翻译评价商业大厦的暖通空调系统能正常运作的策略

1、评价商业大厦的暖通空调系统运作的策略机械工程部，爱荷华大学，爱荷华城，IA52242 ，美国（写于1995年7月25日）摘要在履行建筑围护结构部件和供暖，通风和空调（HVAC）设备的固有限制下，为改善建筑物的能源运作效率，去检查操作策略是必要的。由于易于安装，而且电子控制器的能力逐渐增加，操作策略被编程在控制器中是特别令人感兴趣的，目标是把检查过的各种各样操作策略联系在一起，应用于分别利用恒风量再热和变风量再热暖通空调系统的老式的和新型的商业办公大楼。操作的策略是夜晚净化 (NP), 风扇最适宜的开始和停止 (OSS), 冷凝器水复位（CWR）和冷冻水复位（CHWR）。室内空气质量符合他们的需

2、求，当地公用事业公司的最新适用的节能率被爱荷华所用。结果表明，在一般情况下，对于低储热量的建筑，NP不是一个有效的策略，OSS降低了风机效率，CWR和CHWR可以有效地对于多级卸载的特点的冷却器。全球最具能源效率的操作策略是OSS、 CWR和CHWR关于老形式的建筑物和OSS关于新类型的建筑物之间的组合，经济上地，最有效的策略是OSS对于老形式的建筑物和CHWR对于新类型的建筑物。版权Elsevier Science Ltd 1996。暖通空调操作策略 空气调节 VAV-RH CAV-RH 夜间净化最适宜启动和停止 冷凝器水复位 冷冻水复位命名法R = 热阻 (hr ft F/Btu)T =

3、温度 (F)简称BRAD =建筑回风干球温度CAV-RH = 恒风量再热CHWR =冷冻水复位CRW =冷凝水复位HVAC = 暖通空调IAQ = 室内空气质量NP = 夜间净化OCC =合适的开始和停止 冷凝水复位和冷冻水复位OSS =合适的开始和停止VAV-RH =变风量再热介绍供暖，通风及空气调节设备（暖通空调）系统最重要的目的是提供热舒适性1，然而，消耗电能的带空调系统的建筑，消耗全国总电量的一半2，建筑围护结构部件和暖通设备固有的物理和热力学的性能，为改善建筑物的能源运作效率，便需要检查操作的策略。关于操作策略如何如何作用与建筑性能，可作为专业设计师及业主的一种工具，由于简易的安装和

4、电子控制器的功能增加，操作的策略可被编程为组合系统或预先包装的暖通设备，是特别令人感兴趣。这调查的第一部份是把重心集中在能源消耗和暖通空调系统的成本效率上3.，它是发现该变风量再热（VAV-RH），在旧型的商业办公大楼中，是最节省能源的系统，从老式建筑中的恒风量再热（的CAV - RH ）系统到VAV-RH系统的转变的回报期是4.5年，在那里减少第一年运行成本的42 可以实现的。同时也可以发现，在建筑物中停机的时间是维持最低的变化量，及对于CAV -RH系统，温度（VVP）系统是可选择的，从现有的CAV RH系统换到一个VVT系统，结果第一年34%的底操作费用和这3-4年的投资回收期 4。 节

5、能建筑的运转需要研究操作策略, 它可以统一到大楼的暖通空调系统的设计中去，应用这些策略可能证明是不会是有益的，如果他们应用于现有建筑物中。预先计算机模拟的特殊操作战略，从一个特殊操作策略的和正当的额外投资中实现预期的能源运作效率中是可以提供见解的。在一项实验调查中，在杰克森维尔对高能源需求的14500平方英尺的办公大楼，应用晚间停机（ NP ）的操作策略，结果是在制冷能源消耗没有受到影响下减少了18 的能源消耗 5 。在那项研究中， NP策略的财产的有效价值没有给出。在一项布劳恩的研究中，它显示，除非增加一天的利用率，减少能源消耗成本是无关紧要的在NP策略被应用和建筑再冷到低于舒适水平的温度下

