變風量空調系統智能控制技術和運用

耿啟龍

（青島賽維電子信息服務股份有限公司淄博分公司，山東 淄博255000）

市場化背景下，空調技術在辦公樓、演播大廳、大型商場、宴會廳等建筑內得到普遍應用?？照{智能控制系統是自動控制管理系統（BAS）的關鍵構成，設計節能便捷的空調控制方案，滿足受眾的個性化需求，極具經濟價值和社會效益。變風量空調系統是從單風道定風量空調系統演變而來的，與定風量空調方式相比，其有以下特點：第一，空調系統的風量是可變的；第二，各空調區域末端的風量是可變的。由于系統的室內空氣質量較好、空調區域溫度可控、低溫新風冷卻節能等優勢，在各類辦公區域得到廣泛應用。但因為變風量空調系統對控制技術的依賴性較高，科學實現變風量空調系統控制設計是該系統設計的重點，同時也是該系統是否成功的關鍵。

1 變風量空調系統智能控制技術概述

變風量空調系統（Variable Air Volume Air-Conditioning System，VAV）是一種舒適性空調的全空氣系統，最先出現在上世紀60年代的美國。變風量空調系統節能效果高，滿足了用戶的個性化需求，能使用變頻裝置對風機轉速進行調節，在一定程度上減少了風機能耗；其有室內空氣品質高、熱舒適性好、室內濕度低等優勢；能借助室外新風自然冷卻，并開展低溫送風[1]。但該系統在實現智能控制方面，經歷了很長的一段過程，具體如下：

1.1 變風量末端控制

在變風量末端溫控區設置方面，每個變風量末端需裝置控制器，通過溫控區內的室內溫控器進行控制?？刂破髯鳛榭刂葡到y的關鍵，通過比較定值與被調量，計算偏差值，并參考提前設定的控制規律，對風閥進行調節，近似于給定值[2]。

1.2 系統風量控制

在VAV系統中，為了保證系統內每個末端裝置都能正常運行，應確保主風道內各點的靜壓高于其最低壓力。通常情況下，在主風道壓力最低處安裝靜壓傳感器，便于更好地把握系統風量的變化，并采用控制器對送風機轉速進行調控，確保壓力能穩定在最小壓力值的范圍內，這種控制方法被稱為“定靜壓法”[3]。在變風量控制系統中，空調器AHU的風量控制是主要的控制內容，一般情況下，通常使用變定靜壓法進行控制（見圖1）。按照各獨立分區的變風量末端裝置控制器，得出中央監控系統的數據，結合各區最大靜壓需求值進行設定，應盡量設置得小些，直到末端裝置調節風閥完全打開。在變定靜壓控制法的使用過程中，應對測定點進行設置，因為靜壓設定值能結合數據進行重新設定，值得注意的是，應設置在距離空調器出口大約1/3的主送風管上。

圖1 變定靜壓法原理圖

2 變風量空調系統控制的內容與特點

變風量空調系統與智能控制有密切關聯，各個房間的送風量會隨著房間負荷的改變而改變，這對智能控制提出了更高的要求[4]。要想實現預期的節能效果，則應依托智能控制來實現，其系統控制的內容與特點如下：

2.1 變風量系統控制的內容

變風量系統指的是通過自動調節來滿足室內溫度濕度需求的一種方法，并不是通過送風溫度的改變來實現的。變風量空調系統主要是借助變速風機、末端調節風量等實現的，這是由多個控制端構成的系統，能確保室內溫度處于最佳狀態[5]。變風量系統控制是一個動態化的過程，其主要是借助自動控制系統來實現室內空氣的流通，如神經網絡、模糊控制等。通過提高空調設備的效能比，對建筑物空調系統模式進行優化，強化對其的自動控制運行管理，能最大限度提高其節能效果。

2.2 變風量系統控制的特點

變風量空調系統借助固定送風溫度，調節送風量，以此來滿足冷熱負荷的變化，風量減少在一定程度上影響了風機的功率能耗，起到了節能效果；能控制單個房間的溫度，防止出現過冷過熱的情況[6]。相較于定風量，該系統在濕度控制方面存在明顯不足，但在一般要求方面并無差別。變風量空調系統是一種全空氣系統，能有效控制房屋內部的環境，確保空氣均勻分布，降低送風溫度，從而實現節能減耗的目標。在空調系統中，每個房間的負荷情況不盡相同，或者其設定值存在差異時，最方便的控制方法就是按照房間溫度與設定值間的差距，對末端裝置中的風閥進行調節[7]。在這種情況下，某一房間溫度在符合要求值的情況下，因為其他房間風量的變化，會引起末端裝置內空氣壓力的變化，確保房間溫度處于最佳狀態。

3 智能控制技術在變風量空調系統中的應用

伴隨智能控制技術的日趨成熟，當前主要分為人工神經網絡控制系統、分級階梯控制系統、模糊控制系統、專家控制系統、學習控制系統等[8]。本文側重介紹人工神經網絡控制系統、模糊控制系統和專家控制系統在變風量空調系統中的應用。

