風機盤管占空比模糊控制試驗研究

趙天怡,馬良棟,張吉禮

(大連理工大學建設工程學部土木工程學院,遼寧大連116024)

風機盤管為中國中央空調系統的主要末端設備,使用場合廣泛覆蓋賓館類與辦公類建筑。文獻表明[1],截止到2005年中國風機盤管年銷量已超過200萬臺。從1972年中國開始研制風機盤管至今,諸多科研人員與工程師在開發新型產品[2-4]、優化設計方法[5-6]、熱力特性建模與測試[7-8]、能耗計量[9-10]、風機盤管空調房間空氣品質與熱舒適性[11-15]等方面進行了大量有實用價值的改進與研究。

單臺風機盤管的功率雖然不高,但其使用時間長、數量多,為建筑機電設備耗能系統的重要組成。風機盤管的運行調節與優化控制不僅可提高用戶的空調精度以改善室內熱舒適性,又是中央空調系統乃至建筑節能的重要實施手段。陳向陽[16]針對建筑周邊區風機盤管的控制問題,提出了基于外圍護結構負荷控制方法,并將輻射溫度傳感器引入風機盤管的控制應用中。Ke[17]通過試驗對比了定風量(CAV)與變風量(VAV)風機盤管的運行特性,結果表明了變風量風機盤管的節能性。Ke[18]綜合考慮節能效果與室內空氣品質,提出了一類水側低溫差的風機盤管控制方法。一些學者也嘗試將模糊控制方法與風機盤管的節能控制結合,江志斌等[19]借助模糊邏輯通過室溫調節風機盤管的風速與電磁三通閥的旁通比,并研發了模糊控制器。Ghiaus[20]基于if-then的模糊規則形式,利用T-S模糊模型描述了風機盤管的運行特性并提出了以該模型為參考的控制方法,研究比較了模糊控制方法與PID控制的應用情況,結果表明了模糊控制方法在提高空調房間熱舒適性與節能上的優勢。

相比于風機盤管領域的其他方面,風機盤管的優化控制研究相對進展緩慢,尤其針對目前中國應用形式最廣泛的雙管式、風機三檔調速、電動水閥通斷控制的風機盤管系統(如圖1所示),絕大多數的溫控器或風機盤管獨立控制器通過室內掛墻模塊讀取工作模式(冬季或夏季)、房間溫度、房間溫度設定值、風機檔位狀態(手動或自動),根據圖2的控制策略控制風機檔位與電動水閥通斷。

圖1 風機盤管控制點示意圖

圖2 風機盤管控制策略示意圖

圖2中,T RMSPTH與T RMSPTC分別為冬季模式與夏季模式的室溫設定值。以夏季工況為例,當室溫低于TRMSPTC時,水閥關閉,室溫高于 TRMSPTC時,水閥開啟。當室溫介于 T RMSPTC與 T RMSPTC+ΔT1間時,風機低檔運行;當室溫介于 TRMSPTC+ΔT1與 TRMSPTC+ΔT 2間時,風機中檔運行;當室溫高于 T RMSPTC+ΔT2時,風機高檔運行。冬季模式類似。

以上的運行策略被大多數風機盤管系統所采用,且能夠達到一定的控制效果,該文稱之為傳統控制方法。傳統控制方法需改進的方面有:

1)傳統方法在多數工況下水閥處于開啟狀態,若可利用水閥關閉狀態下盤管的冷卻除濕能力,可適當增加水閥關閉的時間,對于整個風機盤管系統而言,若合理安排好每臺盤管的水閥關閉時段,可節省一定的冷凍水量繼而降低水泵電耗;

2)可將水閥的控制模式由傳統方法的數字量控制模式轉化為占空比(定義為水閥開啟時間與控制周期之比)控制模式,將數字控制信號轉化為模擬信號,從而便于將智能控制理論(如模糊控制)引入至風機盤管的控制方法中;

3)在風機自動模式下,傳統方法的風檔控制參照室溫偏差進行調節,并未考慮到室溫偏差變化的因素,對應圖2的控制策略,風檔易發生頻繁變換或室溫控制效果不理想的情況。

4)環境溫度在高于設定值1～2℃的范圍內波動有利于人體熱舒適性,因此風機盤管控制無需苛求室溫一定嚴格地被控制在設定值的水平上。即可消耗更小的供冷量達到用戶的熱環境需求,這說明傳統的控制方法具備一定的節能改進空間。

