風機盤管占空比模糊控制試驗研究

趙天怡,馬良棟,張吉禮

(大連理工大學建設(shè)工程學部土木工程學院,遼寧大連116024)

風機盤管為中國中央空調(diào)系統(tǒng)的主要末端設(shè)備,使用場合廣泛覆蓋賓館類與辦公類建筑。文獻表明[1],截止到2005年中國風機盤管年銷量已超過200萬臺。從1972年中國開始研制風機盤管至今,諸多科研人員與工程師在開發(fā)新型產(chǎn)品[2-4]、優(yōu)化設(shè)計方法[5-6]、熱力特性建模與測試[7-8]、能耗計量[9-10]、風機盤管空調(diào)房間空氣品質(zhì)與熱舒適性[11-15]等方面進行了大量有實用價值的改進與研究。

單臺風機盤管的功率雖然不高,但其使用時間長、數(shù)量多,為建筑機電設(shè)備耗能系統(tǒng)的重要組成。風機盤管的運行調(diào)節(jié)與優(yōu)化控制不僅可提高用戶的空調(diào)精度以改善室內(nèi)熱舒適性,又是中央空調(diào)系統(tǒng)乃至建筑節(jié)能的重要實施手段。陳向陽[16]針對建筑周邊區(qū)風機盤管的控制問題,提出了基于外圍護結(jié)構(gòu)負荷控制方法,并將輻射溫度傳感器引入風機盤管的控制應用中。Ke[17]通過試驗對比了定風量(CAV)與變風量(VAV)風機盤管的運行特性,結(jié)果表明了變風量風機盤管的節(jié)能性。Ke[18]綜合考慮節(jié)能效果與室內(nèi)空氣品質(zhì),提出了一類水側(cè)低溫差的風機盤管控制方法。一些學者也嘗試將模糊控制方法與風機盤管的節(jié)能控制結(jié)合,江志斌等[19]借助模糊邏輯通過室溫調(diào)節(jié)風機盤管的風速與電磁三通閥的旁通比,并研發(fā)了模糊控制器。Ghiaus[20]基于if-then的模糊規(guī)則形式,利用T-S模糊模型描述了風機盤管的運行特性并提出了以該模型為參考的控制方法,研究比較了模糊控制方法與PID控制的應用情況,結(jié)果表明了模糊控制方法在提高空調(diào)房間熱舒適性與節(jié)能上的優(yōu)勢。

相比于風機盤管領(lǐng)域的其他方面,風機盤管的優(yōu)化控制研究相對進展緩慢,尤其針對目前中國應用形式最廣泛的雙管式、風機三檔調(diào)速、電動水閥通斷控制的風機盤管系統(tǒng)(如圖1所示),絕大多數(shù)的溫控器或風機盤管獨立控制器通過室內(nèi)掛墻模塊讀取工作模式(冬季或夏季)、房間溫度、房間溫度設(shè)定值、風機檔位狀態(tài)(手動或自動),根據(jù)圖2的控制策略控制風機檔位與電動水閥通斷。

圖1 風機盤管控制點示意圖

圖2 風機盤管控制策略示意圖

圖2中,T RMSPTH與T RMSPTC分別為冬季模式與夏季模式的室溫設(shè)定值。以夏季工況為例,當室溫低于TRMSPTC時,水閥關(guān)閉,室溫高于 TRMSPTC時,水閥開啟。當室溫介于 T RMSPTC與 T RMSPTC+ΔT1間時,風機低檔運行;當室溫介于 TRMSPTC+ΔT1與 TRMSPTC+ΔT 2間時,風機中檔運行;當室溫高于 T RMSPTC+ΔT2時,風機高檔運行。冬季模式類似。

以上的運行策略被大多數(shù)風機盤管系統(tǒng)所采用,且能夠達到一定的控制效果,該文稱之為傳統(tǒng)控制方法。傳統(tǒng)控制方法需改進的方面有:

