論空調自動化系統的控制及節能技術的研究

盧克安

身份證號碼：110107197606040638 廣西省南寧市 530021

摘要：隨著人們生活水平的不斷提高，對生活、工作環境的空氣溫度、濕度、潔凈度和風速都有一定的要求，空氣調節就是為了滿足這些要求出現的，此外，由于空調設備長期運行，耗能巨大，對其進行實時的自動監控，也是整個系統優化管理、節約人力、降低能量的需要。隨著空調的使用率正在逐漸增加，用量若是繼續加大，那么其所消耗的電力也會持續增加，這將導致很多城市的供電嚴重不足。因此，目前我們需要有一套完整的、有效的空調節能系統。

關鍵詞：樓宇空調；自動化系統；控制技術

一、空調自動化系統的控制的基本內容

1、空氣溫度控制

按照人類生理要求和生活習慣，根據生產工藝的要求，空氣調節系統的控制就是建立一個滿足要求的溫度環境。空氣溫度的控制是空調系統最主要、最基本的功能。

2、空氣濕度調節

不論是舒適的生活與上作環境，還是特殊的生產和科研環境，都對環境中的濕度參數有一定的要求。空氣過于潮濕或過于干燥都會使人感到不舒適，而且隨著氣溫的變化，人們對空氣濕度的要求也不盡相同。在一些特殊產品的生產車間、特別貴重物品、儀器設備的存放間或使用工作間，對濕度有更為嚴格的要求。空氣調節系統對濕度的調節是建立一個具有特定濕度環境所必需的。

3、空氣氣流速度調節

人生活在以低流速流動的空氣環境中，比在靜止的空氣環境中會感到舒適。而處于變流速的空氣環境中比恒流速更舒服。監控氣流時，通常選距地面1.2 m的空氣流速作為監測標準。空調制冷時，水平風速以0.3 m/s為宜；空調制熱時，水平風速以0.5 m/s為合適，過高或過低的流速也會給人帶來不適。

4、空氣質量調節

空氣中含氧濃度的高低，直接影響人們的生活質量；空氣中懸浮污物的含量，直接影響人們的身體健康。空氣中含氧濃度下降，使人感到胸悶憋氣，長期在這種環境下工作，危害人的健康，可通過新風量的調節保證空氣中的含氧量。空調房間中合適的溫濕度也利于細菌繁殖、懸浮污物的聚合，聚合后的懸浮污物攜帶各種細菌進入空調通風系統中，最終被人吸入體內，對人體帶來危害，可通過加強對這些懸浮顆粒的過濾以保證空調環境的清潔度。空氣含氧量和空氣清潔度的調節都屬于空氣質量調節。

5、空氣壓力調節

在一些特別的空調空間，如有超潔凈度要求的電子、光學、化學、制藥等特殊的生產工藝環境，通過控制使超潔凈環境中的空氣相對于外部環境的空氣維持一定的正壓，就避免了外部空氣的進入，有利于保證空調空間的潔凈度；也有一些空調空間可能有負壓要求，如在有毒、有害氣體的空調環境中，為了避免有毒、有害氣體泄漏至內部環境，可使該空調空間的氣壓相對于其他空間的氣壓保持一定的負壓，以保證有害氣體不向外泄漏造成環境的污染和損害。

空氣調節設備有新風機組、空氣處理機組、風機盤管、變風量系統（VAV）、送風崩}風系統等類型，下面在各類設備中，將選擇有代表性的新風機組自動控制設備作為例子，進行具體的分析與探討。

二、新風機組自動控制的方法

1、新風機組運行參數與狀態監控點/位及常用傳感器

新風溫度測量：取自安裝在新風口上的溫度傳感器，采用風管空氣溫度傳感器。新風濕度測量：取自安裝在新風口上的濕度傳感器，采用風管空氣濕度傳感器（在BAS系統中，不是每個新風口都安裝新風溫/濕度傳感器，只需要在有代表性的少數新風入口或室外適當的檢測點安裝，測量值可供整個BAS系統共用）。