為此,該文將占空比的概念引入風機盤管控制中,提出一類新的風機盤管控制方法即占空比模糊控制方法。

1 風機盤管占空比模糊控制方法

以圖1所示的風機盤管形式為例說明。引入占空比R ON的概念。即在特定的控制周期T CYC內,設水閥的開啟時間為 TON,則RON=TON/TCYC。設當前室溫與室溫設定值的偏差為eT,室溫偏差變化為ecT(當前室溫偏差與上一時刻室溫偏差之差)。控制方法即參照eT與ecT同時控制R ON與風機檔位,如圖3所示。圖中FS表示風機檔位狀態,以風機自動模式為例說明,當室溫低于設定值時,RON取0(即在該控制周期內水閥關閉),風機檔位為低檔;當室溫處于T RMSPT與T RMSPT+ΔT間時(如圖3陰影區域所示),根據eT與ecT,通過模糊邏輯Fuzzy_Logic1與Fuzzy_Logic2推理得到風機檔位與R ON的輸出值。模糊規則表如表1所示;當室溫高于TRMSPT+ΔT時,R ON取1,風機檔位為高檔。

表1中,u代表R ON或FS的模糊推理值,eT、ecT、u的模糊論域取[-2,2],在e與ec的論域上劃分為“負大”、“負小” 、“零” 、“正小” 、“正大” 共5 個模糊等級,分別用NB,NS,ZE,PS,PB表示,其隸屬函數如圖4所示,模糊推理方法為作用模糊子集推理方法[21]。占空比的實際論域為[0,1],求得u之后可直接反模糊化;FS的反模糊化參考u的范圍而確定:當u小于0.5時,FS為低檔;當u介于0.5與1.5間 時,FS為中檔;當u大于1.5時,FS為高檔。

圖3 風機盤管模糊控制方法示意圖

圖4 隸屬函數

以自動模式為例,風機盤管占空比模糊控制方法的執行流程如圖5所示。圖中,TRMS為上一時刻的室溫采樣值,除了執行圖3所示的控制策略之外,考慮到室內負荷突然升高對室溫控制的影響,方法實時監測室溫變化情況:若TRM持續高于TRMSPT+ΔT達30 s或T RM持續高于T RMS+ΔT 1達30 s,風檔自動調至高檔,水閥占空比調整為1。方法涉及的各類參數說明列于表2。

表1 占空比與風機檔位模糊控制規則表

圖5 風機盤管占空比模糊控制方法執行流程

表2 風機盤管占空比模糊控制方法參數信息

續表2

2 試驗研究

2.1 試驗原理

試驗采用大連理工大學變流量空調系統集成控制試驗臺中的風機盤管系統完成,空調系統原理圖如圖6所示。圖6中,系統冷源為一臺風冷熱泵;V1～V6為電動兩通閥;V1～V6為連續調節閥;Tw1～Tw8為水溫傳感器;FCU1～FCU6為風機盤管,試驗以FCU6為對象研究提出的控制方法,FCU6的空調房間建筑面積約10m2,房間內均布5個電熱爐,利用調壓器調節電熱爐的加熱量以模擬房間內熱源負荷變化。控制器采用Honeywell XL-100型可編程控制器,控制算法采用 Honeywell Care7.0軟件編寫,控制系統原理圖如圖7所示。試驗臺主要設備照片如圖8所示。

圖6 試驗臺風機盤管系統原理圖

圖7 試驗臺控制系統原理圖

圖8 試驗臺主要設備照片

模糊推理方法(圖3中的 Fuzzy_Logic1與Fuzzy_Logic2)在Care編程軟件中的模塊化實現方法為:圖4中列出了e與ec的6個模糊子論域所對應的隸屬度函數的線性表達式,模塊將e與ec模糊值(分別定義為Fe與Fec)代入這9組線性表達式中計算隸屬度。模塊通過定義36個邏輯量R1～R36來描述表1中所覆蓋的Fe與Fec范圍。編號順序參照表1的Fe從左至右,Fec從上至下的變化順序。例如,R1=1即表示Fe＜-2且Fec＜-2對應的范圍組合;R8=1即表示-2＜Fe＜-1且-2＜Fec＜-1對應的范圍組合;R16=1即表示-1＜Fe＜0且0＜Fec＜1對應的范圍組合;R36=1即表示Fe＞2且Fec＞2對應的范圍組合。結合圖4中9組線性表達式與R1～R36體現的查表功能,對于一組Fe與Fec值,模塊計算各作用模糊子集下Fe與Fec的隸屬度,進而實現作用模糊子集推理方法,計算u對應的模糊值Fu,反模糊化,求得u。

