某型船用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量控制方法研究

李徐嘉 李志海

摘? 要：船用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是船用空調(diào)的發(fā)展趨勢和方向，其核心在于對船用空調(diào)的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)配和控制。本研究基于某型船用空調(diào)系統(tǒng)，對其傳統(tǒng)總風(fēng)量控制技術(shù)行優(yōu)化，采用一種帶補(bǔ)償修訂的變風(fēng)量系統(tǒng)控制總風(fēng)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法對風(fēng)量控制更加精準(zhǔn)，也使整個空調(diào)系統(tǒng)更加節(jié)能。

關(guān)鍵詞：空調(diào);變風(fēng)量;控制;優(yōu)化

中圖分類號：U664.86? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： The marine VAV air conditioning system is the future development trend and direction of marine air conditioning， and its core is to allocate and control the air volume of marine air conditioning system. In this paper， based on a certain type of marine VAV air conditioning device， the traditional total air volume control technology strategy is optimized and improved， and a total air volume control method with compensation revision is adopted. The experimental results prove that the method is more accurate for air volume control and makes the whole air conditioning system more energy-saving.

Key words：Air conditioner;Variable air volume（VAV）;Control; Optimization

1 前言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，人們越來越意識到海洋的重要性，對海洋的探索和利用成為了各國重點(diǎn)發(fā)展和研究的方向，也是國際政治、經(jīng)濟(jì)、軍事的重要舞臺。從二次世界大戰(zhàn)開始，海軍逐漸成為最重要的力量甚至是決勝力量;而在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，海運(yùn)承擔(dān)了全球絕大多數(shù)貨運(yùn)任務(wù)。艦船作為海上最重要的載體，對一個國家的戰(zhàn)略作用凸顯，成為維護(hù)國家安全和利益的重要工具。

艦船艙室空間內(nèi)環(huán)境的好壞，對船員的身心健康及工作效率會產(chǎn)生直接的影響。適宜的艙室環(huán)境不僅可以使船員保持良好的精神狀態(tài)，保證高效工作，還能有效防止呼吸道疾病的發(fā)生，因此提高船舶空調(diào)舒適性的技術(shù)越來越受到重視和關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，萬噸級以上船舶的空調(diào)系統(tǒng)耗電功率約占船舶電網(wǎng)總能量的 20%，是船舶主要的耗能裝置之一。如何提高船舶空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率、降低運(yùn)行能耗，已成為船舶節(jié)能的一個重要研究方向。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是通過改變送入房間的風(fēng)量來滿足室內(nèi)負(fù)荷變化的空調(diào)系統(tǒng)，類似于家用的變頻空調(diào)，能有效改善艙室舒適性。另外，由于空調(diào)系統(tǒng)大部分時間是在部分負(fù)荷下運(yùn)行的，所以風(fēng)量的減少也帶來了風(fēng)機(jī)能耗的減少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的節(jié)能。據(jù)統(tǒng)計，變風(fēng)量系統(tǒng)相對于定風(fēng)量系統(tǒng)可以節(jié)能 30%～50%。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是全空氣空調(diào)系統(tǒng)的一種方式，它是隨著空調(diào)的舒適性與節(jié)能要求而發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制方法包括：總風(fēng)量控制方法、定靜壓控制方法、變靜壓控制方法?？傦L(fēng)量控制方法的原理，是將各個變風(fēng)量末端（VAV）計算需求風(fēng)量反饋給集中式空調(diào)器（AHU），空調(diào)器根據(jù)離心風(fēng)機(jī)相似定律，在空調(diào)管道系統(tǒng)阻力系數(shù)不發(fā)生變化時，自動變頻提供變風(fēng)量末端需要的總風(fēng)量。

2 傳統(tǒng)總風(fēng)量控制方法

某船原采用傳統(tǒng)總風(fēng)量控制方法，系統(tǒng)隨機(jī)設(shè)定房間溫度，自動運(yùn)行。系統(tǒng)穩(wěn)定后，監(jiān)控參數(shù)如表1所示：。

從表1可以看出：

（1）AHU總送風(fēng)量與需求總風(fēng)量偏差-7.4%，不滿足±5%的要求;

（2）穩(wěn)定后VAV風(fēng)量精度不滿足±5%的數(shù)量達(dá)到4個，且最高偏差值高達(dá)-34.5%，風(fēng)量嚴(yán)重不足。

