變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)智能控制技術(shù)和運用

耿啟龍

（青島賽維電子信息服務(wù)股份有限公司淄博分公司，山東 淄博255000）

市場化背景下，空調(diào)技術(shù)在辦公樓、演播大廳、大型商場、宴會廳等建筑內(nèi)得到普遍應(yīng)用?？照{(diào)智能控制系統(tǒng)是自動控制管理系統(tǒng)（BAS）的關(guān)鍵構(gòu)成，設(shè)計節(jié)能便捷的空調(diào)控制方案，滿足受眾的個性化需求，極具經(jīng)濟價值和社會效益。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是從單風(fēng)道定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)演變而來的，與定風(fēng)量空調(diào)方式相比，其有以下特點：第一，空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)量是可變的；第二，各空調(diào)區(qū)域末端的風(fēng)量是可變的。由于系統(tǒng)的室內(nèi)空氣質(zhì)量較好、空調(diào)區(qū)域溫度可控、低溫新風(fēng)冷卻節(jié)能等優(yōu)勢，在各類辦公區(qū)域得到廣泛應(yīng)用。但因為變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)對控制技術(shù)的依賴性較高，科學(xué)實現(xiàn)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制設(shè)計是該系統(tǒng)設(shè)計的重點，同時也是該系統(tǒng)是否成功的關(guān)鍵。

1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)智能控制技術(shù)概述

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)（Variable Air Volume Air-Conditioning System，VAV）是一種舒適性空調(diào)的全空氣系統(tǒng)，最先出現(xiàn)在上世紀60年代的美國。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果高，滿足了用戶的個性化需求，能使用變頻裝置對風(fēng)機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，在一定程度上減少了風(fēng)機能耗；其有室內(nèi)空氣品質(zhì)高、熱舒適性好、室內(nèi)濕度低等優(yōu)勢；能借助室外新風(fēng)自然冷卻，并開展低溫送風(fēng)[1]。但該系統(tǒng)在實現(xiàn)智能控制方面，經(jīng)歷了很長的一段過程，具體如下：

1.1 變風(fēng)量末端控制

在變風(fēng)量末端溫控區(qū)設(shè)置方面，每個變風(fēng)量末端需裝置控制器，通過溫控區(qū)內(nèi)的室內(nèi)溫控器進行控制?？刂破髯鳛榭刂葡到y(tǒng)的關(guān)鍵，通過比較定值與被調(diào)量，計算偏差值，并參考提前設(shè)定的控制規(guī)律，對風(fēng)閥進行調(diào)節(jié)，近似于給定值[2]。

1.2 系統(tǒng)風(fēng)量控制

在VAV系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)內(nèi)每個末端裝置都能正常運行，應(yīng)確保主風(fēng)道內(nèi)各點的靜壓高于其最低壓力。通常情況下，在主風(fēng)道壓力最低處安裝靜壓傳感器，便于更好地把握系統(tǒng)風(fēng)量的變化，并采用控制器對送風(fēng)機轉(zhuǎn)速進行調(diào)控，確保壓力能穩(wěn)定在最小壓力值的范圍內(nèi)，這種控制方法被稱為“定靜壓法”[3]。在變風(fēng)量控制系統(tǒng)中，空調(diào)器AHU的風(fēng)量控制是主要的控制內(nèi)容，一般情況下，通常使用變定靜壓法進行控制（見圖1）。按照各獨立分區(qū)的變風(fēng)量末端裝置控制器，得出中央監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，結(jié)合各區(qū)最大靜壓需求值進行設(shè)定，應(yīng)盡量設(shè)置得小些，直到末端裝置調(diào)節(jié)風(fēng)閥完全打開。在變定靜壓控制法的使用過程中，應(yīng)對測定點進行設(shè)置，因為靜壓設(shè)定值能結(jié)合數(shù)據(jù)進行重新設(shè)定，值得注意的是，應(yīng)設(shè)置在距離空調(diào)器出口大約1/3的主送風(fēng)管上。

圖1 變定靜壓法原理圖

2 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制的內(nèi)容與特點

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)與智能控制有密切關(guān)聯(lián)，各個房間的送風(fēng)量會隨著房間負荷的改變而改變，這對智能控制提出了更高的要求[4]。要想實現(xiàn)預(yù)期的節(jié)能效果，則應(yīng)依托智能控制來實現(xiàn)，其系統(tǒng)控制的內(nèi)容與特點如下：