①過濾網兩側差壓監測：取自安裝過濾網上的壓差開關輸出，采用壓差開關監測過濾網兩側壓差。

②送風溫度測量：取自安裝在送風管上的溫度傳感器，采用風管空氣溫度傳感器。

③送風濕度測量：取自安裝在送風管上的濕度傳感器，采用風管空氣濕度傳感器。

④防凍開關狀態監測：取自安裝在送風管靠近表冷器出風側的防凍開關輸出，只在冬天氣溫低于0 ℃時使用。

⑤送風機運行狀態監測：送風機配電柜接觸器輔助觸點，也可用監測點在風機前后的差壓開關監測。

⑥送風機故障監測：送風機配電柜熱機電繼電器輔助觸點。

⑦送風機開關控制：從DDC（Direct Digital Control直接數字控制，通常稱為DDC控制器）數字輸出口（DO）輸出到送風機配電箱接觸器控制回路。

⑧新風口風門開度控制：從DDC控制器數字輸出口（DO）輸出到新風口風門驅動器控制輸入點。

⑨冷/熱水閥門開度調節：從DDC模擬輸出口（AO）輸出到冷熱水二通調節閥閥門驅動器控制輸入口。

⑩加濕閥門開度調節：從DDC模擬輸出口（AO）輸出到加濕二通調節閥閥門驅動器控制輸入口。

?空氣質量檢測：取自安裝在空調區域的空氣質量傳感器，常選用二氧化碳（CO2）傳感器。

?送風風速檢測：取自送風管上的風速傳感器，采用風管式風速傳感器。

2、新風機組連鎖控制

新風機組啟動順序控制：新風風門開啟→送風機啟動→冷熱水調節閥開啟→加濕閥開啟。新風機組停機順序控制：關加濕閥→關冷熱水閥→送風機停機→新風閥門全關。

3、新風機組運行與節能控制

（1）新風機組的溫度調節與節能策略

新風機組的控制通常以出風口溫度或房間溫度為被調參數，全年使用的新風機組常以出風口溫度和房間溫度共同作為被調參數。DDC控制器按照出風口溫度或房間溫度傳感器測量的溫度值與給定值比較的偏差，用PID規律調節冷/熱水調節閥開度以達到控制冷凍（加熱）水量，夏天使房間溫度低于28℃，冬季則高于16℃。

（2）濕度調節

新風機組濕度調節與空調系統的濕度調節過程基本相同，把出風口（房間）濕度傳感器測量的濕度信號送入DDC控制器與給定值比較，產生偏差，由DDC按PI規律調節加濕電動閥開度，以保持空調房間的相對濕度。

（3）新風風門的調節

根據新風的溫濕度、房間的溫濕度及焓值計算以及空氣質量的要求，控制新風門的開度，使系統在最佳的新風風量的狀態下運行，以便達到節能的目的。

（4）過濾器堵塞保護

采用壓差開關測量過濾器兩端差壓，當差壓超限時，壓差開關報警，表明過濾網兩側壓差過大，過濾網積灰積塵、堵塞嚴重，需要清理、清洗。

（5）空氣質量控制

為保證空調房間的空氣質量，應選用空氣質量傳感器，當房間中CO2、CO濃度升高時，傳感器輸出信號到DDC，經計算，輸出控制信號，控制新風風門開度以增加新風量。

三、空調節能系統技術

眾所周知，在我國現有的智能建筑當中，采暖、降溫等系統所耗費的能量在整幢大樓的能源消耗量中占據了絕大部分，約50%～60%。如，循環水泵、冷凍機組、新風機組、冷卻塔、空調機組等等都是耗能的大戶，所以開發一種有效的空調系統節能方法是必須的，特別是需要改善現有的空調系統自動化控制。DDC（Directdigital control）即直接數字化控制，是一項構造簡單、操作容易的控制設備，它可借由接口轉接設備隨負荷變化作系統控制，如空調水循環系統、空調箱風量變頻自動調節及冷卻塔散熱風扇的變頻操控等，這些措施可以讓空調系統得到更有效率的運轉，不僅可以為物業管理帶來很大的經濟效益，而且還可使整個空調系統在較佳的工況下運行，從而延長設備的使用壽命以及達到提供舒適的空調環境和節能的目的。

四、中央空調變頻調速控制

重要空調變頻調速技術的核心其實就是循環水系統的控制。循環水系統主要由兩部分組成：一部分是冷卻水循環系統；另一部分是冷凍水循環系統。

中央空調系統的外部熱交換主要是由冷凍水和冷卻水兩個循環系統完成的。需要進行熱交換的熱量，主要可以通過循環水系統的回水與進（出）水溫度之差觀察出來。所以，為了控制進行熱交換的速度，就需要根據回水與進（出）水溫度之差，控制循環水的流動速度來實現，這也是當前較為合理的一種控制方法之一，但是冷凍水和冷卻水略有不同，具體的控制如下：

