一種變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)靜壓設(shè)定值自適應(yīng)重置新方法
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作者：張毅
目前，文獻總結(jié)了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量控制方法，包括定靜壓控制法、變定靜壓控制法、變靜壓控制法、總風(fēng)量控制法等，每種方法都有各自的優(yōu)點。其中，變定靜壓控制法在保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時又能夠降低風(fēng)機的能耗，但是此種控制方法的算法復(fù)雜，尤其是很難根據(jù)系統(tǒng)的負荷需求對靜壓設(shè)定值進行重置。因此，到目前為止，仍然缺乏實用且行之有效的方法。本文首先提出了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)最不利熱力末端和最大閥位末端的概念，然后，提出了基于最大閥位末端目標(biāo)閥位域的Mamdani模糊參考模型的靜壓設(shè)定值自適應(yīng)重置方法，最后通過試驗探討了該方法與變定靜壓設(shè)定值法的可行性及優(yōu)越性。
1 最不利熱力末端和最大閥位末端
在具有n個變風(fēng)量末端的連續(xù)調(diào)節(jié)的空調(diào)系統(tǒng)中，在供熱或供冷工況下的某段時間內(nèi)，且采用空調(diào)系統(tǒng)定送風(fēng)溫度控制，若第i個末端持續(xù)保持如下工
況：
則定義末端i為該時段系統(tǒng)的最不利熱力末端。
關(guān)于最不利熱力末端的幾點說明：
1)最不利熱力末端表征了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)在實際運行中可能出現(xiàn)的一種不利的T況，當(dāng)前末端的風(fēng)量已為風(fēng)閥所能調(diào)節(jié)到的最大風(fēng)量，此風(fēng)量下該末端向房間的供冷量（或供熱量）已經(jīng)出現(xiàn)或者即將出現(xiàn)無法滿足該末端空調(diào)負荷需求的現(xiàn)象，故稱為最不利熱力末端。可見最不利熱力末端應(yīng)該是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程中避免出現(xiàn)的一種情況。
2)最不利熱力末端的出現(xiàn)表明當(dāng)前送風(fēng)機的工作狀態(tài)已至少不能滿足該末端用戶的風(fēng)量需求或熱能供應(yīng)需求，需要及時改變送風(fēng)機的工作狀態(tài)，如提高靜壓設(shè)定值，增加風(fēng)機動力等。
3)在某段時間內(nèi)，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)可能同時出現(xiàn)不止一個最不利熱力末端，且最不利熱力末端所在的位置是隨機變化，可能是傳統(tǒng)的最不利環(huán)路即最不利水力環(huán)路所在的末端，也可能不是，并且與各個用戶的風(fēng)量設(shè)定值變化情況、管網(wǎng)的水力特性及風(fēng)機的運行特性相關(guān)。
4)當(dāng)最不利熱力末端不是最不利水力環(huán)路所在的末端時，現(xiàn)有的以最不利水力環(huán)路末端閥門開度等變量為參考變量的送風(fēng)機風(fēng)量控制，對最不利熱力末端來說是沒有意義的，在該種工況下最不利熱力末端的用戶室內(nèi)溫度無法達到控制要求。因此，應(yīng)該尋找其他的策略以實現(xiàn)對送風(fēng)機的控制調(diào)節(jié)。
5)最不利熱力末端可根據(jù)其定義通過某時間段內(nèi)變風(fēng)量末端調(diào)節(jié)閥的閥位、該末端風(fēng)量測量值以及風(fēng)量設(shè)定值等參數(shù)的狀態(tài)及變化趨勢來實時判斷。
可見，最不利熱力末端是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)中所不希望發(fā)生的一種工況，送風(fēng)靜壓設(shè)定值Pset的取值大小應(yīng)避免最不利熱力末端的出現(xiàn)。
在具有n個末端的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)實際運行過程中，若某時間段內(nèi)第i個末端調(diào)節(jié)閥的閥位達到所有末端中的最大值，則該末端為該時間段內(nèi)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的最大閥位末端。
最大閥位末端是相對于所有末端的調(diào)節(jié)閥開度而言的，最大閥位末端的調(diào)節(jié)閥不一定全開。最大閥位末端的定義為預(yù)先判斷最不利熱力末端可能出現(xiàn)的位置提供了判定參考。
