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暖通空调系统的计算机控制管理(2) [2007-1-30]来源:正岛电器

摘要   从新风机组的控制开始,至全空气定风量系统、变风量系统,逐渐深入地讨论各种空调系统的计算机监测控制,讨论的内容涉及控制系统应具备的功能,实现这些功能所要求的硬件设备,控制方案实际的运行效果及可能出现的问题。

关键词  控制、监测、空气处理、变风量
    
Abstract   Deals with the control and monitoring with computers of the fresh air handling unit, all air CAV (constant air volume) system and VAV (variable air volume) system. Studies the hardware configuration for the fresh air unit, gives the algorithm for cooling coil and steam humidifier, and discusses air process schemes for an air handling unit, pressure control in VAV, etc.

Keywords   control, monitoring, air-handling, VAV   

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2.1 新风机组的监测控制
    
    空气--水换热器夏季通入冷水对新风降温除湿,冬季通入热水对空气加热。干蒸汽加湿器则在冬季对新风加湿。对于这样一台新风机组,要用计算机进行全面监测控制管理,可以实现如下功能:

  (1) 监测功能
  · 检查风机电机的工作状态,确定是处于"开"还是"关";
  · 测量风机出口空气温湿度参数,以了解机组是否将新风处理到要求的状态;
  · 测量新风过滤器两侧压差,以了解过滤器是否需要更换;
  · 检查新风阀状况,以确定其是否打开。

  (2) 控制功能
  · 根据要求启/停风机;
  · 控制空气--水换热器水侧调节阀,以使风机出口空气温度达到设定值;
  · 控制干蒸汽加湿器调节阀,使冬季风机出口空气相对湿度达到设定值。

  (3) 保护功能
   冬季当某种原因造成热水温度降低或热水停止供应时,为了防止机组内温度过低,冻裂空气--水换热器,应自动停止风机,同时关闭新风阀门。当热水恢复供应时,应能重新启动风机,打开新风阀,恢复机组的正常工作。

  集中管理功能:
   一座建筑物内可能有若干台新风机组,这样就希望采用分布式计算机系统,通过通讯网将各新风机组的现场控制机与中央控制管理机相联。中央控制管理机应能对每台新风机组实现如下管理:
   · 显示新风机组启/停状况,送风温湿度,风阀水阀状态;
   · 通过中央控制管理机启/停新风机组,修改送风参数的设定值
   · 当过滤器压差过大、冬季热水中断、风机电机过载或其它原因停机时,通过中央控制管理机报警。

  2.1.1 根据要求的功能确定硬件配置

   为实现上述四大类功能,首先要选择合适的传感器、执行器,并配置相应的现场控制机。  
  
   为监测风机电机的工作状态,将风机电机交流接触器的辅助触点作为开关量输入信号,接到DCU的DI输入通道上。选择如第1讲介绍过的以占空比形式信号输出的温度变送器,接至DCU的一个DI输入通道上。选用具有4~20mA电流信号输出的湿度变送器,接在DCU-AI通道上,也可以选择2个都是4~20mA电流输出的温湿度变送器,接至2路AI输入通道上。为准确地了解新内机组工作状况,温度传感器的测温精度应<±0.5℃,湿度传感器测量相对湿度的精度应<±0.5%。

   用微压差开关即可监视新风过滤器两侧压差。当过滤器阻力增大时,微压差开关吸合,从而产生"通"的开关信号,通过一个DI输入通道接入DCU。微压差开关吸合时所对的应的压差可以根据过滤器阻力的情况预先设定。这种压差开关的成本远低于可以直接测出压差的微压差传感器,并且比微压差传感器可靠耐用。因此,在这种情况下一般不选择昂贵的可连续输出的微压差传感器。

   在换热器水盘管出口安装水温传感器,测量出口水温。一方面供控制机用来确定是热水还是冷水,以自动进行工况转换;同时还可以在冬季用来监测热水供应情况,供防冻保护用。水温传感器可使用占空比信号输出的温度变送器,这时接到DCU的DI输入通道,也可选取用4~20mA电流输出的温度变送器,但要接到AI通道上。

