變風量空調系統(tǒng)空氣處理機組的故障檢測與診斷方法研究

摘要：空調在所有建筑耗能中所占比例最大，建筑空調工作者正在嘗試采取措施，提高能源利用效率，盡可能使耗能量降至最低。變風量空調系統(tǒng)在運行過程中極易產生故障，為了確保設備的正常運行，文章首先分析了變風量空調系統(tǒng)的特征，然后對變風量空調系統(tǒng)空氣處理機組的故障檢測與診斷方法進行了探討。

關鍵詞：變風量；空調系統(tǒng)；空氣處理機組；故障檢測；故障診斷

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）29-0058-03

變風量空調系統(tǒng)在人們生活中起到了重要作用，因該系統(tǒng)的能源消耗問題一直尚未解決，在使用過程中引起了很多爭議。人們正在采取措施，提高能源利用效率，同時也在挖掘新能源。據資料統(tǒng)計，我國建筑能耗在社會總能耗中所占的比例在20%～25%之間，由此可見，建筑能耗所占比例非常大。目前為了促進空氣質量，必須了解故障檢測工作，及時診斷系統(tǒng)中的潛在

故障。

1 變風量空調系統(tǒng)特征

目前，節(jié)能問題被人們廣為關注。近幾年，無論是大型、中型、小型辦公室內，都可看到變風量空調系統(tǒng)的應用，這種系統(tǒng)具備很多特征，其中包括控制靈活性好、舒適度高、節(jié)能潛力大等。該系統(tǒng)的市場潛力非常大，其關鍵設備就是末端裝置，末端裝置主要設置于頂棚上，維護與檢測難度相對較大。除此之外，為了充分體現(xiàn)該系統(tǒng)的經濟性與節(jié)能性，變風量空調系統(tǒng)的自動化程度非常高，這使空調系統(tǒng)故障的發(fā)生更為頻繁。變風量空調系統(tǒng)有著自身的特征，主要表現(xiàn)在五個方面：（1）變風量空調系統(tǒng)屬于全空氣空調系統(tǒng)，無冷凝水污染危害。（2）與定風系統(tǒng)相較，從初期投資上看，變風系統(tǒng)投資少，且具備良好的節(jié)能效果。就定風系統(tǒng)而言，室內送風量能夠以空調負荷變化為依據而產生變化，這表明送風量可以于室內轉移。（3）變風量空調系統(tǒng)能夠獨立控制所有空調區(qū)域，并且以空調區(qū)域為依據，對空氣濕度進行控制。（4）該系統(tǒng)因工作原理比較特殊，難以控制空氣濕度，必須采取輔助措施，達到控制空氣濕度的目的。（5）在負荷相同條件下，變風量空調系統(tǒng)所產生的噪聲相對較小。

2 變風量空調系統(tǒng)故障診斷方法

故障指的是系統(tǒng)在運行時，計算參數（或觀察參數）產生了偏差，簡單來說就是系統(tǒng)運行時出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象。故障診斷全稱為故障檢測與診斷，明確設備運行信息后，可及時找出系統(tǒng)產生故障的影響因素，明確故障產生的具體位置。故障檢測與診斷過程包括三個部分，分別為故障的檢測、診斷、辨識。通過故障檢測，可以了解系統(tǒng)有無故障?？照{系統(tǒng)的診斷有多種方法，主要包括以下兩種方式：

2.1 定量模型FDD法

定量模型FDD法需要將物理特征與原理綜合起來進行考慮，利用數學公式將系統(tǒng)輸出與輸入關系表現(xiàn)出來，定量模型可以將系統(tǒng)動態(tài)特性與靜態(tài)特性完全展示。通過數據的正常運行，能夠建立模型，并預測系統(tǒng)性能及其可能會產生的行為，了解系統(tǒng)實測值與預測值間的差，最后經故障檢測與殘差比較，判斷系統(tǒng)有無故障。若殘差在故障檢測閾值外，就表明系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。定量模型的建立包括四種方式，分別為參數估計法、奇偶空間法、卡曼濾波器法、物理原理法。對于已知參數，采用后兩種方法更好。不過就大部分系統(tǒng)而言，通常都是未知參數。

2.2 定性模型FDD法

定性物理模型是對系統(tǒng)行為進行描述的定性模型，它能夠描述系統(tǒng)的行為、因果、功能、結構，主要采用模擬物理系統(tǒng)行為與預測物理系統(tǒng)行為兩種方法。這種方法的推理方式比較靈活，便于及時對故障進行

分析。

3 變風量空調系統(tǒng)處理故障分析

3.1 系統(tǒng)故障檢測流程

在檢測與診斷故障過程中，首先要以以往的運行數據為依據，采用遺傳算法，對空調模型參數進行優(yōu)化，該檢測工作需要在系統(tǒng)處于離線狀態(tài)下完成。除此之外，還可調整部件模型參數，預測處理機組性能。在運行條件與輸入條件相同的情況下，通過計算系統(tǒng)實測值與預測值間的殘差，便于明確系統(tǒng)有無異常，最終通過故障分類器，將故障源找出。

