vav變風量空調(diào)控制

1、 河北建筑工程學院VAV空調(diào)自動控制及節(jié)能技術(shù)方案 提綱 院 系：電氣工程學院 專 業(yè)：建筑電氣與智能化 姓 名：吳亞楠 指導教師：楊曉晴 職 稱：教授 目錄1、Vav系統(tǒng)介紹2、VAV系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀3、Vav系統(tǒng)的優(yōu)點與缺點4、優(yōu)點的發(fā)展展望5、缺點的技術(shù)改造（控制策略）6、Vav的中國工程案例分析1、 VAV系統(tǒng)介紹空調(diào)系統(tǒng)的目的是為了給室內(nèi)人員創(chuàng)造舒適的室內(nèi)環(huán)境。變風量（Variable Air Volume，簡稱VAV）空調(diào)系統(tǒng)是根據(jù)空調(diào)房間負荷的變化及室內(nèi)參數(shù)要求的改變自動調(diào)節(jié)送入室內(nèi)的風量，以滿足房間內(nèi)人員舒適性要求或其他工藝要求。通常而言，系統(tǒng)的設(shè)計是以滿負荷為基準的，因而在運行中

2、大多數(shù)情況是偏離設(shè)計工況的。近幾年來，變風量空調(diào)受到了重視，越來越多的建筑選擇使用該空調(diào)形式，其中很重要的原因在于變風量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的空調(diào)形式(定風量系統(tǒng))相比較節(jié)能的效果是很明顯的。變風量空調(diào)系統(tǒng)是在70年代能源危機后受到重視的。變風量空調(diào)系統(tǒng)作為一類具有節(jié)能優(yōu)勢的空調(diào)系統(tǒng)也成為了暖通空調(diào)系統(tǒng)中關(guān)注和研究的熱點。全空氣空調(diào)系統(tǒng)一般可分為定風量和變風量控制方式，定風量等一般的空調(diào)系統(tǒng)往往都按系統(tǒng)最大運行工況進行設(shè)計，但是空調(diào)系統(tǒng)在相當長的工況下都是處于部分負荷狀態(tài)，一般都不會超過總運行時間的 5% ，達到系統(tǒng)最大負荷狀態(tài)的工況很少。當房間負荷下降時，為了維持室溫不變，定風量空調(diào)系統(tǒng)一般采用末端再

3、熱的方式來增加送風溫度才能維持室內(nèi)所需的溫度要求，這種冷熱抵消的處理過程是一種不合理的能源浪費。而 VAV 空調(diào)系統(tǒng)是改變系統(tǒng)送風量來滿足負荷要求的空調(diào)系統(tǒng)，在大多數(shù)工況下實際的送風量都遠遠小于系統(tǒng)最大送風量，從而降低了風機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)降低能耗的目標。與定風量空調(diào)系統(tǒng)相比，變風量空調(diào)系統(tǒng)能夠降低暖通能耗 30%70%3-4。2、VAV系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀2.1現(xiàn)狀變風量空調(diào)系統(tǒng)于上世紀60年代出現(xiàn)于美國，具有舒適性好、節(jié)能等優(yōu)點、但是它最初出現(xiàn)的時候沒有迅速得到廣泛應(yīng)用。那時定風量空調(diào)系統(tǒng)、末端再熱和雙風道系統(tǒng)在空調(diào)系統(tǒng)領(lǐng)域占主導地位，到了70年代出現(xiàn)的石油匱乏所引發(fā)的能源危機才讓人們認識到了節(jié)能的重要

4、性和緊迫性，變風量空調(diào)系統(tǒng)才在歐美等發(fā)達國家得到了廣泛應(yīng)用，一般應(yīng)用于圖書館、學校、寫字樓、酒店及商場等大型建筑場所6-7。如今，變風量空調(diào)系統(tǒng)已在國際空調(diào)系統(tǒng)市場中擁有了很高的市場占有率，發(fā)達國家中大約 80% 的高層建筑已經(jīng)使用了變風量空調(diào)系統(tǒng)，與之配套的系統(tǒng)設(shè)計和控制方法也都已經(jīng)取得了很大的進步。變風量空調(diào)系統(tǒng)在初始階段大都采用高速送風系統(tǒng)，但高速送風使系統(tǒng)風機能耗和系統(tǒng)運行噪音也相應(yīng)的變大。隨著壓力無關(guān)型控制末端逐漸代替壓力相關(guān)型控制末端和數(shù)字控制器的改進，變風量空調(diào)在低速送風系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越普遍。在日本，采用低速送風系統(tǒng)的變風量空調(diào)也取得了許多的改進，傳統(tǒng)皮托管流量傳感器在低速送風

