变风量智能空调系统的控制算法研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 20 4 2.33MB 62 页 15积分

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第一章绪论

§1.1 课题背景

上世纪初，人类第一次使用空调来人工创造受控的空气环境（1919－1920年，

芝加哥一电影院），使得人类工作、生活环境质量得到的极大的提高。到目前为止，

空调已广泛应用于公用、民用建筑，交通，农业，军事等各个领域，已成为现代

化的生活中不可缺少的一部分。但随着空调的广泛应用，也带来了许多问题。由

于空调能耗很大，特别在一些行业中（如电子工业），空调的能耗将近占到总能耗

的40％[1]，所以如何降低空调的能耗成为空调研究的首要目标。

普通集中式空调系统是定风量系统，其工作的原理是通过改变送风温度来维

持房间的温度。它的送风量是一个恒值，所以比较容易控制，而且诸如气流组织

形式差、房间局部过冷等问题也不是很明显。但是由于没有考虑运行能耗的问题，

定风量系统的送风机始终都工作在100％转速，而且房间温度和湿度的控制是通过

将室外空气处理到接近露点然后再热的过程来实行的，这样很容易导致能量的浪

费。此外虽然送风量是按照空调房间负荷最大时设计的，但实际上房间的负荷不

可能总是最大值，因此在室内温度控制要求较高、相对湿度容许有较大波动范围，

而且送风温差可不受限制的舒适性空调中更适合采用变风量(VAV)空调系统。

变风量空调是一种全空气空调技术，与传统的风机盘管加新风系统比较而言，

它可根据空调负荷的变化及室内设计参数的改变，采用改变送风量来调节环境的

温度与湿度。一般来说，变风重空调系统具有以下特点[2,3,4,5]：

1)舒适性：能实现各个空调区域的灵活控制。可以根据负荷变化或个人的要求

自行设定环境温度。与定风量系统相比，能更有效地调节局部区域的温度，实现

温度的独立控制，避免在局部区域产生过冷或过热现象，并由此可以减少制冷或

供热负荷15％一30％。

2)节能：由于空调系统一年中大部分时间不是满负荷运行，变风量空调系统是

通过改变送风量来调节室温的，因此可大幅度减少送风风机的动力耗能。同时，

在确定系统总风量时，还可以考虑到许多房间同时使用的情况，这样能够节约风

机运行能耗和减少风机装机容量。

3)不会发生过冷或过热：由于温度控制的灵活、有效，可以避免常规空调常见

的局部区域过冷或过热，既提高了舒适感，又节约了能量。

4)系统噪声低：如果风量减小是通过风机转速降低实现的，则会使系统噪声大

幅降低。

5)无冷凝水烦恼：变风量系统是全空气系统，冷水管路不经过吊顶空间，可以

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避免冷冻水、冷凝水滴漏污染吊顶，没有凝水盘避免了霉菌污染。