   以上为必需测量的参数。为了更好地了解机组工作情况,在经费允许时,还可以在过滤器前、新风阀后安装温度传感器,测量室外新风的温度;在换热器水盘管的供水侧安装水温传感器测量供水水温,在风机出口风道上安装风速开关,以确认风机是否开启,新风阀或风道中其它风阀是否打开。

   由于新风阀不用来调节风量,仅为冬季停机后防止盘管冻结用,因此可选择通断式风阀控制器,通过一路DO通道来控制,当输出为高电平时,风阀控制器打开风阀,低电平时关闭风阀。为了解风阀实际的状态,此时还可以将风阀控制器中的全开限位开关和全关限位开关通过2个DI输入通道接入DCU。

   水阀应为连续可调的电动调节阀以控制风温。为了解准确的阀位还通过一路AI输入通道测量阀门的阀位反馈信号。如果阀门控制器中安装了阀位定位器,也可以通过AO输出通道输出4~20mA或0~10mA的电流信号直接对阀门的开度进行控制。

  2.1.2 通过软件实现要求的功能
   定型的现场控制机产品,都带有通用的输入输出程序,并提供一些编程方法。不论采用哪种编程方法。不论采用哪种谐和方法,其目的都是要描述具体使用场合的特殊性,使现场控制机了解其特点和任务,实现各项指定的功能。这种特殊性的描述一般包括对输入输出的描述及对各种控制、保护功能的描述两部分。

  2.1.2.1 输入输出描述例

  输入通道:
  fan: 风机状态,由DI1通道测出,高电平为风机开,低电平为关。
  temp-air: 送风温度,由DI2通道测出,为占空比信号,需要以表的形式定义不同占空比所对应的温度数值。
  ψ-air: 送风相对湿度,由AI1通道测出,为4~20mA信号,相对湿度与电流信号的关系为:ψ=6I-20,
       I为测出的电流信号,mA,ψ为转换的相对湿度,%。
  Δp 过滤器压差报警开关,由DI3通道测出,高电平为压差过大,低电平为正常。
  d-air 新风阀开关状态,由DI4通道测出,高电平为全开,低电平为全关。
  temp-water: 空气--水换热器出口水温,由DI5通道测出,为占空比信号。
  V-water 电动调节水阀阀位,由AI2通道测验出,其阀位为:V-water=0.06I-0.2,I为测出的电流,mA。
  V-steam: 电动调节蒸汽阀阀位,由AI3通道测出,其阀位为:V-steam=0.06I-0.2,I为测出的电流,mA。

  输出通道:
  fan-on: 控制风机,与DO1通道连接,高电平风机开,低电平风机关。
  V-water-on: 控制电动调节水阀开大,与DO2通道连接。
  V-water-off: 控制电动调节水阀关小,与DO3通道连接。
  V-steam-on: 控制电动蒸汽阀开大,与DO4通道连接。
  V-water-off: 控制电动蒸汽阀关小,与DO5通道连接。
  d-air-on: 控制新风阀,与D06通道连接,高电平打开,低电平关闭。

   以上给出上例新风机组监测验控制所要求的输入输出通道全部信息,根据这些信息可按照现场控制机具体的编程要求描述输入输出通道,也可以将这些信息提交给控制机的供应商,委托其代为编程。

  2.1.2.2 自动和远动控制
   风机的启/停及各个阀的调节可以由现场机根据控制及保护的要求确定,也可以由中央控制管理机通过通讯下命令进行远动。为了不使现场控制机的控制与中央控制管理机的命令发生冲突,就要增设一个"远动/自动"标志Auto。Auto为1时,各设备由现场控制机自选控制;Auto为0时,则现场控制机不做与控制有关的分析计算,各设备均直接由中央控制管理机发出的命令控制。标志Auto为贮存在现场控制机中的一个变量,其数值可以由中央控制管理机通过通讯网直接设定修改。这样,各设备动作的逻辑关系为:
   不论Auto为何值,风机都可以由中央控制管理机启/停,在需要防冻保护时,也都可以由现场控制机停止。当Auto为1时,现场控制机可以在防冻保护解除后,重新启动风机。

