅提升风机盘管的控制能力和公共建筑用能效率,有利于实现节能降碳目标。

关键词：风机盘管混合热工水力模型分布式模型预测控制室内热环境优化控制

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风机盘管空调系统参与需求响应的适应性研究

建筑科学 2022年第2期38卷 195-201,208页

作者：邰潆莹彭晋卿殷荣欣李念平逄秀锋湖南大学湖南长沙410082 劳伦斯伯克利国家实验室美国中国建筑科学研究院有限公司北京100013

电力需求响应是利用用户侧柔性缓解电网供需不匹配和增加电网灵活性的有效途径。建筑空调负荷作为参与电力需求响应的主要柔性负荷之一,了解其响应潜力对于有效开展需求响应至关重要,尤其是我国办公建筑中广泛使用的风机盘管空调系统。... 详细信息

电力需求响应是利用用户侧柔性缓解电网供需不匹配和增加电网灵活性的有效途径。建筑空调负荷作为参与电力需求响应的主要柔性负荷之一,了解其响应潜力对于有效开展需求响应至关重要,尤其是我国办公建筑中广泛使用的风机盘管空调系统。该文通过理论分析和模拟,阐述了风机盘管空调系统在不同需求响应控制策略下的响应机理,并在模拟结果的基础上,对比分析了不同需求响应策略的响应特性指标。研究结果表明,室内设定温度点升高2℃、降低风速档位、1/3楼层风机盘管循环启停及室内设定温度与冷冻水供水温度均升高2℃4种策略下需求响应时段的平均削减密度依次为6.5、6.9、2.4和7.4 W/m^(2)。在所有策略中,制冷主机的负荷削减占比最大。除了风速控制策略,其余策略的负荷削减能力均随需求响应持续时间的增加而下降。

关键词：需求响应风机盘管响应特性能耗模拟控制策略

多翼离心风机分组优化设计对风机盘管整机气动性能的响应度研究

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西安交通大学学报 2022年第7期56卷 156-167页

作者：刘阳刘小民陈宗华席光西安交通大学能源与动力工程学院西安710049 西安泛仕达流体机械有限公司西安710075

为提升空调器整机性能,揭示多翼离心风机各动静部件之间的协同匹配优化效果及整机状态下的流动特性,以风量作为主要参数,引入系数ε表征单风机性能变化对风机盘管整机性能变化的响应度。采用分组优化设计的方法研究了叶轮、蜗壳型线、... 详细信息

为提升空调器整机性能,揭示多翼离心风机各动静部件之间的协同匹配优化效果及整机状态下的流动特性,以风量作为主要参数,引入系数ε表征单风机性能变化对风机盘管整机性能变化的响应度。采用分组优化设计的方法研究了叶轮、蜗壳型线、蜗舌和集流器对单风机以及风机盘管整机气动性能的影响。研究结果表明:基于贝塞尔曲线的吸力面仿鱼形叶片设计对风机盘管整机性能的响应度最高,有效抑制了叶片吸力面上的流动分离,降低了气流对叶片前缘的冲击作用;偏流蜗壳型线和浅舌设计能够显著降低蜗壳内的流动损失,但是抗静压能力不足导致整机性能的响应度不高;外凸集流器设计有效改善了叶轮前盘与集流器间隙处的逆压梯度,虽然能够提升单风机性能,但是破坏了风机盘管整机的进气状态,气动性能响应度为负值。与原型机相比,采用分组优化设计之后的单风机风量提升了18%,效率提升了2.8%;风机盘管整机风量提升了11.2%,效率提升了0.83%。

关键词：风机盘管多翼离心风机叶片蜗壳集流器

风机盘管表面污垢传热效果对空调系统能耗实测与模拟研究

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风机盘管表面污垢传热效果对空调系统能耗实测与模拟研究

作者：阎占宇沈阳建筑大学

学位级别：硕士

风机盘管换热性能好坏对整个空调系统能耗有着至关重要的影响。探究风机盘管性能影响因素、提高风机盘管运行效率,是各国学者竞相研究的重点对象。目的在于分析风机盘管翅片表面污垢对其换热性能的影响,分析使用不同年限,清洗前、后单... 详细信息

