基于实验研究的室内游泳池空调机组能量管理策略研究

《ENERGY AND BUILDINGS》：Investigations of energy management strategies for AHU in indoor swimming pools based on an experimental study

　　

**摘要要点：**

- 利用实验数据对室内游泳池（ISP）的空气和水路系统动态模型进行了全面验证。
- 针对空气回路研究了简单的空场策略。
- 缩短空气更新时长是最有效的策略（节能24%），而单独使用水面覆盖效果较差（节能14%）。
- 策略组合可将能耗需求降低高达27%，表明其累积效应有限。
- 节能效果受到室内空气质量要求（NCl?浓度）的限制。

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**引言**

近几十年来，由于地缘政治和经济原因，许多西方国家的能源价格急剧上涨。这一涨价促使各国重新审视和质疑其消费模式，并重新评估能源管理方式。建筑部门每年在全球范围内消耗数十PWh的能源（约占世界总能耗的40%），仍然是节能减排工作的主要目标[1]。特别是体育设施，具有巨大的节能潜力（约占欧洲能耗的8%[2], [3]）。其中，室内游泳池（ISP）是能耗密集型体育综合体，本文将其作为研究对象。

室内游泳池能耗高的原因在于其规模庞大，尤其是配备的设备众多。与传统住宅或商业建筑不同，ISP包含水路循环系统，配有专用的加热和循环设备，以及大面积水面，后者对室内湿度水平产生重大影响，进而影响通风和除湿需求。这些需求由空气处理机组（AHU）来处理，从而形成了第二个回路，其中空气是主要流体。空气回路和水路回路通过多物理相互作用（包括蒸发、对流以及污染物从水到空气的传输）紧密耦合。换言之，水与空气之间的耦合涉及质量传递（水蒸气和污染物）和能量传递。

过去许多作者已证实，蒸发占泳池水面热损失的60%–90%[4], [5], [6], [7], [8], [9], [10]。蒸发有三个主要效应：(1) 由于蒸发所需潜热导致水温下降；(2) 水量减少，需要补充新鲜水，随后需要重新加热；(3) 室内空气中的水分含量增加。水和其能量平衡动态已在早期工作中得到研究，证实了蒸发在水能量平衡中的主要作用，并以图卢兹的一个案例研究为例[11]。研究还表明，降低水加热能源需求的有效策略是利用太阳能集热板，并在夏季允许适度的水过热，使泳池起到热储存的作用。然而，该研究假设全年空气温度和相对湿度恒定不变。因此，本研究重点关注空气回路，旨在识别节能策略。

通过采用热泵（HP）实现显著节能，最高可达现有ISP的40%和新建筑的45%，热泵可对大厅进行除湿和加热，并可将热量排放到空气中或水中[12]。使用可再生能源或包含超过50%可再生能源的区域供热网络，结合热泵和太阳能集热板，可进一步提高节能效果[12]。尽管有这些技术进步，ISP仍然高度依赖能源，因此有必要探索其他解决方案，如改进设备控制策略。

文献中可以找到从基础到高级的各种策略，适用于一般建筑，综述见[13]。作者将调度方法分为三类：(1) 基础调度，控制HVAC系统的状态（如中断或提前关闭方法）；(2) 传统调度，调整空气温度设定点（如基线、阶梯上升或线性上升策略）；(3) 高级调度，优化空气温度设定点轨迹（如优化的需求限制设定点轨迹）。基础策略仅控制系统的开/关状态，同时在整个运行过程中保持恒定的设定点；而高级策略则根据天气条件等外部因素实时优化设定点，使用更复杂的方法，如预测控制或人工神经网络（ANN）。Yuce等人[3]应用ANN预测罗马一个ISP的能源消耗和热舒适度。训练数据通过校准的MATLAB-Simulink模型生成。ANN成功预测了ISP HVAC系统的能源消耗和热舒适度。训练完成后，ANN可作为基于优化的HVAC控制框架中的代价函数，从而可能带来节能效果，尽管未报告明确的定量节能数据。

