变风量空调系统简介

变风量空调系统简介（精选9篇）

变风量空调系统简介 第1篇

变风量系统于20世纪60年代在美国诞生, 凭借其节能、舒适等特点, 在日、美等国已经得到了广泛应用。随着国内各种商务建筑和办公大楼智能化程度的提高, 相应地也对空调系统的舒适性、安全性和节能提出了更高的要求, 变风量空调系统正逐渐被人们所接受并得到应用。

1 变风量系统的基本概念

变风量空调系统是一种通过改变送入各房间的风量来适应房间负荷变化的全空气系统。具体来讲, 变风量系统是通过变风量末端装置调节送入房间的风量, 并相应地调节空调机 (AHU) 的风量来适应该系统的风量需求。系统可根据空调负荷的变化及室内要求参数自动调节空调送风量 (达到极限送风量时调节送风温度) , 以满足室内人员的舒适性要求或其他工艺要求。

变风量系统由变风量空调机组和变风量末端两部分组成。图1是一个变风量空调系统的示意图。

1.1 变风量装置

变风量空调系统的运行依靠称为VAVBOX的设备来根据室内要求提供能量以控制其送风量。同时向DDC控制器传送自己的工作状况, 经DDC分析计算后, 发出控制风机变频器信号。根据系统要求的风量来改变风机的转速, 从而节约送风动力。

1.2 DDC控制器

DDC控制器的主要功能是根据系统中各变风量装置的动作状态、风量或风管的静压值 (设定点) , 分析计算系统的最佳控制量, 指示变频器动作。

1.3 变频风机 (空调机)

变风量空调系统通常采用在送风机的电机前加装变频器的方法, 根据DDC控制器的控制指令改变送风机的转速, 以满足空调系统的需求风量。

2 变风量系统的特点

(1) 节能。

由于变风量系统的末端装置可以随着被空调房间实际需要的负荷变化而改变送风量, 因而绝大部分时间是在非饱和负荷下运行。由于部分负荷运转时可大量减少送风动力, 从而使风机的能耗降低。变风量系统的冷却能力及风量比定风量的风机盘管系统减少10 %～20 %, 可明显降低运行电耗, 并可降低空调机组的总装机容量, 从而使设备规格减小, 初投资和运行费用都可以减少。

(2) 舒适。

由于变风量空调系统的末端装置送风散流器的诱导比高, 可根据负荷的变化或个人的舒适度要求自动调节工作环境, 避免在局部区域产生过冷或过热现象, 由此可减少制冷或供热负荷15 %～30 %。同时由于风量的减小是通过降低风机转速来实现的, 因而可使系统噪声大幅度降低。

(3) 环保。

变风量系统属于全空气系统, 它具有全空气系统的一些优点, 可以利用新风作冷源消除室内负荷, 冷水管路不进入建筑吊顶空间, 因而免除了盘管凝水滴漏和滋生细菌霉变等问题。

(4) 灵活性。

变风量空调系统的灵活性相对较好, 可广泛应用于民用建筑、工业厂房及特殊的建筑设施, 并且易于改扩建, 尤其适用于格局多变的建筑。

3 变风量系统的自动控制方法

3.1 房间温度控制

房间温度控制是通过变风量末端装置对风量的控制来实现的, 这是变风量系统的基本控制环节, 任何一种末端装置都有这类的控制部件。末端装置的控制可分为3类:随压力变化的 (又称压力相关型) 、限制风量的、不随压力变化的 (又称压力无关型) 。其中用的最多的是随压力变化的末端装置, 其控制部件实际上是安装在末端装置箱体内的一个风量调节阀, 它接受室内温度调节器的指令, 通过不断地改变其开度来调节送风量。

3.2 最小新风量控制

变风量系统送入房间的新风量, 会随着总的送风量的变化而成比例地变化。为了补充房间排风的需要, 新风量不可无限制地减少, 这就出现了对最小新风量的控制要求。为了解决这一问题, 自动控制系统中必须增设一套在送风量减少的同时, 按一定比例逐步开大新风阀和排风阀、关小回风阀的控制装置。当新风量达到最小值时, 应固定新风阀门而调节回风量 (改变新风比) , 以满足部分负荷时的需要。对于一些内外区连通的空间场合, 由于内外区的空气可以自由流通, 则可适当降低变风量比, 减少一次风的冷热抵消量, 以达到节能效果。

3.3 定静压控制

所谓定静压控制是在送风系统管网的适当位置 (通常是风管的2/3处) 设置静压传感器, 在保持该点静压值一定的前提下, 通过调节风机的受电频率来改变空调系统的送风量。由于采用定静压, 当所有的末端风量都低于额定风量时, 再维持系统中的设定静压值则不利于风机的节能。定静压控制的变风量系统其空调器的风机调节与末端装置的控制无直接联系, 故该系统控制方法比较简单, 运行可靠。

3.4 变静压控制

变静压控制法是在定静压控制运行的基础上, 阶段性地改变静压设定值, 在适应流量要求的同时, 尽量使静压保持在允许的最低值, 以节省风机能耗。

采用变静压控制法的系统, 在总风管中需设置静压传感器, 在变风量末端装置中设置阀门开度传感器, 通过变风量末端装置的开启度来调节一次风空调器内风机的变频器。

(1) 变风量末端装置的风阀全部处于中间状态, 若系统静压过高, 则调节并降低风机转速。

(2) 变风量末端装置的风阀全部处于全开状态, 且风量传感器检测的实际变风量末端空气流量等于温控器设定值, 说明系统静压适合。

(3) 变风量末端装置的风阀全部处于全开状态, 且风量传感器检测的实际风量低于温控器设定值, 表明系统静压偏低, 则调节并提高风机转速。

这种控制方法的优点是, 可以使变风量空调的节能效果得以充分体现, 其节能效果比定静压控制法要好, 而且控制精度高、效果好。

3.5 总风量控制

总风量控制方式的变风量系统, 是根据系统各末端风量之和与系统当前总风量相匹配的原理设计而成的。相对于静压控制方式, 总风量控制方式可避免使用压力检测装置, 而是在末端采用风机代替风阀的方式, 根据末端实时的风量需求, 采用数字信号传输及先进的控制软件实施对风机的控制, 在控制性能上具有快速、稳定、简单的特点。

4 结语

变风量空调系统设计分析论文 第2篇

关键词：变风量；空调系统；设计

现代社会科技发展迅速，空调系统的技术也已很先进，现代空调系统的主要控制手段和控制措施也已发展成为变风量空调系统。在变风量空调系统的设计过程中，主要基于节能的基础，利用先进的技术进行分析、管理，并进行完善、改进。变风量空调系统具有节能、舒适等特点，已被用户广泛接受，在很多国家和地区流行发展开来。

1变风量空调系统设计的结构模式

1.1分析空调系统所处环境

变风量空调系统是一个复杂的系统，是基于专业知识技术上的一种先进的科学技术产物。因此在变风量空调系统的设计过程中，要认真分析空调系统所处的具体环境，结合考虑实际情况的影响因素，利用先进的技术手段进行分析、控制和管理。

1.2控制模式

变风量空调系统作为一种先进的空调系统，仍然具有一般空调系统必备的结构模式，如空气处理机（即空调箱）、消音器、送回风机等。变风量空调系统将其先进的科学技术应用于空调系统的设计模式和处理过程。当前比较常见的变风量空调系统的数字化控制过程和组成模式是利用无关性单风道来进行的。在这个技术出现之前，变风量空调系统大多采用变温度变静压方式来控制，这种控制技术存在多种技能缺陷，因此逐渐被先进的控制模式取代。

1.3送风系统

变风量空调系统的送风系统一般设置有三级消音，即空调箱带消音段、送风总管设消音器、变风量箱出口设消音静压箱。送风口散流器一般采用条缝散流器和方形散流器。为了保证房间内的压力正常，减小回风管内压力的变化，回风口一般采用吊顶回风，条形或格栅式风口。

2环境对变风量空调系统设计的影响

任何事物都是与周围环境相互影响的，变风量空调系统的设计也必须综合考虑建筑物的实际情况以及周围环境的影响因素。这样才能将空调系统的设计与所处的环境结合起来，真正实现空调系统适用、实用的效果。同时在设计的过程中还要坚持节能的原则，充分利用各种有利的环境因素。在当前社会，变风量空调系统已经成为建筑物的一个基本组成部分，因此空调系统的设计不能只考虑空调本身的运行，还要根据所依托的建筑物进行可行性分析。我国的相关政策和规范也对变风量空调系统在环境保护方面做出了相关规定，要求变风量空调系统的设计必须满足建筑物所处环境的长期、变化的情况。在气候、温度变化较大的地区，或者其他工艺性变风量空调设计比较特殊的项目，变风量空调系统在设计时要做细致深入的工况分析，以确保空调系统能够正常运行。具体来说，在变风量空调系统的设计过程中，应严格参考以下几方面的因素：①在进行设计前，要实际考察建筑物的位置，及周围建筑物及其供热、供水尤其是空调系统的具体情况，并结合当地的气候、地形等客观因素，同时还要考虑到风力、日照等自然因素，综合分析这些因素，才能做好变风量空调系统的设计，如供热入口的设计，入口及大门的朝向设计等；②设计时还要认真了解建筑物的使用性质、类型，估算出使用空调的人员数量、使用时间等，如居民建筑夜晚及节假日使用较多，而写字楼等建筑则工作日白天使用较多。综合分析这些因素，才能设计出空调系统的负荷，确保使用无碍；③设计时还要考虑建筑物的楼层及高度，对于高层建筑，在设计时还要遵守国家规定的高层建筑防火规范。