风机盘管换热性能好坏对整个空调系统能耗有着至关重要的影响。探究风机盘管性能影响因素、提高风机盘管运行效率,是各国学者竞相研究的重点对象。目的在于分析风机盘管翅片表面污垢对其换热性能的影响,分析使用不同年限,清洗前、后单风机盘管空调系统能耗变化;计算空调系统节能率;提出适宜的清洗时间;为高校风机盘管清洗效果提供理论基础和参考依据。本文结合风机盘管发展现状,表面污垢种类与形成过程,对严寒地区某高校空调系统末端风机盘管进行实地调研,普查高校风机盘管种类、表面污垢附着情况、运行时间、布置方式等信息参数。基于多功能空调检测实验台对学校正在运行的三台风机盘管（运行10年的单风机盘管;运行2年的双风机盘管;运行2年的单风机盘管）进行清洗前、后测试。分析平均换热量、热风比、能效比（COP）变化规律。在此基础上,基于试验测试与仿真模拟相结合的研究方法,运用TRNSYS仿真模拟软件构建以风机盘管为空调系统末端的2个不同房间,分析风机盘管翅片表面污垢对高校供暖季空调系统能耗的影响。运用Origin软件对模拟结果进行数据处理分析,得出风机盘管适宜的清洗时间及系统节能率。性能测试与仿真模拟结果表明:运行10年的单风机盘管清洗前、后平均热量可提升近40%,运行2年的单风机风盘清洗前、后可提升30%左右。应该在风机盘管运行前2年进行清洗减少能源浪费。在改变被试风机盘管进水温度的情况下,同为运行年的风机盘管,运行2年的双风机盘管和运行2年的单风机盘管清洗前、后平均热量增幅均在30%左右;热风比降低率在5.2%左右;COP提升的比例为19.8%左右。说明风机个数对清洗前、后风机盘管平均换热量、热风比、COP影响不大;运行10年的单风机盘管清洗后相比清洗前房间空调系统一次能源节能率为7.73%;运行2年的单风机盘管清洗后相比清洗前房间空调系统一次能源节能率为5.46%。分析对比使用不同年限清洗前、后单风机盘管的空调系统能耗可知:清洗后的风机盘管实现了降低空调系统能耗。针对风机盘管表面污垢形成的高峰期,对长期使用的风机盘管提出适宜的清洗时间,从整体上提高了空调系统运行的可靠性及稳定性,为严寒地区高校降低风机盘管能耗提供理论基础和参考依据。

关键词：空调系统风机盘管能耗模拟性能测试

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风机盘管加新风系统室内PM2.5污染控制

土木建筑与环境工程 2017年第6期39卷 111-116页

作者：樊越胜谢伟余俊伟司鹏飞西安建筑科技大学环境与市政工程学院西安710055 中国建筑西南设计研究院成都610042

在对民用建筑通风系统常用过滤器滤料性能测试基础上,建立了常规风机盘管加新风系统空调房间室内颗粒物浓度集总参数模型,讨论了回风过滤段和新风过滤段过滤器效率的设计选型方法。以西安市某空调系统为例,为满足室内PM2.5污染控制标准... 详细信息

在对民用建筑通风系统常用过滤器滤料性能测试基础上,建立了常规风机盘管加新风系统空调房间室内颗粒物浓度集总参数模型,讨论了回风过滤段和新风过滤段过滤器效率的设计选型方法。以西安市某空调系统为例,为满足室内PM2.5污染控制标准,基于室外PM2.5浓度"不保证10d"取值计算,结果表明,余压为50~80Pa的机组回风过滤器效率选用G3、G4型过滤器,余压为30~50Pa的机组回风过滤器效率选用初效G2、G3型过滤器,同时,室内设置等效过滤效率的空气净化器,新风选用初效G4加中效F7或F8两级过滤。

关键词：新风系统风机盘管 PM2.5 空气过滤器

不同空调模式下负压病房内污染物分布特性研究

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流体机械 2024年第4期52卷 42-49,104页

作者：周崇钢丁云飞叶立飞广州大学土木工程学院广州510006

针对分体空调器、风机盘管都存在室内空气循环流动、冷凝水聚集等问题,本研究通过CFD软件对负压病房进行模拟,对比分析了辐射空调系统和风机盘管系统在负压病房应用时室内热湿环境、污染物分布特性和医护人员感染风险,并建立了全尺寸辐... 详细信息

针对分体空调器、风机盘管都存在室内空气循环流动、冷凝水聚集等问题,本研究通过CFD软件对负压病房进行模拟,对比分析了辐射空调系统和风机盘管系统在负压病房应用时室内热湿环境、污染物分布特性和医护人员感染风险,并建立了全尺寸辐射空调负压病房实验室并对结果进行了验证。结果表明:采用辐射空调系统不仅能够降低室内垂直温差,减少吹风感,而且能够降低室内污染物浓度和室内人员感染风险;辐射空调与风机盘管相比室内污染物浓度、暴露风险和感染概率最大降幅分别为29.85%,29.27%和15.79%。研究结果可为负压病房的设计和医护人员感染风险评估提供参考。

