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摘要:变风量空调系统的运行是随着空调负荷的改变而进行变化的,如何更快、更紧密地与负荷变化保持随动变化是该系统节能高效运行的关键。文章通过对变风量空调(VAV)及其控制系统各方面的探讨,指出变频调速与变静压控制的结合能有有效提高变风量空调的节能水平。
关键词:变风量空调;系统控制;末端控制装置;控制模型
中图分类号:TP273.4文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)14-0119-02
1变风量空调(VAV)系统控制发展
VAV空调系统的控制方式的发展大体上经历了三个阶段:第一个阶段,80年代开发并实际投入使用的定静压定温度控制形式;第二個阶段,90年代前中期开发并实际运用的定静压变温度控制形式;第三个阶段,90年代后期开发并实际运用的变静压变温度控制形式,在此阶段同时并存的还有总风量控制形式,已运用于实践。
目前,VAV空调系统已经成为欧美发达国家集中空调系统的主流模式。进入九十年代后,能源危机的紧迫使得日本对国内七十年代以前建设的中央空调系统进行改建或重建,将原有的定风量系统改造为变风量系统,并加大了对VAV空调控制系统的研究力度,形成了自己的控制模式及标准。目前,在我国发达地区新建公建项目中采用VAV空调系统者已占到较大比例。
我国虽然在VAV空调系统的理论研究上取得了不小的成绩,但具体到实践上与国外同类研究还有不小的差距,由于VAV空调系统真正在国内大范围得以推广使用的时间还很短,缺少实践经验,加之该控制技术相对复杂,控制环节多,尤其是对VAV空调系统控制部件的复杂性还存在研究上的困难,关键部件还需国外产品支持,另外价格较高、实际工程效果不理想等客观原因也阻碍了VAV空调系统的推广使用。
2变风量空调(VAV)系统末端控制与装置
VAV空调系统的控制机理并不是很复杂,末端送风装置是实现变风量功能的关键,而选择何种控制系统并与末端送风装置进行有机结合是整个VAV空调系统最重要的环节之一。VAV空调系统并非是简单地在定风量系统上加装可调变速风机及末端装置,它还包括由多个控制回路所组成的控制系统,要保证VAV空调系统运行随着空调负荷变化而进行相应改变就必须依靠自动控制系统。变风量控制系统的主要作用是:自动调节系统送风量以适应房间空调负荷变化;通过相对独立的控制单元分别实现对不同房间、不同功能区域的不同温度参数要求;能够根据负荷变化自动调节送风主机的运行频率以降低空调系统运行能耗,实现节能目的。
目前在过程控制领域中应用最为广泛的控制器是常规PID(比例,积分,微分)控制器,简单、稳定性好、可靠性高等特点使其对于线性定常的控制是非常有效的,一般都能够得到比较满意的控制效果,至今在全世界的过程控制中有84 %的控制器仍是PID控制器,VAV系统末端装置也大多采用PID)控制器。
PID控制以其巧妙的构思和良好的控制效果一度成为应用最广泛,实现最简单的控制策略。PID控制理论内涵给人们留下了较大的研究空间,关于PID参数自整定的方法也相继问世,但随着控制理论及应用范围的不断发展,控制对象也日趋复杂,有些系统的过程模型难以建立,并且具有高度的非线性、时变性;比如VAV变风量空调系统的时变控制,因此传统的PID控制策略就显露了它的不足。虽然研究人员试图通过简化控制算法或采取优化集合控制等来解决这一不足,但效果并不很理想。
基于PID控制所存在的问题,相关研究人员根据变风量空调系统的特点结合控制技术在不断改进PID控制算法的基础上积极寻找其它更为高级的控制方式,通过实践,逐步将最优控制、自适应控制、模糊控制及神经网络控制等智能化控制手段应用于VAV空调系统的控制实践。
随着控制技术、空调技术的发展以及将二者相结合运用于建筑系统的发展趋势来看,VAV空调系统控制技术从最初的定静压控制到变静压控制再到后来直接数字控制、总风量控制再到智能化控制已经取得了很大的发展,其中清华大学有关学者提出的总风量控制法具有一定影响,该方法不采用静压送风量,而是根据压力无关型VAV空调系统末端装置的设定风量来确定系统送风总量并据此计算出送风风机的转速,从而对送风量进行控制。他们通过对总风量控制法与定静压控制法、变静压控制法的节能效果比较,认为虽然总风量控制法的节能效果虽不如变静压控制法,但因其没有压力控制环节,所以运行稳定性很好。另外,还有学者通过分析变VAV空调系统的局部控制,利用其送风末端装置风阀的开度作为各空调区域相关负荷的指示信号,提出送风静压优化控制方法。