3变风量空调系统设计需解决的难题

3.1新风量控制难题

变风量调系统设计面临的最大的难题之一就是对新风量的控制。由于空调系统在使用过程中，不同使用区域对新风量的需求量也不相同。新风量还是一个变化的数值，有时空调系统的总风量能够达到要求，但是分配到各个区域的却不一定能满足其需求。当前变风量空调系统在设计新风量的控制时主要有两种方式：①设置二氧化碳探测器，根据二氧化碳的浓度变化确定新风量；②设置VAV（或CAV）box，定时输送一定的新风量。

3.2空气净化难题

现在的空调一般都有空气过滤的功能，变风量空调系统自然也不例外。但是一些小型的空调主要采用尼龙锦凸网来过滤空气，很难起到空气净化的效果，有时甚至会造成二次污染。变风量空调系统是一种全空气运行系统，并且采用了初、中效两级过滤甚至三级过滤，能够有效净化空气。但是设定一个合适的过滤效率是空调系统设计的一个难题，还需研究解决。

3.3在推广使用中遇到的问题

变风量空调系统虽然具有众多优点，但是由于配件很多需要进口，价格昂贵，使用户较难接受。例如，变风量末端装置（VAVbox）、直接数字式控制器（DDC）、变频器等主要配件目前全部需要进口，经济压力较大。因此必须加强变风量空调系统的科技研发，配件国产化是推进变风量空调系统普及的关键。同时变风量空调系统的从业人员素质也亟需提高，以在施工、调试、管理方面实现有序、高效。总而言之，技术问题是最大的难题，国家和相关单位应加大投入，推进变风量空调系统的研发和普及。

4结束语

随着科技的发展，人们对生活得舒适度要求也越来越高，同时环保节能的意识也在加强，因此变风量空调系统有其出现和使用的必然性。但是变风量空调系统的设计还有很多问题亟待解决，希望国家和相关工作人员能够积极探索，吸收国外的先进经验，利用科学的设计方法和设计模式，完善和提高变风量空调系统的设计。

参考文献：

变风量空调系统简介 第3篇

【摘要】变风量空调系统通过调节送风量来控制空调区域温度的一种比较先进的空调系统。由于特殊的硬件设备结构，其控制方式与传统的以调节送风温度的空调系统有所区别。本文着重分析了变风量空调存在的控制问题，并进行了空调系统的特点分析，论证了在变风量控制系统中引入智能方法的必要性，并简要介绍了常见的空调智能控制方法。

【关键词】变风量；空调系统；智能控制；神经网络

空调系统是建筑重要组成部分，其能耗占整个建筑能耗的60%-70%，由于空调系统具有大滞后、大惯性、非线性特性，所以常规控制方法，有一定的局限性，使系统供给的能量与负载所需能量不匹配，能量供求不平衡，浪费大量电能。变风量空调的出现很大程度上解决了能源节约问题。

变风量空调系统是通过改变送风量，而不是改变送风温度来调节和控制某一空调区域温度的一种空调系统[1]。随着科学技术的不断发展，空调技术也不断进行设备改进。传统的空调系统是通过调节送风温度来进行控制区域温度的，因此，传统的空调控制器需要安装在房间里。而变风量控制则采用专用的变风量末端设备进行送风量的控制。这样设计的目的是可以避免冷热抵消，降低能量消耗。另一方面，由于空调风量可以根据制冷或者制热负荷进行一个合理设置，根据负荷变化而调节风量，从这一角度讲可以提高风机的节能运行状态。相比较传统的通过调节送风温度调节室温的方法，其风量是固定不变的，无论负荷如何变化，其风量始终是处于一个较高负荷状态下，因此，大量的实际工程运行数据表明，变风量与传统的定风量系统相比可以大大降低能耗。

1.变风量空调系统的控制及存在问题

空调装置设备的容量一般是通过计算设计负荷确定的，设定之后不再变化。实际上，在不同季节或者不同时段，空调系统并不需要经常处于设计负荷状态。如果可以根据实际的运行情况调节负荷状态是可以进行节能的。空调自动控制的任务是在最大限度节能和安全生产的条件下，自动调节各种装置的实际输出量与实际负荷，使它们相适应，以满足生产工艺和人们在工作和生活中对空气参数（温度、湿度、压力以及清新度等）的要求[2]。因此，变风量空调系统并不是一种全新的问题调节方式，只是在空调设备上进行改造，使传统的定风量改造为根据实际情况变化的变风量。由于进行温度控制的空调系统本身具有较大的大滞后、非线性、湿度和温度耦合的复杂特性，基于变风量空调系统的自动控制方法很少有成功的应用。

由于变风量空调系统有别于传统的定风量控制系统，无论是执行机构还是控制方法都有所区别[3]。为了最大限度地节约能源，变风量空调控制系统通过采集监测房间的实际温度，判断实际温度与设定值之间的偏差，不断调节变风量末端箱的风阀开度，从而改变送风量的大小，最终使得房间温度被控制在理想的设定值附近。可以在冷风风道设置电动调节风门，根据温度偏差进行冷风风门开度的调节。当室内温度偏高使，通过检测信号判断应该加大冷风风门开度，加大送入房间的冷风量，使室内温度下降到预先设定好的理想温度。为了保证室内空气质量，还需要对新风进行控制。这一控制可以通过在新风管道上设置送风温度传感器，通过检测送风温度和室外温度，从而决定混风阀门的开度大小。如果房间温度较高，则可以减少混风阀门开度，从而保证房间的新风温度被控制在一定范围内[4]。另一方面，风机的启停控制也可以提高空调系统的节能效果。设置临时或者永久设定是最简单的方法。实际上，可以根据不同的假期或者不同季节，设置合适的风机启停时间表。

可以看出，变风量空调系统具有很多优点，但控制系统的设计很复杂。变风量空调系统的控制方法大部分仍采用传统的PID控制。如果房间处于比较恒定的环境之下，房间温度控制系统特性变化不大，这种情况下PID的控制可以取得较好的效果。但实际上房间环境不可能恒定不变，例如春夏秋冬四季对空调的风量要求不尽相同，变风量空调系统是一个大滞后、高度非线性、多变量耦合的复杂过程，采用传统的PID控制方法很难获得较好的温度控制。在空调控制过程中，经常会出现各种随机干扰，而PID算法对干扰较为敏感，容易产生积分饱和。如果自动控制器中的控制参数设置不当，有可能使系统产生震荡，影响系统的稳定性，控制器使整个温度控制过程产生更多的过程噪声。例如积分项、比例项参数设置不当会使得控制系统产生较大波动。

2、在变风量空调系统引入智能控制策略

随着在技术上日益成熟，特别是计算机工业的发展，使先进的控制方法引入到空调控制系统成为可能及趋势。传统的自动控制系统的理论得到极大发展，具有自适应能力，并走向智能控制的方向。将智能技术引入到空调控制系统中不仅推动了空调自动控制系统的发展和完善，而且可以进行智能技术的应用研究。由于空调控制系统很难用精确的数学模型进行描述，采用传统的控制技术很难获得较好的控制。而空调智能控制系统擅长处理具有变化环境、复杂控制目标的过程控制，并具有一定的智能行为，能够有效处理复杂过程的非线性映射。具体说，空调智能控制系统对于设定的温度，温度控制器具有一定的智能行为，能够找到合适的风量。温度与风量之间的关系不能用数学的方法精确的加以描述，因此，空调智能控制系统实际上是一种不依赖于模型的自适应估计。智能技术相比较于传统的经典控制理论，智能控制技术更擅长处理复杂环境下的非线性映射问题，智能控制是针对系统的复杂性、非线性、不确定性而提出来的。

将智能控制技术引入到变风量空调系统中，首先要保证系统的稳定运行。才能对系统中的温湿度、风系统和水系统的流量、压力等按照一定的控制策略进行控制。首先要满足系统负荷，实现空调系统健康、节能的运行。由于智能空调控制系统设计理念是使空调系统的负荷随变化的外界环境与室内温度变化而变化，这种设计方式可以使空调系统工作在最佳工况下运行，设定的温度环境同时也使得空调负荷的变化而变化，进而实现节能控制。另外，空调系统具有多变量耦合关系，一旦温度的设定点发生变化，空调系统的变量之间会由于相互影响而增加系统的控制难度，因此，变风量空调系统具有较高的自动化控制要求，这也促进了智能控制技术需要被引入到变风量空调系统的控制中来，对变风量空调系统进行优化控制和管理，寻找最佳的运行模式，以便能够更好的满足人们对空调系统的要求，这在实际变风量空调系统设计中具有十分重要的现实意义。

