船用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)調(diào)控技術(shù)研究綜述

黃偉稀，陳文華，何 濤，郝夏影

(中國船舶科學(xué)研究中心 船舶振動噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

在船舶與海洋平臺上，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)艙室溫濕度與流速等空氣環(huán)境，可有效提高船舶舒適性、改善船員的生活環(huán)境。空調(diào)系統(tǒng)的用電量占船舶總電量的20%以上，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能對于降低全船的能耗有重要意義。目前船用空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)通常采用定風(fēng)量系統(tǒng)，即根據(jù)系統(tǒng)熱負(fù)荷需求計(jì)算得到所需的送風(fēng)量進(jìn)行定風(fēng)量送風(fēng)。定風(fēng)量系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，但存在以下問題：1）艙室的熱負(fù)荷會隨季節(jié)與早晚溫度變化而發(fā)生變化，而定風(fēng)量的制冷/制熱量通常根據(jù)最大熱負(fù)荷需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，無法根據(jù)環(huán)境變化來調(diào)節(jié)，因此在部分負(fù)荷條件下定風(fēng)量系統(tǒng)存在比較嚴(yán)重的能源浪費(fèi)；2）定風(fēng)量系統(tǒng)的艙室溫度會對環(huán)境溫度敏感，無法實(shí)現(xiàn)艙室溫度恒定，也無法根據(jù)船員喜好進(jìn)行艙室溫度設(shè)定，在人體舒適性方面存在不足。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)艙室熱負(fù)荷的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)送風(fēng)量，可用于解決以上能源浪費(fèi)與人體舒適性的問題，一個(gè)穩(wěn)定可靠的調(diào)控系統(tǒng)可以顯著降低系統(tǒng)能耗、降低噪聲，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)區(qū)域化溫度控制，改善人體溫濕度舒適性。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)對控制系統(tǒng)的要求較高，存在的問題有：1）控制系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)涉及多個(gè)控制回路，各回路之間相互耦合相互影響，容易引起系統(tǒng)震蕩，穩(wěn)定性較差；2）由于變風(fēng)量系統(tǒng)是實(shí)時(shí)調(diào)控的，調(diào)控部件與監(jiān)測元器件易發(fā)生故障，影響使用壽命，故障發(fā)生后會嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)首先是在建筑行業(yè)開始推廣與應(yīng)用，前期研究主要關(guān)注變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，國內(nèi)主要采用壓力無關(guān)型末端裝置，控制方式以定靜壓控制為主。隨著技術(shù)的發(fā)展，在建筑行業(yè)國內(nèi)企業(yè)的變風(fēng)量控制系統(tǒng)與末端裝置方面已有較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力，在高端寫字樓與商場等建筑中已有多個(gè)成功的應(yīng)用案例，應(yīng)用了定靜壓、可變靜壓、變靜壓與總風(fēng)量控制策略，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用實(shí)踐證明，變靜壓控制比定靜壓可以節(jié)能20%～50%左右，節(jié)能效果顯著，但由于系統(tǒng)復(fù)雜，需要解決系統(tǒng)不穩(wěn)定問題與元器件故障引起系統(tǒng)不穩(wěn)定問題，這些問題可導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)能耗高于定風(fēng)量系統(tǒng)。另外，目前變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的多是風(fēng)系統(tǒng)，而非全系統(tǒng)，節(jié)能效果有限，有必要對水系統(tǒng)的變流量控制與冷水機(jī)組的制冷效率進(jìn)行全方位的系統(tǒng)優(yōu)化與控制，降低系統(tǒng)總能耗。

在船舶領(lǐng)域，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)目前仍處于起步階段，目前已裝船的空調(diào)系統(tǒng)多數(shù)采用的還是定風(fēng)量系統(tǒng)，變風(fēng)量系統(tǒng)近兩年在科考船與遠(yuǎn)洋客船上開始了一些應(yīng)用性探索，尚沒有得到廣泛應(yīng)用，仍局限于理論與試驗(yàn)研究。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，采用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)不同工況與氣候條件實(shí)現(xiàn)空調(diào)送風(fēng)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)控，提高節(jié)能效果與舒適性將是船舶空調(diào)的未來發(fā)展趨勢[1 - 3]，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的研究對發(fā)展綠色智能船舶，提高我國船舶的技術(shù)附加值可起到重要的技術(shù)支撐作用。

