船用變風量空調系統調控技術研究綜述

黃偉稀，陳文華，何 濤，郝夏影

(中國船舶科學研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

在船舶與海洋平臺上，空調通風系統用于調節艙室溫濕度與流速等空氣環境，可有效提高船舶舒適性、改善船員的生活環境。空調系統的用電量占船舶總電量的20%以上，空調系統的節能對于降低全船的能耗有重要意義。目前船用空調通風系統通常采用定風量系統，即根據系統熱負荷需求計算得到所需的送風量進行定風量送風。定風量系統運行穩定可靠，但存在以下問題：1）艙室的熱負荷會隨季節與早晚溫度變化而發生變化，而定風量的制冷/制熱量通常根據最大熱負荷需求進行設計，無法根據環境變化來調節，因此在部分負荷條件下定風量系統存在比較嚴重的能源浪費；2）定風量系統的艙室溫度會對環境溫度敏感，無法實現艙室溫度恒定，也無法根據船員喜好進行艙室溫度設定，在人體舒適性方面存在不足。

變風量空調系統根據艙室熱負荷的變化實時調節送風量，可用于解決以上能源浪費與人體舒適性的問題，一個穩定可靠的調控系統可以顯著降低系統能耗、降低噪聲，同時可實現區域化溫度控制，改善人體溫濕度舒適性。變風量空調系統對控制系統的要求較高，存在的問題有：1）控制系統復雜，系統涉及多個控制回路，各回路之間相互耦合相互影響，容易引起系統震蕩，穩定性較差；2）由于變風量系統是實時調控的，調控部件與監測元器件易發生故障，影響使用壽命，故障發生后會嚴重影響系統運行。

變風量空調系統首先是在建筑行業開始推廣與應用，前期研究主要關注變風量空調系統的穩定運行，國內主要采用壓力無關型末端裝置，控制方式以定靜壓控制為主。隨著技術的發展，在建筑行業國內企業的變風量控制系統與末端裝置方面已有較強的技術實力，在高端寫字樓與商場等建筑中已有多個成功的應用案例，應用了定靜壓、可變靜壓、變靜壓與總風量控制策略，經實際應用實踐證明，變靜壓控制比定靜壓可以節能20%～50%左右，節能效果顯著，但由于系統復雜，需要解決系統不穩定問題與元器件故障引起系統不穩定問題，這些問題可導致空調系統能耗高于定風量系統。另外，目前變風量空調系統可實現的多是風系統，而非全系統，節能效果有限，有必要對水系統的變流量控制與冷水機組的制冷效率進行全方位的系統優化與控制，降低系統總能耗。

在船舶領域，變風量空調系統目前仍處于起步階段，目前已裝船的空調系統多數采用的還是定風量系統，變風量系統近兩年在科考船與遠洋客船上開始了一些應用性探索，尚沒有得到廣泛應用，仍局限于理論與試驗研究。隨著變頻技術的發展，采用變風量空調系統根據不同工況與氣候條件實現空調送風參數的實時調控，提高節能效果與舒適性將是船舶空調的未來發展趨勢[1 - 3]，變風量空調系統的研究對發展綠色智能船舶，提高我國船舶的技術附加值可起到重要的技術支撐作用。

1 空調系統仿真及試驗方法

1.1 變風量空調系統仿真分析方法

空調通風系統的仿真方法主要包括：1）能耗仿真分析，如DOE-2，BLAST，Energyplus等；2）控制系統仿真分析，如HVACSIM+，TRNSYS等。

TRNSYS是美國威斯康星麥迪遜大學開發的系統仿真軟件，面世以來在空調系統仿真與設計中得到了廣泛的應用。TRNSYS提供了多種組件模型，用戶可根據需求獨立編寫相應的模塊，根據系統熱力、水力特性與控制回路對各模塊進行連接。與以往的能耗模擬軟件軟件相比，除了可以模擬出建筑能耗，還能進行控制系統仿真，模擬控制過程。林興斌等[4-5]針對變風量空調系統優化控制建立了TRNSYS仿真模型，通過對比不同控制策略下的系統能耗，獲得優化控制方法的節能效果。李裴婕等[6]基于TRNSYS平臺開展了變風量空調系統故障檢測與診斷仿真研究。