6、的时候。由于有限进行的研究，和能源效率及各式各样操作策略的经济影响相联系的第二部分的调查，也就是NP，在这项研究中不再说明。风机合适的启动和停止（ OSS ）的，水冷凝器复位（CWR） ，以及冷冻水复位（CHWR ）应用于老式的和新型的商业办公大楼。 以提高暖通设备的前景，那操作的策略一定达到动态的特性 ，而且提供操作设备的说明以便实现能源效率7。举例来说，高速的知识运转时间表的超前，假如预先被控制, 结果是通过主要的供应风机能够减少能源消耗，操作策略的执行依靠，并提供控制各样的建筑及设备部件需要有多输入多输出的能力的控制器。直接数字控制器（ DDC的）是在线控制器，它适用于预先编程的策略，不

7、执行最优的控制变量 8 。该预编程序由一组选择和有条件的环路为特殊事件作出正确的响应。这一特点使得直接数字控制系统的控制器操作有实时性。因此，操作策略必须定义将来将发生的事件及分类这些事件是必要的。 对于这项研究，各种操作策略被检查以便他们的适用性和特征能被识别。政策目标是有关检查，应用于老式和更新型的商业办公大楼，分别利用恒风量空调再热和变风量再热暖通空调系统的操作策略。操作策略是夜间停止（ NP ）的，风机最佳启动和停止（ OSS ）的，冷凝器水复位（CWR） ，以及冷冻水复位（ CHWR ）.商业大厦操作策略的能源模拟和寿命周期成本分析，可协助找出优势和劣势，并且成本可以确定。现实模拟建

8、筑物的建摸，需要满足室内空气质量（室内空气品质）的要求 9 ，和有关的有用费用，如电费和煤气费，由地方服务公司。最新的能源利率被爱荷华的公用事业公司用于成本分析。 建设说明建筑类型，和利用附表选定评估操作策略，是基于Ardehali和史密斯的商业建设研究 3 。不过，在这项研究中，一些年老式建筑围护结构的外貌被修改，去符合用与新式建筑设计时所用的能源措施。因此，这两个建筑物类型，称为老式和新型的建筑物。一个老式有三万英尺的有效区域的办公大楼，位于爱荷华的特色的三个楼层， 12英尺的地板到地板的高度;玻璃窗的面积相等于总建筑外部面积的15 ， 热阻为R - 2.04 ，和遮阳系数0.51 ;墙体

9、保温的R - 5以及屋面保温为R - 11 。天花板空间被选为2英尺让能够清除灯具后面凹处的脏杂物，灭火系统，通讯管道和线路，卫生管道，以及必要的暖通空调系统和通风管道。占有型是办公室 ，而无需任何特殊排气或特殊效果的暖通空调要求。没有遮阴设备的建筑围护结构，也没有任何相邻的高大建筑物，将导致白天遮荫。没有屋顶玻璃窗或天窗的建筑物中，建筑物墙壁和屋顶的颜色被假定为黑色的太阳能吸收率为0.9 。建筑质量密度为100磅每立方英尺，这被认为是轻至中等重量建筑建筑物的每地板被区分为五个温热地带，对应于4个外暴露（北，东，南，西）和内部地区，如图所示，在图1，每个周界区域有一个有条件的900平方英尺的区

10、域和每个地板的内部地域有6400平方英尺的渗透区域，地理和气象资料，方向，渗透，以及其他相关的参数，以建筑负荷计算，对所有暖通空调系统模拟是固定的和相同的。 新大楼也有同样的特点，像老式的建设，除了应用（ 1 ）遮阳系数为0.58的R - 2.6的低E型玻璃与和 （ 2 ）墙体保温为R -11和（ 3 ）屋面保温的R - 30 。通风率对于办公室占用不同，标准的是从15至20立方英尺每分钟每人 9 。最低空气流通是20立方英尺每分钟每人。对于两种建筑物类型，在平日入住的时间是从上午七时至下午五时。地板是铺了地毯，室内设计条件是75华氏度的干球温度，和相对湿度为50 。制冷恒温点95华氏度和加热

11、恒温点是60华氏度对于无人居住的平日和周末期间。建筑有足够的核心热领域，以致于其中一个或数个房间可占据空间，然而，为多个占有，中心的系统服务于整个建筑，并且暖通空调系统的花费是适用于个别住户在美元/平方英尺的空调房间的基础上。占用的建筑已被视为典型的办公室使用利用率为100平方英尺 /人， 2.5瓦每平方英尺为标准照明和办公自动化电力系统负荷。 人，灯光，以及室外空气的时间表在图2被显示。时间表为增加对设计参数的利用,举例来说，照明时间表为5 ，描述了在夜间小部分的冷负荷的增加是由于照明。有很多不同的时间表，如人，照明和室外空气，必须加以界定。在时间为晚上十时至早上五时，没有人，灯光或户外空气