5、時難以感應(yīng)風速，所以在低速送風系統(tǒng)的前端設(shè)備中出現(xiàn)了超聲波流量傳感器和電磁式流量傳感器等8。不僅達到了節(jié)能的效果，而且減小了風道噪聲。系統(tǒng)的改進也使得日本自 90 年代以來，不管是新建的還是舊空調(diào)系統(tǒng)的改造，都逐步地采用了VAV空調(diào)系統(tǒng)。VAV空調(diào)系統(tǒng)于九十年代末進入內(nèi)地并漸漸得到了應(yīng)用，然而因為VAV 空調(diào)系統(tǒng)投資費用高、末端設(shè)備比較復雜、系統(tǒng)整體性控制要求較高，使得其應(yīng)用受到了一定的限制。目前我國大陸的變風量空調(diào)系統(tǒng)還是在推廣階段，國外著名變風量空調(diào)公司在國內(nèi)沒有取得顯著業(yè)績并不是因為VAV空調(diào)系統(tǒng)的缺陷問題，而是由于設(shè)計、調(diào)試、維護方面等因素而導致的。但隨著建筑智能化和空調(diào)系統(tǒng)舒適節(jié)能性

6、要求的提高VAV空調(diào)系統(tǒng)在此方面顯現(xiàn)出的優(yōu)越性和節(jié)能性，決定了未來變風量空調(diào)系統(tǒng)的推廣有著美好的前景9-10。變風量空調(diào)系統(tǒng)的控制涉及暖通空調(diào)、控制理論與計算機等多個學科的知識，設(shè)計和應(yīng)用都相對比較復雜，但隨著其逐步的應(yīng)用，它的控制研究也越來越受到學者的關(guān)注。國外針對變風量空調(diào)系統(tǒng)控制的研究工作起步比較早，從1980年開始美國就有很多關(guān)于變風量空調(diào)控制方面的研究，最開始主要集中在系統(tǒng)設(shè)計、穩(wěn)定性與傳統(tǒng)控制器研究。國外的一些像西門子、霍尼韋爾和江森自控等跨國企業(yè)也很早就成立了變風量空調(diào)相關(guān)的研究部門。變風量空調(diào)的控制也從定靜壓定溫度控制轉(zhuǎn)變?yōu)槎o壓變溫度控制，之后又出現(xiàn)了變靜壓變溫度控制法，一些

7、先進控制理論也逐漸的應(yīng)用到了變風量空調(diào)系統(tǒng)研究控制中。目前國內(nèi)變風量空調(diào)系統(tǒng)的控制理論研究成果相對于其他領(lǐng)域較少，而且大多停留在理論與仿真階段。國內(nèi)研究變風量空調(diào)系統(tǒng)控制方面的主要有西安建筑科技大學、上海交通大學和哈爾濱工業(yè)大學等院校，主要側(cè)重于計算機控制在變風量空調(diào)系統(tǒng)中的仿真控制和總風量控制的研究。國內(nèi)在變風量控制的研究方面偏向于控制理論，而與空調(diào)系統(tǒng)本身的機理聯(lián)系不深，所以在應(yīng)用中往往難以實現(xiàn)，這就要求在空調(diào)設(shè)計之初，不僅需要很好的設(shè)計思想和先進的控制方法而且還需要深入研究變風量空調(diào)系統(tǒng)的實際工作機理，這是今后開展 VAV 空調(diào)系統(tǒng)控制理論研究之前應(yīng)該解決的問題。 總之，對于變風量空調(diào)系

8、統(tǒng)的控制，現(xiàn)在已經(jīng)有許多智能控制算法得到研究與應(yīng)用，但這些研究許多只是針對變風量空調(diào)的某一環(huán)節(jié)進行的。當系統(tǒng)整體投入運行時，這些方法未必能起到良好的效果，反而會使其控制過程變得復雜，所以許多取得良好仿真效果的控制策略在實際系統(tǒng)中效果不明顯甚至難以應(yīng)用，但是這些研究成果對變風量空調(diào)系統(tǒng)的整個發(fā)展與研究具有推進作用的。2.2背景意義能源問題是全世界普遍關(guān)注的重點問題，日常生產(chǎn)生活中的能源消耗主要有三個方面：建筑能耗、交通運輸和工業(yè)生產(chǎn)。隨著社會進步和經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對建筑環(huán)境的舒適性、節(jié)能性有了更高的要求，所以建筑能源消耗占能耗總量的比重越來越大。據(jù)相關(guān)資料顯示，當今社會建筑能耗已經(jīng)占社會中所

9、有能耗30% 以上的比例。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部副部長仇保興 2005 年就指出：推進建筑節(jié)能，發(fā)展綠色建筑是實施中國能源戰(zhàn)略的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，大力發(fā)展綠色建筑，推進建筑節(jié)能，對于解決能源問題，改善環(huán)境有著重要意義1。在我國，建筑節(jié)能工程也是國家十大重點節(jié)能工程中重要的一項，能夠很大程度上節(jié)約會能源。 建筑環(huán)境領(lǐng)域普遍認為現(xiàn)代建筑是一個溫濕度都應(yīng)該適應(yīng)人體舒適度要求并且空氣清新的環(huán)境，整個建筑環(huán)境是由室內(nèi)空氣品質(zhì)、熱濕環(huán)境、光環(huán)境和聲環(huán)境組成的2?？照{(diào)是一種能對建筑環(huán)境內(nèi)部的室溫、濕度、氣流等進行控制，從而滿足舒適性等指標的系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)能夠極大改善人們的生活和工作環(huán)境，提高人們的生活質(zhì)量，人們對空調(diào)系統(tǒng)