2.1 基本原理

傳統(tǒng)總風(fēng)量控制法的基本原理，是建立系統(tǒng)設(shè)定風(fēng)量與風(fēng)機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系，用各變風(fēng)量末端裝置需求風(fēng)量求和值作為系統(tǒng)設(shè)定總風(fēng)量，直接求得風(fēng)機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速。

通過所有末端閥位全開（此時可認(rèn)為是定風(fēng)量系統(tǒng)），改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，得到一系列系統(tǒng)總風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系（見圖1），可近似的當(dāng)成正比關(guān)系。根據(jù)這一正比關(guān)系，可以知道在設(shè)計工況下有一個設(shè)計風(fēng)量和和對應(yīng)的設(shè)計風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。雖然設(shè)計工況和實(shí)際運(yùn)行工況下系統(tǒng)阻力有所變化，但可將其近似表示為：

式中：Ns、Nd——分別為風(fēng)機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速，r/min;

Gs、Gd——分別為風(fēng)機(jī)的設(shè)定風(fēng)量和最大風(fēng)量，m/h3。

2.2控制方案

由于末端裝置閥門時刻在變化，風(fēng)管的阻力曲線也隨時在變化，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也在Nmin至Nmax之間變化，從而變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中的工作點(diǎn)全部落入圖3所示的區(qū)域內(nèi)。

如果所有末端區(qū)域要求的風(fēng)量都是按同一比例變化的，則上述關(guān)系式就足以用來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速了。但事實(shí)上在運(yùn)行時幾乎不可能出現(xiàn)這種情況，因此我們以管路系統(tǒng)阻力最?。┒碎y門全開）的情況為基礎(chǔ)，對其他的工況進(jìn)行近似修正（其他工況下的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速均應(yīng)比閥門最大的情況高）。如圖4所示：

通過對K1曲線的修正（改變斜率），可以得到K2、K3……Kn曲線，變風(fēng)量系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)管路阻力特性曲線與風(fēng)機(jī)特性曲線的交點(diǎn)剛好落到這些曲線上，可得

式中：Ns、Nd——分別為風(fēng)機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速，r/min;

Gs、Gd——分別為風(fēng)機(jī)的設(shè)定風(fēng)量和最大風(fēng)量，m/h3。

——綜合修正系數(shù)。

考慮到各末端風(fēng)量要求的不均衡性，適當(dāng)增加一個修正系數(shù)就可簡單地實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變頻控制。為此，我們先給每個末端定義一個相對設(shè)定風(fēng)量R：

顯然，由于各個末端要求風(fēng)量的差異而使各末端的相對設(shè)定風(fēng)量不一致，這種不一致的程度，可以用誤差理論中的均方差σ來反映：

按上述轉(zhuǎn)速計算方式（6），就可實(shí)時地根據(jù)末端設(shè)定風(fēng)量的變化對風(fēng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。當(dāng)各VAVbox的需求風(fēng)量一致時，說明各個末端的趨勢趨于一致，此時計算的σ為0，修正系數(shù)則為1。故AHU轉(zhuǎn)速是在對應(yīng)閥門開度最大的情況下的轉(zhuǎn)速，這是出于節(jié)能的考慮，使VAVbox末端閥門的開度盡量往最大開度方向調(diào)節(jié)。

傳統(tǒng)總風(fēng)量控制方法，對送風(fēng)機(jī)頻率Fs只按風(fēng)機(jī)相似定律進(jìn)行粗略控制，計算公式如下：

空調(diào)系統(tǒng)總風(fēng)量控制流程框圖，如圖2所示：

2.3 存在的問題

從圖2可以看出：傳統(tǒng)控制方法只有前饋控制，沒有閉環(huán)反饋修正控制，若直接應(yīng)用于船舶舒適性空調(diào)，必然存在如下問題：

（1）風(fēng)量控制精度不夠

傳統(tǒng)控制方法只考慮了末端總需求風(fēng)量的變化，忽略了個體房間的送風(fēng)量，而實(shí)際系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會出現(xiàn)管道阻力不平衡、管道漏風(fēng)等因素，導(dǎo)致部分房間末端送風(fēng)量不足控制精度差的問題;

（2）節(jié)能性不夠

送風(fēng)機(jī)頻率只按風(fēng)機(jī)相似定律進(jìn)行粗略控制，而實(shí)際在運(yùn)行過程中送風(fēng)機(jī)控制頻率往往過大，導(dǎo)致末端風(fēng)閥關(guān)閉過小，帶來房間節(jié)流噪聲，降低了人員的舒適性。因此，傳統(tǒng)控制方法不具備最佳節(jié)能性。

