引言《中国建筑能耗研究报告2020》显示，我国建筑运行阶段的能耗占全国能源消耗总量的21.7％[1]。中央空调运行能耗在建筑运行能耗中的占比接近60％，空调系统节能是公共建筑节能的重点。目前，中央空调系统管理人员无法对整个建筑的温控器进行有效控制。为了解决办公建筑空调系统在无人时间段对无人办公区域内空调系统的远程控制问题，减少能源消耗，需要按需控制新风量，在保证室内舒适度的前提下降低新风负荷[2]，改进传统的风机盘管控制方式，达到降低耗电量的目的。李凯[3]将占空比概念引入风机盘管电动水阀的控制过程，利用Mandani模糊规则与作用模糊子集推理方法，根据室温偏差与偏差变化量确定水阀的占空比与风机的档位。李炎锋[4]等采用Matlab/Simulink动态仿真模拟软件实现风机盘管空调系统的智能控制，验证了模糊PID控制兼有模糊控制、传统PID控制的优点。王凯[5]等利用低功耗芯片KL36设计了一款可联机运行的温控器，采用模糊算法实现风机盘管的节能控制。徐阳[6]等分析医院中央空调系统节能改造中存在的问题，利用LoRa无线技术实现医院中央空调末端的节能控制，设计一种中央空调温控器控制系统。易艺[7]等采用ATxmega128A1芯片和STM32芯片作为微控制器，将ZigBee技术、传感器检测技术、无线通信技术和控制技术进行有机融合。中央空调系统智能控制器通过检测设定温度与监测温度的偏差对风机或水阀进行调节，达到节能的目的，主要被分为风速、温度一体控制型和分离控制型[8]。提高房间温度设定值可以减少空调房间负荷，实现节能的目的。因此，在房间无人值守时间段内，通过智能调控优化房间温度设定值，具有节能优势。在开发温度控制方法的基础上，基于LoRa无线传输技术，提出温度时段控制方法，并对其节能效果进行模拟及试验研究。1DeST房间负荷模型1.1房间负荷计算的理论模型利用DeST能耗模拟分析软件列出模拟建筑模型的所有节点，在节点根据能量守恒原理建立热平衡方程，确保所有节点的进出能量相同。对所有节点的热平衡方程进行整理计算，表示为矩阵形式，将建筑热过程的求解过程转变为利用矩阵求解以各节点温度为未知量的常微分方程[9]。室内空气的热平衡方程为：cp,aρaVadtadτ=∑i=1hifi(ti-ta)+cpρGout(tout-ta)+∑jcpρGadj(tj-ta)+qcov+qhvac (1)式中：cp,a——室内空气比热容，J/(kg·℃)；ρa——室内空气密度，kg/m3；Va——室内空气容积，m3；ta——室内空气温度，℃；hi——室内表面i与空气的表面传热系数，W/(m2·K)；fi——表面i的面积，m2；ti——表面i的温度，℃；Gout、Gadj——房间与室外、邻室的换气量，m3/h；tout、tj——室外空气温度和邻室j的空气温度，℃；qcov、qhvac——室内空气获得内部产热的对流热和空调热量，W。单一房间所有温度节点方程的组合矩阵：CT=AT+Bu (2)式中：C——每个节点在单位温度变化率下的蓄热能力；T——节点温度；A——各个相邻温度节点之间由于温度差而产生的热流流动关系；B——各热扰与每个温度节点的作用情况；u——作用在各温度节点上的热扰组成的向量。1.2空调房间模型建立本研究实验室位于济南市，属于夏热冬冷的寒冷地区。夏季气温高，最热月的平均气温为25~30 ℃，最高气温达40 ℃，建筑辐射得热较高。空调室外计算干球温度夏季为34.8 ℃[10]，使用DeST-C进行负荷模拟。基于DeST软件实验室房间模型如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.004.F001图1基于DeST软件实验室房间模型模拟房间为R1-712房间，房间面积为40.9 m2，层高3.5 m，窗户采用普通6 mm单层玻璃，地板采用钢筋混凝土楼板，门为内门。设定建筑围护结构参数时，建筑模型外墙采用24砖墙加聚苯板保温，内墙材料采用陶粒混凝土，屋顶采用加气混凝土保温屋面。本次模拟只设置房间与室外的通风，房间内不存在通风。