某型船用變風量空調系統風量控制方法研究

李徐嘉 李志海

摘? 要：船用變風量空調系統是船用空調的發展趨勢和方向，其核心在于對船用空調的風量進行調配和控制。本研究基于某型船用空調系統，對其傳統總風量控制技術行優化，采用一種帶補償修訂的變風量系統控制總風量。實驗結果證明，該方法對風量控制更加精準，也使整個空調系統更加節能。

關鍵詞：空調;變風量;控制;優化

中圖分類號：U664.86? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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，隨著經濟的發展和技術的進步，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發展和研究的方向，也是國際政治、經濟、軍事的重要舞臺。從二次世界大戰開始，海軍逐漸成為最重要的力量甚至是決勝力量;而在經濟全球化的今天，海運承擔了全球絕大多數貨運任務。艦船作為海上最重要的載體，對一個國家的戰略作用凸顯，成為維護國家安全和利益的重要工具。

艦船艙室空間內環境的好壞，對船員的身心健康及工作效率會產生直接的影響。適宜的艙室環境不僅可以使船員保持良好的精神狀態，保證高效工作，還能有效防止呼吸道疾病的發生，因此提高船舶空調舒適性的技術越來越受到重視和關注。據統計，萬噸級以上船舶的空調系統耗電功率約占船舶電網總能量的 20%，是船舶主要的耗能裝置之一。如何提高船舶空調系統的制冷效率、降低運行能耗，已成為船舶節能的一個重要研究方向。

變風量空調系統是通過改變送入房間的風量來滿足室內負荷變化的空調系統，類似于家用的變頻空調，能有效改善艙室舒適性。另外，由于空調系統大部分時間是在部分負荷下運行的，所以風量的減少也帶來了風機能耗的減少，進而實現整個系統的節能。據統計，變風量系統相對于定風量系統可以節能 30%～50%。

變風量空調系統是全空氣空調系統的一種方式，它是隨著空調的舒適性與節能要求而發展起來的一項新技術。變風量空調系統控制方法包括：總風量控制方法、定靜壓控制方法、變靜壓控制方法。總風量控制方法的原理，是將各個變風量末端（VAV）計算需求風量反饋給集中式空調器（AHU），空調器根據離心風機相似定律，在空調管道系統阻力系數不發生變化時，自動變頻提供變風量末端需要的總風量。

2 傳統總風量控制方法

某船原采用傳統總風量控制方法，系統隨機設定房間溫度，自動運行。系統穩定后，監控參數如表1所示：。

從表1可以看出：

（1）AHU總送風量與需求總風量偏差-7.4%，不滿足±5%的要求;

（2）穩定后VAV風量精度不滿足±5%的數量達到4個，且最高偏差值高達-34.5%，風量嚴重不足。

2.1 基本原理

傳統總風量控制法的基本原理，是建立系統設定風量與風機設定轉速的函數關系，用各變風量末端裝置需求風量求和值作為系統設定總風量，直接求得風機設定轉速。

通過所有末端閥位全開（此時可認為是定風量系統），改變風機轉速，得到一系列系統總風量與轉速的對應關系（見圖1），可近似的當成正比關系。根據這一正比關系，可以知道在設計工況下有一個設計風量和和對應的設計風機轉速。雖然設計工況和實際運行工況下系統阻力有所變化，但可將其近似表示為：

式中：Ns、Nd——分別為風機的設定轉速和最大轉速，r/min;

Gs、Gd——分別為風機的設定風量和最大風量，m/h3。

2.2控制方案

由于末端裝置閥門時刻在變化，風管的阻力曲線也隨時在變化，風機轉速也在Nmin至Nmax之間變化，從而變風量空調系統中的工作點全部落入圖3所示的區域內。

如果所有末端區域要求的風量都是按同一比例變化的，則上述關系式就足以用來控制風機轉速了。但事實上在運行時幾乎不可能出現這種情況，因此我們以管路系統阻力最小（末端閥門全開）的情況為基礎，對其他的工況進行近似修正（其他工況下的風機轉速均應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，變風量系統在調節過程中，系統管路阻力特性曲線與風機特性曲線的交點剛好落到這些曲線上，可得

