空調溫濕度智能控制技術的研究

方 新，王金娥

（蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州 215000）

空調溫濕度智能控制技術的研究

方 新，王金娥

（蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州 215000）

通過對現有大型空調系統的溫度和濕度的自動化控制方法做了大量現場調研，系統分析目前空調系統的溫度，濕度自動化控制在實際應用中可以滿足溫度和濕度的基本控制要求但有關舒適性和節能方面存在問題，故對溫度和濕度自動控制方面提出了溫度分程控制，溫度串級控制，利用虛擬空氣參數等智能控制方法來進行優化和改進。

變風量空調；樓宇自控；分程控制；串級控制；溫度控制；虛擬空氣參數

0 引言

通常大型建筑的空調系統按照風量劃分，可以分為變風量和定風量系統。變風量系統(VAV)可根據室內熱負荷的變化而自動調節送風量，主要應用于以舒適性為主的區域，如辦公室和公共區域等。目前變風量系統因其節能的特點而被大力推廣使用。定風量系統(CAV)的送風風量是固定不變的，從而保證了房間的換氣次數和壓差的穩定，主要應用于工藝車間、實驗室和潔凈室等場所。

在空調自控方面，Honeywell、SIEMENS、Johnson Control等公司的樓宇自控系統普遍采用網絡結構，通過以太網絡可以與現場的DDC（直接數字控制）控制器形成通訊，實時監測控制現場的執行器或控制器[1]。經過調研發現，盡管目前變風量和定風量系統溫濕度自動化控制可以滿足其基本控制要求，但在舒適性方面和節能方面還存在問題。為了獲得更好的節能和智能控制效果，本文提出了分程，串級和虛擬參數智能控制方法，并通過了實踐驗證。

1 空調系統傳統的溫濕度控制方法

空調機組通常由風機，冷熱盤管，控制閥等組成，典型的空調自動控制見圖1。空調機組的送風或回風溫濕度、靜壓等過程模擬變量和風機運行狀態數字變量分別被送到DDC控制器的模擬量和數字量輸入模塊。而DDC控制器輸出的模擬量和數字量信號分別用于控制冷熱水閥門、電動風閥和風機的狀態。空調系統最基本的功能是溫度控制，即根據設定的回風或送風溫度期望值，DDC控制器調節空調處理機組的冷水和熱水盤管電動閥的大小，以滿足制冷和制熱的需要。夏季有除濕需要時，可以根據設定值來控制冷水閥門的開度來除濕，再控制熱盤管的熱水閥門來滿足溫度和濕度的要求。

圖1 空調控制功能原理圖

1.1 變風量空調系統

變風量空調系統是美國廣泛使用的一種空調系統，由空氣處理機組、送風系統、變風量控制箱（VAV box）等組成[2]。變風量控制箱（VAV box）會根據控制區域的溫度變化來自動調整風閥開度，其壓差傳感器可以將風量換算成房間溫度，并和和溫度設定值比較，實現了閉環PID溫度自動控制（見圖2）。安裝在總送風管道的靜壓傳感器感受到因末端變風量控制箱風量變化而引起風管靜壓的變化，并變送模擬量信號到DDC的輸入模塊，DDC比較實際靜壓值和設定值后，輸出模擬信號到風機變頻器，從而實現變風量控制(見圖3)。傳統自控方法為控制固定的空調機組的送風溫度或回風溫度，帶來的問題是需要頻繁人工干溫度設定值來滿足季節變化或末端負荷變化。且控制固定的空調回風溫度可以滿足整體大區域房間溫度的要求，但存在送風溫度過冷過熱等問題，并出現風口下的工位非常不適，影響了人員的舒適度。

圖3 空調風機閉環框圖

1.2 定風量空調系統

定風量空調系統的送風量固定不變，新風和回風量都是固定的，保證了區域的換氣次數和房間的壓差要求。與變風量空調系統相比，定風量空調系統通過控制空調回風溫度來滿足空調服務區域的溫度控制要求，其自控系統比較簡單，然而固定回風溫度的同時會存在送風溫度波動較大的現象。此外，在過渡季節，冷水和熱水閥門的頻繁交替開啟，會造成能源浪費較大。