Matlab/Simulink用于動態系統的建模與仿真分析，可以用于變風量空調系統控制過程仿真分析，不足之處是缺乏設備元器件的數學模型，需要編程。藍政杰等[7]基于Matlab/Simulink對變風量空調系統的控制進行建模與仿真，比較了不同控制方式的節能效果進行尋優。

1.2 變風量空調系統試驗平臺

為了開展變風量空調系統的研究，國內多所高校搭建了變風量空調試驗臺，西安建筑科技大學、長安大學、青島理工大學、大連理工大學等搭建了陸用變風量空調系統試驗臺，集美大學搭建了船用變風量空調試驗臺，這些試驗臺對于變風量空調系統的控制方法研究提供了較好的試驗條件。各試驗臺功能組成如下：1）西安建筑科技大學智能樓宇研究所變風量空調實驗平臺[8]由冷水機組、變頻風機冷卻塔、冷卻水泵、一次水泵、二次變頻水泵、電加熱器、電動冷凍水閥、補水箱與溫濕度、流量壓力傳感器等組成，主要用于變風量空調水系統控制方法及其節能效果的試驗研究。2）大連理工大學變風量空調試驗臺[9]采用了單風道雙風機的變風量空調系統，包括空氣處理機組、軸流式回風機、變風量末端、風閥、水閥、相應管道以及自動控制系統組成，控制系統涉及5個控制回路。3）青島理工大學空調實驗室[10]包括風系統和水系統，風系統包括房間、末端裝置、空氣處理機組，水系統包括冷水機組、冷卻塔、冷凍水二次泵、一次泵、冷卻水泵、電加熱器、閥門與傳感器組成。4）集美大學船用變風量空調試驗臺[11]由制冷機組、AHU、空氣過濾器、變頻風機、變風量末端與控制系統等組成，包括送風溫度控制、送風靜壓控制與室內溫度控制3個回路，測控系統是基于NI控制器與Labview平臺搭建。

2 變風量空調系統調控策略及控制算法

空調系統包括風系統、冷凍水系統、冷水機組與冷卻水系統。顧名思義，變風量空調系統是相對定風量而言，指的是在送風溫度恒定的條件下根據艙室熱負荷變化而實時調節送風量，使艙室溫度達到目標設定值。除了風系統，水系統的變流量控制也可以顯著提高節能效果，包括冷凍水系統變流量控制、冷卻水系統變流量控制等，使制冷機組與流體輸送設備的功率根據熱負荷的變化而實時調控，在滿足功能需求條件下最大程度地避免功率冗余，從而實現節能與降噪目的。

2.1 風系統調控策略

風系統控制目標是實現艙室溫度控制，控制回路包括末端單元控制與管道靜壓控制。末端單元控制回路根據房間溫度實測值與設定值的偏差進行閥門開度的調節，通過房間送風量的調節實現房間溫度的控制；靜壓控制回路根據靜壓監測點的靜壓實際測量值與設定值來調節風機轉速，靜壓控制策略主要有定靜壓法、可變靜壓法、變靜壓法與總風量法。

2.1.1 末端單元控制

末端裝置可分為壓力無關型與壓力有關型。壓力有關型末端裝置[12]通過溫度控制器調節風閥的開度與送風量實現室內溫度的控制。壓力有關型末端受到管內靜壓變化的影響，管內靜壓變化導致末端風量變化，最終使室內溫度改變，此時根據室溫的變化調節閥門開度，該控制實質為一個單閉環控制。對于壓力無關型末端，房間溫度不受管道靜壓的影響，末端裝置設有風量檢測裝置，當送風管道內的靜壓值產生變化導致風量變化時，控制器會根據風量的變化先行調節閥門開度，在靜壓的變化影響室內溫度之前，就已經把閥門調到正確位置，該控制類型是一個串級控制，主控器為溫度控制器，主控器根據溫度設定值與實測值的偏差進行調控，風量控制器為副控制器，其根據風量設定值與實測值偏差對閥門進行調節。壓力無關型末端單元控制流程如圖1所示。

