空调温湿度智能控制技术的研究

方 新，王金娥

（苏州大学机电工程学院，江苏苏州 215000）

空调温湿度智能控制技术的研究

方 新，王金娥

（苏州大学机电工程学院，江苏苏州 215000）

通过对现有大型空调系统的温度和湿度的自动化控制方法做了大量现场调研，系统分析目前空调系统的温度，湿度自动化控制在实际应用中可以满足温度和湿度的基本控制要求但有关舒适性和节能方面存在问题，故对温度和湿度自动控制方面提出了温度分程控制，温度串级控制，利用虚拟空气参数等智能控制方法来进行优化和改进。

变风量空调；楼宇自控；分程控制；串级控制；温度控制；虚拟空气参数

0 引言

通常大型建筑的空调系统按照风量划分，可以分为变风量和定风量系统。变风量系统(VAV)可根据室内热负荷的变化而自动调节送风量，主要应用于以舒适性为主的区域，如办公室和公共区域等。目前变风量系统因其节能的特点而被大力推广使用。定风量系统(CAV)的送风风量是固定不变的，从而保证了房间的换气次数和压差的稳定，主要应用于工艺车间、实验室和洁净室等场所。

在空调自控方面，Honeywell、SIEMENS、Johnson Control等公司的楼宇自控系统普遍采用网络结构，通过以太网络可以与现场的DDC（直接数字控制）控制器形成通讯，实时监测控制现场的执行器或控制器[1]。经过调研发现，尽管目前变风量和定风量系统温湿度自动化控制可以满足其基本控制要求，但在舒适性方面和节能方面还存在问题。为了获得更好的节能和智能控制效果，本文提出了分程，串级和虚拟参数智能控制方法，并通过了实践验证。

1 空调系统传统的温湿度控制方法

空调机组通常由风机，冷热盘管，控制阀等组成，典型的空调自动控制见图1。空调机组的送风或回风温湿度、静压等过程模拟变量和风机运行状态数字变量分别被送到DDC控制器的模拟量和数字量输入模块。而DDC控制器输出的模拟量和数字量信号分别用于控制冷热水阀门、电动风阀和风机的状态。空调系统最基本的功能是温度控制，即根据设定的回风或送风温度期望值，DDC控制器调节空调处理机组的冷水和热水盘管电动阀的大小，以满足制冷和制热的需要。夏季有除湿需要时，可以根据设定值来控制冷水阀门的开度来除湿，再控制热盘管的热水阀门来满足温度和湿度的要求。

图1 空调控制功能原理图

1.1 变风量空调系统

变风量空调系统是美国广泛使用的一种空调系统，由空气处理机组、送风系统、变风量控制箱（VAV box）等组成[2]。变风量控制箱（VAV box）会根据控制区域的温度变化来自动调整风阀开度，其压差传感器可以将风量换算成房间温度，并和和温度设定值比较，实现了闭环PID温度自动控制（见图2）。安装在总送风管道的静压传感器感受到因末端变风量控制箱风量变化而引起风管静压的变化，并变送模拟量信号到DDC的输入模块，DDC比较实际静压值和设定值后，输出模拟信号到风机变频器，从而实现变风量控制(见图3)。传统自控方法为控制固定的空调机组的送风温度或回风温度，带来的问题是需要频繁人工干温度设定值来满足季节变化或末端负荷变化。且控制固定的空调回风温度可以满足整体大区域房间温度的要求，但存在送风温度过冷过热等问题，并出现风口下的工位非常不适，影响了人员的舒适度。

图3 空调风机闭环框图

1.2 定风量空调系统

定风量空调系统的送风量固定不变，新风和回风量都是固定的，保证了区域的换气次数和房间的压差要求。与变风量空调系统相比，定风量空调系统通过控制空调回风温度来满足空调服务区域的温度控制要求，其自控系统比较简单，然而固定回风温度的同时会存在送风温度波动较大的现象。此外，在过渡季节，冷水和热水阀门的频繁交替开启，会造成能源浪费较大。

