變風(fēng)量空調(diào)及其控制系統(tǒng)的研究

李晉鵬（山西晉城煤業(yè)集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 晉城048000）

1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)末端控制與裝置

VAV空調(diào)系統(tǒng)的控制機(jī)理并不是很復(fù)雜，末端送風(fēng)裝置是實(shí)現(xiàn)變風(fēng)量功能的關(guān)鍵，而選擇何種控制系統(tǒng)并與末端送風(fēng)裝置進(jìn)行有機(jī)結(jié)合是整個(gè)VAV空調(diào)系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)之一。VAV空調(diào)系統(tǒng)并非是簡(jiǎn)單地在定風(fēng)量系統(tǒng)上加裝可調(diào)變速風(fēng)機(jī)及末端裝置，它還包括由多個(gè)控制回路所組成的控制系統(tǒng)，要保證VAV空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行隨著空調(diào)負(fù)荷變化而進(jìn)行相應(yīng)改變就必須依靠自動(dòng)控制系統(tǒng)。變風(fēng)量控制系統(tǒng)的主要作用是：自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)送風(fēng)量以適應(yīng)房間空調(diào)負(fù)荷變化；通過相對(duì)獨(dú)立的控制單元分別實(shí)現(xiàn)對(duì)不同房間、不同功能區(qū)域的不同溫度參數(shù)要求；能夠根據(jù)負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)送風(fēng)主機(jī)的運(yùn)行頻率以降低空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

目前在過程控制領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的控制器是常規(guī)PID(比例，積分，微分)控制器，簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點(diǎn)使其對(duì)于線性定常的控制是非常有效的，一般都能夠得到比較滿意的控制效果，至今在全世界的過程控制中有84%的控制器仍是PID控制器，VAV系統(tǒng)末端裝置也大多采用PID控制器。

PID控制以其巧妙的構(gòu)思和良好的控制效果一度成為應(yīng)用最廣泛，實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的控制策略。PID控制理論內(nèi)涵給人們留下了較大的研究空間，關(guān)于PID參數(shù)自整定的方法也相繼問世，但隨著控制理論及應(yīng)用范圍的不斷發(fā)展，控制對(duì)象也日趨復(fù)雜，有些系統(tǒng)的過程模型難以建立，并且具有高度的非線性、時(shí)變性；比如VAV變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的時(shí)變控制，因此傳統(tǒng)的PID控制策略就顯露了它的不足。雖然研究人員試圖通過簡(jiǎn)化控制算法或采取優(yōu)化集合控制等來解決這一不足，但效果并不很理想。

基于PID控制所存在的問題，相關(guān)研究人員根據(jù)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)結(jié)合控制技術(shù)在不斷改進(jìn)PID控制算法的基礎(chǔ)上積極尋找其它更為高級(jí)的控制方式，通過實(shí)踐，逐步將最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能化控制手段應(yīng)用于VAV空調(diào)系統(tǒng)的控制實(shí)踐。

隨著控制技術(shù)、空調(diào)技術(shù)的發(fā)展以及將二者相結(jié)合運(yùn)用于建筑系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)來看，VAV空調(diào)系統(tǒng)控制技術(shù)從最初的定靜壓控制到變靜壓控制再到后來直接數(shù)字控制、總風(fēng)量控制再到智能化控制已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，其中清華大學(xué)有關(guān)學(xué)者提出的總風(fēng)量控制法具有一定影響，該方法不采用靜壓送風(fēng)量，而是根據(jù)壓力無關(guān)型VAV空調(diào)系統(tǒng)末端裝置的設(shè)定風(fēng)量來確定系統(tǒng)送風(fēng)總量并據(jù)此計(jì)算出送風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而對(duì)送風(fēng)量進(jìn)行控制。他們通過對(duì)總風(fēng)量控制法與定靜壓控制法、變靜壓控制法的節(jié)能效果比較，認(rèn)為雖然總風(fēng)量控制法的節(jié)能效果不如變靜壓控制法，但因其沒有壓力控制環(huán)節(jié)，所以運(yùn)行穩(wěn)定性很好。另外，還有學(xué)者通過分析變VAV空調(diào)系統(tǒng)的局部控制，利用其送風(fēng)末端裝置風(fēng)閥的開度作為各空調(diào)區(qū)域相關(guān)負(fù)荷的指示信號(hào)，提出送風(fēng)靜壓優(yōu)化控制方法。