圖1 壓力無關型末端單元控制原理圖Fig. 1 Schematic diagram of pressure independent terminal unit control

壓力有關型末端控制方法簡單，不存在風量傳感器故障問題，系統運行穩定[12]。但從調節方式看，壓力無關型末端裝置更具快速性，當管道壓力變化導致風量變化時，壓力無關型末端裝置能夠快速反應來保持原有的風量。隨著技術的發展，壓力無關型末端裝置將得到廣泛應用[13]。

2.1.2 靜壓控制策略

靜壓控制回路根據靜壓監測點的靜壓實測值與設定值的偏差來調節風機轉速使管內靜壓達到目標設定值，靜壓控制策略主要有定靜壓法、可變靜壓法、變靜壓法與總風量法。

1）定靜壓法

定靜壓法指在送風管道布置靜壓傳感器，通過比較靜壓實測值和設定值來調節風機轉速，保持送風靜壓恒定，一般在管路阻力為總阻力的2/3處設置靜壓測點，定靜壓控制流程如圖2所示。定靜壓控制法在歐美市場較為常見，是變風量空調系統中早期采用的方法[14]。定靜壓法通過末端閥門調控實現不同房間的差異化溫度控制，可根據外界環境溫度變化實現室內溫度自動調控，實現節能，系統穩定性高。不足之處是由于系統靜壓恒定，部分負荷下通過減小末端閥門開度來調節風量，導致閥門阻力消耗增大，不利于節能，特別是季節變化或者早晚的溫度變化導致的整體負荷變化時，所有房間的閥門均可能同時處于較小的開度，部分負荷下風機能耗沒有降低。另外，定靜壓控制中的風管靜壓值很難設定，靜壓值設定過低或過高都會出現問題，若設置過低，則會出現一些區域的風量不能滿足設計要求；若設置過高，則會出現風機長時間處于高速運行的現象，降低節能效果及增大噪聲。

圖2 定靜壓控制流程圖Fig. 2 Schematic diagram of constant static pressure control

2）可變靜壓法

相對于定靜壓法，可變靜壓法[15]的送風靜壓設定值可以根據熱負荷變化進行調節，根據負荷變化實時調節靜壓設定值，靜壓設定值盡量保持允許的最低值，閥門開度較大，以實現風機能耗的降低，可變靜壓控制流程如圖3所示。靜壓設定值變化由系統末端閥位開度值決定，當開度小于最低開度的閥門數量達到一定值時，表明系統靜壓過高，風機轉速需降低；反之則靜壓過低，需提高轉速。可變靜壓法解決了定靜壓法在部分負荷下風機能耗過高的問題，在季節變化或早晚溫度變化導致整體負荷變化時的節能效果明顯優于定靜壓法[16]。不足之處是變靜壓法控制系統復雜，可能會導致系統不穩定。由于具有較好的節能效果，可變靜壓法是目前采用較多的控制策略[17]。

圖3 可變靜壓控制流程圖Fig. 3 Schematic diagram of variable static pressure control

3）變靜壓法

變靜壓控制不需要控制風管上的靜壓，只需綜合所有變風量末端風閥閥位情況，進行風機變頻控制，其控制流程如圖4所示。變靜壓控制的核心思想是盡可能保持變風量末端的風閥處于較大開度，它與定靜壓控制的區別在于，變靜壓系統管道中的靜壓隨著系統負荷的變化而變化，解決了定靜壓法中靜壓設置過高或過低的問題，使變風量末端裝置更易于調節，且噪聲更小，更加節能。源牌集團的產品應用證明[18]，同一個建筑同一套空調系統，變靜壓控制方式比定靜壓方式節能20%～30%，主要體現在機組的風機能耗上。