1)傳統(tǒng)方法在多數(shù)工況下水閥處于開啟狀態(tài),若可利用水閥關(guān)閉狀態(tài)下盤管的冷卻除濕能力,可適當增加水閥關(guān)閉的時間,對于整個風機盤管系統(tǒng)而言,若合理安排好每臺盤管的水閥關(guān)閉時段,可節(jié)省一定的冷凍水量繼而降低水泵電耗;

2)可將水閥的控制模式由傳統(tǒng)方法的數(shù)字量控制模式轉(zhuǎn)化為占空比(定義為水閥開啟時間與控制周期之比)控制模式,將數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)化為模擬信號,從而便于將智能控制理論(如模糊控制)引入至風機盤管的控制方法中;

3)在風機自動模式下,傳統(tǒng)方法的風檔控制參照室溫偏差進行調(diào)節(jié),并未考慮到室溫偏差變化的因素,對應圖2的控制策略,風檔易發(fā)生頻繁變換或室溫控制效果不理想的情況。

4)環(huán)境溫度在高于設(shè)定值1～2℃的范圍內(nèi)波動有利于人體熱舒適性,因此風機盤管控制無需苛求室溫一定嚴格地被控制在設(shè)定值的水平上。即可消耗更小的供冷量達到用戶的熱環(huán)境需求,這說明傳統(tǒng)的控制方法具備一定的節(jié)能改進空間。

為此,該文將占空比的概念引入風機盤管控制中,提出一類新的風機盤管控制方法即占空比模糊控制方法。

1 風機盤管占空比模糊控制方法

以圖1所示的風機盤管形式為例說明。引入占空比R ON的概念。即在特定的控制周期T CYC內(nèi),設(shè)水閥的開啟時間為 TON,則RON=TON/TCYC。設(shè)當前室溫與室溫設(shè)定值的偏差為eT,室溫偏差變化為ecT(當前室溫偏差與上一時刻室溫偏差之差)?？刂品椒磪⒄誩T與ecT同時控制R ON與風機檔位,如圖3所示。圖中FS表示風機檔位狀態(tài),以風機自動模式為例說明,當室溫低于設(shè)定值時,RON取0(即在該控制周期內(nèi)水閥關(guān)閉),風機檔位為低檔;當室溫處于T RMSPT與T RMSPT+ΔT間時(如圖3陰影區(qū)域所示),根據(jù)eT與ecT,通過模糊邏輯Fuzzy_Logic1與Fuzzy_Logic2推理得到風機檔位與R ON的輸出值。模糊規(guī)則表如表1所示;當室溫高于TRMSPT+ΔT時,R ON取1,風機檔位為高檔。

表1中,u代表R ON或FS的模糊推理值,eT、ecT、u的模糊論域取[-2,2],在e與ec的論域上劃分為“負大”、“負小” 、“零” 、“正小” 、“正大” 共5 個模糊等級,分別用NB,NS,ZE,PS,PB表示,其隸屬函數(shù)如圖4所示,模糊推理方法為作用模糊子集推理方法[21]。占空比的實際論域為[0,1],求得u之后可直接反模糊化;FS的反模糊化參考u的范圍而確定:當u小于0.5時,FS為低檔;當u介于0.5與1.5間 時,FS為中檔;當u大于1.5時,FS為高檔。

圖3 風機盤管模糊控制方法示意圖

圖4 隸屬函數(shù)

以自動模式為例,風機盤管占空比模糊控制方法的執(zhí)行流程如圖5所示。圖中,TRMS為上一時刻的室溫采樣值,除了執(zhí)行圖3所示的控制策略之外,考慮到室內(nèi)負荷突然升高對室溫控制的影響,方法實時監(jiān)測室溫變化情況:若TRM持續(xù)高于TRMSPT+ΔT達30 s或T RM持續(xù)高于T RMS+ΔT 1達30 s,風檔自動調(diào)至高檔,水閥占空比調(diào)整為1。方法涉及的各類參數(shù)說明列于表2。

