基于送風溫度計算的室內溫度調節策略

薛根

（廣州大學城能源發展有限公司）

1 引言

空調通風系統的溫度控制是自動控制中的難點，其溫度變化的延遲性、環境熱負荷的惰性以及多方面的熱源干擾因素等都給控制精度、響應時間和系統穩定性帶來了很大的挑戰[1]。由于會議室、劇場和大廳等大空間受到人員進出、中場休息以及外界天氣變化的巨大影響，其環境溫度控制問題更加突出，要求環境溫度保持恒定，避免忽冷忽熱影響人體的舒適感受。

2 工程概況

廣州大學城信息樞紐樓會議室位于10樓，空間約500m2，呈階梯布置，設置300個坐席。會議室西側為全落地玻璃，受陽光直射，所以熱輻射較大。會議室東側為走道，設4扇門作為主要出入口，在進出場時會帶入東側走道的熱流，引起溫度的較大波動。外界環境驟變時，新風溫度和窗口熱輻射都會發生較大變化，導致室內溫度的起伏較大。

會議室配置1套換熱風柜，回風經過風柜冷卻后與新風混合，然后通過風機以恒定風量送到會議室的15個送風口，采用上出風形式。

原有溫控系統以回風溫度反映會議室室溫，并以此作為調節變量，通過溫控器調節冷凍水供水調節閥的開度，達到控制會議室溫度的目的。由于回風溫度的響應延遲時間過長，調節閥的開度呈周期震蕩（周期為25～30min），會議室室溫也呈現忽冷忽熱的變化，導致用戶舒適度不佳。之后改為人工操作調節閥的方式，按照經驗控制，在會議室使用前30min打開調節閥，調節閥開度保持在20%，如果感覺到熱則開大5%，如果感覺到冷則關小5%，如此頻繁操作同樣會使人體感到不適。如遇天氣突變，則會議室溫度變化較大，使用戶感受更差。

3 控制難點

會議室溫控的難點在于：①空間大，送風對流換熱響應慢；②室外熱輻射和走道熱對流交換引起的室內溫度波動大；③采用回風溫度作為調節對象延遲嚴重；④室內送風流向配置不均衡，導致室內溫度不均。

4 控制策略

會議室溫度控制過程（見圖1）設計采用類似串級PID的控制方式。內循環為送風溫度控制PID，以送風溫度為調節變量，控制冷凍水調節閥的開度，達到穩定送風溫度的目的。以外循環為根據加權后得出室溫，再重新計算需要控制的送風溫度，最終達到室內溫度恒定的目的。

5 溫度點采樣

由于會議室在完成裝修后，增加溫度采樣點需要重新布線施工，難度大且不美觀。本文采用基于MODBUS-RTU協議的RS-WS-DY-2-6型無線溫濕度傳感器進行溫度采樣，使控制箱集成進入PLC模塊，經觀察，信號穿2層墻后依然保持穩定可靠的通信。采用無線傳輸溫度點不僅避免了布線施工的煩瑣，設備安置好即可投運，還可以根據需求遷移和增加采樣點。將溫度采樣點選在主席臺附近、朝陽窗邊的下緣以及會議室后部等多處。將信號平均后得出3個溫度值，分別是T前臺（前臺溫度）、T窗邊（窗邊溫度）和T后部（會議室后部溫度），以T前臺和T窗邊為計算參數，T后部僅作為監控參數，不參與計算。則室內溫度加權計算公式如下：

6 送風溫度的計算

內循環送風溫度控制是一般的PID控制，調節對象是冷凍水調節閥的開度，通過控制冷凍水調節閥的開度使送風溫度穩定在設定值。本文的核心部分是送風溫度的計算，會議室送風溫度響應趨勢（見圖2）作為送風溫度的計算策略，曲線上部為窗邊溫度、前臺溫度以及加權后的溫度曲線，下半部曲線即為理想的送風溫度設定值曲線。經分析可得：

Δt2=T室內-T室內溫度設定，室內溫度與送風溫度鏡像對稱，因此，Δt3=Δt2。

圖2 會議室送風溫度響應趨勢圖

注：Δt1為室內溫度穩定后的設定值溫度差，根據調試經驗，并根據人體舒適度需要取值為3℃。

初始階段，系統盡量調低送風溫度，目的是快速降低室內溫度。一段時間后，送風溫度逐漸回調增大，最后接近設定值。系統不僅滿足了快速降溫的需求，室內溫度穩定（本文室內溫度波動為±0.5℃），在休會期間人員出入時使熱負荷發生變動時也能基本保持穩定（本文休會期間室內溫度波動為±1.5℃），還可以滿足人體舒適度的要求。

7 項目改造采用的設備及主要程序

本文以西門子PLC224XP作為集中控制設備，溫度采樣選用仁科測控的無線溫度傳感器發射和接收機，型號為RS-WS-N01-6-6和RS-JSQ。通過MODBUS與PLC通訊協議傳送溫度采樣數據。

圖1 會議室溫度控制過程框圖

8 實際運行情況

在實際運行中，前臺溫度的變化較慢，通過計算送風溫度，投運初期快速開大冷凍水調節閥，增大冷凍水流量，快速降溫，在初始階段前臺溫度可以在20～30min內達到設定溫度，隨后送風溫度根據負荷變化進行微調，前臺溫度波動范圍很小，基本穩定在±0.5℃范圍內。系統實現了快速降溫和穩定控制的目標，同時送風溫度計算值的實時趨勢和前臺溫度的實時趨勢也符合鏡像設計的策略（見圖3）。

圖3 會議室溫度實時控制趨勢圖

9 結語

本文介紹了一種基于送風溫度計算的室內溫度調節策略，以送風溫度計算為核心，較好地實現了會議室內溫度的自動控制，調節速度快，控制精度高，滿足了會議人員舒適度的要求，避免了人工操作的煩瑣。