3.1 模糊控制

模糊控制主要是根據模糊集理論，采用模糊語言變量和邏輯推理的工具，依托既有知識經驗，把直覺和決策結合起來的一種智能控制法。這主要是按照模糊理論進行設計的，并不需要參照數學模型，同時模糊算法能有效使用專家提供的模糊知識信息，從而解決建模不精確的過程[9]。近幾十年來，模糊控制和算法的應用效果顯著，這是當前處理非線性不確定系統控制問題的主要方式?？傮w來看，模糊控制主要有以下特點：第一，能實現對非線性對象、不確定性對象的控制；第二，在被控對象特性參數的變化方面的干擾能力比較強；第三，在控制系統的干擾方面有很強的抑制能力。1974年，英國學者Mamdani最先在蒸汽機和鍋爐的控制方面使用模糊控制理論，效果明顯，這說明模糊控制已經投入實踐應用，體現了模糊控制器的高智能發展[10]。

3.2 人工神經網絡

人工神經網絡指的是由大量神經元處理單元連接成的網絡，復雜程度比較高，是一種非線性動力學系統。該系統通過對人腦的模擬，體現了人腦的基本特點，在不精確的信息處理問題的應用方面有很強的實用性。從本質上看，變風量空調系統是人工神經網絡的一種代表，VAV空調系統的節能性較高，便于靈活控制，但該系統需要精心調試，否則可能會出現噪聲大、節能效果差、氣流組織差等問題。該系統能否正常運轉，在一定程度上取決于控制系統，VAV空調系統的控制通常采用變靜壓變溫度法等進行控制（見圖2）。因為VAV空調系統是一種高度非線性系統，PID控制在復雜的環境內，其控制效果比較差。所以，應采用智能控制方法控制整個系統，這能有效解決控制回路所帶來的控制性能問題。通過神經網絡控制的使用，主要是聯合PID控制其風量，效果明顯。

圖2 VAV空調機組變靜壓控制原理圖

3.3 專家系統

專家系統包括知識庫、推理機兩個版塊，這是一種智能背景下的計算機程序系統。依托MAS的協作智能專家系統，能把MAS和專家系統結合起來，并聯合神經網絡、模糊控制等人工智能技術，構成一個優勢互補的系統，對分布式中央空調系統進行優化控制，節能效果顯著（見圖3）。Agent有社會性、自主性和智能性等優勢，實現對系統的全局控制，這有效解決了中央空調系統的協調控制問題，在建構子系統的反應模塊時，使用常規的控制方法；針對建模難度大的子系統，借助集成模糊控制、神經網絡控制等人工智能技術予以設計，確保對局部子系統的智能化控制，效果顯著。

圖3 MAS智能專家系統的模型建構

4 變風量空調系統智能控制技術應用前景

20世紀80年代末期，我國在首批智能建筑中應用了VAV系統，但因為在建設過程中存在的問題，未能發揮變風量系統的優勢，以失敗而告終。近些年來，設計人員又開始了變風量系統的研究，究其原因，主要體現在以下方面：第一，當前國內定風量系統暴露出了許多問題，如定風量系統擴建難度較大，未能滿足當前社會發展的需求；第二，變風量系統的節能效果較好，所以人們想要使用變風量系統實現節能目標。因為建筑物中的空調系統能耗較大，所以節能在設備自動化中尤為重要。VAV系統因自身的節能、調控溫度的優勢，在國外建筑中得到了廣泛應用，同時也開始在國內的智能建筑中應用。相較于定風量空調系統，其對相應的冷量進行了控制，這是變風量系統設計最為科學的地方。同時，伴隨各房間送風量的改變，系統總送風量也出現轉變，這在一定程度上節省了風機轉速的能耗。在定風量空調系統中，溫度傳感器是可控的，一般情況下，一個空調系統受一個參數控制。另外，在變風量空調系統中，每個房間的溫度都是通過其末端裝置控制的，靈活方便，能把不同溫度、不同朝向要求的房間放置在同一個空調系統內，這在改擴建中十分實用。在工業生產過程中，大多使用電機恒速運轉，通過關閉風閥降低風機的荷載量，從而對其風量進行控制。在這個環節，電機軸功率和風量呈正相關。該方法的優勢在于初期投資少、便于控制，使其在工業生產中得到了普遍使用，但其缺點在于風機設備運行效果較差，未能實現預期的節能減耗目標。相較于風機盤管加新風系統，變風量空調系統的技術優勢相對明顯，但我們至今尚未普及該系統的應用，除了施工、技術觀念和設計等方面的因素外，最關鍵的在于設備國產化率較低。VAV系統中的關鍵設備包括變頻器、變風量末端裝置等，這些均依賴于進口，其價格昂貴，正是在這種背景下，提出了智能控制理論。整體來看，VAV空調系統的應用前景廣闊，極具經濟價值和社會效益。

綜上所述，在當前背景下，智能建筑已是時代發展的必然趨勢，這體現了人們對建筑物的功能要求，能實現節能減耗的目標，有助于綠色環境的可持續發展。本文通過分析人工神經網絡、專家系統和模糊控制等技術在變風量空調中的應用，指出智能控制技術是未來建筑發展的主要方向，有助于更好地實現節能環保的效果。