12、占有预定的建筑物。暖通空调系统通过NP，OSS，CWR，和CHWR的操作策略的方式改进存在与旧式建筑里的低效率的CAV -RH系统是令人想要的。这也是有兴趣探索各种可能性，以进一步VAV-RH系统能源利用效率，同做在较新的建筑形式中使用的操作策略。利用模拟程序，追踪，进行冷及热负荷计算，能耗模拟和经济分析，研究操作的策略在CAV-RH和VAV-RH的系统上的作用，下列部分是为了提供一个广阔的见解，和每一个模拟暖通空调系统的简要介绍。为每一个系统的主要的分歧也被指出。 读者可参考美国史丹福 1 完整和详细的资料。恒风量系统CAV -RH系统是一个多区系统，并使用中央供应风扇，向再热线圈提供一个恒

13、定量湿度的空气。终端加热线圈由单独的恒温器所控制，为了维持区域气温稳定，进行再加热，显示如图3 。主要供应风扇继续运行，在所有被预定的时间内。因为需求大部份地区降温，而不是加热，在设计冷却温度下的不断的想给所有区吹去。这个系统的建筑负荷计算是在高峰负荷这一基础上的。由用户确定供应空气的温度，空气设计流量的计算是在每一个区最大负荷的基础上。在被使用的时间和当某区域制冷负荷不在最大的时候，需要通过再热线圈来保持温度。在无人居住时，晚上设定的温度是固定的，以及系统的以相同的方式运行。 变风量再热一个变风量-RH系统，如图4所示 ，是一个多区域系统，它供应空气的温度是保持恒定的，和在根据每个区内负荷波

14、动，大量的空气送到每个区是不同的。个别区域自动调温器被终端机暖气卷所控制，让冷气进入这个区域，并维持在设定的温度。静态压力分布建在管道系统中作为终端节气阀，是用来调节变风量供应风扇的进气叶片。如果终端节气阀允许最低量的冷却空气进入区域，以便通风的要求，有些加热炉的方法必须尽量避免过度冷却。再加热可以完成通过在一个线圈放在VAV节气阀（VAV-RH）的下面 。在下一节，讨论用能源效率的措施和方法的操作策略去模拟它们。操作的策略及模拟该NP的操作的策略的设计，是为了减少建设花费，通过开发建筑物的热容量，去除由于白天生产所造成的污染物通过空气传播进入室内而造成的异味，在不使用的时候，维持热舒适性是不

15、需要的了。室外空气进入室内使冷却，从最初建筑内的几个小时的热量来弥补带来的冷负荷。作为一个先决条件，运用这一节能措施，因此，控制器必须有能力监察室外和室内空气的温度,同时控制风量 , 此外，室外空气的时间表必须允许室外空气节气阀的完全开放当使用NP策略的时候。当室外空气达到一个预先确定的温度下，控制器主要使风机运转，把室外空气引大楼内。持续供应凉爽的室外空气，直到室外空气温度下降到指定的温度，例如在高于建筑回流3华氏度以的干球（布拉德）温度，如图5所示 。在模拟程序中，首先，NP时间表被定义（图5A ）而且当做布莱德被追踪（图5B ）节气阀有效的开启时间是决定了的。虽然不被用于这项研究中，但很

16、可能为NP的规范运作推出另一项约束，NP在潮湿气候区相对湿度不得超过规定值，以避免通过干空气进入建筑引入大量潜在负荷。应用NP的气候中，它可能会使建筑降温到远远低于可接受的温度，从而也需要在第二天早晨加热，上面是我们必须鉴定的。因此，一个模拟这个操作战略是必要的，以避免消耗额的加热能源，而提供更多具能源效益的冷却。合适的启动/停止有关OSS操作策略的推出，以实现更高的能源效率，并且减少公用设施的建设费用，通过减少暖通空调系统供应风的运行时间。在概念上，在没有减少热舒适性，延迟启动和提前停机很可能会增加能源的使用效率。建筑物的热储存能力可以减少风机的运作，因此，得益于这一策略，可以预料，更大规模