2.1 變風(fēng)量系統(tǒng)控制的內(nèi)容

變風(fēng)量系統(tǒng)指的是通過自動調(diào)節(jié)來滿足室內(nèi)溫度濕度需求的一種方法，并不是通過送風(fēng)溫度的改變來實現(xiàn)的。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)主要是借助變速風(fēng)機、末端調(diào)節(jié)風(fēng)量等實現(xiàn)的，這是由多個控制端構(gòu)成的系統(tǒng)，能確保室內(nèi)溫度處于最佳狀態(tài)[5]。變風(fēng)量系統(tǒng)控制是一個動態(tài)化的過程，其主要是借助自動控制系統(tǒng)來實現(xiàn)室內(nèi)空氣的流通，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等。通過提高空調(diào)設(shè)備的效能比，對建筑物空調(diào)系統(tǒng)模式進行優(yōu)化，強化對其的自動控制運行管理，能最大限度提高其節(jié)能效果。

2.2 變風(fēng)量系統(tǒng)控制的特點

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)借助固定送風(fēng)溫度，調(diào)節(jié)送風(fēng)量，以此來滿足冷熱負荷的變化，風(fēng)量減少在一定程度上影響了風(fēng)機的功率能耗，起到了節(jié)能效果；能控制單個房間的溫度，防止出現(xiàn)過冷過熱的情況[6]。相較于定風(fēng)量，該系統(tǒng)在濕度控制方面存在明顯不足，但在一般要求方面并無差別。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是一種全空氣系統(tǒng)，能有效控制房屋內(nèi)部的環(huán)境，確?？諝饩鶆蚍植迹档退惋L(fēng)溫度，從而實現(xiàn)節(jié)能減耗的目標。在空調(diào)系統(tǒng)中，每個房間的負荷情況不盡相同，或者其設(shè)定值存在差異時，最方便的控制方法就是按照房間溫度與設(shè)定值間的差距，對末端裝置中的風(fēng)閥進行調(diào)節(jié)[7]。在這種情況下，某一房間溫度在符合要求值的情況下，因為其他房間風(fēng)量的變化，會引起末端裝置內(nèi)空氣壓力的變化，確保房間溫度處于最佳狀態(tài)。

3 智能控制技術(shù)在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

伴隨智能控制技術(shù)的日趨成熟，當前主要分為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、分級階梯控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)、專家控制系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)等[8]。本文側(cè)重介紹人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)和專家控制系統(tǒng)在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3.1 模糊控制

模糊控制主要是根據(jù)模糊集理論，采用模糊語言變量和邏輯推理的工具，依托既有知識經(jīng)驗，把直覺和決策結(jié)合起來的一種智能控制法。這主要是按照模糊理論進行設(shè)計的，并不需要參照數(shù)學(xué)模型，同時模糊算法能有效使用專家提供的模糊知識信息，從而解決建模不精確的過程[9]。近幾十年來，模糊控制和算法的應(yīng)用效果顯著，這是當前處理非線性不確定系統(tǒng)控制問題的主要方式?？傮w來看，模糊控制主要有以下特點：第一，能實現(xiàn)對非線性對象、不確定性對象的控制；第二，在被控對象特性參數(shù)的變化方面的干擾能力比較強；第三，在控制系統(tǒng)的干擾方面有很強的抑制能力。1974年，英國學(xué)者Mamdani最先在蒸汽機和鍋爐的控制方面使用模糊控制理論，效果明顯，這說明模糊控制已經(jīng)投入實踐應(yīng)用，體現(xiàn)了模糊控制器的高智能發(fā)展[10]。

3.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)指的是由大量神經(jīng)元處理單元連接成的網(wǎng)絡(luò)，復(fù)雜程度比較高，是一種非線性動力學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對人腦的模擬，體現(xiàn)了人腦的基本特點，在不精確的信息處理問題的應(yīng)用方面有很強的實用性。從本質(zhì)上看，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種代表，VAV空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性較高，便于靈活控制，但該系統(tǒng)需要精心調(diào)試，否則可能會出現(xiàn)噪聲大、節(jié)能效果差、氣流組織差等問題。該系統(tǒng)能否正常運轉(zhuǎn)，在一定程度上取決于控制系統(tǒng)，VAV空調(diào)系統(tǒng)的控制通常采用變靜壓變溫度法等進行控制（見圖2）。因為VAV空調(diào)系統(tǒng)是一種高度非線性系統(tǒng)，PID控制在復(fù)雜的環(huán)境內(nèi)，其控制效果比較差。所以，應(yīng)采用智能控制方法控制整個系統(tǒng)，這能有效解決控制回路所帶來的控制性能問題。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的使用，主要是聯(lián)合PID控制其風(fēng)量，效果明顯。