10、的依賴性也越來越高，暖通空調(diào)的能耗也已經(jīng)占建筑總能耗的 60%70% ，而且隨著社會發(fā)展和全球變暖等問題，暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗比重可能會越來越高。因此，在國家倡導節(jié)能減排的大環(huán)境下，暖通空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制不僅可以提高室內(nèi)環(huán)境的舒適性，而且可以極大降低能耗比例，而變風量空調(diào)系統(tǒng)作為一類具有節(jié)能優(yōu)勢的空調(diào)系統(tǒng)也成為了暖通空調(diào)系統(tǒng)中關(guān)注和研究的熱點。3、 Vav系統(tǒng)的優(yōu)點與缺點3.1優(yōu)點 VAV 空調(diào)系統(tǒng)是改變系統(tǒng)送風量來滿足負荷要求的空調(diào)系統(tǒng)，在大多數(shù)工況下實際的送風量都遠遠小于系統(tǒng)最大送風量，從而降低了風機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)降低能耗。維持室內(nèi)環(huán)境的舒適性。3.2缺點 隨著變風量空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用，人們也發(fā)現(xiàn)了其

11、控制性能的一些缺點：非線性、動態(tài)性、大時滯，例如在控制室內(nèi)溫濕度精度方面不如定風量空調(diào)系統(tǒng)，各回路之間耦合作用比較明顯。變風量空調(diào)系統(tǒng)的運行也直接決定于控制系統(tǒng)，所以需要設(shè)計滿意的控制算法并選擇正確的控制參數(shù)才能發(fā)揮其控制效果。暖通空調(diào)系統(tǒng)具有系統(tǒng)環(huán)節(jié)多、各參數(shù)強耦合等特征，目前變風量空調(diào)系統(tǒng)的控制普遍采用傳統(tǒng) PID 控制方法，然而PID控制是基于精確數(shù)學模型的結(jié)構(gòu)化定量控制，對于vav控制系統(tǒng)的非線性及不確定，難以達到滿意的控制效果。4、優(yōu)點的發(fā)展展望 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，更多的新技術(shù)被發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用給vav空調(diào)的控制帶來了無限的曙光。尤其是計算機仿真技術(shù)、面向?qū)ο蟮挠嬎銠C語言發(fā)展、以及人工

12、智能中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的計算機，將人類帶到了一個更加智能的社會。這些先進的技術(shù)使vav空調(diào)系統(tǒng)的自動控制邁上了一個新臺階。5、 缺點的技術(shù)改造（控制策略） 變風量系統(tǒng)運行缺點集中表現(xiàn)在空調(diào)的控制測路上。完善的控制策略需要合適的參數(shù)以及精確的模型，圍繞變風量空調(diào)控制系統(tǒng)展開的研究主要集中在如下幾個方面： 變風量空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)建模對系統(tǒng)進行建模是實現(xiàn)控制的前提，許多時候被控對象能否成功控制主要取決于對象的動態(tài)和靜態(tài)特性分析和認識是否精確。變風量空調(diào)系統(tǒng)模型包括各個環(huán)節(jié)的動態(tài)模型和回路之間的耦合模型，模型與實際工況的不匹配在很大程度上阻礙了 VAV 空調(diào)系統(tǒng)控制的研究工作，因此對變風

13、量空調(diào)系統(tǒng)的運行特性進行具體分析，并在此基礎(chǔ)上建立合適的空調(diào)系統(tǒng)模型是非常重要的。目前，許多關(guān)于變風量空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)室溫控制的研究理論都是把空調(diào)房間當做帶延遲環(huán)節(jié)的一階或二階慣性環(huán)節(jié)，而這樣的被控對象往往不能反映系統(tǒng)的內(nèi)在機理，并且是不能應(yīng)用到實際控制中去的。變風量空調(diào)系統(tǒng)的解耦控制等問題也依賴于系統(tǒng)各耦合回路的模型，由于周圍環(huán)境的不確定性，獲得其精確的數(shù)學模型是很困難的。關(guān)于 VAV 模型研究，中國科學技術(shù)大學的余寶光等人于 1997 年提出了冰蓄冷空調(diào)中VAV 模型研究，并為冰蓄冷空調(diào)建立了 VAV 模型；香港理工大學陳武等人研究了變風量空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)建模和送風機控制問題，并用PI控制方法對送