2 基于最大閥位末端目標(biāo)閥位域的Mamdani模糊參考模型的靜壓設(shè)定值自適應(yīng)重置方法
2.1靜壓設(shè)定值重置的參考變量
靜壓設(shè)定值的確定需要符合以下兩點要求：
1)靜壓設(shè)定值能夠滿足系統(tǒng)中所有末端的風(fēng)量需求，以防止最不利熱力末端的出現(xiàn)：當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)最不利熱力末端時，靜壓設(shè)定值能夠及時地做出調(diào)整，使最不利熱力末端的風(fēng)量達到風(fēng)量設(shè)定值要求。
2)由于靜壓設(shè)定值的大小對送風(fēng)機的節(jié)能效果影響很大，因此，希望靜壓設(shè)定值在滿足各個末端風(fēng)量要求的情況下能夠盡量小，體現(xiàn)在各個末端上就是盡可能使調(diào)節(jié)閥處于最大開度，這樣既能節(jié)約風(fēng)機的動力，同時又可以降低末端閥門的噪聲：
綜上選取最大閥位末端調(diào)節(jié)閥閥位為靜壓設(shè)定值重置的參考對象=
2.2靜壓設(shè)定值重置的目標(biāo)閥位域
3 靜壓設(shè)定值重置方法試驗研究
3.1試驗系統(tǒng)概況
本試驗平臺隸屬于大連理工大學(xué)中央空調(diào)智能試驗系統(tǒng)，包括變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備和自動控制系統(tǒng)�？照{(diào)系統(tǒng)的設(shè)備包括，一臺變頻調(diào)速控制的離心式送風(fēng)機、送回風(fēng)孔板流量計、電動新風(fēng)閥、電動回風(fēng)閥、電動排風(fēng)閥、加熱盤管、三個壓力無關(guān)型末端和若干不同量程和精度的壓差傳感器。試驗臺自動控制系統(tǒng)的硬件使用l臺霍尼韋爾XL100和1臺帶若干擴展模塊XCL8010A控制器，使用霍尼韋爾care軟件實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的通信和控制程序。
試驗原理：試驗過程中關(guān)閉排風(fēng)閥，送風(fēng)孔板流量計和回風(fēng)孔板流量計測得送風(fēng)量和回風(fēng)量，兩者差值可以得到新風(fēng)量，采用新風(fēng)段靜壓控制法同控制新風(fēng)量；采用壓力無關(guān)型控制末端對室內(nèi)溫度進行控制，末端的風(fēng)量和閥位信息可以通過控制器實時采集；送風(fēng)機的控制首先利用采集到的末端閥位信息和風(fēng)量信息確定靜壓設(shè)定值，然后與靜壓監(jiān)測值比較，最后通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機的頻率；通過調(diào)節(jié)電動連續(xù)調(diào)節(jié)閥控制進入加熱盤管的水量，進而實現(xiàn)對送風(fēng)溫度的控制，試驗臺簡化后的原理圖如圖3所示。
3.2靜壓設(shè)定值重置方法的試驗程序模塊
表1為程序模塊采用的模糊規(guī)則表。偏差e、偏差變化ec、控制量輸出M的模糊論域均取[-2，2]，e與ec的論域可以劃分為5個模糊等級包括“負大”、“負小”、“零”、“正小”、“正大”，分別用NB，NS，ZE，PS，PB來表示，采用的隸屬函數(shù)如圖4所示。圖4中所列出的隸屬度函數(shù)的線性表達式對應(yīng)了e與ec的6個模糊子論域，模塊將Fe與Fec(e與ec的模糊值)代入以上這9組線性表達式中，計算隸屬度。對于一組Fe與Fec的值，模塊可以計算各個作用模糊子集下的Fe與Fec的隸屬度，從而實現(xiàn)作用模糊子集推理的方法，最后得出u對應(yīng)的模糊值Fu，通過重心法反模糊化，求得u。
3.3試驗內(nèi)容
3.3.1試驗相關(guān)參數(shù)選定
1)確定450m3／h新風(fēng)量對應(yīng)的新風(fēng)閥開度為36%（100%對應(yīng)閥門全開），新風(fēng)閥前后的靜壓差為115Pa，試驗中保持新風(fēng)閥開度不變，采用PI控制調(diào)節(jié)回風(fēng)閥開度，維持靜壓差恒定，整定后P值為-200，，值為16。
2)試驗中調(diào)節(jié)電動連續(xù)調(diào)節(jié)閥的開度，改變進入加熱盤管的水量，維持送風(fēng)溫度26℃不變，當(dāng)送風(fēng)溫度大于260C時，關(guān)小水閥開度，當(dāng)送風(fēng)溫度小于260C時，開大水閥開度，試驗中PI控制的P值為100，I值為16。
3.3.2對比試驗設(shè)計
