基于Alerton的變風量空調(diào)系統(tǒng)末端控制程序的研究

文｜北京工業(yè)大學建筑工程學院 張 寧 李炎鋒 李俊梅

北京軍區(qū)空軍勘察設(shè)計院 胡世陽

1 引言

變風量空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀60年代的美國，因可以持續(xù)根據(jù)負荷的變化調(diào)整送風量，大幅降低送風機的能耗，相比定風量空調(diào)系統(tǒng)具有更為明顯的節(jié)能效果而被廣泛應(yīng)用。除去設(shè)備選型的問題外，變風量末端控制程序的優(yōu)劣也對系統(tǒng)控制效果有著直接的影響。在工程應(yīng)用中，存在著由于變風量末端調(diào)節(jié)性能較差，造成整個變風量空調(diào)系統(tǒng)控制不穩(wěn)定、超調(diào)過大、調(diào)節(jié)時間過長......使用效果達不到設(shè)計預(yù)期的問題[1]。西安建筑科技大學、北京工業(yè)大學等做了大量有關(guān)變風量末端控制器、變風量控制程序的研究[2]。

2 變風量末端裝置

VAV空調(diào)系統(tǒng)運行的典型內(nèi)容是由VAV末端裝置來根據(jù)室內(nèi)要求進行送風量控制。常用變風量末端可按照控制方法分為壓力無關(guān)型和壓力有關(guān)型兩種[3]。

（1）壓力無關(guān)型末端風口（Pressure independent）

末端入口壓力變化時，通過末端的風量也將發(fā)生變化。壓力無關(guān)型末端可利用風速傳感器計算出實際的空氣流量；通過風量調(diào)節(jié)回路，根據(jù)風量的偏差快速地補償壓力的變化，維持原有風量。

（2）壓力有關(guān)型末端風口（Pressure dependent）

壓力有關(guān)型末端利用溫度控制器直接控制風閥開度，而不設(shè)風量傳感器和控制器。末端對于壓力的影響要等到室內(nèi)溫度隨風量的變化而改變以后才會有所反映，在時間上有較大滯后性。

3 變風量末端控制程序

按照壓力無關(guān)型末端考慮，變風量末端控制程序的控制邏輯主要分為房間所需風量控制和房間風閥開度控制兩部分，控制內(nèi)容主要為：

◆ 利用末端控制器設(shè)定送風溫度值、送風量值；

◆ 利用溫度傳感器采集控制區(qū)域?qū)嶋H溫度；將之與設(shè)定溫度進行對比，得出偏差；據(jù)此，利用PID控制器計算得出送風量；

◆ 對PID控制器計算出的送風量與設(shè)計的最大、最小送風量進行線性轉(zhuǎn)換，得出室內(nèi)所需送風量；

◆ 利用風量傳感器采集房間實際風量；將之與室內(nèi)所需送風量進行對比，得出偏差；據(jù)此，利用PID控制器計算出風閥開度；

◆ 上傳數(shù)據(jù)到中央控制管理計算機系統(tǒng)或從中央控制管理計算機系統(tǒng)下載控制設(shè)定參數(shù)。

控制流程如圖1所示。

其中，最大、最小風量值設(shè)定尤為重要，對系統(tǒng)的控制效果有著決定性的影響。最大送風量計算采用顯熱—溫差法。各變風量末端裝置所對應(yīng)的溫度控制區(qū)的熱濕比不盡相同，當各溫度控制區(qū)的室內(nèi)空氣設(shè)計干球溫度相同時，末端裝置的送風溫差也相同，末端裝置的最大風量與所對應(yīng)溫度控制區(qū)的顯熱負荷成線性關(guān)系[4]：

式中，GS為末端裝置送風量，單位為kg/s；QS為溫度控制區(qū)的顯熱負荷，單位為kW；tN為溫度控制區(qū)的室內(nèi)空氣設(shè)計干球溫度，單位為℃；tS為溫度控制區(qū)的送風干球溫度，單位為℃。

變風量末端裝置的設(shè)計最小風量通常取設(shè)計最大風量的30%～40%。

（1）房間所需風量控制程序

房間所需風量控制程序如圖2所示。圖中，變量AV-67代表房間所需的最大風量，AV-69代表房間所需的最小風量，AI-0為房間實際溫度，AV-90為房間設(shè)定溫度。設(shè)計最大風量及最小風量均根據(jù)各房間設(shè)計冷負荷，通過計算確定。具體設(shè)計思路為：利用溫度傳感器采集房間內(nèi)的實際溫度，利用模擬值比較模塊（COMPARATOR）判斷AI-0是否處于AV-90±0.2℃的范圍內(nèi)，進而確定房間所需的實際送風量（AI-4）。

①當AI-0處于AV-90±0.2℃范圍內(nèi)時，實際房間送風狀態(tài)保持當前狀態(tài)；根據(jù)AI-0與AV-90的偏差，利用PI控制模塊調(diào)節(jié)送風量，再利用線性輸出模塊（LINEAR SCALER）對PID控制器計算出的送風量與設(shè)計的最大、最小送風量進行線性轉(zhuǎn)換，計算出室內(nèi)所需送風量。

②AI-0低于AV-90±0.2℃范圍下限，且持續(xù)5分鐘，說明送風量已經(jīng)足夠，應(yīng)關(guān)閉送風閥。

③AI-0高于AV-90±0.2℃范圍上限，說明需要增大送風量，此時應(yīng)根據(jù)AI-0與AV-90的偏差，利用PI控制模塊調(diào)節(jié)送風量，再利用線性輸出模塊對PID控制器計算出的送風量與設(shè)計的最大、最小送風量進行線性轉(zhuǎn)換，計算出室內(nèi)所需送風量。

（2）房間風閥開度控制程序

房間風閥開度控制程序，如圖3所示。圖中，AI-10為房間變風量末端自帶的畢托管流量計測量的實測風量——因該流量計有測量誤差，經(jīng)過大量的實驗測試后用變量AV-12及數(shù)值3.6來修正，變量AV-13為修正后的實測風量。具體設(shè)計思路為：當AV-13不在AV-4±3%的范圍內(nèi)時，以AV-4為PI計算模塊中的設(shè)定值進行PI計算，求得并輸出房間風閥開度。

圖1 控制流程圖

圖2 房間所需風量控制程序示意圖

圖3 房間風閥開度控制程序示意圖

4 結(jié)束語

上述變風量系統(tǒng)末端控制程序應(yīng)用于北工大智能建筑實驗臺后，在空調(diào)房間設(shè)定溫度為24℃時，利用溫度傳感器采集到的室內(nèi)實際溫度為23.5～24.5℃，符合舒適性空調(diào)的要求。該程序由Alerton軟件中的Visual Logic編程軟件編輯而成，以模塊化形式顯示，結(jié)合末端控制流程，可讀性強，而且支持根據(jù)實際情況利用Alerton軟件更改設(shè)定參數(shù)以與時變性極強的變風量空調(diào)系統(tǒng)相適應(yīng)，對實際工程建設(shè)具有一定的參考作用。

1 孫晴.VAV中央空調(diào)末端控制器的開發(fā)研究[D].西安建筑科技大學，2009.

2 胡世陽，李炎鋒，張寧.基于Alteron的VAV空調(diào)主機中變靜壓控制程序的開發(fā)[J].智能建筑與城市信息，2011（3）：81-85.

3 黃治鐘.樓宇自動化原理[M].中國建筑工業(yè)出版社，2003.

4 葉大法.變風量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計[M].中國建筑工業(yè)出版社，2007.