14、風機進行了控制；Li等人建立了單管VAV系統(tǒng)的動態(tài)模型，并驗證了三種算法進行控制的能耗效果；Mei等人通過建立 VAV 的風機與末端裝置模型，在HVACSIM上進行了仿真驗證了其適用性。 變風量空調(diào)末端控制方法末端控制主要是溫度和濕度的控制，末端控制器的控制精度與穩(wěn)定性研究是變風量空調(diào)系統(tǒng)中研究的關(guān)鍵。由于房間溫度控制具有非線性、滯后及不確定性等特點，末端控制方法的很多研究更多的是集中在運用比 PID 控制更優(yōu)的先進控制方法，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、預測控制等控制理論的研究和應(yīng)用。陳開作等人建立了壓力無關(guān)型末端裝置設(shè)備模型并驗證了其穩(wěn)定性能；西安建筑科技大學的李琳琳采用模糊控制與 PID 復合

15、控制的方法對變風量空調(diào)系統(tǒng) DDC 控制進行研究，取得了良好的效果；馬少華等人通過改進粒子群算法設(shè)計優(yōu)化 PID 的方法設(shè)計控制器，并應(yīng)用于 VAV 末端控制中也獲得了良好的控制效果。 變風量空調(diào)系統(tǒng)解耦控制策略變風量空調(diào)系統(tǒng)屬于多輸入多輸出的控制系統(tǒng)，由于各環(huán)節(jié)之間存在著一定耦合的關(guān)系，某一回路的參數(shù)發(fā)生變化，另外的回路也會或多或少的受到影響，從而對控制區(qū)域的舒適性造成了一定影響。對具有多個耦合回路的變風量空調(diào)系統(tǒng)來說，需要運用合理的解耦控制方法，包括對各環(huán)節(jié)的解耦、協(xié)調(diào)運行等方面。目前對機組側(cè)和末端控制回路之間進行解耦控制的方法有經(jīng)典解耦控制、內(nèi)?？刂平怦睢⑸窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦等

16、方法。上海交通大學的王軍等人針對一個四輸入四輸出變風量空調(diào)系統(tǒng)采用前饋補償法進行了解耦控制，解除了各個回路的耦合效應(yīng)；重慶大學馬巖等人采用了內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)對變風量空調(diào)系統(tǒng)中的耦合現(xiàn)象設(shè)計了解耦控制器并實現(xiàn)了很好的解耦效果。 變風量空調(diào)系統(tǒng)故障檢測與診斷 故障檢測與診斷 (Fault Detection and Diagnosis, FDD) 是為保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行而興起的研究領(lǐng)域，它根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)，查出導致系統(tǒng)出現(xiàn)某種故的原因，并且判斷非優(yōu)狀態(tài)出現(xiàn)的位置，以及預測不良現(xiàn)象惡化可能的發(fā)展方向并確定相應(yīng)的控制方案?？照{(diào)系統(tǒng)中的故障包括空氣質(zhì)量差、風量不足或過大、噪聲過大等問題。由于實際工程中變風量

17、空調(diào)系統(tǒng)變化大，且系統(tǒng)部件、種類繁多，運行過程中容易出現(xiàn)這些故障，故障的出現(xiàn)會大大的削減系統(tǒng)的優(yōu)勢，而這些故障又難以通過經(jīng)典控制理論來分析故障的機理，因此變風量空調(diào)系統(tǒng)的故障檢測與診斷引入了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊控制等先進控制方法?，F(xiàn)在變風量空調(diào)領(lǐng)域中的故障診斷應(yīng)用許多只是針對系統(tǒng)的某一部分而非整個系統(tǒng)，難以對整個系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)診斷。杜志敏等人針對變風量空調(diào)系統(tǒng)中的溫度、壓力和流量傳感器提出通過主成分分析和聯(lián)合角度法在線對傳感器故障進行了較準確的判斷；同濟大學張鵬等人基于系統(tǒng)辨識采用 ARX 模型對變風量系統(tǒng)進行故障診斷，并把ARX 模型用于子系統(tǒng)的檢測診斷中。 6、VAV的中國工程案例分

18、析摘要雖然變風量空調(diào)系統(tǒng)能夠很大程度上降低空調(diào)運行能耗，但定風量空調(diào)系統(tǒng)的控制相對簡單，所以控制過程相對復雜的變風量空調(diào)系統(tǒng)在中國的推廣與應(yīng)用比較緩慢。隨著變風量空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用，人們也發(fā)現(xiàn)了其控制性能的一些缺點，例如在控制室內(nèi)溫濕度精度方面不如定風量空調(diào)系統(tǒng)，各回路之間耦合作用比較明顯。變風量空調(diào)系統(tǒng)的運行也直接決定于控制系統(tǒng)，所以需要設(shè)計滿意的控制算法并選擇正確的控制參數(shù)才能發(fā)揮其控制效果。目前變風量空調(diào)系統(tǒng)的控制普遍采用傳統(tǒng) PID 控制方法，然而，PID 控制是基于精確數(shù)學模型的結(jié)構(gòu)化定量控制，對于非線性、不確定、時滯的控制過程，難以達到滿意的控制效果。智能控制理論可以解決許多經(jīng)典控制理