这些高级和AI技术的重大局限在于，它们主要局限于研究领域，而非实际的建筑能源管理应用[14]。根据Li和Han的观点，互操作性、数据质量、成本和操作人员的信任是实现高级建筑控制系统实际部署的关键障碍[15]。[16]对超过2400篇出版物进行了系统综述，保留了67项相关研究，结果显示即使传统的供暖控制也常因安装质量、用户交互和操作实践而无法实现预期的节能潜力。尽管该研究聚焦于家用供暖系统，但考虑到ISP可被视为带有复杂加热系统的大型储水罐，这些发现可能同样适用。此外，预测控制等技术在实际自动化系统中的实施并不常见，因为它们计算需求量大，且需要动态模型才能运行，而动态模型通常难以获得，也不能轻松地在不同建筑之间推广。它们对高保真热模型的依赖[17]以及相关的 uncertainty 阻碍了其实际应用[18], [14]。此外，大多数这些方法需要来自多个传感器的大量可靠数据。低分辨率测量和数据缺失是HVAC数据采集中的常见问题。尽管现代建筑配备了大量传感器（温度探头、占用检测器等），通常连接到建筑自动化系统[19]，但单个传感器故障往往足以降低估计的系统状态并在全预测时域内传播误差，使得这些方法相比依赖更少测量点的简单控制策略更加脆弱。基于这些原因，许多研究人员仍然依赖经典的物理和基于规则的控制方法，泳池管理者通常也更偏好这些方法，因为它们更容易在现有自动化系统中实施，并且具有更高的鲁棒性。

例如，基于一项代表密苏里州圣路易斯ISP的案例研究，进行了稳态数值研究[4]。作者评估了几种降低ISP能耗的简单策略，如降低水温、实施水面覆盖、在空场期间降低通风率，甚至使用太阳能加热系统。总体而言，覆盖消除了蒸发，但由于其温度几乎等于水温，因此对对流和辐射热损失的影响可以忽略不计。作者还指出，其案例研究中使用的通风率高于控制湿度水平所需的通风率，因此建议降低空场期间的总体风量。然而，当时并未考虑室内空气质量问题。Ribeiro等人[7]提出了一种基于露点（Tdp）和湿球温度（Twb）标准的湿度和温度控制方法。他们提出了一种优化的HVAC控制方法，适用于大多数ISP，实现了显著的节能效果。他们评估了占场期间关键环境参数的变化如何影响能源性能和成本。模拟结果显示，设施中最大的年节能效果约为46吨油当量，是在夜间相对湿度为80%的情况下实现的，同时保持了白天的舒适度。在[20]中，波兰某ISP的短期现场测量表明，AHU在没有热回收的情况下运行，且通风率恒定过高，导致能源浪费。作者声称简单策略可以带来显著节能。这些策略包括基于使用情况的AHU调度（如根据泳池占用情况调整通风率），或调整室外空气比例（冬季比例更低），同时保持舒适的相对湿度。对于室外游泳池（OSP），实施节能措施（如使用泳池覆盖或降低水温设定点）可直接带来节能效果[4]。相比之下，评估ISP的热损失和热得更为复杂，节能策略在一定程度上受到水和空气质量要求的限制。在ISP中，泳池水面的显热损失（如对流和辐射）有助于房间加热，减少供暖需求，而房间向泳池的热损失则减少了泳池的加热需求。

本研究的目标是调查空气回路管理策略的能源优化潜力，这些策略简单易于在真实泳池AHU空场期间的控制中实施。空场时段被认为是具有显著节能潜力的，因为它们占运行总时长的三分之一到二分之一，在此期间由于没有人员在场，可以忽略舒适度要求。