3变风量空调(VAV)控制系统模型
VAV空调系统主要应用于大中型建筑物,它是全空气空调系统与控制技术相结合并不断发展的产物。与常规的全空气空调系统相比,VAV空调系统最主要的特点就是在每个空调房间的送风管处设置一个VAV空调系统末端装置(VAV Box),该末端装置的主要功能部件是一个风量调节阀门或末端调速风机。
在总风量控制下的VAV系统中, 当室内温空器实时监测到实际温度超出设定温度时,通过A/D转换将温差信号由各分支馈线传输给末端装置控制器,并同时将信号传输给VAV系统主控制器。通过对信号的比较处理,改变送风主机运行频率,改变送风量。而末端装置通过调整阀门开度或风机转速来控制进入房间的送风量,进而实现对各个房间的温度控制。末端装置的风量调节是通过其自身的控制系统来实现的,最简单的控制方式就是根据比较房间内实际温度值与设定温度值之间的差值来调节末端装置的风阀开度。但这种控制也存在一些问题:当某个房间达到设定温度而相应末端装置风阀开度保持稳定时,由于其它房间末端装置响应相应空调状况而做出调整时就会影响整个VAV空调系统送风压力,进而改变已调整稳定的房间末端装置,而空调负荷的热惰性又致使末端装置不会立刻进行调整性动作,等房间空调负荷交得较大并出现温度波动时,末端装置才采取动作,而动作的结果又反过来影响其它房间末端装置的控制效果。这样一种以动态响应为主连续参量、多环节的控制方式来保证环境温度与设定温度相一致是很困难的,其中任何一个环节年问题都会导致运行出现故障或是令系统功能大打折扣。比如,在送风管道上选择检测点的位置如何,能否准确代表系统送风状况,是否失真,再比如送风管道异常漏风时,还有,假如信号抗电磁干扰能力差等都会导致系统送风紊乱,送风主机运行频率异常,原有送风平衡被破坏,甚至无法进行系统运行调整等等问题。
4结语
变风量末端装置是VAV空调系统直接作用于被控环境的设备,通过末端装置的即时响应来调节环境的温、湿度,同时又是通过末端装置将预调整状态前馈给VAV系统控制器对系统送风主机,进而改变送风量响应末端装置的即时变化。所以末端装置是VAV空调系统最为关键的设备,其控制环节也是VAV控制系统的重要组成部分。文章对于变风量空调(VAV)及其控制系统相关研究,有利于提高变风量空调控制水平。
参考文献:
[1] 姜士凯,吴成东,张丽丹.变风量空调自动控制系统设计[J]. 低压电器,2008,12.
[2] 薛志峰,江亿.变风量空调系统设计中的系统分区问题[J]. 暖通空调,2003,(1).
关键词:变风量空调;系统控制;末端控制装置;控制模型
中图分类号:TP273.4文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)14-0119-02
1变风量空调(VAV)系统控制发展
VAV空调系统的控制方式的发展大体上经历了三个阶段:第一个阶段,80年代开发并实际投入使用的定静压定温度控制形式;第二個阶段,90年代前中期开发并实际运用的定静压变温度控制形式;第三个阶段,90年代后期开发并实际运用的变静压变温度控制形式,在此阶段同时并存的还有总风量控制形式,已运用于实践。
目前,VAV空调系统已经成为欧美发达国家集中空调系统的主流模式。进入九十年代后,能源危机的紧迫使得日本对国内七十年代以前建设的中央空调系统进行改建或重建,将原有的定风量系统改造为变风量系统,并加大了对VAV空调控制系统的研究力度,形成了自己的控制模式及标准。目前,在我国发达地区新建公建项目中采用VAV空调系统者已占到较大比例。
我国虽然在VAV空调系统的理论研究上取得了不小的成绩,但具体到实践上与国外同类研究还有不小的差距,由于VAV空调系统真正在国内大范围得以推广使用的时间还很短,缺少实践经验,加之该控制技术相对复杂,控制环节多,尤其是对VAV空调系统控制部件的复杂性还存在研究上的困难,关键部件还需国外产品支持,另外价格较高、实际工程效果不理想等客观原因也阻碍了VAV空调系统的推广使用。
2变风量空调(VAV)系统末端控制与装置
VAV空调系统的控制机理并不是很复杂,末端送风装置是实现变风量功能的关键,而选择何种控制系统并与末端送风装置进行有机结合是整个VAV空调系统最重要的环节之一。VAV空调系统并非是简单地在定风量系统上加装可调变速风机及末端装置,它还包括由多个控制回路所组成的控制系统,要保证VAV空调系统运行随着空调负荷变化而进行相应改变就必须依靠自动控制系统。变风量控制系统的主要作用是:自动调节系统送风量以适应房间空调负荷变化;通过相对独立的控制单元分别实现对不同房间、不同功能区域的不同温度参数要求;能够根据负荷变化自动调节送风主机的运行频率以降低空调系统运行能耗,实现节能目的。