19、論不能解決的問題，隨著智能控制理論的發(fā)展，國內(nèi)外許多學者也逐漸將各種先進控制算法應(yīng)用到空調(diào)系統(tǒng)的控制器設(shè)計中以提高變風量空調(diào)系統(tǒng)的控制品質(zhì)，并取得了良好的控制效果5。深入研究變風量空調(diào)系統(tǒng)的先進控制技術(shù)、設(shè)計適應(yīng)工程需求的空調(diào)控制系統(tǒng)有重要的意義。 于是，為了在負荷不斷變化的情況下保持舒適的室內(nèi)環(huán)境，適合穩(wěn)定的控制系統(tǒng)及良好的控制策略就顯得很重要了。同樣，通過準確地控制室內(nèi)參數(shù)(溫度、壓力、相對濕度等)也能起到節(jié)約能耗的作用?？照{(diào)系統(tǒng)的效率取決于系統(tǒng)形式和控制策略，如控制參數(shù)的設(shè)定、控制順序及控制器的調(diào)試方式等變風量空調(diào)系統(tǒng)由于節(jié)能和舒適性越來越受到設(shè)計者的關(guān)注，但系統(tǒng)運行的控制方式困擾其發(fā)展

20、。傳統(tǒng)的線性控制方式只能在設(shè)計工況點附近保證系統(tǒng)運行的有效性，在參數(shù)偏離設(shè)計點的范圍內(nèi)往往會導致控制性能的惡化。變風量系統(tǒng)運行時所表現(xiàn)出的非線性、變化范圍大以及不確定性，也不利于線性控制器的工作。另外由于系統(tǒng)運行的動態(tài)性和強時變性，通常很難精確建立其動態(tài)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由于其分步并行處理信息的能力以及動態(tài)學習自我完善的功能，使得其能夠適合變風量空調(diào)系統(tǒng)的控制要求。本文的研究工作主要包括以下內(nèi)容t1通過實驗研究實際PID控制器在變風量空調(diào)系統(tǒng)中的控制特點，分析各個控制回路的運行情況及相互間的影響，就實驗結(jié)果分析該種控制方式的效果，提出改進措施；2使用動態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的，結(jié)合實驗

21、數(shù)據(jù)分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部參數(shù)對工作性能的影響，文中的性能計算結(jié)果表明ELMAN是一種較優(yōu)的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)；3使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制器以及與PID相結(jié)合的復合控制器，結(jié)合數(shù)據(jù)分析其控制效果，仿真結(jié)果表明在負荷不斷變化的情況下，該控制器仍能在較大變化范圍內(nèi)有效地跟蹤輸入信號；4利用Simulink軟件建立空調(diào)送風系統(tǒng)模型，以驗證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器在空調(diào)系統(tǒng)中運用的廣泛性和控制的有效性。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器與傳統(tǒng)的PID控制器分別作為模型的控制子系統(tǒng)，跟蹤輸入信號，控制系統(tǒng)的輸出。通過仿真實驗研究表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器較PID控制器具有響應(yīng)迅速、靜差小、頻率響應(yīng)優(yōu)等的特點，同時對于減小設(shè)備的運行損耗，延長使

22、用壽命方面也具有積極效果。關(guān)鍵詞：變風量、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PID控制器、動態(tài)模型、仿真11引言。但另一方面，系統(tǒng)的控制是很困難的。隨著計算機能耗管理和控制系統(tǒng)(EMCS)的普及，它和直接數(shù)字控制技術(shù)(DDC)的結(jié)合能夠達到較復雜的上位機控制。目前，空調(diào)控制系統(tǒng)的研究主要包括節(jié)能控制、空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)性能、調(diào)試方式、各控制回路之間的相互影響以及控制系統(tǒng)的優(yōu)化。許多學者圍繞變風量控制系統(tǒng)的設(shè)計、動態(tài)性能和控制策略展開了研究。其中，模擬以及實驗研究結(jié)果都表明，除了能耗較低的優(yōu)點，該系統(tǒng)還具有溫濕度控制精度高，能較好地滿足室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)要求的特點n1。但為了使系統(tǒng)達到預期的控制效果，系統(tǒng)還需要魯棒控制策略口1。

23、變風量空調(diào)系統(tǒng)是在70年代能源危機后受到重視的。但在使用的初始階段，和很多新技術(shù)的發(fā)展一樣，碰到了許多問題，如設(shè)計不當、控制不善等導致許多運行問題，這給人們留下了負面的影響。但隨著經(jīng)驗的積累和技術(shù)的進步，變風量系統(tǒng)的運用將會更加高效口1。為全面了解系統(tǒng)的特點，需要深入理解設(shè)備部件的理論、控制系統(tǒng)的設(shè)計標準和使用情況。變風量系統(tǒng)的本質(zhì)是通過改變末端設(shè)備送風量來滿足逐時變化的室內(nèi)冷負荷或熱負荷。在集中式空調(diào)運用中，一般通過變風量末端(VAV Box)來控制送風量的變化。該系統(tǒng)運行的優(yōu)劣主要取決于設(shè)計者所選用的變風量末端的形式及控制方式。具體來講，送風量的控制是通過變風量末端設(shè)備來實現(xiàn)的，室內(nèi)溫度控

