變風量空調系統(tǒng)及智能控制技術的引入

趙鵬 孟凡光

【摘要】變風量空調系統(tǒng)通過調節(jié)送風量來控制空調區(qū)域溫度的一種比較先進的空調系統(tǒng)。由于特殊的硬件設備結構，其控制方式與傳統(tǒng)的以調節(jié)送風溫度的空調系統(tǒng)有所區(qū)別。本文著重分析了變風量空調存在的控制問題，并進行了空調系統(tǒng)的特點分析，論證了在變風量控制系統(tǒng)中引入智能方法的必要性，并簡要介紹了常見的空調智能控制方法。

【關鍵詞】變風量；空調系統(tǒng)；智能控制；神經網(wǎng)絡

空調系統(tǒng)是建筑重要組成部分，其能耗占整個建筑能耗的60%-70%，由于空調系統(tǒng)具有大滯后、大慣性、非線性特性，所以常規(guī)控制方法，有一定的局限性，使系統(tǒng)供給的能量與負載所需能量不匹配，能量供求不平衡，浪費大量電能。變風量空調的出現(xiàn)很大程度上解決了能源節(jié)約問題。

變風量空調系統(tǒng)是通過改變送風量，而不是改變送風溫度來調節(jié)和控制某一空調區(qū)域溫度的一種空調系統(tǒng)[1]。隨著科學技術的不斷發(fā)展，空調技術也不斷進行設備改進。傳統(tǒng)的空調系統(tǒng)是通過調節(jié)送風溫度來進行控制區(qū)域溫度的，因此，傳統(tǒng)的空調控制器需要安裝在房間里。而變風量控制則采用專用的變風量末端設備進行送風量的控制。這樣設計的目的是可以避免冷熱抵消，降低能量消耗。另一方面，由于空調風量可以根據(jù)制冷或者制熱負荷進行一個合理設置，根據(jù)負荷變化而調節(jié)風量，從這一角度講可以提高風機的節(jié)能運行狀態(tài)。相比較傳統(tǒng)的通過調節(jié)送風溫度調節(jié)室溫的方法，其風量是固定不變的，無論負荷如何變化，其風量始終是處于一個較高負荷狀態(tài)下，因此，大量的實際工程運行數(shù)據(jù)表明，變風量與傳統(tǒng)的定風量系統(tǒng)相比可以大大降低能耗。

1.變風量空調系統(tǒng)的控制及存在問題

空調裝置設備的容量一般是通過計算設計負荷確定的，設定之后不再變化。實際上，在不同季節(jié)或者不同時段，空調系統(tǒng)并不需要經常處于設計負荷狀態(tài)。如果可以根據(jù)實際的運行情況調節(jié)負荷狀態(tài)是可以進行節(jié)能的?？照{自動控制的任務是在最大限度節(jié)能和安全生產的條件下，自動調節(jié)各種裝置的實際輸出量與實際負荷，使它們相適應，以滿足生產工藝和人們在工作和生活中對空氣參數(shù)（溫度、濕度、壓力以及清新度等）的要求[2]。因此，變風量空調系統(tǒng)并不是一種全新的問題調節(jié)方式，只是在空調設備上進行改造，使傳統(tǒng)的定風量改造為根據(jù)實際情況變化的變風量。由于進行溫度控制的空調系統(tǒng)本身具有較大的大滯后、非線性、濕度和溫度耦合的復雜特性，基于變風量空調系統(tǒng)的自動控制方法很少有成功的應用。

由于變風量空調系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的定風量控制系統(tǒng)，無論是執(zhí)行機構還是控制方法都有所區(qū)別[3]。為了最大限度地節(jié)約能源，變風量空調控制系統(tǒng)通過采集監(jiān)測房間的實際溫度，判斷實際溫度與設定值之間的偏差，不斷調節(jié)變風量末端箱的風閥開度，從而改變送風量的大小，最終使得房間溫度被控制在理想的設定值附近?？梢栽诶滹L風道設置電動調節(jié)風門，根據(jù)溫度偏差進行冷風風門開度的調節(jié)。當室內溫度偏高使，通過檢測信號判斷應該加大冷風風門開度，加大送入房間的冷風量，使室內溫度下降到預先設定好的理想溫度。為了保證室內空氣質量，還需要對新風進行控制。這一控制可以通過在新風管道上設置送風溫度傳感器，通過檢測送風溫度和室外溫度，從而決定混風閥門的開度大小。如果房間溫度較高，則可以減少混風閥門開度，從而保證房間的新風溫度被控制在一定范圍內[4]。另一方面，風機的啟?？刂埔部梢蕴岣呖照{系統(tǒng)的節(jié)能效果。設置臨時或者永久設定是最簡單的方法。實際上，可以根據(jù)不同的假期或者不同季節(jié)，設置合適的風機啟停時間表。

可以看出，變風量空調系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，但控制系統(tǒng)的設計很復雜。變風量空調系統(tǒng)的控制方法大部分仍采用傳統(tǒng)的PID控制。如果房間處于比較恒定的環(huán)境之下，房間溫度控制系統(tǒng)特性變化不大，這種情況下PID的控制可以取得較好的效果。但實際上房間環(huán)境不可能恒定不變，例如春夏秋冬四季對空調的風量要求不盡相同，變風量空調系統(tǒng)是一個大滯后、高度非線性、多變量耦合的復雜過程，采用傳統(tǒng)的PID控制方法很難獲得較好的溫度控制。在空調控制過程中，經常會出現(xiàn)各種隨機干擾，而PID算法對干擾較為敏感，容易產生積分飽和。如果自動控制器中的控制參數(shù)設置不當，有可能使系統(tǒng)產生震蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制器使整個溫度控制過程產生更多的過程噪聲。例如積分項、比例項參數(shù)設置不當會使得控制系統(tǒng)產生較大波動。

