軟測量技術在空調系統(tǒng)中的應用

西安建筑科技大學華清學院 閆秀聯(lián)

本文分析軟測量技術在空調自動控制系統(tǒng)中的研究與應用。利用軟測量技術分析變風量空調系統(tǒng)中各參數(shù)之間的影響關系。

在變風量空調系統(tǒng)中需要檢測的變量很多，各種傳感器儀表昂貴，其中有些變量不能通過傳感器直接采集獲取。據(jù)統(tǒng)計，其它國家可供商業(yè)使用的傳感器數(shù)量約有兩千多種，而我國卻僅有幾百種，所以，這就造成了我國從事自控技術的人員，經(jīng)常處于一種無法選取合適傳感器的尷尬局面，這使得各類控制系統(tǒng)缺少了前端的“眼睛”。為解決此類問題，近些年各個領域的科研人員把研究目光投向了軟測量技術，這為各類控制系統(tǒng)研究中參數(shù)的獲取提供了一個良好的突破口。

1 軟測量技術

軟測量技術作為間接測量的一個發(fā)展方向是現(xiàn)代檢測的研究熱點。某些參數(shù)不能通過傳感器直接采集獲得時，可以通過較容易檢測的過程輔助變量，根據(jù)系統(tǒng)中有關過程變量間的關聯(lián)，估計較難檢測的主要輸出變量。采用軟測量技術不僅可以減少儀器儀表，還給系統(tǒng)安裝、維護帶來很大的便利。軟測量技術自20世紀80年代中后期以來作為間接測量的一個發(fā)展方向是現(xiàn)代檢測的研究熱點，發(fā)展迅速，應用日益廣泛。軟測量儀表在可實現(xiàn)性、通用性、靈活性和成本等各方面均具有無可比擬的優(yōu)勢。推斷控制策略可視為軟測量技術在過程控制中的一個應用范例。目前軟測量技術在過程控制理論研究和實踐中取得了廣泛的成果。它的研究領域已拓展到了煤燃燒的污染物軟測量、飛灰含碳量軟測量、車輛側偏角軟測量、熱軋帶鋼黑度軟測量等。

由于工業(yè)控制過程的多干擾性和復雜性，意味著不可能只采用一種技術就可解決系統(tǒng)建模和控制問題。因此，各種技術綜合起來，已成為如今控制系統(tǒng)研究和應用的重要課題。比如軟測量技術與計算機技術結合，與控制技術結合，與虛擬儀器系統(tǒng)集成、與Internet技術結合等。

參數(shù)檢測的最終目的是為了對系統(tǒng)進行控制，好的檢測手段是精確控制的前提和基礎。因此，軟測量技術與控制方法相結合將推動工業(yè)過程控制的發(fā)展。一般解決工業(yè)過程的測量問題，如現(xiàn)有的過程測量儀表無法實現(xiàn)，可以采用迂回的思路，進行間接測量。利用可以直接測量的信息，通過兩者之間的某種關系，通過計算來實現(xiàn)對不易獲取的被測變量的估計。

圖1 變風量中央空調系統(tǒng)結構圖

2 空調系統(tǒng)中的參數(shù)監(jiān)測

空調系統(tǒng)中的檢測變量眾多，要想對系統(tǒng)進行控制，數(shù)據(jù)的采集處理是基礎。沒有相應的傳感器采集數(shù)據(jù)，在實現(xiàn)節(jié)能控制過程中就缺少有力證據(jù)。軟測量技術可以作為空調系統(tǒng)參數(shù)信息采集的研究方向。不僅可以減少儀器儀表的數(shù)量，還避免復雜檢測點的設置，給系統(tǒng)安裝、維護帶來很大的便利。