式中：Ns、Nd——分別為風機的設定轉速和最大轉速，r/min;

Gs、Gd——分別為風機的設定風量和最大風量，m/h3。

——綜合修正系數。

考慮到各末端風量要求的不均衡性，適當增加一個修正系數就可簡單地實現風機的變頻控制。為此，我們先給每個末端定義一個相對設定風量R：

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

按上述轉速計算方式（6），就可實時地根據末端設定風量的變化對風機進行轉速調節。當各VAVbox的需求風量一致時，說明各個末端的趨勢趨于一致，此時計算的σ為0，修正系數則為1。故AHU轉速是在對應閥門開度最大的情況下的轉速，這是出于節能的考慮，使VAVbox末端閥門的開度盡量往最大開度方向調節。

傳統總風量控制方法，對送風機頻率Fs只按風機相似定律進行粗略控制，計算公式如下：

空調系統總風量控制流程框圖，如圖2所示：

2.3 存在的問題

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

（1）風量控制精度不夠

傳統控制方法只考慮了末端總需求風量的變化，忽略了個體房間的送風量，而實際系統在運行過程中會出現管道阻力不平衡、管道漏風等因素，導致部分房間末端送風量不足控制精度差的問題;

（2）節能性不夠

送風機頻率只按風機相似定律進行粗略控制，而實際在運行過程中送風機控制頻率往往過大，導致末端風閥關閉過小，帶來房間節流噪聲，降低了人員的舒適性。因此，傳統控制方法不具備最佳節能性。

3 變風量控制方法

通過理論分析及多組試驗結果來看，傳統總風量控制方法缺少對個體末端狀態的監控，直接導致系統控制的異常。為此，擬采用一種實時補償修訂頻率的變風量控制方法，該方法既判斷所有末端狀態，自動調整送風機頻率，保證末端滿足風量要求，又可實時判斷自動調小頻率節能運行。

變風量控制方法的風機頻率計算公式如下：

帶反饋補償的變風量系統總風量控制流程，如圖5所示：

變風量控制方法與傳統控制方法的最大區別，在于增加了頻率補償因子ΔF 。

完整實施過程如下：

（1）艙室變風量末端根據室內設定溫度與實際溫度的差值，計算末端需求風量值，再根據當前風量與需求風量的差值，調節末端閥門開度，采用串級PI控制，使房間需求風量等于實際風量;

（2）AHU與VAV之間通過標準協議進行通訊連接，AHU讀取各末端的需求風量進行求和，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量、實際風量、閥位開度，并進行程序運算得出補償頻率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）當檢測有N1個（取值范圍：1～0.2倍系統末端數量）末端風閥開到較大開度X1%（取值范圍：75%～100%）時，實際送風量仍不足，則需微調增加送風機頻率幅度為A（取值范圍0.5 Hz～5Hz），直至送風機頻率上限;

（B）當檢測N2個（取值范圍：75%～100%系統末端個數）末端的實際送風量Qa與需求風量Qd的偏差值，滿足（1-Qa/Qd）*100%

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

4 變風量控制方法應用效果

變風量控制系統自動運行后，監控參數見表2，監控曲線見圖6。

從上述圖、表可以看出，變風量控制方法相比傳統控制方法，具有明顯的精度優勢：

（1）所有艙室VAV風量控制精度，及總風量控制精度均在±5%以內;

（2）相較于傳統控制方法，變風量控制方法僅有1個房間（VAV8）的風閥開度達到了100%，說明送風機運行在最佳頻率。既保證VAV末端風量滿足控制精度要求，又控制了送風機的運行頻率不會過高，具有良好的節能性。

5 小結

（1）變風量控制方法中的頻率補償因子ΔF，考慮了末端個體的運行狀態，既提高了末端風量控制精度，使絕大多數末端滿足風量需求，同時系統會自適應運行在最佳頻率，具有顯著節能效果;

（2）變風量控制方法是基于船用變風量平臺的一次理論聯系實際的成功驗證，對變風量空調的實船應用提供了有效的工程示范。

參考文獻

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