2 空调系统的智能控制方法

2.1 温度分程控制

分程控制指将控制器输出信号全程分割成若干个区域，每个区域段对应一个控制阀。每个控制阀仅在控制器输出信号整个范围的区域内工作。温度分程控制其工作模式为将温度控制分为热区和冷区两个区域（见图4）。

图4 分程控制图

控制原理如图6所示，由房间温度过程值PV，温度设定值SP，阀门比例控制值CV构成温度PID控制回路。温度PID控制程序通过比较温度过程值和设定值的差值，输出0～100的比例值。阀门开度对应的控制比例数值范围也定义为0～100。其中55～100为冷区，对应冷水阀门开度为0～100，0～45为热区对应热水阀门开度为100～0，45～55为温度死区即阀门死区。同时对于夏季除湿问题，湿度PID控制程序计算出冷水阀门开度。最后取温度PID和湿度PID的冷水阀门开度的最大值，即可同时满足温度和湿度控制要求，避免了冷水和热水阀门在非除湿模式下同时开启而带来的能源浪费问题。

图5 多程控制图

图6 多程控制闭环框图

2.2 温度多程控制

温度分程控制虽然可以很好解决冷水热水阀门重叠开启的问题，但是对于换季季节新风的自然冷却节能控制无法利用。为了实现自动控制，可以通过焓差比较来来实现新风的比例调节[3]，温度多程控制方法是将温度控制分为3段(见图5)，控制比例数值范围0～45定义为热区，45～65定义为阀门死区和焓差控制区即控制新风阀门开度，65～100为冷区。

2.3 温度串级控制

温度串级控制的控制原理是：送风温度控制串联到回风温度控制闭环回路中(见图7)，比较回风温度和设定值，使送风温度设定值在给定范围内浮动变化。冷热水阀门、送风温度传感器构成闭环PID控制回路。固定范围的送风温度控制有效避免了风口下方出现过冷或过热不适现象，提高了舒适度的同时也节能，避免了不同季节变化需要人工干预送风设定值的问题，所以温度串级控制方式应用到变风量空调系统中可以有很好的效果，同理应用到定风量空调系统同样可以起到节能作用，利用回风温度的变化来浮动设定空调送风温度，可以让温度PID控制程序做到在小范围温度内快速的响应，改善冷热水阀门频繁变化的问题。解决了空调系统温度控制迟滞性问题。

2.4 虚拟露点控制

夏季空调除湿负荷消耗冷热能源非常大，新风空调能耗最需要关注。利用传统的温度加相对湿度控制模式经常因送风温度的变化导致相对湿度波动干扰，给自动化控制PID程序带来了困难，引起湿度控制波动或能源浪费，比较常见的洁净室空调湿度模式通常使用露点控制模式。

设空气的状态用9个参数表示：大气压力B、干球温度t、湿球温度ts、露点温度tl、焓I、含湿量d、相对湿度ϕ、饱和水蒸气分压力Pqb、水蒸气分压力Pq。在大气压力B和温度湿度参数已知的前提下，则可通过Pqb=f(T)的经验公式计算出空气的其他状态参数[4-6]：

实践证明，露点控制模式可以实现湿度精确和稳定控制。但因露点传感器比较贵，一般利用虚拟露点替代露点传感器用于湿度的控制。

图7 温度串级闭环框图

3 应用举例

因楼宇自控系统具有的通用性，本文将空调的温湿度智能控制技术应用于某大型食品工厂采用的西门子楼宇insight自控系统。在应用前，该厂空调系统采用的是传统的温湿度控制方法。其中，变风量空调系统的送风温度设定值需要频繁干预来满足末端的需求，且办公区域部分风口下存在过冷或过热的现象。在过渡季节也没采用变新风量的节能控制模式。定风量空调系统尽管温度控制较稳定，但在过渡季节都存在冷热水阀门交替频繁动作，造成冷热能源抵消，能源浪费问题。