   新风阀完全根据风机状态而定,开风机后开新风阀,关风机后关闭新风阀。
   Auto为1时,水阀、蒸汽阀由现场控制机根据送风温湿度进行调节,Auto为0时,这两个阀门根据中央控制管理机发来的命令动作。

  2.1.2.3 送风参数的控制
   当Auto为1时,水阀、蒸汽阀的控制逻辑如下:
   如果水温temp-water低于20℃,初步判定为夏季工况,此时关闭蒸汽阀门,调节水阀开度使送风温度达到设定值。这时可按照比例积分调节方式(PI)。进行调节由于计算机调节是以一定的时间步长一步步进行,因此需要用离散的PI算法。

   通过喷蒸汽向空气加湿,在h-d图中可近似为一个等温增d的过程。也就是说调整蒸汽阀改变喷蒸汽的量,仅影响送风空气的绝对含温量d,而基本上不影响送风温度。本例新风机组的控制中,用的是相对湿度的湿度测量元件,如果直接用实测送风相对湿度与设定值之差作为控制变量,则调节水阀改变加热量会使相对湿度降低,开大蒸汽阀增加喷汽量会使相对湿度上升。为了避免这种相互影响,可以根据测出的送风温度和相对湿度计算出送风的绝对含湿量d,通过调节蒸汽阀控制d,通过调节热水阀控制t,这样两个控制环节可以相互独立地进行。具体的控制算式可以采用PI调节器。选择线性流量特性的调节阀,使蒸汽的喷射量基本上与开度成线性关系,Δd与阀位间即为线性,使用PI调节可以得到较好的控制效果。

   2.1.2.4防冻保护的实现
  冬季有三种情况可以冻裂水盘管:热水循环泵停,热水不流动,继续开风机,使盘管温度不断下降、盘管冻结;热源停止(如使用蒸汽--水换热器产生热水,蒸汽停供)水温降低,继续开风机使盘管冻结;无热水供应,新风机亦停止,但新风阀未关闭,外界冷风进入机组内,使盘管冻结。在第二种情况下,水盘管出口水温会很低,如果水盘管出口水温测验点距盘管较远(距离大于0.5m),且机房内有供暖设施,热水停止流动后,该点测出的温度不一定很低,不可完全依照它来进行判断。第三种情况送风温度与盘管出口水温可能都不会太低,不能通过温度来判断,只能设定为关风机时必须关风阀。对于第一、二两种情况,可设定为当盘管出口水温temp-water小于5℃或送风温度temp-air小于10℃(考虑了风机温升、风道影响等各种因素)时,都应停止风机,关闭风阀。同时还应该将水阀全开,以尽可能增加盘管内与水系统间水的对流,同时还可排除由于水阀堵塞或水阀误关造成的降温。由于是保护动作,因此不论系统处在自动还是远动状态,即不论Auto为1或0,发现降温都有需要执行保护动作。

   保护后,如果热水恢复供应,应重新启动风机,恢复正常运行。为此需设一防冻保护标志Pt,当产生防冻动作后,将Pt置为1。当测出盘管出口水温temp-water大于35℃,并且Pt为1时,可认为热水供应恢复,应重新开启风机,打开新风阀,恢复控制调节动作,同时将标志Pt重置为0。由于不论Auto为1或0都进行了保护,因此恢复动作也不应考虑Auto的状态。

   如果风道内安装了风速开关,还可以根据它来预防上述第三种情况的冻裂危险。当风机电机由于某种故障停止、而风机开启的反馈信号仍指示风机开通时,如果风速开关指示出风速过低,也应关闭新风阀,防止外界冷空气进入。

2.2全空气空调系统的监测控制
                     
   与上一节的新风机组相比,从控制调节的角度看,有如下3点不同:
  (1) 控制调节对象是房间内的温度、湿度,而不是送风参数;
  (2) 要求房间的温湿度全年均处于舒适区范围内,与上一例相比,在夏季也要考虑湿度控制,同时还要研究系统省能的控制方法;
  (3) 有回风回到空调机组,不再是全新风系统,尤其是新回风比还可以变化,因此可尽量利用新风降温,但这会引出许多新的问题。
   上述问题主要是控制调节问题。系统的监测管理、远动、防冻保护等与前面讨论的新风机组类似,此节不再介绍。