2、在變風量空調系統(tǒng)引入智能控制策略

隨著在技術上日益成熟，特別是計算機工業(yè)的發(fā)展，使先進的控制方法引入到空調控制系統(tǒng)成為可能及趨勢。傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)的理論得到極大發(fā)展，具有自適應能力，并走向智能控制的方向。將智能技術引入到空調控制系統(tǒng)中不僅推動了空調自動控制系統(tǒng)的發(fā)展和完善，而且可以進行智能技術的應用研究。由于空調控制系統(tǒng)很難用精確的數(shù)學模型進行描述，采用傳統(tǒng)的控制技術很難獲得較好的控制。而空調智能控制系統(tǒng)擅長處理具有變化環(huán)境、復雜控制目標的過程控制，并具有一定的智能行為，能夠有效處理復雜過程的非線性映射。具體說，空調智能控制系統(tǒng)對于設定的溫度，溫度控制器具有一定的智能行為，能夠找到合適的風量。溫度與風量之間的關系不能用數(shù)學的方法精確的加以描述，因此，空調智能控制系統(tǒng)實際上是一種不依賴于模型的自適應估計。智能技術相比較于傳統(tǒng)的經典控制理論，智能控制技術更擅長處理復雜環(huán)境下的非線性映射問題，智能控制是針對系統(tǒng)的復雜性、非線性、不確定性而提出來的。

將智能控制技術引入到變風量空調系統(tǒng)中，首先要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。才能對系統(tǒng)中的溫濕度、風系統(tǒng)和水系統(tǒng)的流量、壓力等按照一定的控制策略進行控制。首先要滿足系統(tǒng)負荷，實現(xiàn)空調系統(tǒng)健康、節(jié)能的運行。由于智能空調控制系統(tǒng)設計理念是使空調系統(tǒng)的負荷隨變化的外界環(huán)境與室內溫度變化而變化，這種設計方式可以使空調系統(tǒng)工作在最佳工況下運行，設定的溫度環(huán)境同時也使得空調負荷的變化而變化，進而實現(xiàn)節(jié)能控制。另外，空調系統(tǒng)具有多變量耦合關系，一旦溫度的設定點發(fā)生變化，空調系統(tǒng)的變量之間會由于相互影響而增加系統(tǒng)的控制難度，因此，變風量空調系統(tǒng)具有較高的自動化控制要求，這也促進了智能控制技術需要被引入到變風量空調系統(tǒng)的控制中來，對變風量空調系統(tǒng)進行優(yōu)化控制和管理，尋找最佳的運行模式，以便能夠更好的滿足人們對空調系統(tǒng)的要求，這在實際變風量空調系統(tǒng)設計中具有十分重要的現(xiàn)實意義。

在空調智能控制系統(tǒng)中引入的較為成熟的智能技術為模糊控制、專家推理系統(tǒng)、人工神經網(wǎng)絡、遺傳算法等方法。模糊控制是借鑒操作員的成功控制經驗，并規(guī)則化，從而實現(xiàn)空調的模糊控制，這一方法不需要建立精確的數(shù)學模型，并具有較強的魯棒性，控制院里符合人們對過程控制作用的直觀描述和思維邏輯[6]；而基于神經網(wǎng)絡的空調控制器，其控制問題本質上是一類模式識別問題[5]。另外一個思路是采用啟發(fā)式全局尋優(yōu)的群優(yōu)化算法，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的能耗尋優(yōu)以獲得較好的節(jié)能效果。另外，針對變風量空調系統(tǒng)下位機設定點變動時，整個系統(tǒng)完全達到穩(wěn)態(tài)時間過長，且各子系統(tǒng)易出現(xiàn)超調的問題，可以考慮采用迭代學習控制（ILC）的設定值序列優(yōu)化方法，利用迭代學習期望軌跡改善空調子系統(tǒng)的動態(tài)特性。如果適當?shù)奶岣呃鋬鏊隹跍囟?，降低冷卻水的出口溫度，并采用智能調節(jié)方法對多臺制冷機和水泵的啟動順序合理調配，采用BP網(wǎng)絡預測最小預熱（冷）期和最長提前停機時間，對制冷壓縮機進行最優(yōu)啟?？刂啤榱颂岣呷梭w熱舒適度、節(jié)約能源，研究基于熱舒適度的節(jié)能型空調控制算法。以熱舒適度算法為系統(tǒng)核心，通過算法得到PMV值，根據(jù)PMV值給出了自適應調節(jié)的控制，實現(xiàn)系統(tǒng)需要的自適應熱舒適度的目標要求，調整算法參數(shù)以達到最佳效果。也有人提出采用回歸正交試驗的方法，得出空調系統(tǒng)耗電與其主要影響因素參數(shù)之間的函數(shù)關系，可以通過優(yōu)化計算出最佳的空調系統(tǒng)運行參數(shù)。

3.結論

本文介紹了變風量空調概念，并分析了變風量自動控制系統(tǒng)存在的問題，通過分析變風量空調系統(tǒng)的特點，論證了在空調控制系統(tǒng)中引入智能技術的必要性，簡要介紹了常見的空調智能控制理論。

參考文獻

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