變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制算法*

鄧小飛，黃光亞，宋志國，張銀行

(1.吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南吉首 416000;2.吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南吉首 416000)

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制算法*

鄧小飛1，黃光亞1，宋志國2，張銀行2

(1.吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南吉首 416000;2.吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南吉首 416000)

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)因為控制過程復(fù)雜，所以目前難以推廣，市場上廣泛使用的是定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng).針對這種情況，從理論上提出了變風(fēng)量空氣處理機(jī)組送風(fēng)溫度的優(yōu)化控制算法，并用Matlab仿真軟件對其進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，該算法以更低的能耗達(dá)到更佳的運行效果.

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng);變風(fēng)量空氣處理機(jī)組;送風(fēng)溫度;優(yōu)化控制

能源危機(jī)日益成為當(dāng)今世界共同關(guān)注的問題，人們正致力于尋找新的能源和提高能源利用效率［1］.據(jù)統(tǒng)計，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)(Variable Air Volume Air Conditioning System，簡稱VAV)比常規(guī)的定風(fēng)量系統(tǒng)可節(jié)能30%～50%，在節(jié)能、熱舒適性和靈活性等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他空調(diào)系統(tǒng).［2］然而變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制比較復(fù)雜，對系統(tǒng)的自動控制程度有較高的要求，研究變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制具有重要的現(xiàn)實意義，從而引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［3-7］.Fredrik等［3］分析了送風(fēng)溫度的優(yōu)化控制對系統(tǒng)各方面的影響，并建立了以能耗為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，比較了優(yōu)化送風(fēng)溫度和持續(xù)送風(fēng)溫度2種情況的能耗情況，調(diào)節(jié)變送風(fēng)溫度能夠減少暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗.程加堂等［4］針對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)存在耦合并難以穩(wěn)定運行的情況，把空調(diào)系統(tǒng)分解為機(jī)組部分和末端部分來考慮.對機(jī)組部分采用最小二乘法建模，提出了基于單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制方案.徐新華等［5］提出了變風(fēng)量系統(tǒng)的送風(fēng)靜壓和送風(fēng)溫度優(yōu)化控制方法以及多區(qū)域新風(fēng)量優(yōu)化控制方法，這些控制方案及控制程序在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)仿真平臺上進(jìn)行測試以評估它們的動態(tài)控制性能、節(jié)能及空氣品質(zhì)特性.劉平等［6］介紹了冷卻塔的已有模型及其參數(shù)辨識，提出了一種能降低冷卻塔風(fēng)機(jī)和水泵的能耗較低優(yōu)化控制方法.宋虹等［7］采用閉環(huán)間接辨識法研究了變風(fēng)量空調(diào)末端部分控制系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化問題.

筆者利用優(yōu)化控制理論，根據(jù)壓力無關(guān)型末端的負(fù)荷率和最小風(fēng)量的要求，提出了一種新的送風(fēng)溫度優(yōu)化控制策略，仿真結(jié)果表明新的控制策略能夠在很大程度上節(jié)約了風(fēng)機(jī)能耗.

1 變風(fēng)量空氣處理機(jī)組

變風(fēng)量空氣處理機(jī)組(Air Handling Unit，簡稱AHU)是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的重要設(shè)備，其主要功能是為空調(diào)系統(tǒng)提供足量的新風(fēng)、維持送風(fēng)溫度和送風(fēng)管道靜壓在其設(shè)定值等.空氣處理機(jī)組對空調(diào)系統(tǒng)能耗和室內(nèi)熱濕環(huán)境有較大的影響，系統(tǒng)總風(fēng)量通過對管道靜壓的控制來實現(xiàn)，即在負(fù)荷變化的情況下，維持管道某處的靜壓在某一設(shè)定值附近(當(dāng)然這一設(shè)定值可以根據(jù)具體需要而改變)即變靜壓控制，其原則是盡量使風(fēng)閥開度開大，使系統(tǒng)阻力減小，在滿足風(fēng)量要求的前提下使得靜壓設(shè)定值最小，這樣就要降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)節(jié)能的目的.另一方面，當(dāng)負(fù)荷減少時，系統(tǒng)所需的風(fēng)量也隨之減少，但當(dāng)風(fēng)量減少到一點程度時，會造成新風(fēng)量不足，室內(nèi)空氣流動不暢混合不均勻等現(xiàn)象，這時就要提高送風(fēng)溫度以增大所需風(fēng)量.因此，研究變風(fēng)量空調(diào)空氣處理機(jī)組送風(fēng)溫度的優(yōu)化控制方法，對節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)能耗、改善室內(nèi)熱舒適性和空氣品質(zhì)、提高工作人員的工作效率均具有現(xiàn)實意義.

