双温冷源独立新风空调系统的建模及仿真研究
发布时间：2020-06-01 21:03
【摘要】：因在保证室内空气品质和热舒适性的同时,又满足建筑节能要求,双温冷源独立新风空调系统(dedicated outdoor air systems,简称DOAS)受到广泛关注。但无论是系统设计形式、新风处理技术还是热回收方式,其研究均有待深入和完善。建模仿真可以根据需要十分方便地改变双温冷源DOAS的结构、设备参数和控制,以较低的成本预测系统性能,为优化系统设计与控制提供决策支持。然而,现有DOAS的建模仿真研究较少系统地介绍其热流物理系统的建模方法,且热流物理系统模型不完善;大多数DOAS仿真研究的重点也不在控制,控制系统模型理想化。另外,传统的建模仿真平台采用命令式编程语言和因果建模方式,模型方程与数值求解方法紧密地交织在一起,存在建模效率低、技术门槛高、缺乏标准化组件接口及模型拓扑结构与实际不一致等问题。为解决现有研究的局限,本课题针对本文设计的新风处理系统及双温冷源DOAS,探索采用基于方程、面向对象的多领域统一建模语言Modelica建立具有标准化接口的DOAS模型库的方法,并按照实际物理系统的拓扑结构建立双温冷源DOAS模型进行实例研究。具体如下:(1)提出了一种变工况适应性强的双表冷器双旁通新风机组FHU-A。设计了喷雾蒸发冷却排风,然后通过板翅式换热器对新风进行预处理的热回收系统。基于不同新风处理方式,设计了三种双温冷源DOAS。根据双温冷源DOAS实际物理系统的拓扑结构,制定了仿真模型的基本架构。(2)介绍了Modelica语言建模的技术路线。系统地研究了各组件的数学模型,并采用Moedelica语言建立了DOAS热流系统对象模型库。其中,一方面建立了比现有模型更快速高效、精度更高的水-空气翅片管换热器(FTHE)湿工况新模型。另一方面,新建了空气-空气板翅式换热器(PFHE)干工况模型。新PFHE模型也可用来模拟其它空气-1空气换热器的传热,只要换热器两侧的结构和几何尺寸一致,传热因子j=c1c2Rem(或者努塞尔数Nu= CRen),且不考虑冷凝。新FTHE和PFHE模型均不需要提供换热器几何数据、传热系数和性能数据文件,只需名义工况数据,就能预测换热器性能。(3)阐述了双温冷源DOAS控制系统对象建模方法。系统地提出接近工程实际的基于气象分区的工况划分方法,各工况对应的新风控制量算法与系统运行模式,以及各子系统设备的本地控制策略及算法。采用Modelica语言建立了双温冷源DOAS的控制系统对象模型库。(4)基于上述DOAS模型库,建立了三个双温冷源DOAS仿真模型。其特点是计算管网压力分布,可测试局部和监督控制算法之间的相互作用;控制系统更接近工程实际;模型拓扑结构与实际物理系统一致。选取典型高湿地区广州市的某办公楼进行实例研究。结果显示:基于本文设计的新风处理系统与双温冷源DOAS及其模型库,按仿真模型架构建立的三个DOAS仿真模型完全可以按预定控制策略和目标运行;系统设计和控制的改进措施改善了控制品质,有效降低了控制系统的复杂性、FHU-A设备造价及各系统能耗。可推广应用的普适性规律:选择高效冷水机组对降低系统能耗十分关键;采用高压泵加雾化喷头的蒸发冷却或加湿方式是十分节能的方案;热回收系统成本回收周期过长,在广州地区不宜采用;高温冷水机组不仅承担了系统的全年大部分冷负荷,还可以承担全年湿负荷,对节能有利;在广州地区,新风处理系统有必要设置双旁通风道,以降低新风处理能耗。研究表明,基于Modelica语言建立的DOAS模型库,可帮助用户在设计阶段快速进行DOAS模型搭建和仿真,创建一个可以灵活地改变系统设计和控制策略的DOAS虚拟实验平台,为预测系统性能,优化系统设计和控制提供决策支持,并为后续更多的研究创新打下基础,具有重要的工程应用价值。
【图文】：
图 2-9 DOAS 仿真模型的基本架构Fig. 2-9 Base configuration of DOAS simulation m房间与末端供冷系统模型，，包括房间模型和末端空气义建筑的位置、围护结构的朝向、围护结构的组成及护结构传热模型和辐射传热模型等，用来计算空调系统模型包括末端风柜（风机盘管）模型、两通调节阀型、喷雾加湿器模型等。其中，末端风柜（风机盘管型和两通调节阀模型等。统模型包括冷水机组模型、水泵模型、冷却塔模型、膨胀水箱模型等。组模型即 FHU-A 模型或 FHU-B 模型，包括第一表冷节阀模型、三通调节阀模型、电动风阀模型和风机模
广州大学博士学位论文除展示 DOAS 建模仿真的上述作用外，本实例还将显示不同的设备选型究竟会造统多大的能耗变化。这实际上也是设计决策的一部分。5.2 建筑概况5.2.1 外形尺寸本办公楼位于广州市（东经 113.27°，北纬 23.13°），建筑外形如图 5-2 所示。它栋 2 层回字形建筑，办公区开放式布局，分为东区、南区、西区和北区。这种回字形区域建筑能用来模拟不同朝向围护结构的传热、不同建筑区域负荷特性，具有代表性常作为一种建筑基准类型来模拟验证系统的设计与控制[102]。建筑层高3m，外围长80 50m；中间天井长 40m，宽 20m，总建筑面积约 6400m2，各窗户尺寸为2000 × 1500筑坐北朝南，东西向外墙的窗墙比为 0.3，南北向外墙的窗墙比为 0.35。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU831.3
【图文】：
图 2-9 DOAS 仿真模型的基本架构Fig. 2-9 Base configuration of DOAS simulation m房间与末端供冷系统模型，，包括房间模型和末端空气义建筑的位置、围护结构的朝向、围护结构的组成及护结构传热模型和辐射传热模型等，用来计算空调系统模型包括末端风柜（风机盘管）模型、两通调节阀型、喷雾加湿器模型等。其中，末端风柜（风机盘管型和两通调节阀模型等。统模型包括冷水机组模型、水泵模型、冷却塔模型、膨胀水箱模型等。组模型即 FHU-A 模型或 FHU-B 模型，包括第一表冷节阀模型、三通调节阀模型、电动风阀模型和风机模
广州大学博士学位论文除展示 DOAS 建模仿真的上述作用外，本实例还将显示不同的设备选型究竟会造统多大的能耗变化。这实际上也是设计决策的一部分。5.2 建筑概况5.2.1 外形尺寸本办公楼位于广州市（东经 113.27°，北纬 23.13°），建筑外形如图 5-2 所示。它栋 2 层回字形建筑，办公区开放式布局，分为东区、南区、西区和北区。这种回字形区域建筑能用来模拟不同朝向围护结构的传热、不同建筑区域负荷特性，具有代表性常作为一种建筑基准类型来模拟验证系统的设计与控制[102]。建筑层高3m，外围长80 50m；中间天井长 40m，宽 20m，总建筑面积约 6400m2，各窗户尺寸为2000 × 1500筑坐北朝南，东西向外墙的窗墙比为 0.3，南北向外墙的窗墙比为 0.35。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU831.3
【参考文献】
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1 徐培t
本文编号：2692060
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