2 變風(fēng)量空調(diào)(VAV)控制系統(tǒng)模型

VAV空調(diào)系統(tǒng)主要應(yīng)用于大中型建筑物，它是全空氣空調(diào)系統(tǒng)與控制技術(shù)相結(jié)合并不斷發(fā)展的產(chǎn)物。與常規(guī)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)相比，VAV空調(diào)系統(tǒng)最主要的特點(diǎn)就是在每個(gè)空調(diào)房間的送風(fēng)管處設(shè)置一個(gè)VAV空調(diào)系統(tǒng)末端裝置(VAV Box)，該末端裝置的主要功能部件是一個(gè)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥門或末端調(diào)速風(fēng)機(jī)。

在總風(fēng)量控制下的VAV系統(tǒng)中, 當(dāng)室內(nèi)溫控器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到實(shí)際溫度超出設(shè)定溫度時(shí)，通過A／D轉(zhuǎn)換將溫差信號(hào)由各分支饋線傳輸給末端裝置控制器，并同時(shí)將信號(hào)傳輸給VAV系統(tǒng)主控制器。通過對(duì)信號(hào)的比較處理，改變送風(fēng)主機(jī)運(yùn)行頻率，改變送風(fēng)量。而末端裝置通過調(diào)整閥門開度或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來控制進(jìn)入房間的送風(fēng)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)房間的溫度控制。末端裝置的風(fēng)量調(diào)節(jié)是通過其自身的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，最簡(jiǎn)單的控制方式就是根據(jù)比較房間內(nèi)實(shí)際溫度值與設(shè)定溫度值之間的差值來調(diào)節(jié)末端裝置的風(fēng)閥開度。但這種控制也存在一些問題：當(dāng)某個(gè)房間達(dá)到設(shè)定溫度而相應(yīng)末端裝置風(fēng)閥開度保持穩(wěn)定時(shí)，由于其它房間末端裝置響應(yīng)相應(yīng)空調(diào)狀況而做出調(diào)整時(shí)就會(huì)影響整個(gè)VAV空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)壓力，進(jìn)而改變已調(diào)整穩(wěn)定的房間末端裝置，而空調(diào)負(fù)荷的熱惰性又致使末端裝置不會(huì)立刻進(jìn)行調(diào)整性動(dòng)作，等房間空調(diào)負(fù)荷變得較大并出現(xiàn)溫度波動(dòng)時(shí)，末端裝置才采取動(dòng)作，而動(dòng)作的結(jié)果又反過來影響其它房間末端裝置的控制效果。這樣一種以動(dòng)態(tài)響應(yīng)為主連續(xù)參量、多環(huán)節(jié)的控制方式來保證環(huán)境溫度與設(shè)定溫度相一致是很困難的，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)問題都會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行出現(xiàn)故障或是令系統(tǒng)功能大打折扣。比如，在送風(fēng)管道上選擇檢測(cè)點(diǎn)的位置如何，能否準(zhǔn)確代表系統(tǒng)送風(fēng)狀況，是否失真，再比如送風(fēng)管道異常漏風(fēng)時(shí)，還有，假如信號(hào)抗電磁干擾能力差等都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)送風(fēng)紊亂，送風(fēng)主機(jī)運(yùn)行頻率異常，原有送風(fēng)平衡被破壞，甚至無法進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整等等問題。

3 結(jié)語

變風(fēng)量末端裝置是VAV空調(diào)系統(tǒng)直接作用于被控環(huán)境的設(shè)備，通過末端裝置的即時(shí)響應(yīng)來調(diào)節(jié)環(huán)境的溫、濕度，同時(shí)又是通過末端裝置將預(yù)調(diào)整狀態(tài)前饋給VAV系統(tǒng)控制器對(duì)系統(tǒng)送風(fēng)主機(jī)，進(jìn)而改變送風(fēng)量響應(yīng)末端裝置的即時(shí)變化。所以末端裝置是VAV空調(diào)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的設(shè)備，其控制環(huán)節(jié)也是VAV控制系統(tǒng)的重要組成部分。本文對(duì)于變風(fēng)量空調(diào)(VAV)及其控制系統(tǒng)相關(guān)研究，有利于提高變風(fēng)量空調(diào)控制水平。

[1]姜士凱,吳成東,張麗丹.變風(fēng)量空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].低壓電器,2008,12.

[2]薛志峰,江億.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)分區(qū)問題[J].暖通空調(diào),2003,33(1).