现用温度双程、多程和串级控制方法来优化该工厂办公区区域变风量空调系统的温度控制。为了实现利用自然新风进行过渡季节的自然冷却，空调温度控制程序采用了多程和双程分开控制，多程控制方式除了有冷水热水控制外还有新风风量的控制，较适用于过渡季节[5]。而双程控制适用于非过渡季节。自控程序可以根据室内外的焓差自动判断并选择双程温度控制还是多程温度控制。

工厂内的定风量空调采用温度串级控制，实现送风温度在域值范围内自动调节以满足回风温度即房间温度的控制。首先由回风温度过程值PV，回风温度设定值SP，送风温度控制值CV构成辅PID控制回路。送风温度设定值限定在16℃～28℃的范围内变化。然后空调送风温度PV，送风温度设定值SP，冷水或热水阀门CV构成PID主控制回路。空调送风温度控制可以根据回风温度的变化而自动浮动设定，通过控制送风温度来满足温度控制要求。

对于全新风空调采用虚拟露点控制模式进行湿度控制，做到精确、稳定、高效和节能，并成功解决了水阀门变化频繁的问题，在提高湿度控制精度的同时节约了能耗。

该工厂的空调温湿度控制在采用智能控制后，得到了较好控制效果。在过渡季节成功实现了新风自然冷却，解决了变风量空调末端风口过冷过热的问题，冷热水阀门交替开启方面的问题也得以解决，运用智能控制方法后冷热水阀门由原来频繁交替动作变为小幅度平稳状态，有明显的节能功效。

4 结论

本文通过对“空调系统智能的控制”课题的研究，得到以下结论：

（1）针对实际运行中存在的一些影响因素和空调系统变风量与定风量各自的特点，提出了几种智能控制方法；

（2）提出了将温度分程控制与串级控制模式相结合的理念，并运用到实际项目中，得到了期望的效果；

（3）空调系统为通用系统，具有较强的适用性和广泛性，本文提出的智能控制方式同样适用于其他控制系统。

随着楼宇自控系统的发展，空调系统的智能控制有很大的发展空间，空调系统的智能控制方式对控制系统的节能减排具有重要意义。

［1］张吉礼，赵天怡，陈永攀.大型公共建筑空调系统节能控制研究进展［J］.建筑热能通风空调，2011（3）：6-10.

［2］张军，张虹，王剑明.多区域变风量空调控制系统仿真研究［J］.制造业自动化，2009（9）：114-117.

［3］徐晓宁，云飞.中央空调末端设备智能控制与管理节能［J］.建筑科学，2008（8）：45-46.

［4］赵荣义，范存养，薛殿华，等.空气调节：第三版［M］.北京：中国建筑工业出版社，1994.

［5］晋欣桥，柴小峰，杜志敏.过渡季节VAV空调系统送风温度的优化控制策略［J］.天津大学学报，2009（7）：587-589.

［6］章柏其，周斌.湿空气状态参数关系式［J］.暖通空调，2005（6）：131.

Research on Intelligent Control Technology for Air Conditioning Temperature and Humidity

FANG Xin，WANG Jin-e
（School of Mechanical and Electric University，Soochow University，Suzhou215000，China）

Base on site survey and research on control method of HVAC system’s temperature and humidity，analyzed actual application status of current HVAC system.Found the current automation control could meet with basic requirement of temperature and humidity control，but have issues in comfortable and energy saving control.Suppose to using method of split range control，cascade control and virtual air parameter for temperature and humidity control optimization.

VAV；HVAC BAS；split range control；cascade control；temperature control；virtual air parameter

TP29

：A

：1009－9492(2014)11－0093－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.026

方 新，男，1981年生，江苏溧阳人，硕士研究生。研究领域：机电一体化、智能控制。

(编辑：向 飞)

2014－05－13