1 空調(diào)系統(tǒng)仿真及試驗(yàn)方法

1.1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)仿真分析方法

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的仿真方法主要包括：1）能耗仿真分析，如DOE-2，BLAST，Energyplus等；2）控制系統(tǒng)仿真分析，如HVACSIM+，TRNSYS等。

TRNSYS是美國威斯康星麥迪遜大學(xué)開發(fā)的系統(tǒng)仿真軟件，面世以來在空調(diào)系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。TRNSYS提供了多種組件模型，用戶可根據(jù)需求獨(dú)立編寫相應(yīng)的模塊，根據(jù)系統(tǒng)熱力、水力特性與控制回路對各模塊進(jìn)行連接。與以往的能耗模擬軟件軟件相比，除了可以模擬出建筑能耗，還能進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真，模擬控制過程。林興斌等[4-5]針對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制建立了TRNSYS仿真模型，通過對比不同控制策略下的系統(tǒng)能耗，獲得優(yōu)化控制方法的節(jié)能效果。李裴婕等[6]基于TRNSYS平臺開展了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)故障檢測與診斷仿真研究。

Matlab/Simulink用于動態(tài)系統(tǒng)的建模與仿真分析，可以用于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制過程仿真分析，不足之處是缺乏設(shè)備元器件的數(shù)學(xué)模型，需要編程。藍(lán)政杰等[7]基于Matlab/Simulink對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制進(jìn)行建模與仿真，比較了不同控制方式的節(jié)能效果進(jìn)行尋優(yōu)。

1.2 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺

為了開展變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的研究，國內(nèi)多所高校搭建了變風(fēng)量空調(diào)試驗(yàn)臺，西安建筑科技大學(xué)、長安大學(xué)、青島理工大學(xué)、大連理工大學(xué)等搭建了陸用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)臺，集美大學(xué)搭建了船用變風(fēng)量空調(diào)試驗(yàn)臺，這些試驗(yàn)臺對于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制方法研究提供了較好的試驗(yàn)條件。各試驗(yàn)臺功能組成如下：1）西安建筑科技大學(xué)智能樓宇研究所變風(fēng)量空調(diào)實(shí)驗(yàn)平臺[8]由冷水機(jī)組、變頻風(fēng)機(jī)冷卻塔、冷卻水泵、一次水泵、二次變頻水泵、電加熱器、電動冷凍水閥、補(bǔ)水箱與溫濕度、流量壓力傳感器等組成，主要用于變風(fēng)量空調(diào)水系統(tǒng)控制方法及其節(jié)能效果的試驗(yàn)研究。2）大連理工大學(xué)變風(fēng)量空調(diào)試驗(yàn)臺[9]采用了單風(fēng)道雙風(fēng)機(jī)的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，包括空氣處理機(jī)組、軸流式回風(fēng)機(jī)、變風(fēng)量末端、風(fēng)閥、水閥、相應(yīng)管道以及自動控制系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)涉及5個(gè)控制回路。3）青島理工大學(xué)空調(diào)實(shí)驗(yàn)室[10]包括風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)，風(fēng)系統(tǒng)包括房間、末端裝置、空氣處理機(jī)組，水系統(tǒng)包括冷水機(jī)組、冷卻塔、冷凍水二次泵、一次泵、冷卻水泵、電加熱器、閥門與傳感器組成。4）集美大學(xué)船用變風(fēng)量空調(diào)試驗(yàn)臺[11]由制冷機(jī)組、AHU、空氣過濾器、變頻風(fēng)機(jī)、變風(fēng)量末端與控制系統(tǒng)等組成，包括送風(fēng)溫度控制、送風(fēng)靜壓控制與室內(nèi)溫度控制3個(gè)回路，測控系統(tǒng)是基于NI控制器與Labview平臺搭建。