在空调智能控制系统中引入的较为成熟的智能技术为模糊控制、专家推理系统、人工神经网络、遗传算法等方法。模糊控制是借鉴操作员的成功控制经验，并规则化，从而实现空调的模糊控制，这一方法不需要建立精确的数学模型，并具有较强的鲁棒性，控制院里符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑[6]；而基于神经网络的空调控制器，其控制问题本质上是一类模式识别问题[5]。另外一个思路是采用启发式全局寻优的群优化算法，实现对整个系统的能耗寻优以获得较好的节能效果。另外，针对变风量空调系统下位机设定点变动时，整个系统完全达到稳态时间过长，且各子系统易出现超调的问题，可以考虑采用迭代学习控制（ILC）的设定值序列优化方法，利用迭代学习期望轨迹改善空调子系统的动态特性。如果适当的提高冷冻水出口温度，降低冷却水的出口温度，并采用智能调节方法对多台制冷机和水泵的启动顺序合理调配，采用BP网络预测最小预热（冷）期和最长提前停机时间，对制冷压缩机进行最优启停控制。为了提高人体热舒适度、节约能源，研究基于热舒适度的节能型空调控制算法。以热舒适度算法为系统核心，通过算法得到PMV值，根据PMV值给出了自适应调节的控制，实现系统需要的自适应热舒适度的目标要求，调整算法参数以达到最佳效果。也有人提出采用回归正交试验的方法，得出空调系统耗电与其主要影响因素参数之间的函数关系，可以通过优化计算出最佳的空调系统运行参数。

3.结论

本文介绍了变风量空调概念，并分析了变风量自动控制系统存在的问题，通过分析变风量空调系统的特点，论证了在空调控制系统中引入智能技术的必要性，简要介绍了常见的空调智能控制理论。

参考文献

[1]朱进桃.变风量空调系统的节能运行.暖通空调，2014，5（44）：97-103

[2]廖丽红.变风量空调系统设计中若干问题的探讨.暖通空调，2014，44（8）：18-24.

[3]李俊民.变风量VAV控制方法探讨.现代建筑电气，2013，S1：303-307

[4]张红娣.变风量空调系统的几种控制方法科技创新导报，2008，08：126-126

[5]王茹，陶泽炎.基于模糊前馈解耦的变风量空调控制方法研究，计算机测量与控制2015，23（2）：450-454.

变风量空调总风量控制系统探究 第4篇

随着智能建筑技术的发展, 变风量空调系统已经成为智能建筑系统中的重要组成部分, 由于使用量的增大, 空调系统的设计更加复杂, 这也导致空调系统在整个建筑的能耗比重越来越大, 伴随能耗问题受到各国的普遍重视, 使空调系统也成为全球的问题。

二、变风量空调总风量控制系统

虽然空调的使用量不断增加, 但其日常运行中的实际负荷基本是部分负荷, 根据相关资料统计, 空调设备97%的时间运行在70%的负荷以下, 所以实际负荷不会达到设计容量。因此, 对上述现象进行必要的设备管理控制, 使其实际的输出负荷与实际的输出相匹配, 改变变风量空调系统的高能耗状态是十分必要的。如何保证各控制参数在最佳的工作状态, 保证空调节能, 运行效率最高, 很大程度取决于空调系统的控制策略, 而现在大多数空调采用传统的控制策略, 控制思想落后, 耗能大, 不能满足现代社会的发展需求。空调控制对象较为特殊, 动态惯性大, 并带有纯滞后时间, 传统的控制方式控制效率低、耗能大, 不能根据环境和系统参数的变化进行适时的调整。我国是一个能源紧缺的国家, 特别是电能已不能满足当前社会发展的需求。改变目前变风量空调低效、高耗能状态, 合理设计一个控制策略非常重要, 具有巨大的商业价值。

总风量控制方法在控制性能上与传统的压力控制无关, 简化了控制系统, 让其具有稳定性好、速度快等特点, 不但提高了控制系统的可靠性, 也使得控制系统的调试工作变得相对容易, 减少了后期的维护。总风量的控制方式与传统的定压控制方法不同, 这种控制方式是根据系统各个末端的风量之和与系统当前总风量相匹配的原理设计而成的, 与传统的定压控制方法相比具有更简单的结构, 在总风量控制的末端采用风机代替风阀的控制方式, 按照实时风量的需求对风机实现控制, 其控制过程运用了数字信号传输和先进的控制软件, 不需要在变压控制时的末端阀位信号, 较容易实现控制系统的解耦。目前, 我国对VAV末端设备及总风量的控制系统研究已经成熟, 以其低廉的价格、简单的系统、稳定的运行、调试和服务方便等特点在国内取得了实力, 该系统正逐渐被人们所认识和接受, 拥有广阔的发展前景。

三、变风量空调机组控制及末端控制

空调系统通过变频驱动器来改变风机的转速控制系统的送风量。如果室内的负荷增大, 则加大变风量箱内的风阀开度, 降低其主风管的静压, 控制器要维持恒定的静压会使风机的转速加以提升, 如果室内的负荷减少, 则减少变风量箱的开度, 使系统静压的上升, 控制器则会降低风机的转速, 来保持静压的恒定。热水阀和冷水阀由送风温度控制。如果送风温度低于加热设定值时, 控制器将打开热水阀, 并根据温度的偏移量调节比例阀的开度。当送风温度高于制冷设定值时, 控制器将打开冷水阀, 并自动调节阀门的开度。

当房间的相对湿度低于设定下限值时, 控制器将会启动加湿阀并自动调节到适当位置, 使得湿度保持在设定值。如果相对湿度高与设定上限, 控制器将会开启冷水阀进行除湿, 并根据需要开启热水阀, 保证送风温度的要求。经济循环模式控制能自动检测室外空气的温度值, 根据外界空气温度值决定是否采用全新风的工作方式, 以达到节能目的。由房间温度传感器测量室内温度并与设定值比较。当房间温度低于供热设定值时, 热水阀将打开;如果温度高于供冷设定值则关闭热水阀, 并根据温度的偏差和送风量的大小自动调节风阀的开度, 使房间温度保持恒定。

上述变风量空调系统运作的过程为:混合空调室内的回风与室外的新风, 混合后的空气经由集中式空调机组的处理后, 通过送风管到送到各个区域。控制器依据反馈回来的室内负荷, 使用变频驱动器改变风机的转速来改变末端装置的风阀开度, 调节室内的送风量;如果室内需要加热, 可再次打开热水阀, 在提高送风温度后, 再通过改其末端的风阀开度调节送风量。在空调送风房间的送风量改变时, 送风管道的的总静压会发生变化, 总管压力的传感器检测到风道静压改变后, 通过自动控制系统调节风机转速来保证整体静压的恒定。冷水盘管的三通阀是用来保持整体冷水的流量使空调系统的送风温度保持不变, 送风机和回风机同时控制送入房间的新风量和房间室内的正压。个空调系统的每个测量点都可以和计算机通讯, 通过传感器转换信号反馈到计算机, 通过实时监测、分析和调控并可以优化控制参数, 得出最佳的控制方案。

四、结论

变风量空调系统简介 第5篇

变频变风量空调系统是目前较先进的全空气空调系统,其工作原理是:空调系统根据房间负荷的变化以及室内参数的改变,通过调节变频器的频率,从而改变风机转速,自动调节送风量(当达到最小送风量时适当调节送风温度),以满足室内人员的舒适性要求或其他工艺要求。要实现变频器对送风量有效、合理、高效的调节,必须建立自动控制系统对送风量实现闭环控制,准确地根据空调舒适性参数的反馈,调节变频器的动作,控制室内参数。

在变频变风量空调系统中,送风参数是稳定的,由其他控制设备控制。送风量是变化的,被控对象为空调房间,执行机构是变频器、电动机和风机。控制过程为:设置在室内的温度传感器检测到室内的实际温度,将其与设定温度值相比较,当检测到的实际温度值与设定温度值出现差值时,求出其温差和温差变化率并传输给控制器,控制器经过计算给出风机的转速值并通过执行器调节风机的转速,改变送风量,从而达到调节房间温度的目的[1]。

房间温度控制系统是一个复杂的热力系统,房间负荷随着室内人数、室外温度、湿度等参数的变化而变化,是一个典型的强耦合、参数时变的非线性系统,精确数学模型的建立非常困难,而采用经典的或现代的控制理论,又难以取得满意的控制效果。

本文采用模糊技术和神经网络技术分别构造了模糊控制器和神经网络控制器,并经仿真实验,将二者与传统的PID控制器进行了比较,分析总结了各自的控制性能。

1 空调房间数学模型的建立

1.1 空调房间数学模型的推导过程

空调房间的示意图如图1所示。

Gs送入房间的风量;Ts送风温度;Tn室内温度;m室内空气质量;T0室外环境温度;Th回风温度;Gh回风风量。

空调房间内的各项参数受室外温度、太阳辐射、室内设备、照明、人员的散热量以及开关门次数等因素的影响,整个房间是一个复杂的热力系统,想用精确的数学模型来描述并得出准确的系统参数几乎不可能。因此,在建立数学模型前先作如下简化:把整个房间看成一个单容对象,忽略房间内部各物体的蓄热量;忽略房间内部气体的流动;假设房间内部温度分布均匀。

