空調(diào)系統(tǒng)在線故障檢測與診斷研究

吳偉

（大連冰山空調(diào)設備有限公司，遼寧大連，116600）

1 變風量空調(diào)系統(tǒng)

變風量空調(diào)系統(tǒng)是一種全空氣空調(diào)系統(tǒng)，通過將處理過的濕空氣送入空調(diào)區(qū)域，達到控制空調(diào)區(qū)域空氣溫度以及濕度的目的，其送風量的計算公式如下：

其中，totV 為送風量，ρ為空氣密度，inh為空調(diào)區(qū)域的空氣焓值，suph 為空調(diào)區(qū)域的送風焓值，qQ為空調(diào)區(qū)域總?cè)摵桑瑆Q為空調(diào)區(qū)域總顯負荷，c為空氣定壓比熱容，inT為空調(diào)區(qū)域空氣溫度，supT 為空調(diào)區(qū)域送風溫度。

由全空氣空調(diào)系統(tǒng)送風量的計算公式可知，當wQ 一定時，有兩種方法使inT不變：第一種方法為保持totV 恒定，改變supT ；第二種方法為保持supT 恒定，改變totV 。采用第一種方法的空調(diào)系統(tǒng)為定風量空調(diào)系統(tǒng)，而采用第二種方法的空調(diào)系統(tǒng)即為變風量空調(diào)系統(tǒng)。

1.1 變風量空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變風量空調(diào)系統(tǒng)由水系統(tǒng)和風系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

如圖1中所示，水系統(tǒng)采用四管雙回路形式，兩個回路分別為夏季工況與冬季工況所設計，各自有供水管道和回水管道。風系統(tǒng)由變風量空氣處理機組、空氣輸送管道等構(gòu)成，包括新風、回風、送風以及排風這四個主要功能系統(tǒng)。在空調(diào)系統(tǒng)工作時，首先通過送風系統(tǒng)將新風與部分回風送入空氣處理機組中進行熱濕交換以及除塵等流程，使其滿足空調(diào)系統(tǒng)預設標準；然后將這些空氣送入變風量末端，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的溫濕度調(diào)節(jié)功能；最后由回風機將空氣抽回，部分回風由排風系統(tǒng)送出戶外，部分回風則進入新一輪的循環(huán)。

1.2 變風量空調(diào)控制系統(tǒng)

圖1 變風量空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變風量空調(diào)系統(tǒng)包含了空調(diào)區(qū)域溫度、送風溫度控制、新風系量以及送風靜壓等多個控制回路。變風量空調(diào)控制系統(tǒng)的原理見圖2，其中mT 為空調(diào)區(qū)域溫度，spF為需求風量，mF為風閥開度。

變風量空調(diào)末端裝置是空調(diào)區(qū)域溫度控制回路中的關(guān)鍵設備，主要功能是對區(qū)域送風量、溫度等進行控制，有壓力相關(guān)型以及壓力無關(guān)型兩個類別。變風量空調(diào)末端裝置及其控制裝置示意圖如圖3所示。

采用壓力無關(guān)型末端裝置的空調(diào)區(qū)域溫度控制回路，由溫度控制器與風量控制器共同組成串級控制環(huán)路結(jié)構(gòu)。其中，溫度控制器根據(jù)溫度偏差，作為主控制器對風量控制器的值進行設置；而風量控制器作為副控制器，能夠通過控制末端裝置內(nèi)風閥開度來補償壓力變化，從而實現(xiàn)風量的控制。