表1 占空比與風機檔位模糊控制規(guī)則表

圖5 風機盤管占空比模糊控制方法執(zhí)行流程

表2 風機盤管占空比模糊控制方法參數(shù)信息

續(xù)表2

2 試驗研究

2.1 試驗原理

試驗采用大連理工大學變流量空調(diào)系統(tǒng)集成控制試驗臺中的風機盤管系統(tǒng)完成,空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖6所示。圖6中,系統(tǒng)冷源為一臺風冷熱泵;V1～V6為電動兩通閥;V1～V6為連續(xù)調(diào)節(jié)閥;Tw1～Tw8為水溫傳感器;FCU1～FCU6為風機盤管,試驗以FCU6為對象研究提出的控制方法,FCU6的空調(diào)房間建筑面積約10m2,房間內(nèi)均布5個電熱爐,利用調(diào)壓器調(diào)節(jié)電熱爐的加熱量以模擬房間內(nèi)熱源負荷變化。控制器采用Honeywell XL-100型可編程控制器,控制算法采用 Honeywell Care7.0軟件編寫,控制系統(tǒng)原理圖如圖7所示。試驗臺主要設(shè)備照片如圖8所示。

圖6 試驗臺風機盤管系統(tǒng)原理圖

圖7 試驗臺控制系統(tǒng)原理圖

圖8 試驗臺主要設(shè)備照片

模糊推理方法(圖3中的 Fuzzy_Logic1與Fuzzy_Logic2)在Care編程軟件中的模塊化實現(xiàn)方法為:圖4中列出了e與ec的6個模糊子論域所對應的隸屬度函數(shù)的線性表達式,模塊將e與ec模糊值(分別定義為Fe與Fec)代入這9組線性表達式中計算隸屬度。模塊通過定義36個邏輯量R1～R36來描述表1中所覆蓋的Fe與Fec范圍。編號順序參照表1的Fe從左至右,Fec從上至下的變化順序。例如,R1=1即表示Fe＜-2且Fec＜-2對應的范圍組合;R8=1即表示-2＜Fe＜-1且-2＜Fec＜-1對應的范圍組合;R16=1即表示-1＜Fe＜0且0＜Fec＜1對應的范圍組合;R36=1即表示Fe＞2且Fec＞2對應的范圍組合。結(jié)合圖4中9組線性表達式與R1～R36體現(xiàn)的查表功能,對于一組Fe與Fec值,模塊計算各作用模糊子集下Fe與Fec的隸屬度,進而實現(xiàn)作用模糊子集推理方法,計算u對應的模糊值Fu,反模糊化,求得u。

2.2 試驗工況與試驗參數(shù)

試驗目的為對比風機盤管占空比模糊控制方法與傳統(tǒng)方法的應用效果。占空比模糊控制方法通過圖7所示的控制系統(tǒng)實現(xiàn),傳統(tǒng)方法采用Honeywell W7752D的風機盤管控制器實現(xiàn)。試驗分別將2種方法應用于FCU6的控制中,每組試驗周期為10.5 h,為保證試驗工況的均衡性,2組試驗分別在室外溫度相差不大的連續(xù)2 d(2009年8月4日,8月5日)內(nèi)的相同時段進行。監(jiān)測的室外溫度情況(圖9所示)表明,傳統(tǒng)控制方法對應試驗日(8月4日)平均溫度為28.0℃,占空比控制方法對應試驗日(8月5日)平均溫度為27.8℃。傳統(tǒng)控制方法試驗日下午時段的室外溫度略高于占空比控制方法試驗日,晚間時段的室外溫度略低于占空比控制方法試驗日?？傮w上看,由于存在著0.2℃的平均室外溫度差異,傳統(tǒng)控制方法的試驗日工況略不利于占空比控制方法。下面就針對室外溫度差異對試驗工況的影響情況予以分析。

