空調(diào)系統(tǒng)在線故障檢測與診斷研究

吳偉

（大連冰山空調(diào)設(shè)備有限公司，遼寧大連，116600）

1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是一種全空氣空調(diào)系統(tǒng)，通過將處理過的濕空氣送入空調(diào)區(qū)域，達(dá)到控制空調(diào)區(qū)域空氣溫度以及濕度的目的，其送風(fēng)量的計算公式如下：

其中，totV 為送風(fēng)量，ρ為空氣密度，inh為空調(diào)區(qū)域的空氣焓值，suph 為空調(diào)區(qū)域的送風(fēng)焓值，qQ為空調(diào)區(qū)域總?cè)?fù)荷，wQ為空調(diào)區(qū)域總顯負(fù)荷，c為空氣定壓比熱容，inT為空調(diào)區(qū)域空氣溫度，supT 為空調(diào)區(qū)域送風(fēng)溫度。

由全空氣空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量的計算公式可知，當(dāng)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(diào)系統(tǒng)為定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，而采用第二種方法的空調(diào)系統(tǒng)即為變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。

1.1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)由水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

如圖1中所示，水系統(tǒng)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(shè)計，各自有供水管道和回水管道。風(fēng)系統(tǒng)由變風(fēng)量空氣處理機組、空氣輸送管道等構(gòu)成，包括新風(fēng)、回風(fēng)、送風(fēng)以及排風(fēng)這四個主要功能系統(tǒng)。在空調(diào)系統(tǒng)工作時，首先通過送風(fēng)系統(tǒng)將新風(fēng)與部分回風(fēng)送入空氣處理機組中進(jìn)行熱濕交換以及除塵等流程，使其滿足空調(diào)系統(tǒng)預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)；然后將這些空氣送入變風(fēng)量末端，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的溫濕度調(diào)節(jié)功能；最后由回風(fēng)機將空氣抽回，部分回風(fēng)由排風(fēng)系統(tǒng)送出戶外，部分回風(fēng)則進(jìn)入新一輪的循環(huán)。

1.2 變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)

圖1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)包含了空調(diào)區(qū)域溫度、送風(fēng)溫度控制、新風(fēng)系量以及送風(fēng)靜壓等多個控制回路。變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)的原理見圖2，其中mT 為空調(diào)區(qū)域溫度，spF為需求風(fēng)量，mF為風(fēng)閥開度。

變風(fēng)量空調(diào)末端裝置是空調(diào)區(qū)域溫度控制回路中的關(guān)鍵設(shè)備，主要功能是對區(qū)域送風(fēng)量、溫度等進(jìn)行控制，有壓力相關(guān)型以及壓力無關(guān)型兩個類別。變風(fēng)量空調(diào)末端裝置及其控制裝置示意圖如圖3所示。

采用壓力無關(guān)型末端裝置的空調(diào)區(qū)域溫度控制回路，由溫度控制器與風(fēng)量控制器共同組成串級控制環(huán)路結(jié)構(gòu)。其中，溫度控制器根據(jù)溫度偏差，作為主控制器對風(fēng)量控制器的值進(jìn)行設(shè)置；而風(fēng)量控制器作為副控制器，能夠通過控制末端裝置內(nèi)風(fēng)閥開度來補償壓力變化，從而實現(xiàn)風(fēng)量的控制。

圖2 變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)原理圖

圖3 變風(fēng)量空調(diào)末端裝置及其控制裝置示意圖

2 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)在線故障檢測與診斷

2.1 變風(fēng)量空氣處理機組在線故障檢測與診斷

本文提出一種變風(fēng)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(fēng)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(tài)下通過遺傳算法對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)各部件模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；然后在線對變風(fēng)量空氣處理機組進(jìn)行預(yù)測，計算并對比預(yù)測值與實際值的殘差，以此判斷有無故障的發(fā)生；最后，通過故障分類器來實現(xiàn)對故障源的分離及查找。

2.1.1 模型參數(shù)優(yōu)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(yīng)度進(jìn)行計算，然后通過遺傳算子實現(xiàn)個體的組合交叉和變異從而產(chǎn)生新種群，最終通過逐代演化得到末代種群中最優(yōu)個體，以此作為近似最優(yōu)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(yōu)勢，因此本文采用遺傳算法來對模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，模型參數(shù)的計算公式如下：

式中，δi+1為模型在i+ 1時刻的參數(shù)，δi為模型在i時刻的參數(shù)，ai為自整定系數(shù)，δref,i為模型的設(shè)計值。

模型預(yù)測值與實測值的殘差即目標(biāo)函數(shù)：

其中，n為數(shù)據(jù)的數(shù)量；iE為預(yù)測值；iM 為實測值。

2.1.2 故障分類器設(shè)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(jù)需要，基于專家規(guī)則設(shè)計了故障分類器，共有三種：第一個故障分類器主要負(fù)責(zé)溫度傳感器故障以及送風(fēng)靜壓偏低故障的診斷；第二個故障分類器主要在送風(fēng)溫度實測值與預(yù)測值殘差大于閾值的情況下，負(fù)責(zé)分離和尋找故障源；第三個故障分類器主要在送風(fēng)溫度預(yù)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(guī)則閾值有：表冷器水閥開度反饋信號閾值vpε，送風(fēng)流量測量誤差閾值fε，送風(fēng)靜壓測量誤差閾值pε，送風(fēng)溫度測量誤差閾值tε，冷凍水溫度測量誤差閾值twε，送風(fēng)氣流經(jīng)送風(fēng)機時的溫升fT?。

2.2 變風(fēng)量空調(diào)末端裝置在線故障檢測與診斷

變風(fēng)量空調(diào)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(xiàn)變風(fēng)量空調(diào)末端裝置故障的檢測，其過程如下：（1）利用時序模型，對數(shù)據(jù)自相關(guān)性進(jìn)行擬合；（2）對觀察值與時序模型預(yù)測值的殘差進(jìn)行計算，以此消除數(shù)據(jù)自相關(guān)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(jìn)行檢測。此外，變風(fēng)量空調(diào)末端裝置故障源的分離和尋找，主要通過前文所設(shè)計的故障分類器來實現(xiàn)。

3 結(jié)語

本文通過借鑒并總結(jié)前人經(jīng)驗，對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的常見故障進(jìn)行了分析探討，在此基礎(chǔ)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(jìn)空調(diào)系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的發(fā)展。

[1]趙蕾,孟小忖.基于專家規(guī)則的空調(diào)系統(tǒng)在線故障檢測與診斷 [J].建筑科學(xué) ,2010,26(04)：100-105+109.

[2]韓琦,魏東,曹勇.暖通空調(diào)系統(tǒng)故障檢測與診斷技術(shù)研究進(jìn)展[J].暖通空調(diào),2014,44(03)：105-112.

[3]胡孟娣,王海濤,陳友明,陳永康,秦建英.變風(fēng)量空調(diào)末端裝置故障檢測與診斷方法及應(yīng)用研究[J].暖通空調(diào) ,2013,43(04)：72-75+17.