2 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)調(diào)控策略及控制算法

空調(diào)系統(tǒng)包括風(fēng)系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、冷水機(jī)組與冷卻水系統(tǒng)。顧名思義，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是相對定風(fēng)量而言，指的是在送風(fēng)溫度恒定的條件下根據(jù)艙室熱負(fù)荷變化而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)送風(fēng)量，使艙室溫度達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值。除了風(fēng)系統(tǒng)，水系統(tǒng)的變流量控制也可以顯著提高節(jié)能效果，包括冷凍水系統(tǒng)變流量控制、冷卻水系統(tǒng)變流量控制等，使制冷機(jī)組與流體輸送設(shè)備的功率根據(jù)熱負(fù)荷的變化而實(shí)時(shí)調(diào)控，在滿足功能需求條件下最大程度地避免功率冗余，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能與降噪目的。

2.1 風(fēng)系統(tǒng)調(diào)控策略

風(fēng)系統(tǒng)控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)艙室溫度控制，控制回路包括末端單元控制與管道靜壓控制。末端單元控制回路根據(jù)房間溫度實(shí)測值與設(shè)定值的偏差進(jìn)行閥門開度的調(diào)節(jié)，通過房間送風(fēng)量的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)房間溫度的控制；靜壓控制回路根據(jù)靜壓監(jiān)測點(diǎn)的靜壓實(shí)際測量值與設(shè)定值來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，靜壓控制策略主要有定靜壓法、可變靜壓法、變靜壓法與總風(fēng)量法。

2.1.1 末端單元控制

末端裝置可分為壓力無關(guān)型與壓力有關(guān)型。壓力有關(guān)型末端裝置[12]通過溫度控制器調(diào)節(jié)風(fēng)閥的開度與送風(fēng)量實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的控制。壓力有關(guān)型末端受到管內(nèi)靜壓變化的影響，管內(nèi)靜壓變化導(dǎo)致末端風(fēng)量變化，最終使室內(nèi)溫度改變，此時(shí)根據(jù)室溫的變化調(diào)節(jié)閥門開度，該控制實(shí)質(zhì)為一個(gè)單閉環(huán)控制。對于壓力無關(guān)型末端，房間溫度不受管道靜壓的影響，末端裝置設(shè)有風(fēng)量檢測裝置，當(dāng)送風(fēng)管道內(nèi)的靜壓值產(chǎn)生變化導(dǎo)致風(fēng)量變化時(shí)，控制器會根據(jù)風(fēng)量的變化先行調(diào)節(jié)閥門開度，在靜壓的變化影響室內(nèi)溫度之前，就已經(jīng)把閥門調(diào)到正確位置，該控制類型是一個(gè)串級控制，主控器為溫度控制器，主控器根據(jù)溫度設(shè)定值與實(shí)測值的偏差進(jìn)行調(diào)控，風(fēng)量控制器為副控制器，其根據(jù)風(fēng)量設(shè)定值與實(shí)測值偏差對閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。壓力無關(guān)型末端單元控制流程如圖1所示。

圖1 壓力無關(guān)型末端單元控制原理圖Fig. 1 Schematic diagram of pressure independent terminal unit control

壓力有關(guān)型末端控制方法簡單，不存在風(fēng)量傳感器故障問題，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定[12]。但從調(diào)節(jié)方式看，壓力無關(guān)型末端裝置更具快速性，當(dāng)管道壓力變化導(dǎo)致風(fēng)量變化時(shí)，壓力無關(guān)型末端裝置能夠快速反應(yīng)來保持原有的風(fēng)量。隨著技術(shù)的發(fā)展，壓力無關(guān)型末端裝置將得到廣泛應(yīng)用[13]。

2.1.2 靜壓控制策略

靜壓控制回路根據(jù)靜壓監(jiān)測點(diǎn)的靜壓實(shí)測值與設(shè)定值的偏差來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速使管內(nèi)靜壓達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值，靜壓控制策略主要有定靜壓法、可變靜壓法、變靜壓法與總風(fēng)量法。