  2.2.1 传感器与执行器的配置
  与新风机组相比,需要增加被调房间或被调区域内温湿度传感器。如果被调房间较大,或是由几个房间构成一个区域作为调控对象,则可安装几组温湿度测点,以这些测点温湿度的平均值或其中重要位置的温湿度作为控制调节参照值。房间的温湿度参数最好直接反馈到控制空调机组的现场控制机上,以便直接用来作为参照值进行控制调节。当被控房间距空调机房较远、需测的房间温湿度参数又较多时,可再设一台数据采集用现场控制机,安装在被控区域附近,专门与各温湿度传感器连接,将测量信息处理后再通过通讯网把作为参照值的温湿度参数送至空调机组的现场控制机。

   由于存在回风,需增加新风与回风的温湿度测点。回风的温湿度参数是供确定空气处理方案时参考的。回风道存在较大惯性,有些系统还采用走廊回风等方式,这都使得回风空气状态不完全等同于室内平均空气状态,因此不宜直接用回风参数作为被控房间的空气参数(除非系统很小,回风从室内直接引至机组)。

   新回风混合后的空气状态对空气处理室的调节有很大的指导意义,但由于混合室内空气流动混乱,温度亦很不均匀,很难真正得到混合后的空气参数。因此一般不测量混合空气状态。

   为了调节新回风比,对新风、排风、混风三个风阀都要进行单独的连续调节,因此分别安装电动执行器,每个风阀都用2个DO输出通道控制其开大或关小,并用一个AI输入通道测量其阀位,如同上一节中的电动调节水阀。当然也可以安装阀门定位器,通过AO输出通道直接输出4~20mA电流信号来控制风阀的开度。

   其它的测量与控制同上一节新风机组。由于增加了3个连续调节的风阀,需用启/停控制并监测验回风机状态及测量室温、新风回风温湿度,所需要的输入输出通道远远多于新风机组。

  2.2.2 送风参数的确定
   与新风机组不同,影响空气处理室工作的有两个干扰源:室外空气状态的变化和室内热湿负荷的变化。此外房间一般都有较大的热惯性,加之空气处理室内各种阀门调节的非线性,导致直接通过风阀、水阀控制房间温湿度有一定困难。比较好的方法是采用"串级调节",即根据房间温度的变化确定要求的送风参数设定值,及类似于新风机组的控制,根据要求的送风参数与实测的送风状态之差调节空气处理室。
              
  2.2.3 空气处理室的控制
  确定了要求的送风状态,接着就是如何调节空气处理室内各设备,使处理后的空气达到要求的设定值。对于新回风比不可调的固定新风量系统,当只要求控温时,可以采用与新风机组控制相同的方法;当温湿度都有所要求,如图2-11那样分别有冷水盘管、热水盘管时,则可以判断当需要加湿时,用冷水盘管或热水盘管控制送风温度,用蒸汽加湿器控制送风的d,当需要除湿时则靠调整冷水盘管中的冷水量控制送风的d,用调整热水阀来控制二次加热量以保证送风温度。
 与新风机组的控制相比,带有回风的空气处理室的主要问题是按照什么原则控制新回风比使空气处理室耗能最小。文献[1]中给出所谓"最小能耗法"的分析方法。

   2.2.4从节能角度确定室内空气的最佳状态
   对于舒适性建筑,并非要求室内空气状态恒定于一点,而是允许在较大范围内浮动,例如温度为20~27℃,相对湿度在40%~70%内,均满足舒适性要求。这样,当室外状态偏低时,室内相应靠近此域的下限;室外状态偏高时,室内则靠近此域的上限。当室外处于此域附近时,则尽可能多用新风,使室内状态随外界空气状态变化。这样既可最大限度地节能,又可提高室内空气品质和舒适程度。         

   将空气处理到该点,这样做最节省冷量。
  ·如果Ωs不与Ⅱ区及I区相交,仅与Ⅲ区相交,则应取相交域最右侧的最下部作为送风点S,以节省冷量及二次加热量。
  ·如果Ωs不与Ⅱ区及I区相交,与Ⅳ相交时,应取相交域的最左侧的中点。
  ·如果Ωs仅与Ⅳ区相交,则应取相交域的左下角。
  ·如果Ωs仅与Ⅴ区相交,则应取相交域的左上角。