根据能量守恒定律得到房间模型的数学表达式为:

undefined

式中:MC空气的热容量系数,kJ/℃;ρs送风密度,kg/m3;cs送风比热容,kJ/(kg℃);Gs送风量,m3/s;ts送风温度,℃;qn室内照明、设备和人员的散热量,kW;tn、tn′、t0分别为该空调房间、相邻房间室内的温度、室外环境温度,℃;R1、R2、R3、R4分别为外墙、窗户、屋面、内墙的传热热阻,K/kW;undefined、undefined、undefined、undefined分别为室外空气通过外墙、窗户、屋顶、相邻房间传入的热量,kW。

利用自动控制原理中非线性方程的线性化方法中的增量方程法,在额定工作点建立得到其增量方程:

undefined

式中:T1房间的时间常数,s;Δtn室内温度的变化量,℃;K1房间调节系统的放大系数,℃/(m3/s);ΔGs送风量的变化量,m3/s;K2房间扰动系统的放大系数,℃/kW;Δqf室内外干扰量的变化换算成室内热量的变化,kW。

undefined

其中:Gs0室内外干扰量变化的送风量,m3/s;tno室内外干扰量变化的室内温度,℃;Δqn室内照明、设备和人员散热量的变化量,kW;Δt0室外环境温度的变化量,℃;Δtn′相邻房间室内温度的变化量,℃。

将式(2)进行拉普拉斯变换得:

T1SΔtn(S)+Δtn(S)=K1ΔGs(S)+K2Δqf(S) (3)

式中:S一个复变量。

由于送风量以及外界环境、室内散热量对室温的影响均有个纯滞后过程,因此,考虑纯滞后时间,可得送风量与室温变化之间的传递函数为:

undefined

同样,干扰因素与室温变化之间的传递函数为:

undefined

1.2 空调房间特性参数的确定

当以定风量方式送风时,送风温度ts是变化的,而送风量Gs是恒定的,其空调房间的微分方程为:

undefined

式中:T1′、K1′、K2′ 同T1、K1、K2的意义与单位。

undefined

考虑纯滞后τ1(s),可得送风温度与室温之间的传递函数为:

undefined

同样,干扰因素与室温之间的传递函数为:

undefined

变风量送风方式下稳定状态时的各参数是按设计风量来计算的,因此,定风量方式下的Gs应该等于变风量送风方式下的Gs0,比较以上各式可知:

undefined

由以上得到的定风量与变风量两种送风方式下特性参数的关系可知,要求变风量送风方式下的特性参数,只需求出定风量送风方式下的特性参数即可。定风量送风方式下空调房间的特性参数估算公式如表1所示。

注:a、b、h、N分别为空调房间的长、宽、高和换气次数。

1.3 建立空调房间的仿真模型

根据所建立的空调房间的数学方程式,从Simulink库中调用Constant,Sine Wave,Scope,Transfer Fcn,Product,Gain,Sum等模块组成图2所示的空调房间仿真模型。

2 三种控制器的设计

2.1 模糊控制器的设计

模糊控制器是按照人的实际操作经验通过模糊算法模仿人的操作策略,实现以机器代替人的生产过程的自动控制设备。其实质上反映的是输入语言变量和输出语言变量以及语言规则的模糊定量关系和算法结构。然而在实际控制中检测得到的测量值和控制量都是精确量,这就要求将精确量进行模糊化,通过控制规则后得到的控制量是模糊子集,还需将其反模糊化。所以设计一个模糊控制器主要需完成以下3个任务:精确量的模糊化,模糊推理,反模糊化。

本文采用二维模糊控制器,其输入量为温度测量值与温度设定值的温差以及温差变化率,输出量为变频器调频比的变化值[3]。采用模糊关系矩阵法来设计二维模糊控制器。

2.2 神经网络控制器的设计

神经网络是模仿人脑神经系统,以一种简单计算处理单元(神经元)为节点,采用某种网络拓扑结构构成的活动网络,能从微观结构和性能上对人脑抽象、简化,反映人脑信息处理、学习、联想、模式分类、记忆等若干功能。神经网络在控制领域中的应用主要有两种:一是用于系统建模,二是用于构造控制器。

本文构造的神经网络控制器是一个3层的BP网。BP网络可以实现从输入空间到输出空间的非线性映射,是全局逼近网络,算法简单,且应用较成熟[4]。

具体的结构和算法是:第1层2个神经元,传递函数采用logsig;第2层20个神经元,传递函数采用logsig;第3层1个神经元,采用purelin为传递函数;采用改进的BP算法trainlm对网络进行训练。

2.3 PID控制器的设计

PID控制器的建模比较简单,在软件Matlab中的仿真工具箱中有现成的模型,只需从Simulink Extras子库中调用即可。但PID控制器各参数的确定比较困难,需要建立好控制系统后经过反复的仿真实验才能确定。通过仿真实验,最后确定PID的3个时间常数分别为:比例常数Tp=0.1s,积分时间常数Ts=0.25s,微分时间常数Td=0.06s。

3 组建仿真系统图并分析仿真结果

3.1 组建房间温度控制系统的仿真图

从Simulink的Sources,Sinks,mathes,Signals和Systems等模块库中调用模块,构成如图3～5所示的控制系统仿真图。

3.2 仿真结果分析

通过改变PID控制器的3个时间常数对PID控制系统进行仿真实验,仿真时间为1000s,得到图6所示的4条仿真曲线。表2为与4条曲线相对应的PID控制器的参数。

从图6可看出,当外界温度按正弦规律变化时,曲线①以26℃为中心上下波动,误差在±0.8℃之间,为了消除超调量将Tp调节到原来的1/20,得到曲线②,其与曲线①几乎重合,这说明控制器的性能并没有得到很大的改善,减小Tp并不能完全消除超调量。为了消除制曲线的波动,增大Td到原来的20倍或者增大积分时间Ts分别得到曲线③和④,曲线③和④可以看作曲线①向下移动了一段距离,波动幅度并没有减少。从以上可以看出,即使PID的3个参数选择适当,当系统处在波动状态时,也很难将稳态误差控制在较小的范围内。

对图3中的仿真系统进行仿真,仿真时间为1000s,得到图7中的曲线,其中曲线①、②、③为量化因子ke分别为14、12.98、10时的控制曲线,从图中可以看出,ke的值越小,稳态误差越小,但动态性能较差,不稳定。ke的值越大,系统的动态性能越好,但稳态误差较大。曲线②所反应的控制器的性能比较好,能兼顾控制器的稳定性和准确性。在调节模糊控制器各参数的过程中得到一些经验,总结如下:kec对控制器控制性能的影响与ke相同,比例因子kkf对控制器性能的影响与ke相反,隶属函数的跨度范围越小,控制器的动态性能越不稳定,而稳态误差越小。

为了更好地比较3个控制器的控制性能,本文在将PID、模糊控制器的参数确定后,将图3、图4和图5三个仿真系统的仿真曲线放在同一个图形中,得到的仿真结果比较图如图8所示。图中曲线①是PID控制曲线;曲线②是模糊控制器控制曲线;曲线③是模糊神经网络控制器控制曲线。

从图8可以看出,当温度在28～36℃之间按正弦规律变化时,PID控制的上升时间为405s,此后控制曲线在25.2～26.8℃之间波动,而模糊控制和模糊神经网络控制的上升时间为315s和310s,当仿真时间为360s时,模糊控制器和神经网络控制器均能稳定在26℃。从以上可以看出,PID控制虽然也能满足要求(空调要求室内温度在25～27℃之间),但控制的快速性、准确性、和稳定性均不如模糊控制器和模糊神经网络控制器,因此它的控制性能最差。曲线②、③几乎重合,在Matlab环境下将图放大后比较曲线②和曲线③可知:当外界环境温度变化频繁时,模糊控制器和模糊神经网络控制器均能使室内温度迅速稳定在设定温度26℃,超调量较小。模糊神经网络控制器较模糊控制器的静态性能好,稳态误差不到0.05℃,动态性能不如模糊控制器,有轻微的震荡,而模糊控制器较稳定。

4 结论

1)针对空调房间温度惯性大的特点,采用传统的PID控制器,其控制结果动态误差较大,约为±0.8℃;系统受到扰动后,调节时间长;若系统频繁受到扰动,系统长时间处在波动状态,很难实现稳定在一个小的误差。

2)从模糊控制的响应曲线可以看出,其动态性能很好,当系统受到扰动时,可以很快地将输出调整到给定值,且稳定性较好,稳态误差较小,准确性较高;但模糊控制由于对人经验的依赖性较大,所以在建立模糊控制器的模型时,应明确系统或对象的特性,并经过反复的调试,以达到理想的效果。由于它的鲁棒性较好,在对全空气空调系统进行变频变风量设计时可以采用这种方法。