24、制器通過調(diào)節(jié)變風量末端設(shè)備中風閥的位置來改變送入室內(nèi)的風量。運行良好的變風量系統(tǒng)能夠準確地控制室內(nèi)的溫濕度，但如果設(shè)備不能按照設(shè)計意圖運行的話，就很難達到要求的室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)口1。這種情況下，系統(tǒng)的運行成本往往也會大大增加。因此，變風量系統(tǒng)的控制研究仍是空調(diào)領(lǐng)域一個重要的話題。至此，本節(jié)主要通過一些現(xiàn)狀來闡明變風量系統(tǒng)在空調(diào)發(fā)展。本篇論文的研究重點主要分為三塊：1)變風量空調(diào)系統(tǒng)及其設(shè)備的性能和特點；2)變風量控制方式的實驗研究；3)控制方式的研究和比較認證。12變風量空調(diào)系統(tǒng)及其設(shè)備的動態(tài)性能大多數(shù)變風量空調(diào)系統(tǒng)是通過末端的風閥開度或風機轉(zhuǎn)數(shù)變化來控制送入室內(nèi)的風量。從控制的觀點來講，室內(nèi)的溫

25、度到達設(shè)定值需要一個緩慢的過程，這主要是由建筑維護結(jié)構(gòu)的熱惰性決定的。TMatsuba3等人通過簡單地建立房間模型來研究房間空調(diào)。114工t-臺月匕u。該房間假設(shè)為無冷風滲透的，空調(diào)形式是無經(jīng)濟器的變風量空調(diào)系統(tǒng)。數(shù)值系統(tǒng)模型是由帶滯后的雙線性反饋模型和一個參數(shù)穩(wěn)定分析器構(gòu)成。文中論述了保持系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)變化范圍，以及確定了控制參數(shù)的標準。但論文并沒有分析實際系統(tǒng)的硬件設(shè)備，因此對實際工程的應(yīng)用是不適合的。Maxwell嵋1等人對冷盤管的動態(tài)性能和控制方式進行了一系列理論和實驗研究。他們通過實驗臺的實際運行數(shù)據(jù)建立了盤管的模型。通過分析還得出了PID控制器參數(shù)并在實驗臺上通過驗證。但在研究中，

26、冷盤管被看作單一的孤立系統(tǒng)來研究，這在實際空調(diào)系統(tǒng)中是不現(xiàn)實的，因為空調(diào)系統(tǒng)的各個控制回路間往往是相互影響的。Mehta哺1對風機盤管空調(diào)系統(tǒng)控制動態(tài)性能做了研究。文章主要從建筑能耗和室內(nèi)人員熱舒適角度，使用比例積分控制器研究系統(tǒng)控制的效果。通過建立合理的系統(tǒng)模型來描述系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍、比例帶、啟停時間、盤管制冷量和部分負荷性能等參數(shù)之間的關(guān)系，并通過實驗研究這些參數(shù)對建筑能耗和室內(nèi)人員熱舒適的影響效果進行了研究。這些研究對減少系統(tǒng)能耗的控制策略是十分有意義的。但不足的是，上述結(jié)果只對使用風機盤管的空調(diào)區(qū)域有借鑒作用，而對集中式空調(diào)的貢獻不大。Virk盯1等人提出一種先進的預測控制技術(shù)來對房間溫

27、度進行控制，并將這種技術(shù)與傳統(tǒng)的控制的開關(guān)控制及PID控制進行了比較?；谀晨照{(diào)房間實驗結(jié)果，文中對預測開關(guān)控制、傳統(tǒng)開關(guān)控制效果進行了模擬，并與實驗數(shù)據(jù)做了比較。13變風量空調(diào)系統(tǒng)的控制方式PID控制是歷史最久，生命力最強的基本控制器方式。在化工等工業(yè)過程控制中，應(yīng)用最廣泛的仍然是基本的PID控制，因此合理設(shè)置PID參數(shù)保證控制回路的正常工作顯得尤為重要陋1。傳統(tǒng)的PID控制器的調(diào)試是一件耗時耗力的工作，往往PID參數(shù)常常是通過不斷的試錯得出來的，但調(diào)試工作仍須仔細，避免系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，之后又出現(xiàn)了各種先進控制，以適應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)控制，大滯后、時變性和復雜性等特點，其中包括反饋

28、控制、自適應(yīng)控制呻1、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制n引、模糊控制1等方法。QiangBin23等人通過在控制回路嵌入自調(diào)節(jié)器，動態(tài)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，實驗研究表明其能夠高效地控制空調(diào)設(shè)備。Huang和Lamn33提出一種基于遺傳算法的自適應(yīng)學-j算法用來自動調(diào)節(jié)PID控制器，并將其運用于空調(diào)系統(tǒng)，取得了較好的效果。模擬結(jié)果表明，該算法具有自動調(diào)節(jié)控制參數(shù)的作用，減少系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)整時間。研究中作者將優(yōu)化的PI控制器應(yīng)用于(具有非線性特點的)空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)果表明遺傳算法具有比傳統(tǒng)的Ziegler-Nichols方法更好的調(diào)試效果。不過，文章的結(jié)果是基于仿真的，需要實驗的后續(xù)驗證其控制精度。Chert和Leen耵提出