关键词：负压病房辐射空调风机盘管污染物分布感染风险

基于分段线性回归的风机盘管空调系统需求响应量化研究

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建筑科学 2023年第6期39卷 159-169页

作者：宋佳明彭晋卿曹静宇殷荣欣李思慧邰潆莹湖南大学土木工程学院长沙410082 建筑安全与节能教育部重点实验室长沙410082

建筑参与电网需求响应调度是缓解电网峰值时段供给不足的有效途径,然而对于广泛应用于国内商业建筑的风机盘管空调系统,却尚未有可应用于实际工程的需求响应负荷削减密度快速评估方法,且单体建筑在不同室外环境参数、不同室内负荷工况... 详细信息

建筑参与电网需求响应调度是缓解电网峰值时段供给不足的有效途径,然而对于广泛应用于国内商业建筑的风机盘管空调系统,却尚未有可应用于实际工程的需求响应负荷削减密度快速评估方法,且单体建筑在不同室外环境参数、不同室内负荷工况下的动态需求响应性能也有待量化分析。因此,本文采用敏感性分析方法筛选出对建筑负荷削减具有重要影响的关键气象参数,同时建立关键气象参数与负荷削减密度的分段线性回归模型,并将其作为代理模型以简化动态需求响应数据库的构建。研究发现,在内部负荷变化系数为0.40~1.05的工况下,采用干球温度和相对湿度分段线性回归模型可实现在相对误差8%以内的负荷削减密度准确预测,而且具有适用性强、计算速度快等优势。本文可为单体建筑的动态需求响应量化及精确控制提供决策支持,为建筑群参与动态需求响应的负荷削减密度快速估算及量化奠定理论基础。

关键词：需求响应空调风机盘管敏感性分析分段线性回归

风机盘管回风口加装驻极体过滤器过滤PM_(2.5)性能分析

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环境工程学报 2017年第1期11卷 432-438页

作者：周刘轲沈恒根马欢沈云鹏水甜甜东华大学环境科学与工程学院上海201620

针对空调系统末端装置用风机盘管不具备过滤PM_(2.5)功能的问题,在风机盘管回风口加装具有低阻特性的驻极体空气过滤器进行了性能测试分析。以蜡烛燃烧产生的颗粒物作为室内PM_(2.5)的尘源,将3种不同过滤面积的驻极体空气过滤器分别安... 详细信息

针对空调系统末端装置用风机盘管不具备过滤PM_(2.5)功能的问题,在风机盘管回风口加装具有低阻特性的驻极体空气过滤器进行了性能测试分析。以蜡烛燃烧产生的颗粒物作为室内PM_(2.5)的尘源,将3种不同过滤面积的驻极体空气过滤器分别安装在风机盘管回风口,测试了风机盘管在不同风量(额定风量、75%额定风量、50%额定风量)下运行时其对PM_(2.5)过滤性能及在30 min内室内PM_(2.5)浓度衰减率。结果表明:加装驻极体空气过滤器后风机盘管瞬时过滤效率可达到66%以上、在30 min内室内PM_(2.5)的浓度衰减率可以达到54.8%以上;在相同风量下风机盘管的瞬时过滤效率、处理风量随加装过滤器过滤面积增加而提高;以PM_(2.5)浓度衰减率作为指标,可以判断出回风口加装过滤面积为1.88 m2的过滤器净化效果最优,其在不同风量下30 min内PM_(2.5)浓度衰减率分别为87.4%、84.7%和77.3%,且在不同风量下工作时均能在30min内使室内PM_(2.5)浓度达到环境空气质量标准一级日平均浓度限值。

关键词：空气过滤风机盘管驻极体滤料 PM2.5 浓度衰减率

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考虑水力工况的风机盘管系统建模方法与辨识

大连理工大学学报 2022年第5期62卷 518-525页

作者：赵安军张萌芝于军琪杨航杰董菲菲周敏西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院陕西西安710055 西安建筑科技大学信息与控制工程学院陕西西安710055 中国建筑西北设计研究院有限公司陕西西安710015

针对风机盘管研究中大多数模型仅考虑热力学性能,未考虑水力学性能影响这一问题,提出一种新的盘管建模方法,以提高对中央空调末端的控制性能.该方法基于基尔霍夫定律,采用电气模型模拟风机盘管系统水力学性能,通过遗传算法求解各个盘管... 详细信息

针对风机盘管研究中大多数模型仅考虑热力学性能,未考虑水力学性能影响这一问题,提出一种新的盘管建模方法,以提高对中央空调末端的控制性能.该方法基于基尔霍夫定律,采用电气模型模拟风机盘管系统水力学性能,通过遗传算法求解各个盘管的水流量;以水流量为输入,引入盘管内风机开度及传热系数,建立面向控制的风机盘管系统热工灰箱模型,通过最小二乘法对其参数进行辨识.实验结果表明:风机盘管系统热工水力模型能够精确地反映实际的水力工况和热交换过程,理论计算值与实际测试值误差低于6%,为风机盘管系统的有效调控打下了良好基础.

关键词：风机盘管热工水力模型遗传算法参数辨识