3)模糊神经网络控制器(FNNC)是建立在一定数量的实验样本数据上的一种隐式模型,若实验数据能充分反映系统的特性,那么隐式模型有效。从仿真实验的特性曲线可以看出,这种控制器的动态性能和稳态性能都非常好,所以在全空气空调系统的室内温度控制中可以选择这种控制器。但由于这种控制器需要一定量的样本数据,且模型的准确性与样本的数据有关,即样本数据越充分,模型越真实,控制性能越好,所以FNNC模型在实际应用中存在着速度匹配的问题,特别是FNNC的在线应用,应选择高速计算机来实现。

4)采用单回路结构的简单调节系统是因为房间门等条件的干扰较小,因此对室温的扰动较小,但若房间门等条件的扰动增大时,尽管采用智能控制也无法实现控制系统的稳定工作,建议控制系统采用串级结构的复杂调节系统,控制器采用以上两种智能方法。

5)空调末端采用变频风机,在送风时将风门或风阀完全打开,避免了多余能量的消耗,能实现真正意义上的节能。在实际的控制中,房间温度传感器的个数以及其安放位置应该慎重选择,一般应选择2～3个传感器,将它们安放在房间的不同位置,温度的测量值取它们的平均值,这样可以避免温度测量不能反映真实值而引起控制器误动作。

6)所设计的两种智能控制器可以用于单个较小房间的控制,也可用于大区域房间的控制。对于大区域房间进行控制时,应将大面积的房间进行分区,特性相近的区域采用相同的控制器,特性不同的区域设计不同的控制器。

摘要：分析了全空气定风量空调系统空调房间的特性,推导出变风量送风方式下空调房间的数学模型,构造PID控制器、模糊控制器和神经网络控制器三种控制器,并利用Matlab软件中的Simulink工具箱对三种控制器的性能进行比较。

关键词：变频空调,模糊控制,神经网络控制,空调仿真

参考文献

[1]张子慧,黄翔,张景春.制冷空调自动控制[M].北京:科学出版社,1997.

[2]施俊良.室温自动调节原理和应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1983.

[3]田亮,刘鑫屏.中央空调房间温度模糊控制器的设计[J].自动化与仪器仪表,2002,(4):40-42.

浅析变风量中央空调系统 第6篇

关键词：变风量中央空调系统,发展前景

一、引言

随着技术的发展和生活水平的进步, 中央空调的使用日益广泛, 但是在能源损耗却相当的大, 例如, 美、日、英、法等国在空调方面的能耗约占国家总能耗的三分之一, 瑞典甚至高达50%左右, 在我国空调系统能耗占我国建筑总能耗的70%左右。因此变风量空调系统以其高的节能率将会受到越来越多地商家和用户的亲睐。

二、变风量中央空调系统的国内外研究和发展现状

变风量 (Variable Air Volume) 空调系统于20世纪60年代起源于美国。在其发展初期, 因支管风量平衡的需要和控制设备的局限, 大多要求采用高速送风系统, 主要送风速度在13.5m/s以上, 并且推荐采用静压复得法设计风管系统。我国在70年代即有人研究VAV系统的开发和应用, 并在地下厂房、纺织厂、体育馆等建筑中就采用过VAV系统。在80年代末期我国出现的首批智能化建筑中, 也曾采用过VAV系统, 但由于建设过程和使用过程中的种种问题, 有些工程两三年后使用单位便取消了变风量系统的运行方式, 相应的自控设备也拆除了, 这使得变风量系统的优点没有发挥出来, 变风量系统附加的投资难以得到回报。这不仅给业主带来了巨大的经济损失, 大量的能源浪费, 而且给空调设计同行们带来了巨大的不利影响, 导致很长时间内VAV系统在我国几乎没有应用和进行研究。因此近几十年来, 一直未能在我国普遍、广泛推广该系统。VAV系统肯定是未来应用的主流空调系统, 没有人愿意将它让给外国的设计者去设计。实际上, 对变风量系统的设计, 设计人员还是有依据可循, 难点在该系统的控制问题上, 这也是该系统在完工后不能按设计计划运行的关键原因。因此, 对变风量空调系统控制问题的研究将直接关乎其在我国的发展前景。

三、变风量中央空调系统的原理

变风量空调系统是利用改变室内的送风量来实现对室内温度调节的全空气空调系统, 它的送风状态保持不变。变风量空调系统有单风道、双风道、风机动力箱式和诱导器式四种形式。变风量空调系统节能效果显著, 全年运行时可节约能耗30%~50%。

四、变风量中央空调系统的特点

1、变风量中央空调系统的优点:

a、能实现局部区域 (房间) 的灵活控制, 可根据负荷的变化或个人的舒适要求自动调节自己的工作环境;不再需要加热方式或双风道方式就能适应多种室内舒适要求或工艺设计要求;完全消除再加热方式或双风道方式的冷热混合损失。

b、能够将各个空调房间的送入能量进行自动调节, 并且能够在考虑同时使用系数的前提下, 可是空调器的总装机容量减少20%-40%左右点。

c、室内无过热过冷现象, 由此可减少空调负荷20%-40%左右。提高智能化程度。提高楼宇智能化程度, 提高区域舒适化程度。

d、当该空调系统在部分负荷运转时, 送风动力将会大大减少, 通过理论模拟方法进行计算, 当该空调系统全年平均负荷率为70%时, 变风量空调系统 (变静压法控制) 可节约风机动力85%。

e、可应用于民用建筑、工业厂房等各类相应的场合。可适应于采用全热交换器的热回收空调系统及全新风空调系统。

f、不会产生冷凝水, 因为它是全空气系统, 可以避免产生冷凝水造成的滴漏污染吊顶和霉菌问题。

g、新风作冷源, 因为变风量空调系统是全空气系统, 在过渡季可大量彩新风作为天然冷源, 相对于风机盘管系统, 能大幅度减少制冷机的能耗, 而且可改善室内空气质量。

h、系统噪声低, 不存在现场噪声。办公区可达到较低的噪音水平。

i、减少综合性初期投资, 而且维修量小, 寿命长。全年保持恒温。系统结构简单, 维修工作量小, 使用寿命长。提供更为洁净的空气, 符合世界高级建筑IAQ标准。

2、与定风量中央空调系统相比, 具有如下优点:

a、具有良好的舒适性及自平衡特性, 维护非常方便, 运行费用低等。系统的灵活性较好, 易于改、扩建, 尤其适用于格局多变的建筑。

b、与定风量系统相比, 运行经济, 用改变房间送风量的方法, 补偿房间负荷的变化, 避免了因再热造成的冷热抵消。另外。风机功率能接近建筑物空调负荷的实际需要, 节省了能耗。同时在过渡季节也可以尽量利用室外新风冷量。

c、与定风量系统相比, 各个房间的室内温度也可以个别调节。每个房间的风量调节直接受装在室内的恒温器控制。

d、与定风量系统相比, 系统的灵活性很高, 易于改建、扩建。特别适用于用途多变的建筑物, 例如办公室和实验室等。当室内参数改变或重新隔断时。无需作重大变动, 甚至只需重调室内恒温器的设定值即可。

e、与定风量系统相比, 风量平衡方便。节省了风量平衡中浩繁的测定和调整的工作量。

f、有与定风量相同的舒适感, 由于成功地开发了多种送风方式, 当在小风量下运行时。仍能保持良好的风速与温度的综合效果, 不会产生“吹风”感。但当风量过低而影响气流分布时。则只能以末端再热来代替进一步降低风量。

g、与定风量系统相比, 具有一般低速集中空调系统的优点;例如可以进行较好的空气过滤、消声等, 并有利于集中管理。

3、变风量中央空调系统的缺点:

a、变风量空调系统的控制系统相对较为复杂, 如果控制系统设计不合理, 不能很好的起到节能效果。很难达到理想状态。这也是制约该空调系统发展的最重要的原因。

b、系统的初投资较大。

c、该系统易产生噪声问题, 因此噪声控制也是设计的难题。

五、变风量中央空调系统的适用场合

变风量空调系统适合多房间且负荷有一定变化的建筑。对于全年负荷变化较小的建筑物采用变风量空调系统的意义并不大。

六、变风量中央空调系统的国内发展前景展望

综上所述, 变风量空调系统是一种节能、舒适和安全的空调系统, 大力发展变风量空调系统符合我国可持续发展的战略。发展变风量空调技术, 提高变风量空调系统的应用性, 将会对我国的能源节约起到至关重要的作用。随着能源问题的突出, 可以预见, 变风量空调系统将会成为我国乃至世界各国竞相发展的主流方向。

参考文献

[1]钱以明:《高层建筑空调与节能》, 同济大学出版社, 1994年。

集中空调变风量系统的控制方法 第7篇

1 空调变风量系统的概念

所谓空调变风量系统就是通过调节通入各房间的风量而改变房间荷载的一种空气调节系统。具体说来, 空调变风量系统能够利用末端调节来保持室内温度, 又能通过可调频的风机维持系统的正常运行。空调变风量系统能够让室内空气保持动态流动, 提高了室内空气质量, 使室内空气更加新鲜, 也使风能的利用率得到有效提高。集中空调变风量系统是一种新型有效的空气调节系统。