目前在过程控制领域中应用最为广泛的控制器是常规PID(比例,积分,微分)控制器,简单、稳定性好、可靠性高等特点使其对于线性定常的控制是非常有效的,一般都能够得到比较满意的控制效果,至今在全世界的过程控制中有84 %的控制器仍是PID控制器,VAV系统末端装置也大多采用PID)控制器。
PID控制以其巧妙的构思和良好的控制效果一度成为应用最广泛,实现最简单的控制策略。PID控制理论内涵给人们留下了较大的研究空间,关于PID参数自整定的方法也相继问世,但随着控制理论及应用范围的不断发展,控制对象也日趋复杂,有些系统的过程模型难以建立,并且具有高度的非线性、时变性;比如VAV变风量空调系统的时变控制,因此传统的PID控制策略就显露了它的不足。虽然研究人员试图通过简化控制算法或采取优化集合控制等来解决这一不足,但效果并不很理想。
基于PID控制所存在的问题,相关研究人员根据变风量空调系统的特点结合控制技术在不断改进PID控制算法的基础上积极寻找其它更为高级的控制方式,通过实践,逐步将最优控制、自适应控制、模糊控制及神经网络控制等智能化控制手段应用于VAV空调系统的控制实践。
随着控制技术、空调技术的发展以及将二者相结合运用于建筑系统的发展趋势来看,VAV空调系统控制技术从最初的定静压控制到变静压控制再到后来直接数字控制、总风量控制再到智能化控制已经取得了很大的发展,其中清华大学有关学者提出的总风量控制法具有一定影响,该方法不采用静压送风量,而是根据压力无关型VAV空调系统末端装置的设定风量来确定系统送风总量并据此计算出送风风机的转速,从而对送风量进行控制。他们通过对总风量控制法与定静压控制法、变静压控制法的节能效果比较,认为虽然总风量控制法的节能效果虽不如变静压控制法,但因其没有压力控制环节,所以运行稳定性很好。另外,还有学者通过分析变VAV空调系统的局部控制,利用其送风末端装置风阀的开度作为各空调区域相关负荷的指示信号,提出送风静压优化控制方法。
3变风量空调(VAV)控制系统模型
VAV空调系统主要应用于大中型建筑物,它是全空气空调系统与控制技术相结合并不断发展的产物。与常规的全空气空调系统相比,VAV空调系统最主要的特点就是在每个空调房间的送风管处设置一个VAV空调系统末端装置(VAV Box),该末端装置的主要功能部件是一个风量调节阀门或末端调速风机。
在总风量控制下的VAV系统中, 当室内温空器实时监测到实际温度超出设定温度时,通过A/D转换将温差信号由各分支馈线传输给末端装置控制器,并同时将信号传输给VAV系统主控制器。通过对信号的比较处理,改变送风主机运行频率,改变送风量。而末端装置通过调整阀门开度或风机转速来控制进入房间的送风量,进而实现对各个房间的温度控制。末端装置的风量调节是通过其自身的控制系统来实现的,最简单的控制方式就是根据比较房间内实际温度值与设定温度值之间的差值来调节末端装置的风阀开度。但这种控制也存在一些问题:当某个房间达到设定温度而相应末端装置风阀开度保持稳定时,由于其它房间末端装置响应相应空调状况而做出调整时就会影响整个VAV空调系统送风压力,进而改变已调整稳定的房间末端装置,而空调负荷的热惰性又致使末端装置不会立刻进行调整性动作,等房间空调负荷交得较大并出现温度波动时,末端装置才采取动作,而动作的结果又反过来影响其它房间末端装置的控制效果。这样一种以动态响应为主连续参量、多环节的控制方式来保证环境温度与设定温度相一致是很困难的,其中任何一个环节年问题都会导致运行出现故障或是令系统功能大打折扣。比如,在送风管道上选择检测点的位置如何,能否准确代表系统送风状况,是否失真,再比如送风管道异常漏风时,还有,假如信号抗电磁干扰能力差等都会导致系统送风紊乱,送风主机运行频率异常,原有送风平衡被破坏,甚至无法进行系统运行调整等等问题。
4结语
变风量末端装置是VAV空调系统直接作用于被控环境的设备,通过末端装置的即时响应来调节环境的温、湿度,同时又是通过末端装置将预调整状态前馈给VAV系统控制器对系统送风主机,进而改变送风量响应末端装置的即时变化。所以末端装置是VAV空调系统最为关键的设备,其控制环节也是VAV控制系统的重要组成部分。文章对于变风量空调(VAV)及其控制系统相关研究,有利于提高变风量空调控制水平。
参考文献:
[1] 姜士凯,吴成东,张丽丹.变风量空调自动控制系统设计[J]. 低压电器,2008,12.
[2] 薛志峰,江亿.变风量空调系统设计中的系统分区问题[J]. 暖通空调,2003,(1).