圖4 變靜壓控制流程圖Fig. 4 Schematic diagram of variable static pressure control

4）總風量法

總風量法根據系統末端裝置的風量需求，對通過調節風機轉速實現總風量控制，總風量法采用壓力無關型末端，首先根據室內溫度實測值與設定值偏差計算各末端所需風量確定末端風量設定值，通過求和得到系統的總風量需求，進而通過算法調節風機的轉速，總風量控制流程如圖5所示。該方法的缺點是：由風機變頻控制和風閥調節控制同時改變送風量，增加了系統的耦合性，容易導致系統控制不穩定，風機頻率與風量之間的關系與風管阻力特性有關，而該阻力特性隨末端風閥狀態不同而時刻處于變化之中。

圖5 總風量控制流程圖Fig. 5 Schematic diagram of total air volume control

2.2 水系統調控策略

變風量空調水系統包括冷水機組、冷凍水系統、冷卻水系統，主要耗能設備有：制冷機組（壓縮機等）、流體介質輸送動力設備（水泵、風機等）與換熱器等。通常情況下，空調系統節能主要通過提高空調系統的制冷效率，如壓縮機與換熱器等設備性能的改進，提高設備的能效比。除設備性能改進之外，變風量空調系統解決的是系統匹配與調控的問題。研究表明，離心式機組蒸發器運行在60%～70%以上設計流量工況時，對機組的制冷系數影響不大，在50%以下流量工況運行時，機組性能才會顯著下降。水系統的變流量調控可在不犧牲冷機性能的前提下降低動力設備能耗與系統總能耗。

空調水系統變流量控制方法主要有：溫度控制/溫差控制、定靜壓控制與變靜壓控制等。

1）溫差控制

溫差控制原理是根據供回水的溫差實測值與設定值偏差調節水泵轉速，通過流量調節實現溫差的恒定，多數應用于管道上不設調節閥的系統。供回水溫差反映了負荷的變化，通過調節冷媒的流量實現冷量與負荷相匹配。溫差控制的局限有：溫差信號的變化過程時滯較大，控制精度不高；溫差控制對壓力變化不敏感，易造成最不利末端供水壓力不足，不適合多回路系統。

溫差控制或冷凝溫度控制一般用于冷卻水系統控制，冷卻水系統與舒適性關系不大，不要求調節的快速性，且出水溫度與供回水溫差可變范圍大，故可用定冷凝溫度或溫差控制，此時溫差控制的局限性對系統影響不大。

2）壓差控制

與風系統的靜壓控制類似，水系統壓差控制以冷媒管道靜壓實測值和設定值偏差來調節水泵轉速改變流量，從而實現換熱量與需求匹配。壓差控制方法適合閉式的環路系統，通常應用于管路中設有閥門的系統。實際應用中冷凍水系統普遍采用閉式系統，而冷卻水系統多采用開式系統，因此，壓差控制可應用到冷凍水變流量控制中。壓差控制時滯小，在流量調節中具有較好的快速性。

① 定壓差控制

定壓差控制指壓差設定值是固定值，壓差設定值對水泵節能效果影響較大，為滿足最不利末端的流量需求，實際應用中的壓差設定值往往偏大，致使水泵能耗有所浪費。為保持最不利環路前后壓差不變，水泵必須消耗額外的能量來滿足其他環路的冗余阻力，在部分負荷條件下，大量的能量被消耗在了閥門上。壓差設定值越大，節能效果越不顯著。