办公人员共4人，工作时间段为8：00~18：00，灯光热扰最大功率18 W，设备热扰最大功率13 W。夏季制冷工况运行时间为2021年6月1日~8月30日，空调启停时间为8：00~18：00。2风机盘管末端试验空调设备依据最不利工况选取，风机盘管系统的送风量为定值，不受空调系统末端冷负荷变化的影响。室内冷负荷仅在部分时刻达到峰值，机组一般处于非满负荷运行状态，导致设备容量浪费，运营能耗增加。采用3种不同的温度控制方式进行试验，对比不同控制方式的特性以及对室温的控制效果。2.1空调系统搭建实验台位于山东建筑大学科技楼001房间，冷热源为空气源热泵机组，型号为LSRFM—10，名义制冷量为30 kW，COPc为2.79；名义制热量为32.5 kW，COPh为3.02。为了保证本次试验顺利进行，空调供水温度降为11 ℃，仅为办公室所在楼层供冷。办公室安装两台风机盘管，风机盘管生产厂家为特灵，结构形式为卧式安装，型号为FWD08。风机盘管性能参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.004.T001表1风机盘管性能参数风机转速风量/(m3/h)制冷量/W输入功率/W高档9805 530.043中档8204 700.532低档4903 483.9272.2控制系统搭建本次试验控制系统主要由温控器、LoRa网关、物联网网关Fbox、交换器、云组态平台组成。温控器与LoRa网关进行无线通信，LoRa网关将接收的数据传输至物联网网关Fbox，数据被传送至云服务器，云组态平台从服务器中获取相关数据，进行监控调节。风机盘管控制系统如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.004.F002图2风机盘管控制系统温控器通过设置LoRa信道与配套的LoRa网关保持一致，LoRa网关可以采集信道一致的温控器的数据，设置本机LoRa无线通信地址，将各个温控器进行区分和控制。LoRa网关和Fbox及交换器实线连接，接通220/24 V电源。Fbox物联网网关无须复杂的本地配置即可实现远程设备管理、数据交互等操作。设备配置连接完成后，通过云组态平台对温控器实现调节、监控。两个风机盘管分别安装LoRa温控器，可以将数据实时传输至云端，实现云端控制和数据记录。设备连接完成后配置物联网网关，设置室内温度、风机输出状态、风机模式、风速设定、风机启停、温度设置、水阀开度等参数，并导入Fbox。本次试验数据的采样方式为周期式采样，周期为60 s。Fbox配置完成后系统进入云组态操作界面，将Fbox中的参数导入云组态平台，进行组态界面设计，设计变量为数据源导入的参数。试验房间装有两台风机盘管，应区分空调1、空调2，通过直接调取变量名，操作界面可以读取并对参数进行输入、修改。云组态控制界面如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.004.F003图3云组态控制界面2.3试验工况选取本次试验需测试3种工况，试验时间8：00~18：00，试验在同一个房间进行，分3 d完成。考虑试验结果受室外参数的影响，进行多组试验，每组试验均选择相邻的3 d，选择室外参数最接近的1组作为本次试验的结果。7月1日至7月3日室外温度变化如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.004.F004图47月1日至7月3日室外温度变化第一种工况的风机盘管全时段运行，空调设定温度为24 ℃，室内温度高于设定温度时，水阀开启，风机处于高档运行状态；室内温度达到设定温度时，风机停止运行，水阀关闭。空调按照第一种工况运行时，风机档位仅在高档和关闭之间切换，无法根据室温自动调整空调工作状态。第二种工况的空调设定温度也为24 ℃，将温控器调至温差控制模式，采用温度控制方法，风机根据室温检测值与设定值的偏差值自动换档。室内温度与设定温度相差0.5 ℃时，风机为低风速；室温与设定温度相差1 ℃时，风机为中风速；室温与设定温度相差1.5 ℃时，风机自动上调至高风速状态。