空調(diào)溫濕度智能控制技術(shù)的研究

方 新，王金娥

（蘇州大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇蘇州 215000）

空調(diào)溫濕度智能控制技術(shù)的研究

方 新，王金娥

（蘇州大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇蘇州 215000）

通過對現(xiàn)有大型空調(diào)系統(tǒng)的溫度和濕度的自動化控制方法做了大量現(xiàn)場調(diào)研，系統(tǒng)分析目前空調(diào)系統(tǒng)的溫度，濕度自動化控制在實際應(yīng)用中可以滿足溫度和濕度的基本控制要求但有關(guān)舒適性和節(jié)能方面存在問題，故對溫度和濕度自動控制方面提出了溫度分程控制，溫度串級控制，利用虛擬空氣參數(shù)等智能控制方法來進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

變風(fēng)量空調(diào)；樓宇自控；分程控制；串級控制；溫度控制；虛擬空氣參數(shù)

0 引言

通常大型建筑的空調(diào)系統(tǒng)按照風(fēng)量劃分，可以分為變風(fēng)量和定風(fēng)量系統(tǒng)。變風(fēng)量系統(tǒng)(VAV)可根據(jù)室內(nèi)熱負(fù)荷的變化而自動調(diào)節(jié)送風(fēng)量，主要應(yīng)用于以舒適性為主的區(qū)域，如辦公室和公共區(qū)域等。目前變風(fēng)量系統(tǒng)因其節(jié)能的特點而被大力推廣使用。定風(fēng)量系統(tǒng)(CAV)的送風(fēng)風(fēng)量是固定不變的，從而保證了房間的換氣次數(shù)和壓差的穩(wěn)定，主要應(yīng)用于工藝車間、實驗室和潔凈室等場所。

在空調(diào)自控方面，Honeywell、SIEMENS、Johnson Control等公司的樓宇自控系統(tǒng)普遍采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過以太網(wǎng)絡(luò)可以與現(xiàn)場的DDC（直接數(shù)字控制）控制器形成通訊，實時監(jiān)測控制現(xiàn)場的執(zhí)行器或控制器[1]。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，盡管目前變風(fēng)量和定風(fēng)量系統(tǒng)溫濕度自動化控制可以滿足其基本控制要求，但在舒適性方面和節(jié)能方面還存在問題。為了獲得更好的節(jié)能和智能控制效果，本文提出了分程，串級和虛擬參數(shù)智能控制方法，并通過了實踐驗證。

1 空調(diào)系統(tǒng)傳統(tǒng)的溫濕度控制方法

空調(diào)機組通常由風(fēng)機，冷熱盤管，控制閥等組成，典型的空調(diào)自動控制見圖1。空調(diào)機組的送風(fēng)或回風(fēng)溫濕度、靜壓等過程模擬變量和風(fēng)機運行狀態(tài)數(shù)字變量分別被送到DDC控制器的模擬量和數(shù)字量輸入模塊。而DDC控制器輸出的模擬量和數(shù)字量信號分別用于控制冷熱水閥門、電動風(fēng)閥和風(fēng)機的狀態(tài)?？照{(diào)系統(tǒng)最基本的功能是溫度控制，即根據(jù)設(shè)定的回風(fēng)或送風(fēng)溫度期望值，DDC控制器調(diào)節(jié)空調(diào)處理機組的冷水和熱水盤管電動閥的大小，以滿足制冷和制熱的需要。夏季有除濕需要時，可以根據(jù)設(shè)定值來控制冷水閥門的開度來除濕，再控制熱盤管的熱水閥門來滿足溫度和濕度的要求。