可以观察到，大多数专门研究ISP设备控制的研究要么是数值模拟[7], [11], [21]，要么是纯实验研究[22]。少数研究同时考虑两方面并在真实本地环境中解决泳池系统问题。Delgado Marín & Garcia-Cascales[5]是一个显著的例子，但仅在水回路方面进行了能量视角的验证。在本研究中，模型利用两次测量活动（冬季和夏季）对空气回路和水回路均进行了令人满意的实验验证，这为这一主题带来了首个原创性贡献。此外，本研究基于多物理空气-水相互作用方法提出了空气回路的控制策略，特别是能量和污染物传输的耦合，这在文献中往往被忽略。文献中识别了三种主管道调度控制策略[4], [20]，将分别在空场期间进行单独研究，然后组合实施。这些策略包括使用水面覆盖、缩短空气更新时长以及同时降低温度和湿度设定点。组合应用的研究在文献中很少探索：因此，这也是一个原创性贡献。

关于ISP能源和空气质量管理的文献主要分裂为两个不相连的分支。CFD驱动的研究（如[23], [24]）为NCl?扩散和热舒适度提供了高空间分辨率，但未能量化系统级别的能源权衡。相反，系统级动态模拟研究（如[4], [5], [7], [25]）评估节能策略时未考虑实际上限制其可实现潜力的室内空气质量约束。缺乏将这两个视角在真实运行设施中联系起来的研究。本研究是弥合这一差距的初步简化尝试：它使用NCl?动态的充分混合表示，证明基于通风策略的理论节能潜力不仅受技术限制，还受空气质量限制——这种耦合在能源建模文献中很少被明确表述，甚至以近似形式也是如此。对该权衡更详细的CFD评估将是本工作的自然延伸。此外，本研究揭示了单独有效的策略（水面覆盖和延长空气更新）作用于同一潜在可回收的潜热储库，为组合时缺乏累积效益提供了机理解释，而非经验观察。

值得注意的是，即使是NCl?的CFD研究也很少将浓度预测直接与测量的NCl?数据对比，因为此类测量的费用和复杂性较高。例如，Proulx & Hallé利用CO?示踪气体动态进行验证，而非直接验证NCl?本身。质量平衡方法仍是一种已知且务实的替代方案：Ahmadpour & Debia[26]使用的充分混合箱模型与本研究中应用的可比，Lee及其合著者[27]为NCl?和CO?开发了动态质量平衡模型，用于一个真实设施，表明CO?可能成为NCl?行为的实用代理指标。本研究有实验测量支持，但未报告定量验证指标。相比之下，比较仅限于对模拟和测量动态之间相似性的定性评估，并指出了一些偏差。

本研究采用类似的简化表示方法，足以确立能量与空气质量之间存在权衡关系及其大致量级。最终目标不是实现严格的验证，而是通过与实验测量的量级进行比较，建立一个具有代表性的、经过校准的模型，旨在制定简单且稳健的节能策略。本文其余部分结构如下：首先描述案例研究，随后介绍建模方法，包括物理现象，然后是数值模型的校准与验证。接下来，先分别分析控制策略，再分析其组合应用，最后以讨论和结论作为论文收尾。

案例概述

由于ISP设施具有相当大的异质性和复杂性，明确定义其类型并识别代表性案例十分困难。因此，本文决定采用真实案例进行研究。此处使用的数据集来源于现场勘查、对设施能源经理的访谈以及竣工文档。

所研究的ISP是法国图卢兹ISAE-SUPAERO（一家研究与高等教育机构）的半奥运标准游泳池。AHU的运行

AHU（空气处理机组）可根据一天中的不同时段或室外条件实现多种运行配置。以下各节首先描述AHU的不同运行模式。然后分析两次实验活动期间监测到的数值，并据此绘制时序图（见图4、图5和图6）。后者展示了不同运行模式在实际中的运行顺序，以及其对进风口和出风口空气温度和含湿量的影响。

建模

本章通过讨论池水和室内空气的能量平衡，阐明ISP中水与空气之间的耦合关系，随后简要讨论蒸发建模。接下来讨论室内空气质量，对二氧化碳和三氯胺浓度及其通过空气更新进行去除的过程进行建模。有关物理现象（尤其是蒸发）的更多说明可参见[11]。对采用不同管理策略的节能潜力研究将