② 變壓差控制

變壓差控制指壓差設定值可根據負荷的變化進行調控，變壓差控制可解決定壓差控制的不足。變壓差控制根據各回路閥門開度情況改變壓差設定值[19]，當最不利回路閥門達到全開時，提高壓差設定值，當低于最小閥位的閥門超過一定數量后，降低壓差設定值。變壓差控制是根據負荷需求的變化調整壓差設定值，在滿足用戶負荷變化要求的前提下，使閥門始終保持較大的開度，降低了閥門的阻力損耗與水泵的動力能耗。

關于空調水系統變流量控制的研究工作較多。Schwedler等[20]分別分析了冷凍水與冷卻水定流量與變流量對冷水機組能耗的影響，驗證了水系統變頻節能的可行性。Chan KT[21]分析了變流量對冷水機組性能的影響，給出了變流量狀態下提高冷機性能的方法。陳嵩[22]對比了閥門調節與水泵轉速調節對溫度控制的精度與節能效果的差異，林永進[23]分析了不同控制方法對水泵性line-height-add:-1pt能的影響，彭彥平等[24]采用冷卻塔風機與冷卻水泵雙量調節控制方法開展了冷卻水變流量控制節能效果的研究。蔣小強等[25]指出，冷凍水變流量運行的節能效果好于冷卻水變流量。李蘇瀧[26]的研究表明，冷卻水系統定進水溫度控制節能效果由于溫差控制。徐菱虹等[27]對冷卻水系統采用進出口溫差控制與冷卻塔風機啟停控制，實現了29.7%的節能效果。

在空調水系統中單個設備性能提高的基礎上，應以系統整體節能為目標，優化系統控制策略，實現部分負荷下的節能調控。

2.3 系統控制算法及解耦

2.3.1 系統控制算法

變風量空調系統各回路的控制需要通過控制器實現，而控制算法主要有PID控制算法、模糊控制、神經網絡及免疫遺傳算法等。

目前，PID控制算法是變風量空調系統控制器設計中常用的算法，它是根據輸入信號（實測值與設定值的偏差）的比例、積分與微分進行控制，因其參數整定與操作便捷而成為目前比較常用的控制算法，PID控制器的參數整定需要根據經驗進行初始設置，然后在系統調試中進行修正。近年來，隨著技術的發展，很多先進的控制算法被引入到壓力無關型末端控制與靜壓控制中來，如模糊控制、神經網絡、粒子群優化算法以及免疫遺傳算法等，這些算法對于解決PID參數整定問題、提高調控速度及穩定性具有一定優勢。針對系統非線性時變特性，劉靜紈等[28]采用了模糊控制與PID控制相結合的方式進行室內溫度控制、送風溫度控制與末端裝置控制。針對傳統PID參數不易實時整定的問題，莊俊華等采用神經網絡串級預測、BP神經網絡、基于神經網絡PID控制方法用于末端裝置控制、風量控制與送風溫度控制，仿真研究表明，在調節速度和穩定性上較傳統PID有較大改善。馬少華[29]將粒子群算法運用到系統末端控制中，通過粒子群優化PID參數自整定控制方法解決了常規PID參數尋優能力不足的問題，與神經網絡控制相比，該算法在實現和計算效率方面具有一定優勢。

2.3.2 多回路耦合及解耦方法

變風量空調系統為時變、復雜的非線性熱力學系統，還是一個多環路控制系統。單個環路容易控制，多個環路同時控制時各環路之間存在耦合現象，容易導致系統震蕩。控制系統耦合及其導致的震蕩問題是制約控制系統準確穩定運行的一個重要因素與技術瓶頸。

針對變風量空調控制系統多回路耦合問題，任慶昌等[30]建立了空調機組與末端兩分量之間的耦合關系及數學模型，基于神經網絡智能解耦策略及算法進行了解耦并實現模糊控制。孫赟采用自抗擾控制技術進行解耦，對各回路中總擾動進行有效補償，增強了系統穩定性。許靜等[31]采用自適應線性神經元前饋解耦控制方法對變風量空調系統末端進行了解耦控制，付龍海等[32]基于PID神經網絡方法對機組進行了解耦控制。王軍等[33]采用狀態反饋解耦方法將被控過程分解為對角矩陣，實現了系統解耦。孫寧等[34]則采用相對增益分析法進行了系統解耦控制，減小了末端控制回路的耦合度，控制器參數整定效果優于非解耦方式。