圖1 空調(diào)控制功能原理圖

1.1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是美國廣泛使用的一種空調(diào)系統(tǒng)，由空氣處理機組、送風(fēng)系統(tǒng)、變風(fēng)量控制箱（VAV box）等組成[2]。變風(fēng)量控制箱（VAV box）會根據(jù)控制區(qū)域的溫度變化來自動調(diào)整風(fēng)閥開度，其壓差傳感器可以將風(fēng)量換算成房間溫度，并和和溫度設(shè)定值比較，實現(xiàn)了閉環(huán)PID溫度自動控制（見圖2）。安裝在總送風(fēng)管道的靜壓傳感器感受到因末端變風(fēng)量控制箱風(fēng)量變化而引起風(fēng)管靜壓的變化，并變送模擬量信號到DDC的輸入模塊，DDC比較實際靜壓值和設(shè)定值后，輸出模擬信號到風(fēng)機變頻器，從而實現(xiàn)變風(fēng)量控制(見圖3)。傳統(tǒng)自控方法為控制固定的空調(diào)機組的送風(fēng)溫度或回風(fēng)溫度，帶來的問題是需要頻繁人工干溫度設(shè)定值來滿足季節(jié)變化或末端負(fù)荷變化。且控制固定的空調(diào)回風(fēng)溫度可以滿足整體大區(qū)域房間溫度的要求，但存在送風(fēng)溫度過冷過熱等問題，并出現(xiàn)風(fēng)口下的工位非常不適，影響了人員的舒適度。

圖3 空調(diào)風(fēng)機閉環(huán)框圖

1.2 定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)

定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量固定不變，新風(fēng)和回風(fēng)量都是固定的，保證了區(qū)域的換氣次數(shù)和房間的壓差要求。與變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)相比，定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)通過控制空調(diào)回風(fēng)溫度來滿足空調(diào)服務(wù)區(qū)域的溫度控制要求，其自控系統(tǒng)比較簡單，然而固定回風(fēng)溫度的同時會存在送風(fēng)溫度波動較大的現(xiàn)象。此外，在過渡季節(jié)，冷水和熱水閥門的頻繁交替開啟，會造成能源浪費較大。

2 空調(diào)系統(tǒng)的智能控制方法

2.1 溫度分程控制

分程控制指將控制器輸出信號全程分割成若干個區(qū)域，每個區(qū)域段對應(yīng)一個控制閥。每個控制閥僅在控制器輸出信號整個范圍的區(qū)域內(nèi)工作。溫度分程控制其工作模式為將溫度控制分為熱區(qū)和冷區(qū)兩個區(qū)域（見圖4）。

圖4 分程控制圖

控制原理如圖6所示，由房間溫度過程值PV，溫度設(shè)定值SP，閥門比例控制值CV構(gòu)成溫度PID控制回路。溫度PID控制程序通過比較溫度過程值和設(shè)定值的差值，輸出0～100的比例值。閥門開度對應(yīng)的控制比例數(shù)值范圍也定義為0～100。其中55～100為冷區(qū)，對應(yīng)冷水閥門開度為0～100，0～45為熱區(qū)對應(yīng)熱水閥門開度為100～0，45～55為溫度死區(qū)即閥門死區(qū)。同時對于夏季除濕問題，濕度PID控制程序計算出冷水閥門開度。最后取溫度PID和濕度PID的冷水閥門開度的最大值，即可同時滿足溫度和濕度控制要求，避免了冷水和熱水閥門在非除濕模式下同時開啟而帶來的能源浪費問題。

圖5 多程控制圖

圖6 多程控制閉環(huán)框圖

2.2 溫度多程控制

溫度分程控制雖然可以很好解決冷水熱水閥門重疊開啟的問題，但是對于換季季節(jié)新風(fēng)的自然冷卻節(jié)能控制無法利用。為了實現(xiàn)自動控制，可以通過焓差比較來來實現(xiàn)新風(fēng)的比例調(diào)節(jié)[3]，溫度多程控制方法是將溫度控制分為3段(見圖5)，控制比例數(shù)值范圍0～45定義為熱區(qū)，45～65定義為閥門死區(qū)和焓差控制區(qū)即控制新風(fēng)閥門開度，65～100為冷區(qū)。