2 空調系統的智能控制方法

2.1 溫度分程控制

分程控制指將控制器輸出信號全程分割成若干個區域，每個區域段對應一個控制閥。每個控制閥僅在控制器輸出信號整個范圍的區域內工作。溫度分程控制其工作模式為將溫度控制分為熱區和冷區兩個區域（見圖4）。

圖4 分程控制圖

控制原理如圖6所示，由房間溫度過程值PV，溫度設定值SP，閥門比例控制值CV構成溫度PID控制回路。溫度PID控制程序通過比較溫度過程值和設定值的差值，輸出0～100的比例值。閥門開度對應的控制比例數值范圍也定義為0～100。其中55～100為冷區，對應冷水閥門開度為0～100，0～45為熱區對應熱水閥門開度為100～0，45～55為溫度死區即閥門死區。同時對于夏季除濕問題，濕度PID控制程序計算出冷水閥門開度。最后取溫度PID和濕度PID的冷水閥門開度的最大值，即可同時滿足溫度和濕度控制要求，避免了冷水和熱水閥門在非除濕模式下同時開啟而帶來的能源浪費問題。

圖5 多程控制圖

圖6 多程控制閉環框圖

2.2 溫度多程控制

溫度分程控制雖然可以很好解決冷水熱水閥門重疊開啟的問題，但是對于換季季節新風的自然冷卻節能控制無法利用。為了實現自動控制，可以通過焓差比較來來實現新風的比例調節[3]，溫度多程控制方法是將溫度控制分為3段(見圖5)，控制比例數值范圍0～45定義為熱區，45～65定義為閥門死區和焓差控制區即控制新風閥門開度，65～100為冷區。

2.3 溫度串級控制

溫度串級控制的控制原理是：送風溫度控制串聯到回風溫度控制閉環回路中(見圖7)，比較回風溫度和設定值，使送風溫度設定值在給定范圍內浮動變化。冷熱水閥門、送風溫度傳感器構成閉環PID控制回路。固定范圍的送風溫度控制有效避免了風口下方出現過冷或過熱不適現象，提高了舒適度的同時也節能，避免了不同季節變化需要人工干預送風設定值的問題，所以溫度串級控制方式應用到變風量空調系統中可以有很好的效果，同理應用到定風量空調系統同樣可以起到節能作用，利用回風溫度的變化來浮動設定空調送風溫度，可以讓溫度PID控制程序做到在小范圍溫度內快速的響應，改善冷熱水閥門頻繁變化的問題。解決了空調系統溫度控制遲滯性問題。

2.4 虛擬露點控制

夏季空調除濕負荷消耗冷熱能源非常大，新風空調能耗最需要關注。利用傳統的溫度加相對濕度控制模式經常因送風溫度的變化導致相對濕度波動干擾，給自動化控制PID程序帶來了困難，引起濕度控制波動或能源浪費，比較常見的潔凈室空調濕度模式通常使用露點控制模式。

設空氣的狀態用9個參數表示：大氣壓力B、干球溫度t、濕球溫度ts、露點溫度tl、焓I、含濕量d、相對濕度?、飽和水蒸氣分壓力Pqb、水蒸氣分壓力Pq。在大氣壓力B和溫度濕度參數已知的前提下，則可通過Pqb=f(T)的經驗公式計算出空氣的其他狀態參數[4-6]：

實踐證明，露點控制模式可以實現濕度精確和穩定控制。但因露點傳感器比較貴，一般利用虛擬露點替代露點傳感器用于濕度的控制。

圖7 溫度串級閉環框圖

3 應用舉例

因樓宇自控系統具有的通用性，本文將空調的溫濕度智能控制技術應用于某大型食品工廠采用的西門子樓宇insight自控系統。在應用前，該廠空調系統采用的是傳統的溫濕度控制方法。其中，變風量空調系統的送風溫度設定值需要頻繁干預來滿足末端的需求，且辦公區域部分風口下存在過冷或過熱的現象。在過渡季節也沒采用變新風量的節能控制模式。定風量空調系統盡管溫度控制較穩定，但在過渡季節都存在冷熱水閥門交替頻繁動作，造成冷熱能源抵消，能源浪費問題。