（1）冷凍水循環系統的控制。因為冷凍水的出水溫度是冷凍機組“冷凍”的結果，所以其通常是比較穩定的。這也就是說，房間內的溫度，從單是回水溫度的高低就可以觀察出來。因此，根據回水溫度進行簡單的控制，就可以很好的控制冷凍泵變頻調速系統，因為回水溫度高，房間溫度也相應增高，所以應該提高冷凍泵的循環速度，以節約能源。

綜上所述，對冷凍水循環系統而言，回水溫度就是控制的依據，也就是通過變頻調速實現回水的恒溫控制。當然為了確保最高樓層的壓力是足夠的，應該在回水管上接一個壓力表，這樣，當回水壓力低于規定值時，電動機的轉速將不再下降。一般來說，冷凍水系統變頻調速方案主要有兩種：

第一種：壓差為主、溫度為輔的控制。以壓差信號為反饋信號，進行恒壓差控制。而壓差的目標值可以在一定范圍內根據回水的溫度進行適當調整。當房間溫度較低時，使壓差的目標值也適當下降一些，減小冷凍泵的平均轉速，提高節能效果。這樣，既考慮了環境溫度的因素，又改善了節能效果。

第二種：溫（差）度為主、壓差為輔的控制。通過溫度或溫差信號的反饋，進行恒溫控制，根據壓差大小對目標信號進行適當的調整。如果發現壓差偏高，表明其負荷比較重，此時就需要按照相關的要求適當的提高目標信號，以便增加冷凍泵的平均轉速，保證最高樓層有足夠的壓力。

（2）冷卻水循環系統的控制

①控制的基本情況和依據

一般來說，冷卻水的進水溫度就是冷卻水塔內的水溫，主要由環境溫度和冷卻風機的工作情況來決定。因為冷卻塔的水溫是受環境溫度影響，隨環境溫度變化而變化的，因此，單測水溫并無法準確反映冷凍機組內產生熱量。也就是說，對冷卻泵而言，把進水和回水間的溫差作為控制依據，完成進水和回水間的恒溫差控制，是比較合理的。假如出現溫差較大，那就表示冷凍機組產生的熱量大，此時需要提高冷卻泵的轉速，以便能夠增大冷卻水的循環速度；假如出現溫差較小的現象，則表明冷凍機組產生的熱量小，此時可以降低冷卻泵的轉速，同時減緩冷卻水的循環速度，以便能夠更好的節約能源。通過廣泛的實踐證明，采用進水和回水間的溫差作為控制依據的控制，冷卻泵的變頻調速的方案是較為合理的。也就是說，當進水溫度低時，就需要著眼于節能效果，對溫差的目標進行適當的調控；當進水溫度高時，就需要從保證冷卻效果出發適當的調低溫差的目標。

（2）控制方案

冷卻循環系統的控制方法是多種多樣的，各種控制方式有不同的控制途徑和效果。本文主要是介紹一種冷卻泵的控制方案，也就是利用變頻器內置的PID調節功能，這種方式可以兼顧節能效果和冷卻效果的控制方案。

①反饋信號。我們所說的反饋信號，是指由溫差控制器得到的與溫差山成正比的電流或電壓信號。

②目標信號。目標信號是一個與進水溫度“相關的、并且與目標溫差成正比的值。其基本考慮是：當進水溫度高于32℃時，溫差的目標定為3℃；當進水溫度低于24℃時，溫差的目標值定為5℃；當進水溫度在24℃和32℃之間變化時，溫差的目標將按照這個曲線自動調速。根據此控制要求，可以設計此冷卻水循環系統的控制原理。

五、結束語

綜上所述，空氣調節系統的任務就是當室內外的空氣參數（溫度、濕度等）發生變化時，要求保持空調空間內空氣參數不變或不超出給定的變化范圍。通常采取對空氣進行加熱或冷卻達到溫度調節的目的，通過加濕和除濕達到濕度調節的目的，通過過濾和調節新風量來達到空氣質量調節的目的，為人們的生活、工作、學習提供更優質的環境。

參考文獻：

[1]蘇錦霰，耿望陽，智能建筑的空調節能[J]智能建筑，2004年。

[2]李冬輝，樓宇自控系統中節能控制的研究[J]低壓電器，2006年。

[3]龍惟定，程大章，智能化大樓的建筑設備[M]北京：中國建筑工業出版社，2007年。