2.2 試驗工況與試驗參數

試驗目的為對比風機盤管占空比模糊控制方法與傳統方法的應用效果。占空比模糊控制方法通過圖7所示的控制系統實現,傳統方法采用Honeywell W7752D的風機盤管控制器實現。試驗分別將2種方法應用于FCU6的控制中,每組試驗周期為10.5 h,為保證試驗工況的均衡性,2組試驗分別在室外溫度相差不大的連續2 d(2009年8月4日,8月5日)內的相同時段進行。監測的室外溫度情況(圖9所示)表明,傳統控制方法對應試驗日(8月4日)平均溫度為28.0℃,占空比控制方法對應試驗日(8月5日)平均溫度為27.8℃。傳統控制方法試驗日下午時段的室外溫度略高于占空比控制方法試驗日,晚間時段的室外溫度略低于占空比控制方法試驗日。總體上看,由于存在著0.2℃的平均室外溫度差異,傳統控制方法的試驗日工況略不利于占空比控制方法。下面就針對室外溫度差異對試驗工況的影響情況予以分析。

1)室外溫度為室外氣象因素對冷負荷的綜合影響的一部分。由于2類試驗日均為晴天且太陽輻射強度基本一致,考慮到太陽輻射對冷負荷的影響相對均衡,因此室外溫度的微小差異將不會對2組試驗日內房間冷負荷造成較大影響。

2)為進一步降低室外溫度對試驗工況的干擾,試驗分別在固定的試驗時段內在試驗房間加入400 W 內熱源4次,每次持續40min后關閉,加入600 W內熱源1次,持續40min后關閉。由于內熱源的散熱強度要大大高于室外工況對房間的傳熱強度,加入內熱源后的試驗工況下房間冷負荷的主要來源為內熱源引起的冷負荷,進而室外溫度對冷負荷的影響程度將進一步降低,因此可認為2組試驗的冷負荷需求基本一致,試驗工況保持均衡。加入內熱源的2組試驗日的工況對比如圖9所示。2組試驗的相關參數列于表3。

圖9 對比試驗的室外溫度與附加內熱源工況

表3 試驗參數信息

續表3

2.3 試驗結果與分析

圖10列出了占空比模糊控制方法與傳統控制方法的風機檔位控制信號、電動水閥控制信號、風機盤管顯熱供冷量、潛熱供冷量、全熱供冷量與室溫控制效果的對比試驗結果。為便于比較,圖10中的試驗結果均按照數值大小升序排列。為便于定量比較2種方法的應用效果,統計2種方法的評價指標列于表4。

圖10 對比試驗結果

表4 兩類控制方法的定量評價指標

從試驗結果可見:

1)從風機檔位在試驗時段內的分布情況看,占空比模糊控制方法在試驗時段內的一半時間為低檔運行,而傳統方法的高、中、低檔運行時間各占總時間的1/3左右。從風機電耗在試驗時段內的累計值可見,占空比模糊控制方法較傳統控制方法節省了約28.9%的風機電耗。

2)從電動水閥的控制效果看,傳統方法的水閥開啟時間頻數為78.5%,而占空比模糊控制方法在試驗時段內僅對應47.4%的水閥開啟頻數。對于整個風機盤管系統而言,若將各臺盤管的開啟時段交錯開,占空比模糊控制方法將節省更可觀的冷凍水量,從而降低冷凍水泵的輸送電耗。

3)從風機盤管消耗的冷量情況來看,占空比模糊控制方法較傳統控制方法低6.3%,值得注意的是,占空比模糊控制方法的通水時間要明顯少于傳統控制方法,即表明在斷水的狀態下風機盤管仍可向房間提供一定的冷量。

4)從室溫控制效果來看,占空比模糊控制方法的室溫絕對偏差平均值較傳統方法低0.5℃,圖10(f)也同時表明,占空比模糊控制方法可獲得更理想的室溫控制效果。

3 結論

1)風機盤管占空比模糊控制方法將占空比的概念引入水閥的控制中,將傳統方法的水閥兩位通斷控制轉化為占空比模擬量控制,不僅便于模糊控制方法在風機盤管優化控制中的應用,也充分利用了風機盤管斷水狀態下的冷量,從而節約了一定的冷凍水量輸送能耗。

2)占空比模糊控制方法在風機電耗、冷凍水量消耗、供冷量及室溫控制效果4方面均要優于傳統控制方法,綜合節能量約為30%,這部分節能量還不包括考慮冷凍水量節省而帶來的冷凍水泵節電量。

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