根据变风量系统的运行特点, 要求通过有效的自动控制去调节系统, 只有这样, 才能确保空调系统的温度适宜, 室内空气质量良好, 气流稳定与压力平衡。变风量控制的内容有以下几个方面:送风机、通风机和新风量等。所以, 要求空调变风量系统与控制系统的协调一致。

2 集中空调的形式简介

2.1 冷却介质蒸发系统。冷却介质蒸发系统是可以变化的, 比如VRV系统。冷却介质蒸发系统的种类繁多, 拆装简便, 同时也存在一些弊端, 比如价格昂贵, 容易发生氟利昂泄露事件等, 这些弊端会让人望而却步。

2.2 室外机的水热泵。室外机的水热泵提供冷水和热水, 可以保证多台室内机正常运行。室外机的水热泵系统的水管口径较小, 占地面积小且活动灵活, 其节能效果非常好。

2.3 室外机的空气热泵。室外机的空气热泵能够将冷风和热风输送到各个房间, 使用者不用担心有漏水的情况发生。

3 集中空调变风量系统的优势

集中空调变风量系统作为一种新型的空调系统具有很多其他空调系统无法比拟的优势。这些优势成为人们选购空调时的关键指标, 也为集中空调变风量系统的发展起到推波助澜的有利作用。

3.1 高度的舒适感。集中空调变风量系统系统能够让每个人根据自己的喜好调节温度, 保证各个小区域的居民的个性控制。用户可以随时根据个人的需求调节温度, 获取到最舒适的感觉。

3.2 较低的噪音量。由于空调机组的运行速度较低, 集中空调变风量系统能够将房间内的噪音降到最低。这就大大提高了人们在使用空调时的舒适度, 低音量的机器运转对人们的工作、学习、休息都不会带来干扰。

3.3 节省大量能源。集中空调变风量系统通过通风量的改变调节温度, 使得气量的分配更加均衡, 使风机的能耗降低, 节约电费。这种低耗能的优点也是人们在选择空调产品时所关注的重要方面。

3.4 灵活性非常强。通风管大部分都是管径较小的软管, 这种形式的管体占地面积小, 易于移动, 这就使通风位置的选择更灵活, 同时, 通风管的数量也不受局限。用户可以根据需求安装多个通风管, 以提供更优质的服务。

3.5 没有冷凝水。集中空调变风量系统的冷却介质位于屋顶, 从而对水管的走向没有限制, 没有冷冻水和冷凝水的困扰。这方面的优势对北方的用户尤为关键, 在冬季使用空调时提供了很多便利。

3.6 感温能力灵敏。集中空调变风量系统能够及时控制温度, 如果有局部过冷或过热的现象发生都能及时有效的调节到人体感到舒适的温度。集中空调变风量系统的感温系统非常灵敏, 能够实时提供温度情况的数据, 并利用这些数据进行调节, 保证室内温度的适宜。

4 集中空调变风量系统的控制方式

4.1 末端装置控制方式。变风量系统的关键是末端装置对风量的控制, 包括以下几种控制方式:压力变化、压力不变化和调节风量。可以概括成两个方面, 一方面是对于压力的控制, 另一方面是对于风量的控制。

(1) 压力控制。压力控制是一种常见的末端装置控制方法。在风量调节阀的位置装有温度传感器, 传感器将温度传给调节阀从而改变风量。与此同时, 在进风口和出风口的位置也安装有传感器, 这种传感器不同于温度传感器, 而是用于感应压力, 通过压力传感器获取的数据能够对风量起到调节作用。 (2) 风量控制。风量控制是一种新型的末端控制方法。是利用调节风机的转速来改变通风量的一种方法。风量控制的优点有以下几个方面:快捷、稳定、系统简单、操作简便、养护简单。

4.2 变风且空气处理装置。 (1) 定静压控制法。定静压控制法就是在通风管上安装静压传感器, 利用传输的静压力来调节风机的速度, 进而维持静压力值不变。在安装静压传感器的时候存在不同的处理方法, 可以将静压传感器放在距离出口管的位置, 也可以将静压传感器放在距离出口管的三分之二处。在数量上选择安装一个静压传感器即可, 如果需要安装多个静压传感器, 就要充分权衡各个传感器之间的关系, 从而选择最佳的安装方案。 (2) 变静压控制法。变静压控制这种方法的工作原理是综合运用风阀开度传感器、风量传感器和室内温度控制器获取的数据传送给风机, 调节风机的速度而调节风量。变静压控制法有以下三种:一是中间状态———系统静压过高———调节并降低风机转速;二是实际风量等于温控器设定值———系统静压适合;三是实际风量低于温控器设定值———系统静压偏低———调节并提高风机转速。 (3) 直接数字控制法。这种控制方法是利用计算机的循环原理来控制调节阀和风机。其控制步骤如下:一是计算机每个末端风的需求量;二是计算机各个风管的受力大小;三是选取最近的环路计算其最小静压状态下的送风机扬程;四是计算送风机的转速;五是控制送风机的转速。 (4) 风机总风量控制法。风机总风量控制方法所利用的原理是在系统受到的阻力系数减小时通风量与风机速度成正比。风机总风量控制法的优点包括:回馈速度快;系统机构简单;减少了风阀装置。同时, 也有缺点:大大增加了系统的阻力, 同时各个末端的联系紧密使结构变得更加复杂。

综上所述, 集中空调变风量系统控制作为一种新型技术, 受到技术手段与工作原理发展水平的限制还存在很多缺陷, 与此同时, 集中空调变风量系统的发展前景也非常可观。在实际当中, 要根据实际情况进行设计和安装, 才能使空调变风量系统的作用充发挥出来, 从而让人们享用到更加舒适节能的空调。

摘要：集中空调变风量系统是一种新兴的空调系统, 已经得到了广大居民的普遍欢迎。在本次研究中首先阐述了空调变风量系统的概念, 然后对集中空调的形式进行了介绍, 剖析了集中空调变风量系统的优势, 并详细说明了集中空调变风量系统的控制方法, 是一次较为系统的研究。对于该系统的研发人员和使用者来说都具有参考价值。相信随着技术手段和方法的不断发展, 集中空调变风量系统将给人们营造出更舒适的环境。

关键词：集中空调,变风量系统,自动控制

参考文献

[1]陈俭, 代汝平.变风量系统控制方法简介[J].智能建筑与城市信息, 2003 (9) .

[2]李向东, 王慧, 牟灵泉.户式中央空调变风量系统设计探讨[J].工程设计, 2001 (4) .

变风量空调系统多参数测量方法 第8篇

变风量空调系统是利用改变送入空调区域的送风量来适应区域内负荷变化的一种空调系统。它不仅能提供良好的舒适性, 而且有显著的节能效果, 因此获得了广泛的应用。变风量空调系统是靠变风量末端来实现的, 而控制变风量末端设备的依据是室内空调参数, 合理准确地测量室内参数是实现控制的基本保证。因此要成功实现变风量空调系统风口结构的优化设计, 及时、准确的测控环境温度是关键。

随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展, 各种先进技术都应用于VAV系统中, 对温湿度检测技术的要求也愈来愈高。传统对变风量空调实验室变风量末端装置的研究依据是采用传统的分立式温度传感器热电偶作为传感器的测温系统, 测量时存在零点补偿问题, 且外围电路复杂, 体积较大, 其转换数据不易用计算机处理, 而通常传统模拟湿度传感器不仅要设计信号调理电路, 还要经过复杂的校准和标定过程, 其测量精度难以保证。本系统采用集散测控系统设计方案, 即由MCS 51系列单片机、28只温度传感器DS18B20和3个SHT11构成下位温湿度采集系统, 单片机负责数据的采集和上传。28只DS18B20组成矩形测温网络, 3只SHT11构成湿度测量部分。为了节约资源, SHT11既测量湿度, 也测量温度。上位机利用软件实现温度的实时测控、数据存储、数据处理等功能。

由于SHT11的数据传输方式是两线制的, 多点测温时占用微处理器的口线多, 所以采用单总线制的DS18B20智能温度传感器测量多点温度, 而湿度的测量可以采用SHT11, 用它既可测量湿度, 也可以测量温度, 从而节约资源。

1 多点测量系统工作原理

整个系统包括28个DS18B20传感器, 3个SHT11温湿度传感器, 1个AT89C52单片机, 由它们共同完成数据采集功能;RS 232总线和PC机构成了数据接收、显示、分析及处理单元, 系统结构图如图1。

AT89C52单片机控制28个单总线温度传感器DS18B20和3个两线制温湿度传感器SHT11, 向总线上的传感器发命令, 分别控制温度测量和湿度测量;通过RS 232接口将数据传送到计算机中, 利用软件对数据进行存储、显示和处理。

