变风量空调系统控制优化方法研究

在各种空调方式中,VAV 空调系统有其自身的优点:1、由于空调系统大部分时间在部分负荷下运行,所以风量的减少带来了风机能耗的降低和末端设备里的再加热器能耗的降低;2、能实现局部区域的灵活控制;3、利用系统多样性,可使中央系统的初始成本低;4、同样,由于可利用系统的多样性,今后扩展的成本大大降低;5、系统是自平衡的(Self2balancing) ,等等。

因此,国外智能大厦的空调系统多采用VAV 空调系统, 或与CAV 空调系统、FCU 空调系统相结合的方式。

虽然VAV 空调系统具有上述优点,但是它的控制却最复杂。

目前,VAV 空调系统的控制方式基本上采用多个回路的PID控制。

在系统模型参数变化不大的情况下,PID 控制效果良好。

但是,VAV 空调系统是一个干扰大的、高度非线性的、不确定性系统,这是由于:1、外界气候和空调区域里的人员活动的变化很大,对系统形成很大的干扰;2、空气调节过程是高度非线性的;各执行器的运行特性也是非线性的;3、各个控制回路之间耦合强烈,完全解耦是不可能的;4、随着时间的推移,设备会老化和更换,从而造成系统参数的变化。

5、在许多系统里,系统的数学模型很难建立。

1. 1 VAV 系统的节能研究20 世纪70 年代到90 年代,主要集中研究它的能耗情况,即与定风量(CAV) 空调系统和风机盘管系统比较节能效果。

与CAV 空调系统相比,VAV 系统可以不需或减少再热量,降低送风量,从而减小风机能耗,降低制冷负荷等。

此外,VAV系统还可以通过消除过冷、回收灯光的热量而节能[1 - 3 ] 。

Wallace 等人提出在高层建筑的VAV系统中引入建筑能耗监控系统和计算机控制,可以优化节能效果。

风机能耗在VAV 系统中占很大的比重,因此对风机采取有效的调节措施,降低风机能耗是增强VAV 系统节能效果的重要途径。

目前,风机调节主要采用调节风机入口导流叶片角度和变风机转速两种方法, Englander 和Norford 比较了二者的节能效果,并用动态模拟软件HVACSIM + 进行了模拟计算,结果表明,采用变转速调节要比采用调节风机进口导流叶片角度节能30 % ,而且变转速调节与DDC 结合效果会更好。

主通风机变频控制系统的优化与应用探讨一、引言二、主通风机变频控制系统的基本原理和特点（一）基本原理（二）特点1. 调速范围广：变频控制系统可以在普通电机的基础上实现很大范围的调速，比如在恒功率调速范围内可达到1:100。