2 送風(fēng)溫度優(yōu)化控制

2.1送風(fēng)溫度優(yōu)化控制理論

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的最佳送風(fēng)溫度與風(fēng)機(jī)的運行能耗、供冷和供熱的運行能耗一同綜合考慮，使其綜合能耗為最小，然而這幾項能耗值都在動態(tài)變化中，所以這種綜合考慮是個十分復(fù)雜的過程.

在某一供冷負(fù)荷要求下，送風(fēng)溫度越高，送風(fēng)溫差就變小，需要的風(fēng)量就越大，送風(fēng)機(jī)運行能耗升高，但此時冷水溫度不必維持得太低，制冷效率可以升高，供冷的能耗就可以降低.在炎熱的夏季正午時刻，送風(fēng)溫度可以接近最佳設(shè)計溫度如13℃，那么在負(fù)荷比較小的早晨或傍晚，送風(fēng)溫度則可再調(diào)為1 7～18℃，而在午后則有可能將送風(fēng)溫度再調(diào)至13℃以下.在稍涼爽的季節(jié)日子里，則全天都可能將送風(fēng)溫度設(shè)置在17～18℃范圍內(nèi)，雖然風(fēng)機(jī)的能耗可能會稍有增加，但供冷的能耗則會降低，總的綜合能耗會變小.可見，并不是系統(tǒng)只要處于供冷狀態(tài)，送風(fēng)溫度就要維持在較低的溫度，若這樣運行的話，不僅會使某些空調(diào)區(qū)域出現(xiàn)過冷現(xiàn)象，還可能引起室內(nèi)空氣流動不暢、新風(fēng)量不足等問題，甚至還可能出現(xiàn)再熱能耗，從而使綜合能耗增加.

2.2送風(fēng)溫度優(yōu)化控制策略

在VAV空調(diào)系統(tǒng)中，當(dāng)區(qū)域處于部分負(fù)荷時，AHU送風(fēng)量減少，可降低風(fēng)機(jī)能耗.但是送風(fēng)量的減少會帶來不利的影響，如送風(fēng)混合欠充分、室內(nèi)空氣流動欠佳、送風(fēng)直接下落等現(xiàn)象，這樣會影響室內(nèi)的熱舒適性.有效的解決方法是在保證室內(nèi)熱舒適性的前提下設(shè)定一個最小風(fēng)量，當(dāng)實際送風(fēng)量小于這個最小風(fēng)量時，就通過提高送風(fēng)溫度來增大送風(fēng)量.如果設(shè)計送風(fēng)溫度為Tsa，送風(fēng)溫度設(shè)定值Tsasp，系統(tǒng)的壓力無關(guān)型末端(VAVBOX)個數(shù)為N，且為每個VAVBOX設(shè)定了最小風(fēng)量，當(dāng)檢測到實際送風(fēng)量(MFL)小于設(shè)定最小風(fēng)量(MNFL)的VAVBOX個數(shù)為N時，就將送風(fēng)溫度提高.這種方法旨在通過提高送風(fēng)溫度增大送風(fēng)量來解決室內(nèi)空氣流動問題，即送風(fēng)溫度設(shè)定值只能提高，而沒有控制規(guī)則來使設(shè)定值減小.

鑒于此，根據(jù)VAVBOX的負(fù)荷率和最小風(fēng)量的要求，提出了一種新的送風(fēng)溫度優(yōu)化控制策略:當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷增大到某一程度時，則降低送風(fēng)溫度設(shè)定值，當(dāng)室內(nèi)風(fēng)量不足時，則提高送風(fēng)溫度設(shè)定值來增大風(fēng)量.末端控制回路如圖1所示.

圖1 壓力無關(guān)型末端控制回路

由圖1可知，末端有3個控制回路，即風(fēng)量控制回路、負(fù)荷控制回路和溫度控制回路.由于風(fēng)量控制回路的存在，由溫度控制器給出的設(shè)定送風(fēng)量就能得到保障，而不受風(fēng)道靜壓變化的影響，具有較高的精確性.同時負(fù)荷控制回路的存在，當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷增大到某一程度時，能通過降低送風(fēng)溫度設(shè)定值來提高室內(nèi)的熱舒適性.

3 優(yōu)化控制算法仿真及其分析

利用Matlab工具箱進(jìn)行優(yōu)化控制仿真時，設(shè)定各個末端相關(guān)的數(shù)據(jù)，如閥門開關(guān)控制信號DCL、末端的實際送風(fēng)量MFL(單位為L/s)和需風(fēng)量RFL(單位為L/s)、最小風(fēng)量設(shè)定值MNFL(單位為L/s)、最大負(fù)荷設(shè)定值(單位為W/m2)、送風(fēng)溫度設(shè)定值Tsatsp(單位為℃)等，送風(fēng)溫度最高值設(shè)為18℃，送風(fēng)溫度的最低值設(shè)為13℃.