2 硬件结构

2.1 温湿度传感器

2.1.1 温度传感器的确定

系统采用美国Dallas公司生产的单总线数字式智能温度传感器DS18B20, 测温范围在-55～+125 ℃;转换精度为9～12位进制数, 可编程确定转换的位数;测温分辨率:9位精度为0.5 ℃, 12位精度为0.062 5 ℃;转换时间:9位精度为93.75 ms, 10位精度为187.5 ms, 12位精度为750 ms;内部有温度上、下限告警设置[1]。此外, 还具有独特的单总线 (地址线﹑数据线﹑控制线合为一条信号线) 接口方式, 仅需要一根口线就可以与微处理器双向通信, 而且允许在一根总线上挂接多个DS18B20, 很方便地组成多点温度检测系统。每个DS18B20都有一个全球惟一的64位二进制ROM代码标志着器件的ID号, 在多路测温时就是通过匹配每个芯片的ROM代码来搜索该路温度的[2]。由于总线上所有的器件都通过一条信号线传输信息, 这样整个系统就要严格地按该器件单总线协议规定的时序进行工作。DS18B20的操作主要有以下几个步骤:初始化;搜索DS18B20;匹配DS18B20;发送温度转换指令;读取温度值[3]。

2.1.2 湿度传感器[4]

SHT11采用Sensirio公司专利的CMOSen技术, 该传感器将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、二线制串行接口全部集成在同一个芯片内[5]。体积仅与大火柴头相近, 使传感器具有品质卓越, 响应超快, 抗干扰能力强, 性价比极高等优点。SHT11传感器默认的分辨率分别为14位 (温度) 、12位 (湿度) , 也可以降至12位、8位。湿度测量范围是0～100%RH, 对于12位的分辨率为0.03%RH, 测温范围为-40～+123.8 ℃;对于14位的分辨率为0.01 ℃。每个传感器芯片都在极为精确的湿度室中进行标定, 校准系数以程序形式储存在OTP内存中。在测量过程中, 可对相对湿度进行自动校准, 使SHT11具有100%的互换性。它的测量原理是首先利用两只传感器分别产生相对湿度、温度的信号, 然后经过放大, 分别送至A/D转换器进行模/数转换、校准和纠错, 最后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至微控器, 再利用微控器完成非线性补偿和温度补偿[6]。

2.2 微处理器的选择

数据采集的前端装置由微处理器构成, 挂接传感器矩阵中28个测点的传感器, 3个测点的SHT11, 存储采集控制程序和器件序列号, 实现巡回采样、数据处理和通信等功能。与DS18B20, SHT11匹配的处理器主要有单片机芯片、ARM芯片、DSP芯片等。

选择原则如下:

(1) 微处理器的位数应与传感器的精度保持一致;

(2) 微处理器提供的I/O接口形式和数量应满足传感器的要求;

(3) 微处理器应能提供软件编程要求的内存容量。

考虑到系统的实用性、经济性, 以及布线的难易程度, 选择了Aimel公司的AT89C52作为处理器。AT89C52为8位处理器, 对12位传感器分辨率可采用双精度数据处理。在应用AT89C52非总线时, 可提供32根I/O线, 用其中8根挂接传感器, 两根进行串口通信, 其I/O接口形式也应满足传感器要求。AT89C52与同系列处理器89C51相比, 引脚是一样的, 主要的区别在于89C51的ROM空间为4 KB, 而AT89C52的空间为8 KB, 可用来存储大量DS18B20的序列号。

2.3 单片机与DS18B20及SHT11通信电路设计

本系统使用AT89C52单片机, 它设定案件手动电平复位方式, 外接11.059 2 MHz晶振作为系统时钟, 用单片机P1口的4条单总线分开进行温度采集。

为了保证有足够的负载能力驱动该总线, DS18B20采用外接电源供电方式, 单线总线上加一个4.7 kΩ的上拉电阻, 完成对DS18B20总线的上拉。该系统共有28个DS18B20, 通过双脚屏蔽电缆分组接在P1口的4条单总线上, 组成行距0.8, 列距0.5的4行7列矩形测量网络。

SHT11是两线制的数据传输方式, 通常在多点测量应用系统中是将多个SHT11分别独立地连接到微控制器的I/O口上, 微控制器通过对每一个SHT11进行测量操作, 得到每一点的温湿度数据。但这样的连接方式存在两个主要缺点。一是, 由于每个SHT11占用微控制器两个I/O口, 所以微控制器有限的I/O口资源将制约着单个微控制器上所能测量的最大点数;二是, 由于每个SHT11的测量所需时间是固定不变的, 所以采用单独操作的逐个测量方式在多点测量系统中必然导致数据采集时间过长, 控制滞后, 从而影响控制系统性能的提高[7]。

在空调测控系统中, 要求所采集的温湿度数据是反应整个室内环境相同时间点的总体情况, 所以多个SHT11必须同时开始测量, 即微控制器必须同时向多个SHT11发送测量命令。结合室内应用的具体要求, 本文对多个SHT11传感器和微控制器的连接方式采取如下方案:各SHT11的SCK线接到微控制器的同一个I/O口上, 而DATA线则分别接到不同I/O口线上。这种连接方式有几个优点:首先, n个传感器只占用n+1个I/O口, 比前述方式节省了n-1个I/O口, 解决了多点测量系统中微控制器I/O口资源短缺和尽可能增加测量点之间矛盾的问题;其次, 由于多个SHT11共用一条时钟线, 所以在每次测量中可以同时发出测量命令, 多个传感器同时进行测量, 只需一次等待时间则完成了整体数据的收集, 大大缩短了数据采集时间, 为控制系统快速响应提供了条件。

图2中3个SHT11的SCK时钟均接到P1.0口, 而各DATA线分别接到P1.1, P1.2和P1.3口, 当需要再增加测量点时, 只需要增加对应的I/O口数即可, 而且只需要对程序做很少的修改, 即可实现系统的灵活扩展。P1.4～Pl.7共4根I/O口线作为4条单总线的数据线, 每条总线上挂接7个DS18B20, 这样一个单片机Pl口就可以控制测量28个测点的温度, 刚好满足变风量空调实验室内温度场测量的需要。本系统要求每根测温总线长度约为5 m, 这种长度对电缆的要求较低, 这里采用单总线推荐使用的5类无屏蔽双绞线。

图3是PC与单片机的硬件连接电路图[8]。一般温度变化缓慢, 通过RS 232C串行接口将单片机采集的数据传送到PC机, 从而利用软件对数据进行处理和显示。RS 232C是目前最常用的串行接口标准, 它提供了单片机与单片机、单片机与PC机间串行数据通信的标准接口, 通信距离可达到15 m。AT89C52输入/输出电平为TTL电平, PC机配置的是RS 232标准串行接口, 二者的电气规范不一致, 采用MAX232E芯片实现TTL电平到RS 232电平的转换[9]。

3 程序设计

温湿度多点测量系统的软件设计采用模块化结构, Keil C51编程语言。软件设计主要包括2部分:一是上位机单片机AT89C52的软件编程, 用于实现测温点及测湿点的选择和温湿度数据的采集;二是下位机与上位机PC机间的通信。在SHT11测量前必须将其接到单片机发送的命令时序, 而DS18B20有其惟一的ID码, 通过匹配每个芯片的ROM码就可以搜索该路温度, 湿度采集, 如图4所示。

4 结 语

根据变风量空调实验室传统温度测控方法的不足, 以及具体情况设计出可行性测温方案, 它由单片机和28个DS18B20组成矩形温度测量网络, 3个SHT11组成的温湿度测量单元。具有实时、方便、可靠地实现对空调室内空调参数的测量, 可通过RS232串行通讯将采集的温湿度数据传送至PC机。该方案与以前的测控方案相比, 实现了测温的实时性, 并为测控的网络化提供了基础, 此外该系统还具有智能化, 体积小, 可靠性高, 实时性强等优点。

参考文献

[1]陈明, 邱超凡.基于DS18B20数字温度传感器的设计与实现[J].现代电子技术, 2008, 31 (8) :188-189.

[2]徐文进, 张阿卜.智能温度传感器DS18B20在多路测温中的应用[J].现代电子技术, 2004, 27 (22) :3-7.

[3]朱群峰, 黄磊, 唐杰.基于DS18B20的单总线多路温度采集系统[J].仪表技术, 2008, (12) :29-30.

[4]Sensirion.SHT1x/SHT7x humidity&temperature sensordatasheet[M].[S.l.]:Sensirion, 2005.

[5]李勇, 艾竹君, 刘巧云.一种新型温湿度测量系统的设计[J].低温与超导, 2007, 35 (5) :451-454.

[6]冯显英, 葛荣雨.基于数字温湿度传感器SHT11的温湿度测控系统[J].自动化仪表, 2006, 27 (1) :59-61.

[7]樊建明, 陈渊睿.基于SHT11的温室多点测量系统设计[J].国外电子测量技术, 2006 (11) :4-7.

[8]石东海.单片机数据通信技术从入门到精通[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2003.

[9]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005.