夏季和冬季实验活动

为开展测量活动，选择了两个不同的时段：夏季（29天）和冬季（32天）。然后将这些测量结果与模型模拟结果进行比较。遗憾的是，由于对实际系统的访问受限且记录的测量数据数量有限，无法进行严格的验证。例如，部分能源计量器仅用于评估总能耗需求，因此无法区分各分项的能耗需求。

夏季模型校准

图9比较了夏季期间获取的测量值与经TRNSYS模型模拟得到的结果。在进行任何校准之前，模拟结果与测量值之间存在显著偏差（?13%）。为理解这种偏差，分析图10所示的监测含湿量值非常有益，该图仅为清晰起见展示了10天的数据。可以看出，在使用期间，室内含湿量会出现急剧下降。这些

冬季模型校准与验证

冬季期间的测量值与模拟结果对比见图12。基线TRNSYS模型配置能够以可接受的精度（?9%）重现总能耗，但在四个分项能耗类别上仍存在明显差异。热水加热能耗被低估（?16%），而去湿能耗则被高估（+25%）。因此，正如夏季实验活动一样，还需要进行另一次校准。管理策略分析

先前的测量表明，冬季能耗几乎相当于夏季的三倍。因此，本文重点研究寒冷季节期间的能源管理优化。针对夏季期间唯一的建议是：即使在炎热天气也不应开窗，因为通过窗户排出的水蒸气会造成潜热损失，而这些损失无法被回收。

图14展示了在三个月模拟周期内空气回路和水回路中的热损失。单独的能源管理策略

图15展示了泳池无人时使用遮盖物的效果。结果表明，闲置期间水表面遮盖频率越高，热水加热能耗越低，从而整体能耗需求也越低。这种减少主要归因于蒸发的减少，当使用遮盖物时蒸发量可忽略不计。总热需求的最大减少幅度（?14%）对应于每天使用遮盖物的情况。这说明了相关性的意义。组合能源管理策略

表5中列出的各项策略表明，可以实现显著的节能效果。下一步是评估组合应用这些策略的相关性和有效性。关于水表面遮盖，显然在闲置期间100%遮盖（测试1(c)，表5）可获得最佳效果。对于通风策略，选择测试2(c)（见表5），原因如前所述，尤其是为了确保室内空气质量达到最低水平。讨论

模拟结果表明，各项策略单独实施时均能带来显著收益。然而，当组合应用时，收益有限，特别是当夜间空气再循环策略与热泵的作用结合使用时。热泵是关键设备，能够回收蒸发过程中损失的能量。夜间温度下调可以带来进一步的改进。然而，这会导致使用期开始阶段峰值功率需求增加。结论

本文研究了易于实施的能源管理策略对ISP节能潜力的影响。这些策略首先被单独评估，随后进行组合评估，并依赖于在真实ISP上得到充分验证的动态模型。具体而言，温度和相对湿度的实验测量数据被用于定义AHU的运行周期。此外，这些数据还使检测夏季期间开窗情况成为可能，并实现了

CRediT作者贡献声明

Younes Benakcha：写作—审阅与编辑，写作—初稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，调查研究，形式分析，数据整理，概念构思。Matthieu Labat：写作—审阅与编辑，可视化，监督，软件，项目管理，方法论，资金获取，形式分析，数据整理，概念构思。Ion Hazyuk：写作—审阅与编辑，可视化，监督，项目管理，方法论，资金获取

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

我们衷心感谢ISAE团队的热烈欢迎和富有成效的合作。我们特别感谢运营经理Arnaud Senat在现场访问期间的可及性，他对我们的所有问题都迅速做出回复，并提供了技术文档。我们还感谢能源监测官员Pauline Bénard-Lironcourt分享从建筑能源管理系统收集的能耗数据以及各种

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