圖2，3為送風(fēng)溫度隨室內(nèi)負(fù)荷及風(fēng)量的變化曲線.由圖2，3可知:當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷增大到每平方米0.235 W時，則送風(fēng)溫度設(shè)定值下降，直到下降到送風(fēng)溫度的最低設(shè)定值13℃;當(dāng)室內(nèi)送風(fēng)量不足28 L/s時，送風(fēng)溫度設(shè)定值升高，直到上升到送風(fēng)溫度的最高設(shè)定值18℃.

圖2 送風(fēng)溫度隨室內(nèi)負(fù)荷的變化曲線

圖3 送風(fēng)溫度隨室內(nèi)風(fēng)量的變化曲線

圖4 風(fēng)機(jī)變頻器輸出頻率

圖4為某一時段AHU送風(fēng)機(jī)變頻器頻率的仿真輸出.由圖4可知，優(yōu)化前輸出頻率基本保持不變即為50 Hz，優(yōu)化后的變化范圍為45.45～48 Hz.設(shè)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n、頻率為f、風(fēng)量為L，功率為N，則其相互關(guān)系為

又令風(fēng)機(jī)的額定功率為N0，最大輸出頻率為fmax，則輸出功率和輸出頻率的關(guān)系為

在送風(fēng)溫度設(shè)定值優(yōu)化后，風(fēng)機(jī)的頻率輸出值減小，再由(1)式可知，風(fēng)機(jī)的輸出功率減小，優(yōu)化后的系統(tǒng)比原系統(tǒng)更節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗.

4 結(jié)語

提出一種AHU送風(fēng)溫度優(yōu)化控制的新方法.根據(jù)VAVbox的負(fù)荷率和最小風(fēng)量的要求，為了最大限度地節(jié)省風(fēng)機(jī)能耗，當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷增大到某一程度時，則降低送風(fēng)溫度設(shè)定值;當(dāng)室內(nèi)風(fēng)量不足時，則提高送風(fēng)溫度設(shè)定值來增大風(fēng)量.因此，送風(fēng)溫度的優(yōu)化控制是暖通設(shè)計者優(yōu)先選擇的控制方法.

［1］ 蔡敬瑯.變風(fēng)量空調(diào)設(shè)計［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007:1-22.

［2］ 葉大法，楊國榮，董 濤.國外變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計理念探討與借鑒［J］.暖通空調(diào)，2008，38(3):62-67.

［3］ FREDRIK ENGDAHL，DENNIS JOHANSSON.Optimal Supply Air Temperature with Respect to Energy Use in a Variable Air Volume System［J］.Energy and Buildings，2004，36(3):205-218.

［4］ 程加堂，艾 莉，段志梅.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)機(jī)組部分的建模與仿真［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2009(4):8-9.

［5］ XU Xin-hua，WANG Sheng-wei，SUN Zhong-wei，et al.A Model-Based Optimal Ventilation Control Strategy of Multi-Zone VAV Air-Conditioning Systems［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29(1):91-104.

［6］ 劉 平，李樹江，王向東.空調(diào)冷卻塔的建模與優(yōu)化控制［J］.暖通空調(diào)，2011(3):152-155.

［7］ 宋 虹，任慶昌，白 燕，等.變風(fēng)量空調(diào)末端雙閉環(huán)系統(tǒng)的模型辨識和仿真［J］.計算機(jī)仿真，2012(10):396-399.

(責(zé)任編輯 陳炳權(quán))

Optimal Control of Variable Air Volume Systems

DENG Xiao-fei1，HUANG Guang-ya1，SONG Zhi-guo2，ZHANG Yin-hang2
(1.College of Information Science and Engineering，Jishou University，Jishou 416000，Hunan China;2.College of Physical Mechanical and Electrical Engineering，Jishou University，Jishou 416000，Hunan China)

It is difficult to apply Variable Air Volume(VAV)air condition system for its complex control process，so constant air volume system is still widely used in China.In view of this situation，the optimal theoretical strategies of controlling the temperature of air supplied by VAV air handling unit are presented.Then Matlab simulation software is used to analyze the results.The simulation results show that this algorithm can better operate with the lower energy consumption.

Variable Air Volume(VAV)air conditioning system;Air Handling Unit(AHU);air temperature; optimal control

TU831.3

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2013.02.013

1007-2985(2013)02-0061-03

2012-11-21

吉首大學(xué)校級科研項目資助(11JD043);湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目(11B102);湖南省自然科學(xué)基金項目(11JJ6061)

鄧小飛(1982-)，女，湖南邵陽人，吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院講師，碩士，主要從事大系統(tǒng)控制理論、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)研究.