变风量空调系统末端智能控制器研究 第9篇

根据送风方式的不同,可以将空调系统分为定风量空调系统和变风量空调系统。当室内余热发生变化时,希望室内温度保持不变,可利用定风量空调系统将送风量固定,改变送风温度;变风量空调系统是将送风温度固定,改变送风量。

影响变风量空调系统末端控制的因素有很多,包括送风湿球温度的差异引起的非线性和大滞后、送风管道压力的变化以及人员进出引起的随机干扰等。传统的变风量空调末端装置控制器大多数采用定PID参数控制方式,系统只能在某一条件下有最佳控制效果。文献[1]、[2]以办公室模型为研究对象,模拟了办公设备、照明设备,并且考虑了温度与湿度的相互影响,与实际情况对比,验证了仿真模型及实验的正确性,但只考虑了制冷季节的情况。文献[3]改进了变风量空调末端控制器算法,并与常规控制器比较,结果表明改进的算法能够稳定控制变风量空调末端装置,控制房间温度和降低能耗比,但没有进行实物验证。文献[4]中赵志钊利用神经网络的强学习能力对VAV BOX的每个部件具有的特点进行了分析,并得出整个系统的控制特性,但在外部干扰下不能对房间温度进行及时调节,鲁棒性差。文献[5]、[6]对某一变风量末端进行了开环辨识,论证了其可行性和可靠性,但其不具有通用性。

基于此,针对变风量空调系统的运行特征,将模糊控制与传统的PID控制相结合,当系统偏差在阀值e0以外时采用模糊控制,当系统偏差在阀值e0以内时采用PID控制,这样既具有模糊控制能够解决非线性不确定性和有较强鲁棒性的优点,又具有PID控制在工作点控制精度高的特点。在变风量空调试验平台验证了这一控制方法的有效性和可行性。

1 VAV系统末端控制原理

变风量空调系统基本结构如图1所示。对于全空气空调系统,其基本原理就是向空调区域内输送处理过的空气,用以满足人们对空调区域内空气温度和湿度的要求。空调系统的基本公式[7]为:

式中,L为送风量,m3/h;Qq、Qx为空调送风所要吸收的全热余热和显热余热,W;ρ为空气密度,kg/m3,ρ=1.2;c为空气定压比热,kJ/kg℃,可取c=1.01;In、Is为室内空气焓值和送风状态空气焓值,kJ/kg;tn、ts为室内空气温度和送风温度,℃。

从公式可以得出,影响变风量空调系统末端控制效果的因素有:空调房内的余热的变化;室内空气焓值和送风状态空气的焓值;送风量的变化等。另外,其它的因素也会对控制效果产生影响:由于一条送风管道与多个末端装置相连,因此某一风阀的开闭均会引起送风管道内压力的变化,引起干扰;管道内送风湿球温度的差异引起的非线性和大滞后;日照、室外气温以及新风温度变化引起的随机干扰;空调房间内人员的频繁进出等外部干扰。由于上述特性的存在,因此传统工业上单纯以PID控制的控制器难以达到理想控制效果。

2 控制器的设计

2.1 模糊PID混合控制器的结构

根据变风量空调系统的特点,设计一种模糊控制与PID控制相混合的控制器,其对于房间温度的控制如图2所示。

模糊PID混合控制器是将模糊控制器和PID控制器并联,并且由控制开关选择采用哪种控制器。控制规则:

2.2 模糊控制器的设计

模糊控制器采用二维结构,将房间温度偏差和温度偏差变化率作为模糊控制器的输入,控制量u作为模糊控制器的输出,这样可以避免一维模糊控制器动态控制性能不佳和多维模糊控制器控制算法难以实现的缺点。

将温度偏差定义为e、温度偏差变化率定义为ec,控制量定义为u,e、ec和u的模糊集均为:{NB(负大),NS(负小),Z0(零),PS(正小),PB(正大)}。

结合干球温度、湿球温度和空气流速的效应对人体冷和热感觉的影响,并根据《采暖通风空气调节设计规范》(GBJ19-87)规定,夏季空调室内温度应采用24～28℃,冬季温度应采用18～22℃,因此将e的论域整定为[-18 18];ec的论域整定为[-18 18];u的论域整定为[0 10]。这样就可以完全满足人体舒适度的要求。

对于e和ec,选取三角形函数作为隶属度函数,因为三角形隶属函数结构简单,对应模糊控制器的运算速度快;而对于u,选取梯形和三角形相结合的隶属度函数,这样可以避免在温度设定点附近被控对象频繁动作。

根据设计人员的技术知识和操作人员的实际经验建立恰当的模糊控制规则。当空调房内实际温度远超过设定温度并且还在迅速增大时,则将风阀开度调整到最大量送风;当空调房内的实际温度远大于设定温度并且快速减小时,则将风阀开度开到中等送风量,等等。由此总结出一条条模糊条件语句,并建立模糊规则,将其设定在matlab模糊规则库中。设计共有25条模糊规则,如图3所示。

2.3 PID控制器的设计

PID控制器的控制规律为:

式中,ε(k)为控制偏差;Kp为比例系数;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数。

其中比例环节主要用于减少偏差;积分环节则可以消除静差,提高系统的无差度;微分环节的主要作用就是加快系统的动作速度,减小调节时间。

在模糊PID混合控制中,PID控制器的主要作用是提高系统的控制精度。积分时间常数Ti与积分作用成反比,所以在设计PID控制器部分时应注意减小积分时间常数。

3 控制器设计验证

3.1 HVAC综合实验平台

HVAC综合实验平台系统主要由压缩机、换热器、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、AHU风扇、风阀执行器和温湿度传感器、压力传感器和4个实验房间等组成。

对于末端装置控制器,采用研华PCI-1710板卡,它是12位PCI总线多功能数据采集卡,有16路单端模拟量输入用于采集房间温度、送风管道温度、送风管道压力、风阀反馈开度反馈等数据,还有2路12位模拟量输出用于控制风阀开度和AHU风机频率。

VAV末端风阀是整个末端系统的执行机构。其开度(0～100%)由2～10V的电压来控制,对应的开度反馈是0～10V(0～100%)的电压信号。实际实验控制平台和风阀如图4所示。

3.2 模糊PID控制器验证

利用研华公司多功能数据采集板卡将数据采集到工控机中,并通过在工控机上的Matlab软件实验平台中的Real-Time-Target工具箱,将已经设计好的模糊PID混合控制器对采集到的数据进行处理,根据设定的房间温度值调节风阀开度。

在Matlab中建立模糊PID混合控制器对于风阀开度的实时验证结构图,如图5所示。

模拟夏季空调房间的降温过程,将实验平台送风管道内的送风干球温度始终保持在16℃,静压保持在300Pa,同时将房间的温度设定为26℃,使房间温度由36℃降到设定值。将模糊PID混合控制与传统PID控制分别应用于两个实验房间并作比较,结果如图6所示。

由实验结果可知,采用模糊PID混合控制器后,系统没有超调,在160s附近即可达到稳定;而PID控制系统存在8%左右的超调,并且在220s附近才能达到稳定;两者的稳态误差均为0。

为了验证该系统的鲁棒性,在300s附近加入2kW冷量的负荷以模拟人进出或者外界出现干扰时的情况,得到PID混合控制系统实验响应波形,如图7所示。

结果表明,系统在受到干扰后仍能快速到达设定值。

模拟冬季空调房间升温的过程,将实验平台送风管道内的送风温度始终保持在24℃,并且使静压保持在300Pa,同时,将房间的温度设定为20℃,使房间由16℃升到设定值,得到模糊PID实验图,如图8所示。

结果表明,系统在160s附近即可达到稳定,并且超调仅为3%左右,稳态误差为0。

4 结语

模糊PID混合控制系统超调小,没有振荡,并且响应速度快,到达稳定的时间短,表现出良好的动态性能。在加入干扰后,系统在较短时间内又可以达到稳定,有很好的鲁棒性。该控制系统无论在夏季降温过程还是在冬季升温过程均具有良好的控制效果。

摘要：针对影响变风量空调系统末端控制的诸多因素,设计一种PID控制与模糊控制相结合的控制器,解决了变风量空调系统滞后大、惯性大、随机干扰多及非线性等问题。经验证,与传统的控制器相比较,系统的动态响应和稳态精度明显改善,并且具有较强的鲁棒性。

关键词：变风量空调,末端装置,模糊PID混合控制,PID控制

参考文献

[1]Tolga N.Simulation of a VAV air conditioning system in an existing building for the cooling mode[J].Energy and Buildings,2009,41:922-929

[2]Young-Hum Cho.Minimum airflow reset of single duct VAV terminal boxes[J].Building and nvironment,2009,44:1876

[3]赵志钊.基于模糊神经网络的变风量空调系统末端装置控制研究[D].兰州:兰州理工大学,2007

[4]孙晴.VAV中央空调系统末端控制器的开发研究[D].西安:西安建筑科技大学,2009

[5]褚俊英.变风量空调系统末端(VAV BOX)控制器的设计研究[D].西安:西安建筑科技大学,2010