29、了一種自適應(yīng)魯棒控制器，并在具有非線性和不確定特點的空調(diào)系統(tǒng)中進行研究。模擬結(jié)果揭示，在初始條件極大地偏離舒適區(qū)條件下，該控制器仍能保持良好的瞬態(tài)控制效果。相比之下，傳統(tǒng)的PID控制器在應(yīng)對系統(tǒng)的不確定性擾量時魯棒性不強，自調(diào)節(jié)控制PID控制器僅對穩(wěn)定的擾量有效。該篇論文的不足之處在于自適應(yīng)魯棒控制器僅在理論上證明了對空調(diào)系統(tǒng)能保證穩(wěn)定運行，缺少實驗對其進行驗證。Seemn51使用最優(yōu)化方法提出了一種模型識別自適應(yīng)控制器(PRAC)，其能在閉環(huán)控制系統(tǒng)中自動調(diào)節(jié)PI控制器中的例系數(shù)和積分時間，并將這種調(diào)節(jié)方式成功地運用于實際的空調(diào)系統(tǒng)中。Wallenbergn叫提出一種自調(diào)節(jié)控制器，其能夠通過

30、計算周期振蕩的波形得到系統(tǒng)的離散傳遞函數(shù)。作者通過實驗的驗證了有時間滯后的反饋調(diào)節(jié)方式?？刂破鞯妮敵鍪峭ㄟ^使用極點位置，利用系統(tǒng)的輸入輸出模型。文章指出，在一些調(diào)節(jié)PID參數(shù)的實驗過程中，系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)有時是很難達到的。在空調(diào)系統(tǒng)中各個控制回路之間往往是相互聯(lián)系的，因此在設(shè)計自調(diào)節(jié)器時，很重要的一點是要注意選擇調(diào)節(jié)回路的順序，目的是使各控制回路之間的影響最小。這種控制器的缺點對其他的自適應(yīng)調(diào)節(jié)器也是有借鑒作用的，手動調(diào)節(jié)PID控制器也是一樣的。Farris和MacDonaldn71將自適應(yīng)最優(yōu)化方法(AOC)應(yīng)用于空調(diào)控制領(lǐng)域。按照線性理論，在使用一間太陽能制冷和供熱的單獨區(qū)域內(nèi)，他們將自適應(yīng)

31、最優(yōu)化方法應(yīng)用于系統(tǒng)工作點。用一個簡單的一階線性模型描述該系統(tǒng)并用遞推最小二乘法(RLS)確定模型參數(shù)。模型結(jié)果說明使用自適應(yīng)最優(yōu)化方法較傳統(tǒng)控制方法能明顯地節(jié)省能耗。MacArthur“引等人將自適應(yīng)控制與閉環(huán)極點布置和滯后補償方法相結(jié)合的控制策略應(yīng)用于空調(diào)領(lǐng)域。在該模型中使用二階傳遞函數(shù)，其中的未知參數(shù)的估計使用遞推最小二乘法。模擬結(jié)果顯示在過阻尼和欠阻尼的系統(tǒng)中均比PI和PID控制器有較好的控制效果。Curtissn剛第一次將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用于空調(diào)控制中。他用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立用于加熱空氣的盤管的模型，并用預測控制器與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制該設(shè)備。模擬結(jié)果顯示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器較PID

32、控制器較優(yōu)的控制性能。譚良才心們提出利用神經(jīng)模糊技術(shù)控制有恒溫恒濕要求的高大空間。在該文中作者將人工控制領(lǐng)域的兩項技術(shù)一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)一相結(jié)合，并采用BP學習算法，首次在恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用這項技術(shù)，并對其中的三個影響控制性能的比例因子采用單純形法進行尋優(yōu)。數(shù)字仿真結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化學習后，神經(jīng)模糊控制器較常規(guī)的模糊控制器和PID控制器有更好的控制精度、穩(wěn)定性和魯棒性。安大偉乜等人對無新風的高精度空調(diào)系統(tǒng)(無人值守的生產(chǎn)車間使用的工藝性空調(diào)系統(tǒng))采用神經(jīng)元PID控制器控制車間內(nèi)溫度和濕度。研究結(jié)果表明，應(yīng)用單神經(jīng)元PID控制器的高精度空調(diào)系統(tǒng)，在周期變化的室外熱擾以及存在有隨機變化的

