空調系統在線故障檢測與診斷研究

吳偉

（大連冰山空調設備有限公司，遼寧大連，116600）

1 變風量空調系統

變風量空調系統是一種全空氣空調系統，通過將處理過的濕空氣送入空調區域，達到控制空調區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為空調區域的空氣焓值，suph 為空調區域的送風焓值，qQ為空調區域總全負荷，wQ為空調區域總顯負荷，c為空氣定壓比熱容，inT為空調區域空氣溫度，supT 為空調區域送風溫度。

由全空氣空調系統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系統為定風量空調系統，而采用第二種方法的空調系統即為變風量空調系統。

1.1 變風量空調系統結構

變風量空調系統由水系統和風系統構成，如圖1所示。

如圖1中所示，水系統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。風系統由變風量空氣處理機組、空氣輸送管道等構成，包括新風、回風、送風以及排風這四個主要功能系統。在空調系統工作時，首先通過送風系統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，使其滿足空調系統預設標準；然后將這些空氣送入變風量末端，實現空調系統的溫濕度調節功能；最后由回風機將空氣抽回，部分回風由排風系統送出戶外，部分回風則進入新一輪的循環。

1.2 變風量空調控制系統

圖1 變風量空調系統結構

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

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

采用壓力無關型末端裝置的空調區域溫度控制回路，由溫度控制器與風量控制器共同組成串級控制環路結構。其中，溫度控制器根據溫度偏差，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風閥開度來補償壓力變化，從而實現風量的控制。

圖2 變風量空調控制系統原理圖

圖3 變風量空調末端裝置及其控制裝置示意圖

2 變風量空調系統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，首先在離線狀態下通過遺傳算法對變風量空調系統各部件模型的參數進行優化；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生；最后，通過故障分類器來實現對故障源的分離及查找。

2.1.1 模型參數優化

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個體的組合交叉和變異從而產生新種群，最終通過逐代演化得到末代種群中最優個體，以此作為近似最優解。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勢，因此本文采用遺傳算法來對模型參數進行優化，模型參數的計算公式如下：

式中，δi+1為模型在i+ 1時刻的參數，δi為模型在i時刻的參數，ai為自整定系數，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：

其中，n為數據的數量；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。因此本文根據需要，基于專家規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，送風氣流經送風機時的溫升fT?。

2.2 變風量空調末端裝置在線故障檢測與診斷

變風量空調末端裝置的控制原理相對簡單，本文采用CUSUM殘差控制圖來實現變風量空調末端裝置故障的檢測，其過程如下：（1）利用時序模型，對數據自相關性進行擬合；（2）對觀察值與時序模型預測值的殘差進行計算，以此消除數據自相關性。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。

3 結語

本文通過借鑒并總結前人經驗，對變風量空調系統的常見故障進行了分析探討，在此基礎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，有助于推進空調系統故障診斷技術的發展。

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