1）定靜壓法

定靜壓法指在送風(fēng)管道布置靜壓傳感器，通過比較靜壓實(shí)測值和設(shè)定值來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保持送風(fēng)靜壓恒定，一般在管路阻力為總阻力的2/3處設(shè)置靜壓測點(diǎn)，定靜壓控制流程如圖2所示。定靜壓控制法在歐美市場較為常見，是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中早期采用的方法[14]。定靜壓法通過末端閥門調(diào)控實(shí)現(xiàn)不同房間的差異化溫度控制，可根據(jù)外界環(huán)境溫度變化實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度自動調(diào)控，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。不足之處是由于系統(tǒng)靜壓恒定，部分負(fù)荷下通過減小末端閥門開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量，導(dǎo)致閥門阻力消耗增大，不利于節(jié)能，特別是季節(jié)變化或者早晚的溫度變化導(dǎo)致的整體負(fù)荷變化時(shí)，所有房間的閥門均可能同時(shí)處于較小的開度，部分負(fù)荷下風(fēng)機(jī)能耗沒有降低。另外，定靜壓控制中的風(fēng)管靜壓值很難設(shè)定，靜壓值設(shè)定過低或過高都會出現(xiàn)問題，若設(shè)置過低，則會出現(xiàn)一些區(qū)域的風(fēng)量不能滿足設(shè)計(jì)要求；若設(shè)置過高，則會出現(xiàn)風(fēng)機(jī)長時(shí)間處于高速運(yùn)行的現(xiàn)象，降低節(jié)能效果及增大噪聲。

圖2 定靜壓控制流程圖Fig. 2 Schematic diagram of constant static pressure control

2）可變靜壓法

相對于定靜壓法，可變靜壓法[15]的送風(fēng)靜壓設(shè)定值可以根據(jù)熱負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)負(fù)荷變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)靜壓設(shè)定值，靜壓設(shè)定值盡量保持允許的最低值，閥門開度較大，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)能耗的降低，可變靜壓控制流程如圖3所示。靜壓設(shè)定值變化由系統(tǒng)末端閥位開度值決定，當(dāng)開度小于最低開度的閥門數(shù)量達(dá)到一定值時(shí)，表明系統(tǒng)靜壓過高，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速需降低；反之則靜壓過低，需提高轉(zhuǎn)速。可變靜壓法解決了定靜壓法在部分負(fù)荷下風(fēng)機(jī)能耗過高的問題，在季節(jié)變化或早晚溫度變化導(dǎo)致整體負(fù)荷變化時(shí)的節(jié)能效果明顯優(yōu)于定靜壓法[16]。不足之處是變靜壓法控制系統(tǒng)復(fù)雜，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。由于具有較好的節(jié)能效果，可變靜壓法是目前采用較多的控制策略[17]。

圖3 可變靜壓控制流程圖Fig. 3 Schematic diagram of variable static pressure control

3）變靜壓法

變靜壓控制不需要控制風(fēng)管上的靜壓，只需綜合所有變風(fēng)量末端風(fēng)閥閥位情況，進(jìn)行風(fēng)機(jī)變頻控制，其控制流程如圖4所示。變靜壓控制的核心思想是盡可能保持變風(fēng)量末端的風(fēng)閥處于較大開度，它與定靜壓控制的區(qū)別在于，變靜壓系統(tǒng)管道中的靜壓隨著系統(tǒng)負(fù)荷的變化而變化，解決了定靜壓法中靜壓設(shè)置過高或過低的問題，使變風(fēng)量末端裝置更易于調(diào)節(jié)，且噪聲更小，更加節(jié)能。源牌集團(tuán)的產(chǎn)品應(yīng)用證明[18]，同一個(gè)建筑同一套空調(diào)系統(tǒng)，變靜壓控制方式比定靜壓方式節(jié)能20%～30%，主要體現(xiàn)在機(jī)組的風(fēng)機(jī)能耗上。