   按照上述方式,可以在每个时刻根据新、回风状态及室内状态确定最适宜的送风状态,既保证房间空气状态处于舒适区,又使空气处理能耗最小。这样的几何计算看起来很复杂,但利用计算机却并不十分困难。当房间允许的舒适域范围较大时,与固定的室内设定状态相比,这样做节能效果十分显著。这是采用计算机控制空调系统远比常规电子式调节器控制节省运行能耗的主要原因之一。

  2.2.5 各空气处理装置的调节
   在上述讨论中,涉及到控制新风、排风和混风三个风阀以调节新回风比,控制表冷器、加热器的水阀以调节冷热量以及控制加湿器蒸汽阀以调节加湿量。在控制方案确定后,它们的调节都是以送风空气的温度或绝对湿度为目标,这时需根据控制调节装置的特性不同分别采用相应的调节算法。

   新回风比的变化与送风参数(d和t)的变化成正比,因此可用PI形式的算法,根据送风d或t的偏差控制这三个风阀,其中新风、排风风阀应同向同步调节,混风阀则按相反方向调节。

   2.3 变风量系统的控制

   变风量系统(VAV)是目前在国内开始试用的方式。所涉及的各种问题在《暖通空调》杂志有专文介绍,这里仅讨论采用计算机控制时的一些做法。

   当一套全空气空调系统所带各房间的负荷变化情况彼此不同,或各房间要求的设定值彼此不同时,VAV是一种解决问题的有效方式。每个VAV末端装置需要一套控制器。最简单的控制方式是根据房间温度实测值与设定值之差,直接调整末端装置中的风阀。这样做,当某个房间温度达到要求值时,由于其它房间风量的变化或总的送风机风量有所变化导致连接末端装置风道处的空气压力有变化,从而使这个房间的风量变化。由于房间热惯性较大,在此瞬间房间温度并不变化。待房间温度发生足够大的变化后,再对风阀进行调整,又会反过来影响其它房间的风量,并引起温度变化,这样各房间风阀不断调节,风量和温度不断变化,导致系统不稳定。一种改进的方法是采用"压力无关"(Pressure independent)末端装置。此种末端上装有风量测量装置,房间温度的变化不再直接改变风阀开度,而是去修正风量设定值。风阀则根据实测的风量与风量设定值进行调整。这样,当某房间风量由于风道内压力变化而变化时,末端控制装置会直接调整风阀,以维持原来的风量,房间温度不会由此引起波动。简单的末端控制器和"压力无关"方式的末端控制器都可以由常规模拟电路构成或以计算机为核心构成。  
                       
  2.3.1 具有独立的末端控制器的VAV系统
   此种VAV末端控制器是与VAV末端装置配套的定型产品,它包括挂在室内墙壁上的温度设定器及安装在末端装置上的控制器两部分,设定器内装有温度传感器以测量房间温度。温度实测值与设定值之差被送到控制器中去修正风量设定值或直接控制风阀。对于"压力无关"的末端装置,重要的是要测准风速或风量。一般都需要在出厂前逐台标定,将标定结果设置到控制器中。有的末端控制器产品还要求在现场逐台标定,这在选用产品的订货时要十分注意。

   除VAV末端装置外就是对空调机的控制了。与前一节讨论过的空气处理室的控制相比,VAV系统的新的控制问题为:①由于各房间风量变化,空调机的总风量将随之变化,如何对送风机转速进行控制使之与变化的风量相适应?②如何调整回风机转速使之与变化了的风量相适应,从而不使各房间内压力出现大的变化?③如何确定空气处理室送风温湿度的设定值?④如何调整新回风阀,使各房间有足够的新风?