2.3 溫度串級控制

溫度串級控制的控制原理是：送風(fēng)溫度控制串聯(lián)到回風(fēng)溫度控制閉環(huán)回路中(見圖7)，比較回風(fēng)溫度和設(shè)定值，使送風(fēng)溫度設(shè)定值在給定范圍內(nèi)浮動變化。冷熱水閥門、送風(fēng)溫度傳感器構(gòu)成閉環(huán)PID控制回路。固定范圍的送風(fēng)溫度控制有效避免了風(fēng)口下方出現(xiàn)過冷或過熱不適現(xiàn)象，提高了舒適度的同時也節(jié)能，避免了不同季節(jié)變化需要人工干預(yù)送風(fēng)設(shè)定值的問題，所以溫度串級控制方式應(yīng)用到變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中可以有很好的效果，同理應(yīng)用到定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)同樣可以起到節(jié)能作用，利用回風(fēng)溫度的變化來浮動設(shè)定空調(diào)送風(fēng)溫度，可以讓溫度PID控制程序做到在小范圍溫度內(nèi)快速的響應(yīng)，改善冷熱水閥門頻繁變化的問題。解決了空調(diào)系統(tǒng)溫度控制遲滯性問題。

2.4 虛擬露點控制

夏季空調(diào)除濕負(fù)荷消耗冷熱能源非常大，新風(fēng)空調(diào)能耗最需要關(guān)注。利用傳統(tǒng)的溫度加相對濕度控制模式經(jīng)常因送風(fēng)溫度的變化導(dǎo)致相對濕度波動干擾，給自動化控制PID程序帶來了困難，引起濕度控制波動或能源浪費，比較常見的潔凈室空調(diào)濕度模式通常使用露點控制模式。

設(shè)空氣的狀態(tài)用9個參數(shù)表示：大氣壓力B、干球溫度t、濕球溫度ts、露點溫度tl、焓I、含濕量d、相對濕度?、飽和水蒸氣分壓力Pqb、水蒸氣分壓力Pq。在大氣壓力B和溫度濕度參數(shù)已知的前提下，則可通過Pqb=f(T)的經(jīng)驗公式計算出空氣的其他狀態(tài)參數(shù)[4-6]：

實踐證明，露點控制模式可以實現(xiàn)濕度精確和穩(wěn)定控制。但因露點傳感器比較貴，一般利用虛擬露點替代露點傳感器用于濕度的控制。

圖7 溫度串級閉環(huán)框圖

3 應(yīng)用舉例

因樓宇自控系統(tǒng)具有的通用性，本文將空調(diào)的溫濕度智能控制技術(shù)應(yīng)用于某大型食品工廠采用的西門子樓宇insight自控系統(tǒng)。在應(yīng)用前，該廠空調(diào)系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的溫濕度控制方法。其中，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度設(shè)定值需要頻繁干預(yù)來滿足末端的需求，且辦公區(qū)域部分風(fēng)口下存在過冷或過熱的現(xiàn)象。在過渡季節(jié)也沒采用變新風(fēng)量的節(jié)能控制模式。定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)盡管溫度控制較穩(wěn)定，但在過渡季節(jié)都存在冷熱水閥門交替頻繁動作，造成冷熱能源抵消，能源浪費問題。

現(xiàn)用溫度雙程、多程和串級控制方法來優(yōu)化該工廠辦公區(qū)區(qū)域變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制。為了實現(xiàn)利用自然新風(fēng)進(jìn)行過渡季節(jié)的自然冷卻，空調(diào)溫度控制程序采用了多程和雙程分開控制，多程控制方式除了有冷水熱水控制外還有新風(fēng)風(fēng)量的控制，較適用于過渡季節(jié)[5]。而雙程控制適用于非過渡季節(jié)。自控程序可以根據(jù)室內(nèi)外的焓差自動判斷并選擇雙程溫度控制還是多程溫度控制。