圖4 變靜壓控制流程圖Fig. 4 Schematic diagram of variable static pressure control

4）總風(fēng)量法

總風(fēng)量法根據(jù)系統(tǒng)末端裝置的風(fēng)量需求，對通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)總風(fēng)量控制，總風(fēng)量法采用壓力無關(guān)型末端，首先根據(jù)室內(nèi)溫度實(shí)測值與設(shè)定值偏差計(jì)算各末端所需風(fēng)量確定末端風(fēng)量設(shè)定值，通過求和得到系統(tǒng)的總風(fēng)量需求，進(jìn)而通過算法調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，總風(fēng)量控制流程如圖5所示。該方法的缺點(diǎn)是：由風(fēng)機(jī)變頻控制和風(fēng)閥調(diào)節(jié)控制同時(shí)改變送風(fēng)量，增加了系統(tǒng)的耦合性，容易導(dǎo)致系統(tǒng)控制不穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)頻率與風(fēng)量之間的關(guān)系與風(fēng)管阻力特性有關(guān)，而該阻力特性隨末端風(fēng)閥狀態(tài)不同而時(shí)刻處于變化之中。

圖5 總風(fēng)量控制流程圖Fig. 5 Schematic diagram of total air volume control

2.2 水系統(tǒng)調(diào)控策略

變風(fēng)量空調(diào)水系統(tǒng)包括冷水機(jī)組、冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)，主要耗能設(shè)備有：制冷機(jī)組（壓縮機(jī)等）、流體介質(zhì)輸送動力設(shè)備（水泵、風(fēng)機(jī)等）與換熱器等。通常情況下，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能主要通過提高空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率，如壓縮機(jī)與換熱器等設(shè)備性能的改進(jìn)，提高設(shè)備的能效比。除設(shè)備性能改進(jìn)之外，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)解決的是系統(tǒng)匹配與調(diào)控的問題。研究表明，離心式機(jī)組蒸發(fā)器運(yùn)行在60%～70%以上設(shè)計(jì)流量工況時(shí)，對機(jī)組的制冷系數(shù)影響不大，在50%以下流量工況運(yùn)行時(shí)，機(jī)組性能才會顯著下降。水系統(tǒng)的變流量調(diào)控可在不犧牲冷機(jī)性能的前提下降低動力設(shè)備能耗與系統(tǒng)總能耗。

空調(diào)水系統(tǒng)變流量控制方法主要有：溫度控制/溫差控制、定靜壓控制與變靜壓控制等。

1）溫差控制

溫差控制原理是根據(jù)供回水的溫差實(shí)測值與設(shè)定值偏差調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，通過流量調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)溫差的恒定，多數(shù)應(yīng)用于管道上不設(shè)調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)。供回水溫差反映了負(fù)荷的變化，通過調(diào)節(jié)冷媒的流量實(shí)現(xiàn)冷量與負(fù)荷相匹配。溫差控制的局限有：溫差信號的變化過程時(shí)滯較大，控制精度不高；溫差控制對壓力變化不敏感，易造成最不利末端供水壓力不足，不適合多回路系統(tǒng)。

溫差控制或冷凝溫度控制一般用于冷卻水系統(tǒng)控制，冷卻水系統(tǒng)與舒適性關(guān)系不大，不要求調(diào)節(jié)的快速性，且出水溫度與供回水溫差可變范圍大，故可用定冷凝溫度或溫差控制，此時(shí)溫差控制的局限性對系統(tǒng)影響不大。

2）壓差控制

與風(fēng)系統(tǒng)的靜壓控制類似，水系統(tǒng)壓差控制以冷媒管道靜壓實(shí)測值和設(shè)定值偏差來調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變流量，從而實(shí)現(xiàn)換熱量與需求匹配。壓差控制方法適合閉式的環(huán)路系統(tǒng)，通常應(yīng)用于管路中設(shè)有閥門的系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用中冷凍水系統(tǒng)普遍采用閉式系統(tǒng)，而冷卻水系統(tǒng)多采用開式系統(tǒng)，因此，壓差控制可應(yīng)用到冷凍水變流量控制中。壓差控制時(shí)滯小，在流量調(diào)節(jié)中具有較好的快速性。