温差控制模式模拟运行结果如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.004.F005图5温差控制模式模拟运行结果第三种工况参考办公室人员流动性，在第二种工况的基础上进行改进，将温控器调整为温差时段控制模式，采用温度时段控制方法，风机盘管运行时间为8：00~18：00，工作时段空调设置温度为24 ℃，12：00~14：00设定温度调整为26 ℃，继续采用上述温差控制模式下的温度控制算法。3试验结果及分析本次试验的数据采样周期为1 min，根据历史数据统计各档运行的时间，计算每种工况的能耗情况。3种工况的室内温度如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.004.F006图63种工况的室内温度由图6可知，风机盘管全时段运行时，8：00启动风机，9：20室内温度达到设定值，风机停止运行；室内温度回升，风机再次运行，依次反复。室内温度始终保持约24 ℃。根据历史数据统计，风机盘管高档模式共运行443 min。风机盘管处于温差控制模式时，设定温度为24 ℃。8：00~8：20房间平均温度高于25.5 ℃，风机处于高档运行状态。而后，室温为25.0~25.5 ℃，风机中档运行，室内温度下降。8：20~9：45，平均室温低于25 ℃，风机处于低档运行状态；约9：45时，室内温度达到24.7 ℃。随着室外温度升高，室内温度逐渐回升至25 ℃，风机盘管低档运行，室温在25 ℃上下浮动。风机盘管在高档、中档、低档模式下分别运行10、315、275 min。风机盘管处于温度时段控制模式下，8：00~12：00的室温变化趋势与温差控制模式整体相同。12：00设定室内温度为26 ℃，室温逐步回升，约13：40时逐渐达到26 ℃，风机盘管开始以低档模式运行，温度控制约26 ℃。14：00设定室内温度为24 ℃，风机盘管开启高档模式并对室内降温，室温达到要求时，风机盘管依次开启中档、低档模式。风机盘管在高、中、低三档的运行时间分别为65、228、257 min。各工况运行时间及能耗如表2所示。DeST负荷模拟结果如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.004.T002表2各工况运行时间及能耗模式运行时间/min总运行时间/min功率/W耗电量/kWh高档运行443443860.635 0温度控制高：10，中：315，低：275600600.597 8温度时段控制高：65，中：228，低：257550610.568 610.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.004.F007图7DeST负荷模拟结果第一种工况的风机采用高档运行，运行时间短但耗电量较高，空调负荷变动范围较大，部分时段的风机位于中档或低档即可满足舒适度需求，方案无法达到节能效果。温度控制模式下，室内空调负荷变化时，通过温度传感变送器将感测到的回风温度与设定温度进行比较，并判定差值，使空调风机按控制要求的转速运行，从而控制空调机组的风量，与第一种工况相比，温度控制模式可以有效地达到恒温且节能的目的。对办公室运用DeST进行负荷模拟计算，与未采取时段控制相比，采取时段控制方式时的全年空调逐时冷负荷明显减少。12：00~14：00为全天负荷量最大的时间段，但该时段对温度需求不高。因此，在掌握人员流动性的基础上，对温度加入时段控制使得耗电量被进一步压缩。4结语传统的中央空调风系统控制方式存在运行能耗高、无法达到室内舒适度需求等问题。利用DeST软件建立空调房间模型并进行能耗模拟，设计高档、温度控制、温度时段控制3种工况，分别记录风机盘管在3种运行工况下的室内温度与运行时间，计算耗电量。风机盘管分别处于高档、温度控制、温度时段控制模式下的耗电量逐步减少，与风机高档运行相比，温度控制模式的耗电量降低5.86%，节能效果显著；加入温度时段控制，耗电量进一步减少4.88%。因此，加入时段控制实现了恒温，降低了空调末端能耗。