工廠內(nèi)的定風(fēng)量空調(diào)采用溫度串級控制，實現(xiàn)送風(fēng)溫度在域值范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)以滿足回風(fēng)溫度即房間溫度的控制。首先由回風(fēng)溫度過程值PV，回風(fēng)溫度設(shè)定值SP，送風(fēng)溫度控制值CV構(gòu)成輔PID控制回路。送風(fēng)溫度設(shè)定值限定在16℃～28℃的范圍內(nèi)變化。然后空調(diào)送風(fēng)溫度PV，送風(fēng)溫度設(shè)定值SP，冷水或熱水閥門CV構(gòu)成PID主控制回路?？照{(diào)送風(fēng)溫度控制可以根據(jù)回風(fēng)溫度的變化而自動浮動設(shè)定，通過控制送風(fēng)溫度來滿足溫度控制要求。

對于全新風(fēng)空調(diào)采用虛擬露點控制模式進(jìn)行濕度控制，做到精確、穩(wěn)定、高效和節(jié)能，并成功解決了水閥門變化頻繁的問題，在提高濕度控制精度的同時節(jié)約了能耗。

該工廠的空調(diào)溫濕度控制在采用智能控制后，得到了較好控制效果。在過渡季節(jié)成功實現(xiàn)了新風(fēng)自然冷卻，解決了變風(fēng)量空調(diào)末端風(fēng)口過冷過熱的問題，冷熱水閥門交替開啟方面的問題也得以解決，運用智能控制方法后冷熱水閥門由原來頻繁交替動作變?yōu)樾》绕椒€(wěn)狀態(tài)，有明顯的節(jié)能功效。

4 結(jié)論

本文通過對“空調(diào)系統(tǒng)智能的控制”課題的研究，得到以下結(jié)論：

（1）針對實際運行中存在的一些影響因素和空調(diào)系統(tǒng)變風(fēng)量與定風(fēng)量各自的特點，提出了幾種智能控制方法；

（2）提出了將溫度分程控制與串級控制模式相結(jié)合的理念，并運用到實際項目中，得到了期望的效果；

（3）空調(diào)系統(tǒng)為通用系統(tǒng)，具有較強的適用性和廣泛性，本文提出的智能控制方式同樣適用于其他控制系統(tǒng)。

隨著樓宇自控系統(tǒng)的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)的智能控制有很大的發(fā)展空間，空調(diào)系統(tǒng)的智能控制方式對控制系統(tǒng)的節(jié)能減排具有重要意義。

［1］張吉禮，趙天怡，陳永攀.大型公共建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制研究進(jìn)展［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2011（3）：6-10.

［2］張軍，張虹，王劍明.多區(qū)域變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)仿真研究［J］.制造業(yè)自動化，2009（9）：114-117.

［3］徐曉寧，云飛.中央空調(diào)末端設(shè)備智能控制與管理節(jié)能［J］.建筑科學(xué)，2008（8）：45-46.

［4］趙榮義，范存養(yǎng)，薛殿華，等.空氣調(diào)節(jié)：第三版［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.

［5］晉欣橋，柴小峰，杜志敏.過渡季節(jié)VAV空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度的優(yōu)化控制策略［J］.天津大學(xué)學(xué)報，2009（7）：587-589.

［6］章柏其，周斌.濕空氣狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式［J］.暖通空調(diào)，2005（6）：131.

Research on Intelligent Control Technology for Air Conditioning Temperature and Humidity

FANG Xin，WANG Jin-e
（School of Mechanical and Electric University，Soochow University，Suzhou215000，China）

Base on site survey and research on control method of HVAC system’s temperature and humidity，analyzed actual application status of current HVAC system.Found the current automation control could meet with basic requirement of temperature and humidity control，but have issues in comfortable and energy saving control.Suppose to using method of split range control，cascade control and virtual air parameter for temperature and humidity control optimization.

VAV；HVAC BAS；split range control；cascade control；temperature control；virtual air parameter

TP29

：A

：1009－9492(2014)11－0093－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.026

方 新，男，1981年生，江蘇溧陽人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：機電一體化、智能控制。

(編輯：向 飛)

2014－05－13