圖2 變風量空調(diào)控制系統(tǒng)原理圖

圖3 變風量空調(diào)末端裝置及其控制裝置示意圖

2 變風量空調(diào)系統(tǒng)在線故障檢測與診斷

2.1 變風量空氣處理機組在線故障檢測與診斷

本文提出一種變風量空氣處理機組故障檢測與診斷的方法，具體流程如圖4所示。

圖4 變風量空氣處理機組在線故障檢測與診斷流程圖

如圖4所示，首先在離線狀態(tài)下通過遺傳算法對變風量空調(diào)系統(tǒng)各部件模型的參數(shù)進行優(yōu)化；然后在線對變風量空氣處理機組進行預測，計算并對比預測值與實際值的殘差，以此判斷有無故障的發(fā)生；最后，通過故障分類器來實現(xiàn)對故障源的分離及查找。

2.1.1 模型參數(shù)優(yōu)化

遺傳算法是由代表問題一個解集的初始群體開始對個體的適應度進行計算，然后通過遺傳算子實現(xiàn)個體的組合交叉和變異從而產(chǎn)生新種群，最終通過逐代演化得到末代種群中最優(yōu)個體，以此作為近似最優(yōu)解。遺傳算法具有簡單通用、全局并行搜索以及魯棒性強等諸多優(yōu)勢，因此本文采用遺傳算法來對模型參數(shù)進行優(yōu)化，模型參數(shù)的計算公式如下：

式中，δi+1為模型在i+ 1時刻的參數(shù)，δi為模型在i時刻的參數(shù)，ai為自整定系數(shù)，δref,i為模型的設計值。

模型預測值與實測值的殘差即目標函數(shù)：

其中，n為數(shù)據(jù)的數(shù)量；iE為預測值；iM 為實測值。

2.1.2 故障分類器設計

如前文所述，在本文所提出的方法中，故障源的分離及查找需要使用故障分類器。因此本文根據(jù)需要，基于專家規(guī)則設計了故障分類器，共有三種：第一個故障分類器主要負責溫度傳感器故障以及送風靜壓偏低故障的診斷；第二個故障分類器主要在送風溫度實測值與預測值殘差大于閾值的情況下，負責分離和尋找故障源；第三個故障分類器主要在送風溫度預測值與實測值殘差大于閾值時，用于尋找故障源。

故障分類器所需的專家規(guī)則閾值有：表冷器水閥開度反饋信號閾值vpε，送風流量測量誤差閾值fε，送風靜壓測量誤差閾值pε，送風溫度測量誤差閾值tε，冷凍水溫度測量誤差閾值twε，送風氣流經(jīng)送風機時的溫升fT?。

2.2 變風量空調(diào)末端裝置在線故障檢測與診斷

變風量空調(diào)末端裝置的控制原理相對簡單，本文采用CUSUM殘差控制圖來實現(xiàn)變風量空調(diào)末端裝置故障的檢測，其過程如下：（1）利用時序模型，對數(shù)據(jù)自相關(guān)性進行擬合；（2）對觀察值與時序模型預測值的殘差進行計算，以此消除數(shù)據(jù)自相關(guān)性。若時序模型正確，則殘差相互獨立；（3）利用CUSUM控制圖對殘差進行檢測。此外，變風量空調(diào)末端裝置故障源的分離和尋找，主要通過前文所設計的故障分類器來實現(xiàn)。

3 結(jié)語

本文通過借鑒并總結(jié)前人經(jīng)驗，對變風量空調(diào)系統(tǒng)的常見故障進行了分析探討，在此基礎(chǔ)上針對空氣處理機組與末端裝置提出了故障檢測與診斷的方法，有助于推進空調(diào)系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的發(fā)展。

[1]趙蕾,孟小忖.基于專家規(guī)則的空調(diào)系統(tǒng)在線故障檢測與診斷 [J].建筑科學 ,2010,26(04)：100-105+109.

[2]韓琦,魏東,曹勇.暖通空調(diào)系統(tǒng)故障檢測與診斷技術(shù)研究進展[J].暖通空調(diào),2014,44(03)：105-112.

[3]胡孟娣,王海濤,陳友明,陳永康,秦建英.變風量空調(diào)末端裝置故障檢測與診斷方法及應用研究[J].暖通空調(diào) ,2013,43(04)：72-75+17.