現用溫度雙程、多程和串級控制方法來優化該工廠辦公區區域變風量空調系統的溫度控制。為了實現利用自然新風進行過渡季節的自然冷卻，空調溫度控制程序采用了多程和雙程分開控制，多程控制方式除了有冷水熱水控制外還有新風風量的控制，較適用于過渡季節[5]。而雙程控制適用于非過渡季節。自控程序可以根據室內外的焓差自動判斷并選擇雙程溫度控制還是多程溫度控制。

工廠內的定風量空調采用溫度串級控制，實現送風溫度在域值范圍內自動調節以滿足回風溫度即房間溫度的控制。首先由回風溫度過程值PV，回風溫度設定值SP，送風溫度控制值CV構成輔PID控制回路。送風溫度設定值限定在16℃～28℃的范圍內變化。然后空調送風溫度PV，送風溫度設定值SP，冷水或熱水閥門CV構成PID主控制回路。空調送風溫度控制可以根據回風溫度的變化而自動浮動設定，通過控制送風溫度來滿足溫度控制要求。

對于全新風空調采用虛擬露點控制模式進行濕度控制，做到精確、穩定、高效和節能，并成功解決了水閥門變化頻繁的問題，在提高濕度控制精度的同時節約了能耗。

該工廠的空調溫濕度控制在采用智能控制后，得到了較好控制效果。在過渡季節成功實現了新風自然冷卻，解決了變風量空調末端風口過冷過熱的問題，冷熱水閥門交替開啟方面的問題也得以解決，運用智能控制方法后冷熱水閥門由原來頻繁交替動作變為小幅度平穩狀態，有明顯的節能功效。

4 結論

本文通過對“空調系統智能的控制”課題的研究，得到以下結論：

（1）針對實際運行中存在的一些影響因素和空調系統變風量與定風量各自的特點，提出了幾種智能控制方法；

（2）提出了將溫度分程控制與串級控制模式相結合的理念，并運用到實際項目中，得到了期望的效果；

（3）空調系統為通用系統，具有較強的適用性和廣泛性，本文提出的智能控制方式同樣適用于其他控制系統。

隨著樓宇自控系統的發展，空調系統的智能控制有很大的發展空間，空調系統的智能控制方式對控制系統的節能減排具有重要意義。

［1］張吉禮，趙天怡，陳永攀.大型公共建筑空調系統節能控制研究進展［J］.建筑熱能通風空調，2011（3）：6-10.

［2］張軍，張虹，王劍明.多區域變風量空調控制系統仿真研究［J］.制造業自動化，2009（9）：114-117.

［3］徐曉寧，云飛.中央空調末端設備智能控制與管理節能［J］.建筑科學，2008（8）：45-46.

［4］趙榮義，范存養，薛殿華，等.空氣調節：第三版［M］.北京：中國建筑工業出版社，1994.

［5］晉欣橋，柴小峰，杜志敏.過渡季節VAV空調系統送風溫度的優化控制策略［J］.天津大學學報，2009（7）：587-589.

［6］章柏其，周斌.濕空氣狀態參數關系式［J］.暖通空調，2005（6）：131.

Research on Intelligent Control Technology for Air Conditioning Temperature and Humidity

FANG Xin，WANG Jin-e
（School of Mechanical and Electric University，Soochow University，Suzhou215000，China）

Base on site survey and research on control method of HVAC system’s temperature and humidity，analyzed actual application status of current HVAC system.Found the current automation control could meet with basic requirement of temperature and humidity control，but have issues in comfortable and energy saving control.Suppose to using method of split range control，cascade control and virtual air parameter for temperature and humidity control optimization.

VAV；HVAC BAS；split range control；cascade control；temperature control；virtual air parameter

TP29

：A

：1009－9492(2014)11－0093－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.026

方 新，男，1981年生，江蘇溧陽人，碩士研究生。研究領域：機電一體化、智能控制。

(編輯：向 飛)

2014－05－13