2. 精度高：变频控制系统通过对电压和频率的精确控制，可以实现对主通风机的精确调速，保证其在不同工况下的稳定运行。

3. 能效高：由于变频控制系统可以根据实际负荷需求调节主通风机的运行状态，避免了频繁启停和固定调速带来的能量浪费，因此具有更高的能源利用率。

（一）优化方案1. 变频器选择：根据主通风机的工作条件和负载特点，选择适当的变频器型号和参数，以确保系统的稳定性和可靠性。

2. 控制策略优化：针对不同的工况和负载需求，优化变频控制系统的控制策略，如PID控制、模糊控制、神经网络控制等，以实现最佳的调速效果。

3. 整机匹配设计：在主通风机的设计和选型阶段，需考虑变频控制系统的应用，从而实现整机的匹配设计，提高系统的整体性能和能效。

4. 过程集成优化：将变频控制系统与主通风机的运行过程进行集成优化，包括监测、维护、故障诊断等，以提升系统的整体性能和可用性。

（二）优化效果1. 节能减排：通过变频控制系统的优化应用，可以实现主通风机的精确调速和负载匹配，从而降低能源消耗，减少排放，达到节能减排的效果。

2. 稳定可靠：优化后的变频控制系统可以更好地适应不同的工况和负载需求，保证主通风机的稳定运行和可靠性。

3. 扩展应用范围：通过优化应用，可以进一步扩大主通风机的适用范围，满足不同行业和工艺的需求，实现更广泛的应用。

（一）工业领域在工业生产中，主通风机广泛应用于各类车间、厂房和生产线中，如钢铁、化工、矿山、造纸等行业。

通过变频控制系统的应用，可以根据生产工艺和负载需求实现主通风机的精确调速和智能控制，提高生产效率和能源利用率。

（二）建筑领域在建筑通风系统中，主通风机承担着供气、排风、送风等重要任务，而变频控制系统的应用则可以实现空气质量调节、能源节约等目标，提高建筑通风系统的舒适性和效益。

变频空调系统的优化设计与控制随着科技的不断发展和人们对室内环境舒适度要求的不断提高，空调系统已成为现代居家生活中必不可少的设备之一。

而作为目前市场上主流的空调系统之一，变频空调系统由于其能力更强、性能更可靠，更加节能环保等特性，受到越来越多的人们青睐。

然而，在变频空调系统的使用中，可能存在一些问题，如噪音较大、节能效果不佳、维护难度较高等。

为了解决这些问题，需要对变频空调系统进行优化设计和控制，从而提高其整体性能和可靠性。

一、设计优化1. 利用先进的控制技术现阶段，随着人工智能技术的发展以及传感器的普及，空调系统的控制技术也在不断进步。

如能够通过温度、湿度、气流、光线等多种传感器信息来准确地控制室内温度和湿度，以实现最佳的舒适度。

此外，应用于智能控制系统的模糊控制算法和神经网络算法，也能够进一步提高空调系统的控制精度和性能。

2. 优化空气循环系统空调系统中的空气循环系统是实现环境舒适度的重要部分。

因此，在设计中，需要对其进行优化，以适应不同的使用环境和需求。

首先，应针对房间的大小和使用人数等因素，确定合理的冷热负荷，并设计相应的空气循环系统。

其次，在空气过滤系统中，应选用高效的滤网，以保证排出的空气质量达标。

最后，应注意空气循环系统中的噪音问题，不断优化设计，将噪音降至最低。

3. 节能降耗变频空调系统之所以受到人们的青睐，正是因为其具有良好的节能效果。

不过，为了更好地发挥其优势，还需进行优化。

首先，应根据房间的面积和使用情况，选用合理的空调机型。

其次，应选用高效的冷媒和控制器，以提高整个系统的效率和能耗。

最后，在冷热负荷不大的情况下，可以采用非制冷方式，如自然通风、换气等，以减少空调系统的使用。

二、控制优化1. 控制策略在变频空调系统中，控制策略的选择对其性能影响较大。

常见的控制策略有开-关控制、PID控制、模糊控制和神经网络控制等。

其中，PID控制具有控制精度高，调节速度快等特点；模糊控制则可以应对多种复杂环境，提高系统的稳定性和鲁棒性；而神经网络控制则具有学习能力，可以不断优化系统的控制策略。