圖2 VAV空調(diào)機組變靜壓控制原理圖

3.3 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)包括知識庫、推理機兩個版塊，這是一種智能背景下的計算機程序系統(tǒng)。依托MAS的協(xié)作智能專家系統(tǒng)，能把MAS和專家系統(tǒng)結(jié)合起來，并聯(lián)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等人工智能技術(shù)，構(gòu)成一個優(yōu)勢互補的系統(tǒng)，對分布式中央空調(diào)系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，節(jié)能效果顯著（見圖3）。Agent有社會性、自主性和智能性等優(yōu)勢，實現(xiàn)對系統(tǒng)的全局控制，這有效解決了中央空調(diào)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制問題，在建構(gòu)子系統(tǒng)的反應(yīng)模塊時，使用常規(guī)的控制方法；針對建模難度大的子系統(tǒng)，借助集成模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等人工智能技術(shù)予以設(shè)計，確保對局部子系統(tǒng)的智能化控制，效果顯著。

圖3 MAS智能專家系統(tǒng)的模型建構(gòu)

4 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)智能控制技術(shù)應(yīng)用前景

20世紀80年代末期，我國在首批智能建筑中應(yīng)用了VAV系統(tǒng)，但因為在建設(shè)過程中存在的問題，未能發(fā)揮變風(fēng)量系統(tǒng)的優(yōu)勢，以失敗而告終。近些年來，設(shè)計人員又開始了變風(fēng)量系統(tǒng)的研究，究其原因，主要體現(xiàn)在以下方面：第一，當前國內(nèi)定風(fēng)量系統(tǒng)暴露出了許多問題，如定風(fēng)量系統(tǒng)擴建難度較大，未能滿足當前社會發(fā)展的需求；第二，變風(fēng)量系統(tǒng)的節(jié)能效果較好，所以人們想要使用變風(fēng)量系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能目標。因為建筑物中的空調(diào)系統(tǒng)能耗較大，所以節(jié)能在設(shè)備自動化中尤為重要。VAV系統(tǒng)因自身的節(jié)能、調(diào)控溫度的優(yōu)勢，在國外建筑中得到了廣泛應(yīng)用，同時也開始在國內(nèi)的智能建筑中應(yīng)用。相較于定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，其對相應(yīng)的冷量進行了控制，這是變風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)計最為科學(xué)的地方。同時，伴隨各房間送風(fēng)量的改變，系統(tǒng)總送風(fēng)量也出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，這在一定程度上節(jié)省了風(fēng)機轉(zhuǎn)速的能耗。在定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中，溫度傳感器是可控的，一般情況下，一個空調(diào)系統(tǒng)受一個參數(shù)控制。另外，在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中，每個房間的溫度都是通過其末端裝置控制的，靈活方便，能把不同溫度、不同朝向要求的房間放置在同一個空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)，這在改擴建中十分實用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大多使用電機恒速運轉(zhuǎn)，通過關(guān)閉風(fēng)閥降低風(fēng)機的荷載量，從而對其風(fēng)量進行控制。在這個環(huán)節(jié)，電機軸功率和風(fēng)量呈正相關(guān)。該方法的優(yōu)勢在于初期投資少、便于控制，使其在工業(yè)生產(chǎn)中得到了普遍使用，但其缺點在于風(fēng)機設(shè)備運行效果較差，未能實現(xiàn)預(yù)期的節(jié)能減耗目標。相較于風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢相對明顯，但我們至今尚未普及該系統(tǒng)的應(yīng)用，除了施工、技術(shù)觀念和設(shè)計等方面的因素外，最關(guān)鍵的在于設(shè)備國產(chǎn)化率較低。VAV系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備包括變頻器、變風(fēng)量末端裝置等，這些均依賴于進口，其價格昂貴，正是在這種背景下，提出了智能控制理論。整體來看，VAV空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣闊，極具經(jīng)濟價值和社會效益。

綜上所述，在當前背景下，智能建筑已是時代發(fā)展的必然趨勢，這體現(xiàn)了人們對建筑物的功能要求，能實現(xiàn)節(jié)能減耗的目標，有助于綠色環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。本文通過分析人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和模糊控制等技術(shù)在變風(fēng)量空調(diào)中的應(yīng)用，指出智能控制技術(shù)是未來建筑發(fā)展的主要方向，有助于更好地實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的效果。