3 變風(fēng)量控制方法

通過理論分析及多組試驗(yàn)結(jié)果來看，傳統(tǒng)總風(fēng)量控制方法缺少對個體末端狀態(tài)的監(jiān)控，直接導(dǎo)致系統(tǒng)控制的異常。為此，擬采用一種實(shí)時補(bǔ)償修訂頻率的變風(fēng)量控制方法，該方法既判斷所有末端狀態(tài)，自動調(diào)整送風(fēng)機(jī)頻率，保證末端滿足風(fēng)量要求，又可實(shí)時判斷自動調(diào)小頻率節(jié)能運(yùn)行。

變風(fēng)量控制方法的風(fēng)機(jī)頻率計算公式如下：

帶反饋補(bǔ)償?shù)淖冿L(fēng)量系統(tǒng)總風(fēng)量控制流程，如圖5所示：

變風(fēng)量控制方法與傳統(tǒng)控制方法的最大區(qū)別，在于增加了頻率補(bǔ)償因子ΔF 。

完整實(shí)施過程如下：

（1）艙室變風(fēng)量末端根據(jù)室內(nèi)設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的差值，計算末端需求風(fēng)量值，再根據(jù)當(dāng)前風(fēng)量與需求風(fēng)量的差值，調(diào)節(jié)末端閥門開度，采用串級PI控制，使房間需求風(fēng)量等于實(shí)際風(fēng)量;

（2）AHU與VAV之間通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通訊連接，AHU讀取各末端的需求風(fēng)量進(jìn)行求和，按周期△T（取值范圍3～15min）計算需求頻率Fs;

（3）AHU按周期△T（取值范圍0.1～30min）讀取各末端的需求風(fēng)量、實(shí)際風(fēng)量、閥位開度，并進(jìn)行程序運(yùn)算得出補(bǔ)償頻率ΔF，從而得出最終輸出頻率Fs=Fs+△F，最終輸出頻率Fs按△T周期計算輸出;

（4）△F按周期性△T計算，控制思路如下：

（A）當(dāng)檢測有N1個（取值范圍：1～0.2倍系統(tǒng)末端數(shù)量）末端風(fēng)閥開到較大開度X1%（取值范圍：75%～100%）時，實(shí)際送風(fēng)量仍不足，則需微調(diào)增加送風(fēng)機(jī)頻率幅度為A（取值范圍0.5 Hz～5Hz），直至送風(fēng)機(jī)頻率上限;

（B）當(dāng)檢測N2個（取值范圍：75%～100%系統(tǒng)末端個數(shù)）末端的實(shí)際送風(fēng)量Qa與需求風(fēng)量Qd的偏差值，滿足（1-Qa/Qd）*100%

（C）當(dāng)檢測不滿足上述（A）、（B）條件時，ΔF可保持不變，或以少數(shù)服從多數(shù)原則輸出變化值ΔF。

4 變風(fēng)量控制方法應(yīng)用效果

變風(fēng)量控制系統(tǒng)自動運(yùn)行后，監(jiān)控參數(shù)見表2，監(jiān)控曲線見圖6。

從上述圖、表可以看出，變風(fēng)量控制方法相比傳統(tǒng)控制方法，具有明顯的精度優(yōu)勢：

（1）所有艙室VAV風(fēng)量控制精度，及總風(fēng)量控制精度均在±5%以內(nèi);

（2）相較于傳統(tǒng)控制方法，變風(fēng)量控制方法僅有1個房間（VAV8）的風(fēng)閥開度達(dá)到了100%，說明送風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最佳頻率。既保證VAV末端風(fēng)量滿足控制精度要求，又控制了送風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率不會過高，具有良好的節(jié)能性。

5 小結(jié)

（1）變風(fēng)量控制方法中的頻率補(bǔ)償因子ΔF，考慮了末端個體的運(yùn)行狀態(tài)，既提高了末端風(fēng)量控制精度，使絕大多數(shù)末端滿足風(fēng)量需求，同時系統(tǒng)會自適應(yīng)運(yùn)行在最佳頻率，具有顯著節(jié)能效果;

（2）變風(fēng)量控制方法是基于船用變風(fēng)量平臺的一次理論聯(lián)系實(shí)際的成功驗(yàn)證，對變風(fēng)量空調(diào)的實(shí)船應(yīng)用提供了有效的工程示范。

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