  2.3.1.1 送风机的控制
   为了保证系统中每个VAV末端装置都能正常工作,要求主风道内各点的静压都不低于VAV末端装置所要求的最低压力。在主风道压力最低处安装静压传感器,根据此点测出的压力,调整送风机转速,使该点的压力恒定在VAV末端装置所要求的最小压力值,即可保证各VAV末端装置正常工作。对于仅一条风道的系统,将压力传感器装在风道的最远处,根据它的压力调节送风机转速,即可保证各VAV末端装置都在足够的压力下工作,然而在实际工程中会出现问题:当主风道前半部分风速较高,尾部风速较低时,最远处的静压比近处某些位置的静压还高,导致近处一些VAV装置不能正常工作。当主风道分为两支或多支(如图2-11)时,若装有压力传感器的分支A内各变风量装置的风阀因需要的风量小而关小,分支内总风量减少,而另一支要求的风量大,则压力传感器测出的压力接近于风道分叉处点a的压力,但由于分支B内风量大,压降大,点C的压力远低于点a,从而也就低于点b的压力,这样,当控制送风机转速使点b于额定压力时,点c及其附近的压力就会偏低,使连接于这些位置的VAV末端装置不能正常运行。鉴于这种情况,国外一些文献建议将参考测压点前移至总风道上距末端1/3处,如图2-21中d点。在欧洲有些工程师干脆将测点设在风机出口,使风机出口压力恒定。此时风机转速调整过程如图2-22所示。这样,部分负荷时VAV末端装置压力过大,使得风阀关得很小,噪声增加,同时小风量时风机电耗节省不多。这样,虽然测压点越接近风机,系统越可靠,但风机节能效果就越差。这些分析都是采有一个压力测点控制风机转速这种单回路的简单控制方式,而使用DDC控制,可以多装几个压力测点来解决上述矛盾。例如图2-11例中,在点b、c处均安装压力传感器,调节送风机转速,使这两个压力中的最小者不低于VAV末端装置要求的最低压力。还可以在有可能出现最高风速的风道处装压力测点,以保证该点压力不低于额定值。当然在保证可基本了解风道内压力分布的前提下,应尽可能减少压力测点,以减少投资。在何处设压力测点是出现了VAV系统以后国外长期争论、且尚未圆满解决的问题。但采用计算机控制的,增加这种"哪里压力最低"的逻辑判断功能,问题就变得很容易解决了。

  2.3.1.2 回风机的控制
   回风机的转速也需要调节,以使回风风量与变化了的送风量相匹配,从而保证各房间不会出现太大的负压或正压。由于不可能直接测量每个房间的室内压力,因此不能直接按照室内压力对回风机进行控制。由于送风机在维持送风道中的静压,其工作点如图2-22那样随转速变化而变化,因此送风量并非与转速成正比。而回风道中如果没有可随时调整的风阀,回风量基本上与回风机转速成正比。因此也不能简单地使回风机与送风机同步地改变转速。实际工程中可行的方法是同时测量总送风量和总回风量,调整回风机转速使总回风量总是略低于总送风量,即可维持各房间稍有正压。再一种方式是测量总送风量和总回风道接近回风机入口处的静压,此静压应与总送风量的平方成正比,由测出的总送风量即可计算出回风机入口静压的设定值,调整回风机转速使回风机入口静压达到该设定值,即可保证各房间内的零压。

  2.3.1.3 送风参数设定
   对于第二节中讨论的定风量系统,总的送风参数可以根据实测房间温湿度状况确定。对于变风量系统,由于每个房间的风量都根据实测温度调节,因此房间内的温度高低并不能说明送风温度偏高还是偏低。只有将各房间温度、风量及风阀位置全测出来进行分析,才能确定送风温度需用调高或降低,这必须靠与各房间变风量末端装置的通讯来实现。对于各变风量末端间无通讯功能的控制系统,送风参数很难根据反馈来修正,只能根据设计计算或总结运行经验,根据建筑物使用特点、室内发热量变化情况及外温确定送风温度设定值。根据一般房间内温湿度要求计算出绝对湿度d,取d-(0.5~1)g/kg作为送风绝对湿度的设定值。为了满足各房间温度要求,这样确定的送风温度设定值一般总是偏保守,即夏天偏低,冬天偏高,从而使经过末端装置调节风量后,各房间温度都能满足要求。但有时各VAV末端装置都关得很小,增加了噪声。此外还减少了过渡期利用新风直接送风降温的时间,多消耗了冷量。