变风量空调系统的优化控制算法邓小飞;黄光亚;宋志国;张银行【摘要】变风量空调系统因为控制过程复杂,所以目前难以推广,市场上广泛使用的是定风量空调系统.针对这种情况,从理论上提出了变风量空气处理机组送风温度的优化控制算法,并用Matlab仿真软件对其进行了仿真分析,仿真结果表明,该算法以更低的能耗达到更佳的运行效果.【期刊名称】《吉首大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(034)002【总页数】4页(P61-63,96)【关键词】变风量空调系统;变风量空气处理机组;送风温度;优化控制【作者】邓小飞;黄光亚;宋志国;张银行【作者单位】吉首大学信息科学与工程学院,湖南吉首416000;吉首大学信息科学与工程学院,湖南吉首416000;吉首大学物理与机电工程学院,湖南吉首416000;吉首大学物理与机电工程学院,湖南吉首416000【正文语种】中文【中图分类】TU831.3能源危机日益成为当今世界共同关注的问题，人们正致力于寻找新的能源和提高能源利用效率［1］.据统计，变风量空调系统(Variable Air Volume Air Conditioning System，简称VAV)比常规的定风量系统可节能30%～50%，在节能、热舒适性和灵活性等方面远远优于其他空调系统.［2］然而变风量空调系统的控制比较复杂，对系统的自动控制程度有较高的要求，研究变风量空调系统的优化控制具有重要的现实意义，从而引起了国内外学者的广泛关注［3-7］.Fredrik等［3］分析了送风温度的优化控制对系统各方面的影响，并建立了以能耗为目标的目标函数，比较了优化送风温度和持续送风温度2种情况的能耗情况，调节变送风温度能够减少暖通空调系统的能耗.程加堂等［4］针对变风量空调系统存在耦合并难以稳定运行的情况，把空调系统分解为机组部分和末端部分来考虑.对机组部分采用最小二乘法建模，提出了基于单神经元自适应PID控制方案.徐新华等［5］提出了变风量系统的送风静压和送风温度优化控制方法以及多区域新风量优化控制方法，这些控制方案及控制程序在变风量空调系统的动态仿真平台上进行测试以评估它们的动态控制性能、节能及空气品质特性.刘平等［6］介绍了冷却塔的已有模型及其参数辨识，提出了一种能降低冷却塔风机和水泵的能耗较低优化控制方法.宋虹等［7］采用闭环间接辨识法研究了变风量空调末端部分控制系统的节能优化问题.笔者利用优化控制理论，根据压力无关型末端的负荷率和最小风量的要求，提出了一种新的送风温度优化控制策略，仿真结果表明新的控制策略能够在很大程度上节约了风机能耗.变风量空气处理机组(Air Handling Unit，简称AHU)是变风量空调系统的重要设备，其主要功能是为空调系统提供足量的新风、维持送风温度和送风管道静压在其设定值等.空气处理机组对空调系统能耗和室内热湿环境有较大的影响，系统总风量通过对管道静压的控制来实现，即在负荷变化的情况下，维持管道某处的静压在某一设定值附近(当然这一设定值可以根据具体需要而改变)即变静压控制，其原则是尽量使风阀开度开大，使系统阻力减小，在满足风量要求的前提下使得静压设定值最小，这样就要降低风机转速，实现节能的目的.另一方面，当负荷减少时，系统所需的风量也随之减少，但当风量减少到一点程度时，会造成新风量不足，室内空气流动不畅混合不均匀等现象，这时就要提高送风温度以增大所需风量.因此，研究变风量空调空气处理机组送风温度的优化控制方法，对节约空调系统能耗、改善室内热舒适性和空气品质、提高工作人员的工作效率均具有现实意义.2.1送风温度优化控制理论变风量空调系统的最佳送风温度与风机的运行能耗、供冷和供热的运行能耗一同综合考虑，使其综合能耗为最小，然而这几项能耗值都在动态变化中，所以这种综合考虑是个十分复杂的过程.在某一供冷负荷要求下，送风温度越高，送风温差就变小，需要的风量就越大，送风机运行能耗升高，但此时冷水温度不必维持得太低，制冷效率可以升高，供冷的能耗就可以降低.在炎热的夏季正午时刻，送风温度可以接近最佳设计温度如13℃，那么在负荷比较小的早晨或傍晚，送风温度则可再调为1 7～18℃，而在午后则有可能将送风温度再调至13℃以下.在稍凉爽的季节日子里，则全天都可能将送风温度设置在17～18℃范围内，虽然风机的能耗可能会稍有增加，但供冷的能耗则会降低，总的综合能耗会变小.可见，并不是系统只要处于供冷状态，送风温度就要维持在较低的温度，若这样运行的话，不仅会使某些空调区域出现过冷现象，还可能引起室内空气流动不畅、新风量不足等问题，甚至还可能出现再热能耗，从而使综合能耗增加.2.2送风温度优化控制策略在VAV空调系统中，当区域处于部分负荷时，AHU送风量减少，可降低风机能耗.