① 定壓差控制

定壓差控制指壓差設(shè)定值是固定值，壓差設(shè)定值對水泵節(jié)能效果影響較大，為滿足最不利末端的流量需求，實(shí)際應(yīng)用中的壓差設(shè)定值往往偏大，致使水泵能耗有所浪費(fèi)。為保持最不利環(huán)路前后壓差不變，水泵必須消耗額外的能量來滿足其他環(huán)路的冗余阻力，在部分負(fù)荷條件下，大量的能量被消耗在了閥門上。壓差設(shè)定值越大，節(jié)能效果越不顯著。

② 變壓差控制

變壓差控制指壓差設(shè)定值可根據(jù)負(fù)荷的變化進(jìn)行調(diào)控，變壓差控制可解決定壓差控制的不足。變壓差控制根據(jù)各回路閥門開度情況改變壓差設(shè)定值[19]，當(dāng)最不利回路閥門達(dá)到全開時(shí)，提高壓差設(shè)定值，當(dāng)?shù)陀谧钚￠y位的閥門超過一定數(shù)量后，降低壓差設(shè)定值。變壓差控制是根據(jù)負(fù)荷需求的變化調(diào)整壓差設(shè)定值，在滿足用戶負(fù)荷變化要求的前提下，使閥門始終保持較大的開度，降低了閥門的阻力損耗與水泵的動力能耗。

關(guān)于空調(diào)水系統(tǒng)變流量控制的研究工作較多。Schwedler等[20]分別分析了冷凍水與冷卻水定流量與變流量對冷水機(jī)組能耗的影響，驗(yàn)證了水系統(tǒng)變頻節(jié)能的可行性。Chan KT[21]分析了變流量對冷水機(jī)組性能的影響，給出了變流量狀態(tài)下提高冷機(jī)性能的方法。陳嵩[22]對比了閥門調(diào)節(jié)與水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)對溫度控制的精度與節(jié)能效果的差異，林永進(jìn)[23]分析了不同控制方法對水泵性line-height-add:-1pt能的影響，彭彥平等[24]采用冷卻塔風(fēng)機(jī)與冷卻水泵雙量調(diào)節(jié)控制方法開展了冷卻水變流量控制節(jié)能效果的研究。蔣小強(qiáng)等[25]指出，冷凍水變流量運(yùn)行的節(jié)能效果好于冷卻水變流量。李蘇瀧[26]的研究表明，冷卻水系統(tǒng)定進(jìn)水溫度控制節(jié)能效果由于溫差控制。徐菱虹等[27]對冷卻水系統(tǒng)采用進(jìn)出口溫差控制與冷卻塔風(fēng)機(jī)啟停控制，實(shí)現(xiàn)了29.7%的節(jié)能效果。

在空調(diào)水系統(tǒng)中單個(gè)設(shè)備性能提高的基礎(chǔ)上，應(yīng)以系統(tǒng)整體節(jié)能為目標(biāo)，優(yōu)化系統(tǒng)控制策略，實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷下的節(jié)能調(diào)控。

2.3 系統(tǒng)控制算法及解耦

2.3.1 系統(tǒng)控制算法

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)各回路的控制需要通過控制器實(shí)現(xiàn)，而控制算法主要有PID控制算法、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及免疫遺傳算法等。