17、的建筑物有较高的潜力。该控制系统可将有能力去纪录环境条件和设备设置，以供日后使用。记录数据会提供一系列的选择，或是查表，一至于该设备可开始和停止不会造成建筑使用的不适感。以这种方式，OSS的策略，最大限度地减少供应风机运行时间。 在模拟程序中，在风扇合适的启动和停止的应用期间，理想的OSS运行时间表，被指定为通过两个时间窗口的方式来定义，。这个时间表必须在符合先前定义的建筑运行时间表。正常的运行供应风机的时间为是从早上五时至下午6时，如图6 。有关OSS附表控制风机运作，并确定有多少不迟于上午六时风扇可以被开启通过合适的启动窗口（ 2hr），以及如何远早于下午6时，风扇可以停止在合适的停止窗口

18、（ 2hr） 。由于供应风扇，只能被OSS控制器停下来，不能被OSS控制器所开启，主要供应风机运行时间，还必须包括时间窗口指定为OSS操作的时间。在每小时模拟中，供应风扇需要很长时间使布拉德温度上升或下降到估计的设定温度，根据OSS控制器前几天的工作记录，如果这个值大于或等于很多分钟，其余在最佳启动期，风扇开启。如果分钟数少于1小时，风扇开启部分小时，以维持设定温度。因为合适的启动控制器需要估计启动所需要的时间，如果用户定义了更长的合适的开启时间，估计跌幅的精确性会减少。因此，合适的启动窗口时间不要超过3小时是推荐的。为合适的停止，如果布拉德温度不低于供热设定或超越冷却设定，供应风扇停止工作。

19、最佳停止时间窗通常不到一小时，因为在被居住的时候，室内空气品质的最低要求必须得到满足。 在一个类似的方法的NP策略，很可能制约OSS的策略通过布拉德温度和设定温度之间的相互抵消，显示如图6B。实际风机能够正常工作，如图6 C。因为采用OSS的策略，因此能更好的实现能源效率。 在应用OSS的策略下，建筑的类型也必须加以考虑。举例来说，轻的大厦（ 30-70 lb每平方英尺）冷却的比较快，和比较重的建筑物（ 130-200 lb每平方英尺）在开始需要更长的时间内去冷却。因此，较短的和较长时间的冷却期，需要最佳的开始时间。在一天的结束，一轻型建筑加热是很快的，加重的建筑物需要较长的时间去变暖，对于设

20、备的合适的停止，分别导致较短和较长的时间段。冷凝器水复位该CWR的操作策略，提高制冷机的运作效率，因为它通过空调系统降低了系统的总体能源消耗。制冷机能源消耗在是压缩机工作所需要的，在那里制冷气体是从较低压力（蒸发器） 到较高的压力（冷凝器） 。增加冷凝器和蒸发器间冷媒压力不同，导致了增加了压缩机的工作量。因为一个冷却塔的容量是受户外条件下的室外温度所作用的，低的室外温度，需要增加更多的冷却水。冷凝器水温下降，是降低压力差的一种手段，从而减少了压缩机的工作。减少冷凝器进入的水（或冷却塔出水）的温的方法通过增加制冷机工作效率（千瓦/吨）。这一经营战略的先决条件是一个多阶段卸载特征的制冷机，和控制器

21、的监测和调控能力。作为一个约束到CWR的策略，为更好的制冷剂流动，最低压差必须保持在冷凝器和蒸发器这两者之间， 12 。该制冷效率可能减低如果冷却塔温度降低到一定程度，一至于回流到蒸发器制冷剂的被阻碍。此外，冷却器冷却水温度可导致较高的消耗由冷却塔风机产生的风机能源。 在模拟程序，冷却塔的控制被先设置，从而使85华氏度的进入冷凝器的水被生产出来。依靠用户指定类型的制冷机和CWR的范围，和室外湿球温度不断的被监测，为追求新的机会，去停下压缩机。依据冷却形式和运行条件，冷凝器进入水温被下调高达30华氏度（即55华氏度冷却塔进出水）。 冷冻水复位 运作效率的实现通过CHWR策略，是通过增加冷冻水供应

22、的温度，根据预设的计划去冷却盘管。增加蒸发器的（或冷却线圈进气道）温度，导致减少建筑的负荷，造成减少了冷凝器和蒸发器之间的压力差。类似CWR的策略，这种减少压力差的结果是减少压缩机的工作，并实现降低整体系统的能源消耗。在模拟程序中该程序的执行如下面的例子所形容。 一冷冻水系统， 44华氏度和54华氏度的供应水和回流冷却水，分别来考虑。这是不可取的以使用复位范围为8 °能源方式的CHWR操作策略来使该系统的运作更有效率。制冷效率为60 的制冷机意味着供应冷冻水的温度离开蒸发器是Tevap.2.new=Tevap.2.old+ (% cooling load)(reset range)