但是送风量的减少会带来不利的影响，如送风混合欠充分、室内空气流动欠佳、送风直接下落等现象，这样会影响室内的热舒适性.有效的解决方法是在保证室内热舒适性的前提下设定一个最小风量，当实际送风量小于这个最小风量时，就通过提高送风温度来增大送风量.如果设计送风温度为Tsa，送风温度设定值Tsasp，系统的压力无关型末端(VAVBOX)个数为N，且为每个VAVBOX设定了最小风量，当检测到实际送风量(MFL)小于设定最小风量(MNFL)的VAVBOX个数为N时，就将送风温度提高.这种方法旨在通过提高送风温度增大送风量来解决室内空气流动问题，即送风温度设定值只能提高，而没有控制规则来使设定值减小.鉴于此，根据VAVBOX的负荷率和最小风量的要求，提出了一种新的送风温度优化控制策略:当室内负荷增大到某一程度时，则降低送风温度设定值，当室内风量不足时，则提高送风温度设定值来增大风量.末端控制回路如图1所示.由图1可知，末端有3个控制回路，即风量控制回路、负荷控制回路和温度控制回路.由于风量控制回路的存在，由温度控制器给出的设定送风量就能得到保障，而不受风道静压变化的影响，具有较高的精确性.同时负荷控制回路的存在，当室内负荷增大到某一程度时，能通过降低送风温度设定值来提高室内的热舒适性. 利用Matlab工具箱进行优化控制仿真时，设定各个末端相关的数据，如阀门开关控制信号DCL、末端的实际送风量MFL(单位为L/s)和需风量RFL(单位为L/s)、最小风量设定值MNFL(单位为L/s)、最大负荷设定值(单位为W/m2)、送风温度设定值Tsatsp(单位为℃)等，送风温度最高值设为18℃，送风温度的最低值设为13℃.图2，3为送风温度随室内负荷及风量的变化曲线.由图2，3可知:当室内负荷增大到每平方米0.235 W时，则送风温度设定值下降，直到下降到送风温度的最低设定值13℃;当室内送风量不足28 L/s时，送风温度设定值升高，直到上升到送风温度的最高设定值18℃.图4为某一时段AHU送风机变频器频率的仿真输出.由图4可知，优化前输出频率基本保持不变即为50 Hz，优化后的变化范围为45.45～48 Hz.设风机的转速为n、频率为f、风量为L，功率为N，则其相互关系为又令风机的额定功率为N0，最大输出频率为fmax，则输出功率和输出频率的关系为在送风温度设定值优化后，风机的频率输出值减小，再由(1)式可知，风机的输出功率减小，优化后的系统比原系统更节约风机能耗.提出一种AHU送风温度优化控制的新方法.根据VAVbox的负荷率和最小风量的要求，为了最大限度地节省风机能耗，当室内负荷增大到某一程度时，则降低送风温度设定值;当室内风量不足时，则提高送风温度设定值来增大风量.因此，送风温度的优化控制是暖通设计者优先选择的控制方法.【相关文献】［1］蔡敬琅.变风量空调设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007:1-22.［2］叶大法，杨国荣，董涛.国外变风量空调系统设计理念探讨与借鉴［J］.暖通空调，2008，38(3):62-67.［3］ FREDRIK ENGDAHL，DENNIS JOHANSSON.Optimal Supply Air Temperature with Respect to Energy Use in a Variable Air Volume System［J］.Energy and Buildings，2004，36(3):205-218.［4］程加堂，艾莉，段志梅.变风量空调系统机组部分的建模与仿真［J］.自动化技术与应用，2009(4):8-9.［5］ XU Xin-hua，WANG Sheng-wei，SUN Zhong-wei，et al.A Model-Based Optimal Ventilation Control Strategy of Multi-Zone VAV Air-Conditioning Systems［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29(1):91-104.［6］刘平，李树江，王向东.空调冷却塔的建模与优化控制［J］.暖通空调，2011(3):152-155. ［7］宋虹，任庆昌，白燕，等.变风量空调末端双闭环系统的模型辨识和仿真［J］.计算机仿真，2012(10):396-399.。