  2.3.1.4 保证足够的新风
   当新、排、混风阀处于最小新风位置时,降低风机转速,使总风量减小,新风入口处的压力就会升高,从而使吸入的新风的百分比不变,但绝对量减少。对于舒适性空调,这使各房间新风量的绝对量减少,空气质量变差。为避免这一点,在空气处理室的结构上可采取许多措施。就控制系统来说,可在送风机转速降低时适当开大新风和排风阀,转速增加时再将它们适当关小。更好的办法是在新风管道上安装风速传感器,调节新风和排风阀,使新风量在任何情况都不低于要求值。

  2.3.2 各末端控制器具有通讯功能的VAV系统
   当各个末端控制器均为DDC控制、空气处理室的现场控制机可以与各末端控制器通讯时,前面讨论的那些VAV控制调节中的问题就较容易解决了。此时的主题是充分利用计算机的计算分析能力,尽可能少使用各种压力和风量/风速传感器,通过计算机使各末端装置相互协调,解决上述问题。此是的控制策略取决于采用"压力无关"型末端装置还是简单的电动风阀装置。下面分别进行讨论。

  2.3.2.1 使用"压力无关"型末端装置
   此时空调处理室的现场控制机可得到各末端装置风量实测值、风量设定值、对应的房间温度和房间温度设定值。有些控制器不可得到阀位信息。末端装置控制器调节的速度很快,一般情况下风量实测值应接近风量设定值。如果某个末端装置在连续一段时间内(1~2min)实测的风量低于风量设定值较多,则说明风道内压力偏低,因此可增加送风机转速。各末端装置风量设定值之和与风机转速有一对应关系。如果风机转速高于各风量设定值之和所对应的转速,则说明风机转速偏高,各变风量末端装置的风阀可能都关得较小,因此需降低转速。总风量和转速的关系可在初调节时通过实测得到:将几个最末端的变风量装置的风量设定到最大值(或将房间温度设定值调到很低)。近端的变风量装置设定到最小值,调节风机转速,使这些风量设定值基本上得到满足。记下此时实测风量之和及风机转速,再增加几个设定风量为最大值的末端装置,再次调整转速。这样即可得到一组最不利条件下总风量与转速之关系,作为控制风机转速的依据。此关系可通过同样的思路根据风道阻力情况预先计算得到。当末端装置的风阀阀位信息也可向空气处理室的现场控制机提供时,可以根据是否有阀位开到90%以上来确定风机转速,使任何时候系统中至少有一个VAV末端装置的风阀阀位大于90%。

   由各变风量装置实测的风量之和即可确定回风机转速。只要使转速与总风量成正比,房间内基本上可保证正常的压力范围。比例系数可在调节时实测确定。
   最适合的送风参数亦可由各末端装置的风量设定值确定:当各末端装置的风量设定值都低于各自的最大风量,说明送风温差过大,应升温(夏季)或降温(冬季),以减小送风温差。若有的装置风量设定值等于或高于其最大风量,则说明送风温差偏小,应降温(夏季)或升温(冬季)。这种控制的结果,系统内应至少有一个末端装置其风量设定值高于90%的最大风量。这种用房间控制信息反馈来确定送风参数的方法比没有通讯时前馈方法要可靠、省能,亦可避免大量风阀关小引起的噪声。掌握了各房间风量的实测值,还可以更准确地保证各房间的新风量。每个房间都有事先定义的最小新风量要求(根据人员数量),由各房间实测风量与该房间额定最小新风量之比即得到此时要求的最小新风比。新风、排风阀阀位开度近似于新风比,因此可简单地根据这种计算出的最小新风比检查和调整新风、排风阀。为使新风量更准确,也可以在新风管道上测量新风量,再用计算出的实测总风量乘以最小新风比作为最小新风量的设定值.