要想使故障診斷準確度得到提升，在檢測故障過程中，還有很多注意事項，其中包括：（1）保證參數準確無誤。就大部分空調部件而言，可經測量獲取其模型輸入參數，其中包含新風流量、新風濕度、新風溫度、回風溫度、送風靜壓、送風溫度、冷凍水溫度、混合風溫度等?？照{傳感器精度較高，傳感器測量值可直接作為輸入參數。少部分模型參數難以經測量獲取，例如冷凍水流量與送風機流量就是如此，必須經計算才可得到。（2）無法避免誤差。利用參數對空氣處理機組故障進行檢測過程中，有很多不確定因素無法避免，這表明模型誤差必定會存在。不確定因素有兩種，分別為建模誤差、測量誤差。（3）閾值的選取。閾值選取與故障檢測誤報率、敏感度存在很大關聯(lián)，若閾值太大，系統(tǒng)可能無法檢測出小故障，出現(xiàn)故障漏報的情況，若閾值太小，可能會出現(xiàn)假警報的情況。本文涉及到的閾值有兩種，分別為故障診斷閾值、故障檢測閾值，參數自整定模型與故障檢測閾值在故障檢測過程中應用比較廣泛，專家規(guī)則與故障診斷閾值主要應用在尋找故障源上。

3.2 故障檢測閾值的獲取

在變風量空調系統(tǒng)故障診斷方法中，我們對FDD方法進行了介紹，了解到通過計算系統(tǒng)實測值與模型預測值間的殘差，比較基準值與殘差后如果殘差在正常范圍內，則表明系統(tǒng)不存在異常。若殘差不在正常范圍內，表明系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。在系統(tǒng)正常運行的條件下，其基準值實際上就是故障檢測閾值。選取閾值是一個非常重要的環(huán)節(jié)，其方法包括三種，分別為基于知識、基于統(tǒng)計、基于數學模型的方法。

3.3 末端裝置的檢測

在變風量空調系統(tǒng)中，控制末端裝置相對而言比較簡單，CUSUM控制圖可以實現(xiàn)對末端裝置故障的檢測，經運行數據可以了解到，當采樣間隔控制在幾分鐘內時，系統(tǒng)運行數據的自相關性表現(xiàn)得非常明顯，這提示CUSUM控制圖性能會逐漸降低。利用殘差CUSUM控制圖對末端裝置進行檢測，首選需將故障發(fā)生的原因找出，便于立刻采取措施維修或者將故障排除。

控制末端裝置的主要目的是使室內控制溫度維持在設定值，然而受到很多因素的影響，會導致系統(tǒng)出現(xiàn)異常，其中包括控制器故障、安裝錯誤、傳感器故障、設計不科學、設備故障等問題，均可能致使設備運行時產生偏差，CUSUM控制圖可以對異常偏移進行檢測，對其敏感性較高，不過它會受到數據自相關的影響，因此，在檢測過程中，必須考慮到數據自相關可能帶來的影響。

3.4 控制器硬故障

若系統(tǒng)出現(xiàn)了控制器硬故障，控制器難以得出準確風量設定值與風閥開度控制信號，實際需風量與引起送風量無法一致，系統(tǒng)設定值與空氣溫度間也會產生偏差。在建筑節(jié)能中，控制器硬故障會影響室內的舒適度，因此，一旦發(fā)現(xiàn)硬故障的存在后，要將其及時排除。

4 變風量空調系統(tǒng)診斷軟件

結構化查詢語言簡稱SQL，它在數據查詢、數據操縱、數據訪問、數據控制與數據定義中都有應用，具備效率高、綜合統(tǒng)一、功能強等特征，語言十分簡潔，處理功能非常強大，安全性較高。如果用戶需對任務頻繁干預，則可利用服務器將數據庫控制與存取任務完成。在用戶對數據進行讀取過程中，可向服務器申請，服務器以申請內容為依據，及時做出處理。通過結構化查詢語言，可以實現(xiàn)變風量空調系統(tǒng)的在線監(jiān)測，獲取數據流程圖。

4.1 獲取運行數據

診斷軟件需要獲取系統(tǒng)運行數據，編程語言為VB，通過AOD實現(xiàn)與結構化查詢語言服務器的連接，將自動獲取程序開發(fā)，便于獲取運行數據。

4.2 實現(xiàn)機組故障的在線檢測

機組診斷軟件與在線檢測均需要通過對參數進行設置后完整，如果模型預測值與系統(tǒng)實測值間殘差不在故障檢測閾值范圍內，則表明機組存在異常（故障）。

4.3 運行流程的自動生成

診斷軟件的使用可以將機組運行數據以圖形的方式展現(xiàn)出來，軟件能夠自動生成運行流程圖，便于在評估控制性能與原始設計中起到輔助作用，同時也有利于進一步研究、分析故障產生的原因。

4.4 故障報告

使用診斷軟件后，能夠自動生成系統(tǒng)故障報告，且會自動保存，故障報告中的內容非常詳細，其中包括故障出現(xiàn)的時間、結束時間、具體位置等內容，便于在維修與檢測過程中，將其余故障排除。

5 結語

隨著生活節(jié)奏的加快，人們對生活舒適度提出了更高要求，變風量空調系統(tǒng)設計也更為復雜，因此，在運行過程中，極易產生各種故障。為了確保設備的正常運行，必須及時對設備進行檢測，并診斷設備哪一環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題。本文首先分析了變風量空調系統(tǒng)的特征，然后對變風量空調系統(tǒng)空氣處理機組的故障檢測與診斷方法進行了詳細探討，有利于為日后空調系統(tǒng)故障的檢測提供依據。

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作者簡介：劉杰（1976-），男，浙江上虞人，浙江金盾風機股份有限公司暖通工程師。