23、(1) 新的复位温度是在冷冻水流出蒸发器的位置为Tevap.2.new。旧的复位温度是在冷冻水流出蒸发器的位置为Tevap.2.old=44华氏度，然而，evap.2.new =48.8华氏度，最高冷冻水复位值必须由用户所设定。此外，选用何种冷却设施必须保证该部分荷载，通过卸载压缩机是必要的。对于这项研究，最大范围达10华氏度和一个3级离心式制冷机被选定去满足让33和66 的部分负荷运转。还有其他策略可以完成的节能运行任务在部分负荷中，即，变速抽水。由于CHWR和变速抽水策略相冲突，在实际中他们同时应用是避免的。成本因素和系统建设评价暖通空调系统的操作策略和设备成本，运作费用以及其他相关费用因

24、素是联系在一起的。建造大楼的成本没有考虑到，因为它在是这项调查的所有策略中存在的。对于老式建筑和新型建筑的通空调系统的经济评价和生命周期成本分析的的操作与考虑操作策略是相似的。某些金融参数，如系统的安装成本，维修成本，每月建筑物能源消费，公用事业利率结构，利率和通货膨胀率，是要求的。利息和通货膨胀率分别假定为10和3 。按揭生活和生命周期的时限都定为20年。 对于机械暖通空调系统的建造成本和相关的分析，使用美元平方英尺的方法 13 。暖通空调系统的成本包括供暖，通风和冷却设备的费用，以及必要的系统控制和电源线路的成本。每个安装系统总成本和相关的维修费用列在表1 。第一列显示的是模拟系统。在下一

25、栏，每个系统的制冷能力列在表中。”高峰期” ，简称为P在吨以下能力的冷藏，被是用来为系统负载计算，在建筑负荷等于所有区的最大负荷时。如果以设计为期一天的建筑负荷来使用，那么而言，当用的是 “block”，简称B的，用来为特定系统描负荷模型的形式。 来自可得到的有权威的的数据，是以美元/吨的形式为每一个系统给出，因为它们是用来以美元每平方英尺为相应的系统计算。所有系统的基本的维修费用所采取的是0.26美元每平方英尺 。 由于现有存在的旧型大厦的压缩机没有卸载功能，在较老的建筑实施CWR和CHWR策略，需要占额外成本的一个新的安装成本为55000美元的80吨三阶段式制冷机。由于老式的制冷运转用不安

26、全环保的制冷剂需要被更换，更换费用是进一步的多。 结果与讨论 评估操作策略的模拟目的的结果，是分类描述能源的消耗指数（价每平方英尺每年） ，第一年的花费（美元） ，和生命周期费用（美元） 。如前所述，操作策略为老式建筑模拟用CAV - RH和新式建筑的VAV - RH。研究结果发表在图7和8中 。老式建筑的模拟结果（图7 ）显示，OSS是最节省能源的策略，在所有四项战略研究中。但是，如果OSS，CWR，和CHWR （ OCC公司）的战略是同时适用，最少量的能源被消耗了。NP策略不是有用的，如果考察建筑以密度100 lb每立方英尺，不允许通过热储存减少最大冷负荷的需求。对于所有的战略，除了NP如

27、图7显示，首年的营运成本仍然占所有这些CAV RH系统中的百分之三以内。额外的3级离心式制冷机的附加费用需要实施CWR， CHWR ，和OCC战略去完成不可获得的的生命周期的成本，如图7所示。忽略新式制冷机的成本，但是，为CWR应用这些型新的战略的花费是755013美元， 753110美元为CHWR ， 751266美元OCC，这些地方战略处于明显的有利地位。对于较新的大楼，OSS是表现为最有效的策略之一在所有其他的研究中，如图8所示 ，而有利的一面是因为变风量供应风风扇的调制。当CWR的策略使用时，最高能源消耗发生，是由于较高的冷却塔风机运行率。相比所有其他同样和较旧的建设的结果相似，NP的策略，由于缺乏足够的建筑热存储量，导致最