   从上面的分析可以看到,采用各末端装置有通讯功能的控制系统,可以使风道压力控制、室内压力控制、送风参数设定和新风控制这4个问题得到较妥善的解决,并且除VAV末端装置内的风量测量外,不再需要其它测点,免去了无通讯功能时需要对风道压力、总风量、回风机入口压力及新风量的测量。通讯功能所需要增加的投资可以从省下的这些传感器投资中得到。而系统控制调节品质却会大大改善。

  2.3.2.2 使用无风量测量的末端装置
   即使不采用"压力无关"型末端装置,直接通过调风阀控制房间温度,依靠各DDC控制器通过通讯网的相互联系,也能获得较好的控制效果。
   采用"压力无关"末端装置的主要原因是为了避免邻近末端装置及送风机的调整造成的风量变化。当具有通讯功能时,每个末端装置要对风阀进行调节时,同时将要调整的开度变化通知邻近的各末端装置。各邻近末端装置可根据预定的权系数对自己的风阀同时进行调整。例如某末端装置为使房间温度降低,要将风阀开大10%,则最邻近的两个末端装置同时也将自己的风阀开大3%~4%,次邻近者同时开大1%~2%,这样就可避免在风量减小、引起温度变化后再进行调整了。送风机转速变化时,则所有的风阀都应自行进行相应的调整。这种调整量的权系数可通过"自学习"的方法逐渐修正。此种控制调节的效果可接近"压力无关"型末端装置(详细讨论与模拟实验分析见文献[3])。

   对于这种末端装置,空调室的现场控制机应知道各末端装置的阀位,根据各末端装置的阀位状态确定送风机转速及空调机送风状态。当所有末端装置的阀位均小于80%时,说明风道内静压偏高,应降低送风机转速。反之,若发现有开度大于90%的末端装置,说明有可能风道内静压偏低,应加大送风机转速。这样可以用各末端装置中阀门开度最大值来控制送风机转速,使得在任何时候系统内至少有一个末端装置风阀开度在80%~90%之间,没有风阀开度超过90%。

   根据各末端装置风阀开度,同样也可确定适宜的送风温度:
   若各风阀开度在20%~90%之间,而送风机未达到最大转速,则应减小送风温差,这将导致各末端装置风阀相继开大。最大都超过90%后,风机转速增加,最终的结果使各末端装置风阀开度范围在40%~90%之间。当风机转速达到最大,各风阀间开度仍较大时,就不能再调整。

   若各风阀开度在70%~90%之间,则可适当加大送风温差,各风阀就会相继关小,此时风机转速会降低,最终的结果也可使各末端装置风阀开度范围在40%~90%之间。这样做还要注意送风温差的最大值,当送风温差设定值达到其最大值时,就不能再减小风机转速。

   回风机转速可能控制成基本上与送风机转速同时按比例变化。由于风道内静压不是恒定而是随风量变化,各末端装置的风阀开度范围基本不变,因此风道的阻力特性变化不大,送风机的工作点变化不大,因此送风机风量近似与转速成正比,于是回风机转速即可与送风机同步。这与风道内维持额定正压的控制不同。对于后者,即使所有的风阀全关小,总风量降到50%,风道风测压点的压力仍不变,于是风机工作点偏移,总风量与转速不成正比.

   由于总风量近似正比于送风机转速,由此可估计出不同转速下所需要的最小新风比,以保证系统有足够的新风量,用这个最小新风量即可作为新排风阀此时刻的开度下限。

   由上述初步的定性分析与讨论,可以看出来用计算机控制后,尤其是采用带有通讯功能的计算机可以对整个系统工作情况进行全面分析,确定控制策略,可使VAV控制中的一些困难问题得以较好地解决,同时可以减少传感器使用数量。上述最后一例,无任何风量传感器使用数量。上述最后一例,无任何风量传感器和压力传感器,完全依靠各变风量末端风阀阀位的信息,即解决了VAV系统各环节的控制。控制效果当然不如带有"压力无关"末端装置的系统,但如果送回风道设计恰当,变风量末端装置选择合适,也可以获得较好的运行品质。
  
2.4 参考文献

  1 李吉生,彦启森.空调系统最小能耗控制.制冷学报,1993,(1).
  2 朱伟峰.变风量系统的解耦控制[学位论文].北京:清华大学热能系,1996.
  3 Thomas B Hartman. Direct digital controls for HVAC system. McGraw-Hill,inc.


 

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