1)室外溫度為室外氣象因素對冷負荷的綜合影響的一部分。由于2類試驗日均為晴天且太陽輻射強度基本一致,考慮到太陽輻射對冷負荷的影響相對均衡,因此室外溫度的微小差異將不會對2組試驗日內(nèi)房間冷負荷造成較大影響。

2)為進一步降低室外溫度對試驗工況的干擾,試驗分別在固定的試驗時段內(nèi)在試驗房間加入400 W 內(nèi)熱源4次,每次持續(xù)40min后關(guān)閉,加入600 W內(nèi)熱源1次,持續(xù)40min后關(guān)閉。由于內(nèi)熱源的散熱強度要大大高于室外工況對房間的傳熱強度,加入內(nèi)熱源后的試驗工況下房間冷負荷的主要來源為內(nèi)熱源引起的冷負荷,進而室外溫度對冷負荷的影響程度將進一步降低,因此可認為2組試驗的冷負荷需求基本一致,試驗工況保持均衡。加入內(nèi)熱源的2組試驗日的工況對比如圖9所示。2組試驗的相關(guān)參數(shù)列于表3。

圖9 對比試驗的室外溫度與附加內(nèi)熱源工況

表3 試驗參數(shù)信息

續(xù)表3

2.3 試驗結(jié)果與分析

圖10列出了占空比模糊控制方法與傳統(tǒng)控制方法的風機檔位控制信號、電動水閥控制信號、風機盤管顯熱供冷量、潛熱供冷量、全熱供冷量與室溫控制效果的對比試驗結(jié)果。為便于比較,圖10中的試驗結(jié)果均按照數(shù)值大小升序排列。為便于定量比較2種方法的應用效果,統(tǒng)計2種方法的評價指標列于表4。

圖10 對比試驗結(jié)果

表4 兩類控制方法的定量評價指標

從試驗結(jié)果可見:

1)從風機檔位在試驗時段內(nèi)的分布情況看,占空比模糊控制方法在試驗時段內(nèi)的一半時間為低檔運行,而傳統(tǒng)方法的高、中、低檔運行時間各占總時間的1/3左右。從風機電耗在試驗時段內(nèi)的累計值可見,占空比模糊控制方法較傳統(tǒng)控制方法節(jié)省了約28.9%的風機電耗。

2)從電動水閥的控制效果看,傳統(tǒng)方法的水閥開啟時間頻數(shù)為78.5%,而占空比模糊控制方法在試驗時段內(nèi)僅對應47.4%的水閥開啟頻數(shù)。對于整個風機盤管系統(tǒng)而言,若將各臺盤管的開啟時段交錯開,占空比模糊控制方法將節(jié)省更可觀的冷凍水量,從而降低冷凍水泵的輸送電耗。

3)從風機盤管消耗的冷量情況來看,占空比模糊控制方法較傳統(tǒng)控制方法低6.3%,值得注意的是,占空比模糊控制方法的通水時間要明顯少于傳統(tǒng)控制方法,即表明在斷水的狀態(tài)下風機盤管仍可向房間提供一定的冷量。

4)從室溫控制效果來看,占空比模糊控制方法的室溫絕對偏差平均值較傳統(tǒng)方法低0.5℃,圖10(f)也同時表明,占空比模糊控制方法可獲得更理想的室溫控制效果。

3 結(jié)論

1)風機盤管占空比模糊控制方法將占空比的概念引入水閥的控制中,將傳統(tǒng)方法的水閥兩位通斷控制轉(zhuǎn)化為占空比模擬量控制,不僅便于模糊控制方法在風機盤管優(yōu)化控制中的應用,也充分利用了風機盤管斷水狀態(tài)下的冷量,從而節(jié)約了一定的冷凍水量輸送能耗。

2)占空比模糊控制方法在風機電耗、冷凍水量消耗、供冷量及室溫控制效果4方面均要優(yōu)于傳統(tǒng)控制方法,綜合節(jié)能量約為30%,這部分節(jié)能量還不包括考慮冷凍水量節(jié)省而帶來的冷凍水泵節(jié)電量。

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