目前，PID控制算法是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)中常用的算法，它是根據(jù)輸入信號（實(shí)測值與設(shè)定值的偏差）的比例、積分與微分進(jìn)行控制，因其參數(shù)整定與操作便捷而成為目前比較常用的控制算法，PID控制器的參數(shù)整定需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初始設(shè)置，然后在系統(tǒng)調(diào)試中進(jìn)行修正。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，很多先進(jìn)的控制算法被引入到壓力無關(guān)型末端控制與靜壓控制中來，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粒子群優(yōu)化算法以及免疫遺傳算法等，這些算法對于解決PID參數(shù)整定問題、提高調(diào)控速度及穩(wěn)定性具有一定優(yōu)勢。針對系統(tǒng)非線性時(shí)變特性，劉靜紈等[28]采用了模糊控制與PID控制相結(jié)合的方式進(jìn)行室內(nèi)溫度控制、送風(fēng)溫度控制與末端裝置控制。針對傳統(tǒng)PID參數(shù)不易實(shí)時(shí)整定的問題，莊俊華等采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)串級預(yù)測、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法用于末端裝置控制、風(fēng)量控制與送風(fēng)溫度控制，仿真研究表明，在調(diào)節(jié)速度和穩(wěn)定性上較傳統(tǒng)PID有較大改善。馬少華[29]將粒子群算法運(yùn)用到系統(tǒng)末端控制中，通過粒子群優(yōu)化PID參數(shù)自整定控制方法解決了常規(guī)PID參數(shù)尋優(yōu)能力不足的問題，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相比，該算法在實(shí)現(xiàn)和計(jì)算效率方面具有一定優(yōu)勢。

2.3.2 多回路耦合及解耦方法

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)為時(shí)變、復(fù)雜的非線性熱力學(xué)系統(tǒng)，還是一個(gè)多環(huán)路控制系統(tǒng)。單個(gè)環(huán)路容易控制，多個(gè)環(huán)路同時(shí)控制時(shí)各環(huán)路之間存在耦合現(xiàn)象，容易導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩。控制系統(tǒng)耦合及其導(dǎo)致的震蕩問題是制約控制系統(tǒng)準(zhǔn)確穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要因素與技術(shù)瓶頸。

針對變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)多回路耦合問題，任慶昌等[30]建立了空調(diào)機(jī)組與末端兩分量之間的耦合關(guān)系及數(shù)學(xué)模型，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能解耦策略及算法進(jìn)行了解耦并實(shí)現(xiàn)模糊控制。孫赟采用自抗擾控制技術(shù)進(jìn)行解耦，對各回路中總擾動進(jìn)行有效補(bǔ)償，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性。許靜等[31]采用自適應(yīng)線性神經(jīng)元前饋解耦控制方法對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)末端進(jìn)行了解耦控制，付龍海等[32]基于PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對機(jī)組進(jìn)行了解耦控制。王軍等[33]采用狀態(tài)反饋解耦方法將被控過程分解為對角矩陣，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)解耦。孫寧等[34]則采用相對增益分析法進(jìn)行了系統(tǒng)解耦控制，減小了末端控制回路的耦合度，控制器參數(shù)整定效果優(yōu)于非解耦方式。

解決多回路耦合問題的另一個(gè)重要方法是合理設(shè)置控制響應(yīng)時(shí)間。空調(diào)系統(tǒng)的熱交換是一個(gè)緩慢的過程，若控制器響應(yīng)時(shí)間設(shè)置過長，則系統(tǒng)控制反映遲滯，若響應(yīng)時(shí)間設(shè)置過短，則系統(tǒng)響應(yīng)太快而產(chǎn)生震蕩。各回路需要單獨(dú)進(jìn)行調(diào)控，各回路控制是獨(dú)立的而不是同時(shí)的，2個(gè)動作之間要有一定的時(shí)間差，因?yàn)槎鄠€(gè)控制回路是相互耦合的，任一環(huán)節(jié)發(fā)生變化都會影響另一環(huán)節(jié)。若2個(gè)控制回路同時(shí)調(diào)節(jié)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩。因此一個(gè)控制周期內(nèi)，只能有一個(gè)控制回路在調(diào)節(jié)，該控制回路響應(yīng)結(jié)束且穩(wěn)定后，再開啟下一回路調(diào)控，可使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。目前得到成功應(yīng)用的案例中，均采用了多回路單獨(dú)調(diào)控的方式，取得了較好的工程應(yīng)用效果[34]。