33、室內(nèi)熱擾環(huán)境中保持了響應(yīng)快速、過渡平穩(wěn)、無靜差、無超調(diào)的優(yōu)良性能。曹志峰乜21通過對某一建筑進行數(shù)學建模，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學習功能，采用BP網(wǎng)絡(luò)PID空調(diào)控制系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上對空調(diào)系統(tǒng)在MATLABSimulink環(huán)境下進行仿真，具有超調(diào)小、穩(wěn)定快、無靜差的特點。胡玉玲通過建立系統(tǒng)控制模型，將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用于VAV空調(diào)系統(tǒng)控制，并在MATLABSimulink環(huán)境下模擬，并比較了傳統(tǒng)的PID控制器與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。模擬表明模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器具有很強的魯棒性和自適應(yīng)能力，對于具有不確定性的VAV空調(diào)系統(tǒng)可以取得更優(yōu)的動態(tài)性能。樊得璽嘶1通過MATLABSimulink軟件建立了變風量

34、空調(diào)系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的數(shù)學模型，包括：房間、末端裝置、送風系統(tǒng)、表冷器、加熱器和加濕器等，并對各個環(huán)節(jié)進行了仿真測試，檢測了模型的正確性。在建模過程中對部分環(huán)節(jié)進行了實驗研究，確定了實驗參數(shù)。仿真測試表明暖通空調(diào)系統(tǒng)具有大滯后、大慣性、慢時變等特點，且具有系統(tǒng)環(huán)節(jié)多、各參數(shù)強耦合等特征。該模型對于實現(xiàn)其全系統(tǒng)仿真以及系統(tǒng)節(jié)能具有較大的研究價值。14變風量空調(diào)系統(tǒng)控制的實驗研究變風量系統(tǒng)控制的許多實驗研究僅停留在理論分析上，在工程實際運用中會就碰到許多問題，研究實際運行系統(tǒng)的控制策略是十分重要的。在一個典型的單風道空調(diào)系統(tǒng)中，除了送(回)風機、末端設(shè)備、閥門及風道等設(shè)備外，還有五個反饋控制回路：室溫

35、控制、送風靜壓控制、送風溫度控制、送回風流量匹配控制及新排風量控制口利。因此控制實驗研究主要是針對這些設(shè)備的回路控制進行的。141變風量系統(tǒng)的新風控制準確地控制送入室內(nèi)的新風量是保證室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要因素。對于定風量系統(tǒng)，控制最小新風量是很簡單的，因為風機的送風量是恒定的，所以只要保持新風進口處的風閥開度，就能很好地控制最小新風量。但用同樣的控制方法來控制變風量系統(tǒng)問題就出現(xiàn)了，如何控制變風量系統(tǒng)的最小新風量是比較困難的問題。晉欣橋乜釘?shù)热烁鶕?jù)ASHRAE通風標準對新風的要求，針對混合送風系統(tǒng)分析了4種新風及其分配的控制方案，分別為：固定新風量控制、最大新風比控制、結(jié)合VAV末端再熱的在線新風

36、比控制、結(jié)合VAV末端再熱和送風溫度優(yōu)化的在線新風比控制。仿真結(jié)果標明對于多區(qū)域變風量系統(tǒng)，采用固定新風量的控制方案很難滿足室內(nèi)新風量變化的要求，采用最大新風比的控制可以滿足ASHRAE標準要求，但會出現(xiàn)新風過量的問題。經(jīng)過優(yōu)化的后兩種控制方案是值得推薦的。Atkinson啪1討論了雙風管變風量控制技術(shù)，指出為了達到最小新風量和室內(nèi)房間的正壓，將最小新風量與風機轉(zhuǎn)速解耦控制是必要的。通過最小新風量及排風量的控制，也能達到節(jié)能的目的。各控制回路之間的相互影響也是復雜控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的困難問題。所以作者建議回風風機應(yīng)與送風機聯(lián)合控制以穩(wěn)定送風量。Seem乜71等人提出一種變風量空調(diào)箱的控制方法?？刂?/p>

37、目的是防止室外新風通過排風口倒流入室內(nèi)?？刂品椒ㄊ菍⑴棚L閥和回風閥聯(lián)動控制，而新風閥保持全開狀態(tài)。相比較傳統(tǒng)的控制方法是將排風閥、回風閥、新風閥三者聯(lián)動控制。通?？刂苹仫L閥的方式是保持送風量和排風量一個穩(wěn)定的差值。這被稱作為風量匹配。風閥的控制是關(guān)聯(lián)的，比如，當新風閥和排風閥打開時，回風閥開始關(guān)閉。142風機和送風靜壓控制靜壓控制是為了使風管系統(tǒng)不會壓力過大，不過最重要的是為了達到節(jié)能的目的。風機作為末端設(shè)備分配系統(tǒng)的流量，在商用建筑中屬于能耗的大戶。同樣風機控制策略影響風機的能耗，因此風機控制的目的是為了保持空調(diào)房間應(yīng)有的通風量和室內(nèi)壓力的同時，盡可能減少其能量消耗。這也是空調(diào)行業(yè)研究的一個重點。Williams瞳踟討論了變風量系統(tǒng)的一些運行特性。他指出所有的系統(tǒng)設(shè)備，如風機、末端控制箱、控制設(shè)備都應(yīng)集合起來以保持整個系統(tǒng)的運行特性。同時作者也建議在主風管的末端設(shè)置一個或多個壓力傳感器