為了比較參考M模型的靜壓設(shè)定值自適應(yīng)重置方法（以下簡稱M模型重置法）和變定靜壓設(shè)定值的方法，其中變定靜壓設(shè)定值法的變化步長取為10Pa，設(shè)計一組室內(nèi)溫度設(shè)定值變化的試驗二假定室內(nèi)溫度值為19C恒定，按照一定順序每10min改變一個末端對應(yīng)的室內(nèi)溫度設(shè)定值為200C或18℃，來體現(xiàn)不室內(nèi)不同區(qū)域負荷變化的差異性，室內(nèi)溫度設(shè)定值改變規(guī)則如表2。
3.3.3參考M模型的靜壓設(shè)定值自適應(yīng)重置方法隨實際室內(nèi)負荷變化試驗
試驗前將試驗房間的門窗敞開2h,使室內(nèi)溫度降低到與室外溫度相近水平，然后關(guān)閉門窗。試驗從早8:00開始進行2h.初始時給定3個末端的溫度設(shè)定值，空調(diào)系統(tǒng)運行近Ih改變一次各個末端的溫度設(shè)定值（表3）。
3.4試驗結(jié)果
如圖5所示，兩種不同靜壓設(shè)定值重置方法的靜壓設(shè)定值變化情況。圖5中可以看出在控制目標(biāo)相同的情況下，M模型重置法的靜壓設(shè)定值改變次數(shù)為19次，平均值為137.2Pa，階躍變化絕對值平均量（每兩次采樣值的差的絕對值之和／采樣值改變次數(shù)）為1.66Pa／次，變定靜壓設(shè)定值法靜壓設(shè)定值改變次數(shù)為45次，平均值為151.2Pa，階躍變化絕對值平均量為2.35Pa／次。M模型重置法的靜壓設(shè)定值更小，送風(fēng)機的能耗就會更低，同時階躍變化絕對值平均量也小，表示該控制方法的穩(wěn)定性更好。
圖6表示試驗中風(fēng)機消耗電功率情況，其中時間是按電功率值由小到大的采樣時間次序排列。試驗中在大部分采樣時間內(nèi)M模型重置法的功率值均小于變定靜壓法的功率值，且這部分時間均為系統(tǒng)處于部分負荷狀態(tài)。M模型重置法電功率的平均值為0.338kW，總能耗為0.555kWh，變定靜壓法的電功率平均值為0.343kW，總能耗為0.562kWh。圖7表示,M模型重置法和變定靜壓法的末端最大閥位和最小閥位情況。
圖7中M模型重置法的最大閥位平均值為86.11%，最小閥位平均值為44.50%,變定靜壓法的最大閥位平均值為82.31%．最小閥位的平均值為44.78%，綜上M模型重置法在末端閥門上的阻力損失小于變定靜壓法。圖8為M模型重置法隨實際負荷變化試驗靜壓設(shè)定值和功率值變化情況。
圖8表示了室內(nèi)溫度首先達到初始設(shè)定溫度和運行1小時后改變溫度設(shè)定值的靜壓設(shè)定值和功率值變化。情況。初始時由于負荷最大，靜壓設(shè)定值維持初始值170Pa，隨著室內(nèi)負荷減少，靜壓設(shè)定值降低到下限值80Pa，此時各個末端達到初始室溫設(shè)定值，第二次改變室內(nèi)溫度設(shè)定值之后，靜壓設(shè)定值開始增加，當(dāng)再次達到室溫設(shè)定值時，靜壓設(shè)定值又維持在80Pa的穩(wěn)定狀態(tài)。試驗過程中靜壓設(shè)定值的平均值為158.5Pa,階躍變化絕對值平均量為1.62Pa/次，風(fēng)機消耗電功率的平均值為0.374kW，能耗為0.749kWh。
4 結(jié)論
1)最不利熱力末端是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)該避免出現(xiàn)的不利工況，其定義對靜壓設(shè)定值進行合理的重置有重要的意義。
2)最大閥位末端是預(yù)先判定最不利熱力末端可能出現(xiàn)位置的重要參考依據(jù)，本文提出了基于最大閥位末端目標(biāo)閥位域的Mamdani模糊參考模型的方法進行靜壓設(shè)定值的重置，在免了最不利熱力末端出現(xiàn)的同時獲得理想的節(jié)能效果。
3 )Mamdani模糊參考模型的靜壓設(shè)定值自適應(yīng)重置方法與變定靜壓法相比，可以避免其變化步長，靜壓監(jiān)測點和靜壓設(shè)定初始值選取困難的問題，使靜壓設(shè)定值的重置有明確目的性和良好的適應(yīng)性，調(diào)整更為迅速，控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定。實際工程中只要確定靜壓監(jiān)測點，然后通過對論域進行合理的調(diào)整，便能實現(xiàn)靜壓設(shè)定值進行自適應(yīng)重置。
5摘要：本文提出了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)最不利熱力末端和最大閥位末端的概念，研究了基于大閥位末端目標(biāo)閥位域的Mamdani模糊參考模型的靜壓設(shè)定值自適應(yīng)重置方法。在大連理工大學(xué)空調(diào)系統(tǒng)智能控制綜合性能試驗臺上，實現(xiàn)了送風(fēng)機變靜壓自動控制。通過對比試驗分析得出，此方法與變定靜壓設(shè)定值方法相比，靜壓設(shè)定值調(diào)整的目的性更強，調(diào)整到目標(biāo)閥位域的速度更快，末端阻力損失更小，節(jié)能效果明顯。