3 空調(diào)系統(tǒng)調(diào)控對系統(tǒng)噪聲的影響

空調(diào)系統(tǒng)噪聲源主要包括風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、冷水機(jī)組、水泵及管路元件，其中風(fēng)機(jī)氣動噪聲及管路元件氣流再生噪聲是主要噪聲源，其他噪聲（如水泵、壓縮機(jī)等）不與送排風(fēng)系統(tǒng)直接連通，對艙室影響較小。

3.1 風(fēng)機(jī)噪聲源

對于風(fēng)機(jī)氣動噪聲，葉輪轉(zhuǎn)速在很大程度上影響風(fēng)機(jī)輻射噪聲。研究表明，風(fēng)機(jī)的輻射噪聲與葉輪輪緣速度的五次方成正比，并得到了試驗(yàn)的證實(shí)。風(fēng)機(jī)噪聲聲壓級與其運(yùn)行工況的關(guān)系為：Lp=Alg(QH/η)+B，風(fēng)機(jī)噪聲聲壓級與風(fēng)量、壓力、效率有緊密關(guān)系，降低風(fēng)量壓力、提高效率可有效降低噪聲。

3.2 管路元件氣流再生噪聲

對于元件（閥門、風(fēng)口等）氣流再生噪聲，麥哲明等[35]基于脈動壓力與靜態(tài)剪切力成正比的假設(shè)，推導(dǎo)了通風(fēng)管路元件（閥門、彎頭與風(fēng)口等）氣流再生噪聲的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。結(jié)論顯示，元件氣流再生噪聲能量與管內(nèi)流速的4～6次方成正比，與元件阻力系數(shù)的二次方成正比，因此通過控制管內(nèi)流速、降低元件阻力可以顯著降低氣流再生噪聲。

3.3 變風(fēng)量系統(tǒng)調(diào)控對噪聲的影響

相對于定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，變風(fēng)量系統(tǒng)根據(jù)艙室熱負(fù)荷的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與末端閥門開度，在保證系統(tǒng)閥門盡量處于最大開度情況下實(shí)現(xiàn)送風(fēng)量的變化與調(diào)節(jié)。在部分負(fù)荷條件下，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)在噪聲方面有兩方面優(yōu)勢：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)風(fēng)量降低，風(fēng)機(jī)噪聲顯著低于定風(fēng)量系統(tǒng)；送風(fēng)閥門與末端裝置閥門開度較大，阻力系數(shù)低，閥門氣流再生噪聲顯著低于定風(fēng)量系統(tǒng)。因此在部分負(fù)荷條件下，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)噪聲顯著低于定風(fēng)量系統(tǒng)。

從系統(tǒng)配置角度來說，風(fēng)機(jī)與管路系統(tǒng)低噪聲匹配的原理是通過水力性能匹配，使風(fēng)機(jī)工作在各轉(zhuǎn)速下的最佳工作點(diǎn)，降低管路系統(tǒng)的振動噪聲。可通過設(shè)計(jì)盡量增加管路的阻力損失曲線與風(fēng)機(jī)的最佳工作區(qū)相交的區(qū)間，在這種匹配設(shè)計(jì)下通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)需要的流量壓力要求，風(fēng)機(jī)即運(yùn)行在該轉(zhuǎn)速的最佳工作點(diǎn)附近，實(shí)現(xiàn)低噪聲運(yùn)行。在風(fēng)機(jī)水力狀態(tài)偏離最佳工作點(diǎn)流量較大時(shí)，采用調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或系統(tǒng)阻力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)與管路系統(tǒng)的流量/壓力匹配，回到低噪聲工況區(qū)間。

4 結(jié) 語

本文對船用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納總結(jié)，對空調(diào)系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)技術(shù)、系統(tǒng)多回路調(diào)控策略/控制算法與解耦方法以及系統(tǒng)噪聲方面進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，對多種控制方法的原理、控制過程、穩(wěn)定性與節(jié)能效果進(jìn)行了分析，為船用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣提供支撐和導(dǎo)向。