變風量中央空調系統(tǒng)結構，如圖1所示。這僅是西安某高校供師生進行實驗研究的中央空調實驗平臺，該系統(tǒng)由一臺冷卻塔、三臺冷卻水泵、兩臺冷水機組、三臺冷凍水泵、一臺加熱器、一臺變頻水泵、兩個空氣處理機組、六個房間末端、若干調節(jié)閥等組成。僅對一個實驗平臺系統(tǒng)進行控制，尚且需要四五十個傳感器實現(xiàn)信息的采集。對于智能建筑中實際的控制系統(tǒng)而言，傳感器的需求數(shù)量更是十分龐大。

在圖1變風量中央空調系統(tǒng)的風系統(tǒng)控制過程中，需要采集的主要參數(shù)有空調房間溫度、房間濕度、送風管道靜壓值、新風溫度、新風濕度、送風溫度、送風濕度、回風溫度、回風濕度、各風閥開度、水閥開度、CO2濃度等。這里采集的參數(shù)濕度是傳感器可以直接測量的相對濕度，而空調系統(tǒng)的舒適度控制研究多數(shù)是基于絕對濕度下進行的。由于絕對濕度與相對濕度之間無函數(shù)關系，空氣飽和汽壓也隨溫度變化而變化，可能中午相對濕度比夜晚小，某一溫度時的飽和水汽壓可以從“不同溫度時的飽和水汽壓”表中查出數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器測量得到的相對濕度計算出絕對濕度，利用絕對濕度進行新風與送風溫度控制，有效解決室內溫濕度問題，提高人體舒適度。

3 軟測量技術在空調系統(tǒng)中的應用

空調系統(tǒng)的室內溫濕度控制具有多干擾性和時變性。多干擾性主要體現(xiàn)在室內溫度會隨著房間人員數(shù)量、加熱設備啟停、室外滲透風、散濕量等因素。時變性主要體現(xiàn)在露點和末端送風量均實時變化，這就需要在控制過程中同時進行動態(tài)調節(jié)。對空調系統(tǒng)的控制，很多情況下要進行絕對濕度控濕研究，這就要求必須獲得房間的絕對濕度這一參數(shù)，而所有傳感器采集到的濕度均為相對濕度。這就要求根據(jù)絕對濕度與相對濕度的關系，計算得出絕對濕度的公式：

Pq,b為飽和水蒸氣的壓力值，Pa；dv為絕對濕度，g/m3；T=273.15+t，其中t為空氣溫度，℃；φ為相對濕度，%；λ=243.12℃，α=611.2Pa，β=17.62。

軟測量技術的關鍵是數(shù)據(jù)處理，采用合理的數(shù)據(jù)處理方法可使采集到的數(shù)據(jù)攜帶的信息量均勻，無冗余，拓寬數(shù)據(jù)的涵蓋范圍。進行軟測量的數(shù)據(jù)處理，對于實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化控制和節(jié)省儀器的高額投資具有重要意義。

夏季隨著環(huán)境溫度和濕度的上升，成為了空調系統(tǒng)能源需求最突出的季節(jié)。此時機體的熱平衡受高溫高濕環(huán)境的影響，會引起人體舒適感下降，從而使人體感到悶熱不適。在這個過程中描述空氣狀態(tài)的兩個主要參數(shù)溫度、濕度，并不是完全獨立的兩個變量。當房間溫度發(fā)生變化時，使空氣中水蒸氣的飽和壓力變化，在絕對含濕量不變的情況下，就直接改變了相對濕度；當相對濕度降低時，會引起加濕動作，其結果會導致室溫波動。即相對濕度與溫度之間存在耦合性，這就要求在空調系統(tǒng)控制過程中要特別注意相對濕度、絕對濕度、溫度之間的關系。

基于軟測量技術可以得到空調系統(tǒng)監(jiān)控過程中的絕對濕度。有了絕對濕度這一參數(shù)，可以進行后續(xù)控制策略或控制算法上的研究，比如可以進行基于絕對濕度控濕的溫濕度聯(lián)合控制。針對溫濕度之間存在的耦合性，可以進行溫濕度解耦方面的控制研究。最后，軟測量技術在空調系統(tǒng)控制過程中有著非常重要的作用。