解決多回路耦合問題的另一個重要方法是合理設置控制響應時間。空調系統的熱交換是一個緩慢的過程，若控制器響應時間設置過長，則系統控制反映遲滯，若響應時間設置過短，則系統響應太快而產生震蕩。各回路需要單獨進行調控，各回路控制是獨立的而不是同時的，2個動作之間要有一定的時間差，因為多個控制回路是相互耦合的，任一環節發生變化都會影響另一環節。若2個控制回路同時調節，可能導致系統震蕩。因此一個控制周期內，只能有一個控制回路在調節，該控制回路響應結束且穩定后，再開啟下一回路調控，可使系統穩定運行。目前得到成功應用的案例中，均采用了多回路單獨調控的方式，取得了較好的工程應用效果[34]。

3 空調系統調控對系統噪聲的影響

空調系統噪聲源主要包括風機、壓縮機、冷水機組、水泵及管路元件，其中風機氣動噪聲及管路元件氣流再生噪聲是主要噪聲源，其他噪聲（如水泵、壓縮機等）不與送排風系統直接連通，對艙室影響較小。

3.1 風機噪聲源

對于風機氣動噪聲，葉輪轉速在很大程度上影響風機輻射噪聲。研究表明，風機的輻射噪聲與葉輪輪緣速度的五次方成正比，并得到了試驗的證實。風機噪聲聲壓級與其運行工況的關系為：Lp=Alg(QH/η)+B，風機噪聲聲壓級與風量、壓力、效率有緊密關系，降低風量壓力、提高效率可有效降低噪聲。

3.2 管路元件氣流再生噪聲

對于元件（閥門、風口等）氣流再生噪聲，麥哲明等[35]基于脈動壓力與靜態剪切力成正比的假設，推導了通風管路元件（閥門、彎頭與風口等）氣流再生噪聲的半經驗計算公式。結論顯示，元件氣流再生噪聲能量與管內流速的4～6次方成正比，與元件阻力系數的二次方成正比，因此通過控制管內流速、降低元件阻力可以顯著降低氣流再生噪聲。

3.3 變風量系統調控對噪聲的影響

相對于定風量空調系統，變風量系統根據艙室熱負荷的變化實時調節風機轉速與末端閥門開度，在保證系統閥門盡量處于最大開度情況下實現送風量的變化與調節。在部分負荷條件下，變風量空調系統在噪聲方面有兩方面優勢：風機轉速與系統風量降低，風機噪聲顯著低于定風量系統；送風閥門與末端裝置閥門開度較大，阻力系數低，閥門氣流再生噪聲顯著低于定風量系統。因此在部分負荷條件下，變風量空調系統噪聲顯著低于定風量系統。

從系統配置角度來說，風機與管路系統低噪聲匹配的原理是通過水力性能匹配，使風機工作在各轉速下的最佳工作點，降低管路系統的振動噪聲。可通過設計盡量增加管路的阻力損失曲線與風機的最佳工作區相交的區間，在這種匹配設計下通過調節轉速實現需要的流量壓力要求，風機即運行在該轉速的最佳工作點附近，實現低噪聲運行。在風機水力狀態偏離最佳工作點流量較大時，采用調節風機轉速或系統阻力，實現風機與管路系統的流量/壓力匹配，回到低噪聲工況區間。

4 結 語

本文對船用變風量空調系統技術的研究現狀進行了系統的歸納總結，對空調系統仿真與試驗技術、系統多回路調控策略/控制算法與解耦方法以及系統噪聲方面進行了重點介紹，對多種控制方法的原理、控制過程、穩定性與節能效果進行了分析，為船用變風量空調系統的應用與推廣提供支撐和導向。