6)系统灵活性好：易于改、扩建，尤其适用于格局多变的建筑，例如出租写字

楼等。当室内参数改变或重新隔断时，可能只需要更换支管和末端装置，移动风

口位置，甚至仅仅重新设定一下室内温控器。

对于一个完整的变风量系统而言，一般由空气处理设备、送风系统、若干台

末端装置和必要的自动控制元件组成。

目前空气处理设备都安放在单独空调机房内。只有在建筑物每层都有大面积

的空调要求时，为了减少风管的长度，才将空气处理设备安装在靠近符合中心的

位置。处理设备一般由普通的新风格栅、回风阀和新风阀、预热器(如果需要的话)、

表冷器和送风机组成，而一些大型的空气处理装置还会包括回风机[7]。

送风系统指从送风机到各末端装置之间的部分，它是一个中速中压系统。如

果是大型的变风量系统，可能会采用更高的风速，这是因为受到安装距离的限制。

送风系统由于要求风管内要有一定数量的静压值，所以需要风管系统的强度较大、

密封性能好，以防出现空气渗漏，以及由于风速较高而引起风管震动产生有害的

噪声[9]。支风管通常采用可耐一定压力的圆形软管，将主风管与末端装置连接在一

起。

末端装置是变风量系统的关键设备，系统主要是通过它来调节送风量，补偿

变化着的室内负荷，维持室温。一个变风量系统运行的成功与否，在很大程度上

取决于所选用的末端装置性能的好坏。目前生产末端装置的公司有很多，不同公

司的产品有一定的差异，但是大多是由进风短管、消声腔、风量调节阀、控制阀

等几个基本部件组成，有的末端装置还和送风散流器联成一体[10]。末端装置应该

具备以下功能：

1）具有室温调节器指令，可以根据室温的高低，自动调节送风量；

2）系统压力升高时，自动维持房间送风量不超过设计最大值；

3）当房间负荷降低时，能控制最小风量，以满足最小新风量和室内气流组织

的要求；

4）具有一定的消声功能；

5）当不使用时，能完全关闭。

变风量空调技术从60年代中期诞生至今已经有了长足的进步。由于节能、系

统灵活等突出特点，它在欧、美、日等西方发达国家也已得到了广泛使用，并取

得了良好的实际运行效果，在美国高层建筑的变风量空调系统使用率已经达到

90％以上。在中国香港，90年代建造的著名建筑物中，变风量空调系统的使用率

在70％—80％[9]。北美和日本等国家的高级办公大楼中很多已经应用了变风量空调

第一章绪论

系统，变风量空调系统在国外已经有了多年的设计运行实绩。在国内，根据北京

市银建工程建设监理公司的2002年的调研报告：目前北京地区在建的高档写字楼

中，如果是国外的一流建筑师负责设计的，大都采用的是变风量系统，这些大楼

都是北京地区的标志性建筑，如中国银行总行办公大楼，工商银行总行办公大楼，

建设银行总行办公大楼，华润大厦，国家电力调度指挥中心，中保信大厦，南银

大厦等[10]。上海地区使用变风量系统的高档建筑比北京更多。而由国内的设计院

设计完成的高档写字楼及公共建筑，大多还在使用风机盘管加新风和定风量的空

气系统。在当今倡导节能性和舒适性的大环境下，变风量系统正逐渐成为主流选

择。

§1.2 目前国际国内的研究现状

变风量空调技术综合了空调技术、微电子技术、计算机技术、自动化技术等

多门学科，随着这些学科技术的发展的迅猛发展，变风量空调技术有了很大的进

步。

微电子技术的发展，使得变风量空调系统的控制、检测和执行设备更新换代

速度飞快。在六、七十年代，变风量空调的控制系统采用的设备主要是模拟式的，

无论在反应速度、功能还是可靠性方面都有不足。步入九十年代后，随着数字技

术的发展，设备已开始从模拟式向数字式转变，到目前为止，控制设备已基本实

现数字化。如 PLC(Programming Logic Controller 可编程控制器)、DDC(Directly

Digital Controller，直接数字式控制器)、工控 PC(Personal Computer，工控机)、变

频器、压力无关/相关型末端、电磁阀、电子膨胀阀已广泛使用于变风量空调控制

系统[8]。这些先进的设备为变风量空调的控制提供了硬件基础。

在系统集成方面，变风量空调控制系统最早采用单独的 DDC 控制，由于 DDC

之间相互独立，难以做到整个系统的协调管理。1975 年，Honeywell 公司推出了

DCS 控制系统，它的分散控制、集中管理的特点使得它在工业自动化、楼宇自动

化中得到了广泛的应用[6]。目前，大多数的变风量空调系统都采用 DCS 控制。许

多公司也有相关的产品，如美国 Andover 公司的 Continuum 系列产品、美国 KMC

公司的 win－control 系列产品、德国 Siemens 公司的 APOGEE 系列产品，美国

Honeywell 公司 HC－200 系列产品等，其他公司如美国通用（GE）、美国西屋

（WSE）、都有自己的相关产品[6]。这些产品配上相应的组态软件，就可以构成高

效、可靠的变风量空调控制系统。

在自动控制方面，就是通过敏感元件、调节器、执行机构来进行系统的运行

和控制，从而达到对温度、相对湿度等空调参数的要求，满足工作和生产的需求。

采用自动控制和调节，一方面可以缩小房间温度的波动范围，另一方面又可以减

变风量智能空调系统的控制算法研究

小能量消耗，同时又能提高工作效率。变风量系统的自动控制元件因控制方法的

不同而不同，但至少都应该有相应的控制模块和温度、压力探测器和执行器，各

元件按控制理论的要求安插在系统相应部位，配合系统的运行进行温度、压力或

风量控制。

随着人们对变风量空调研究的不断深入，提出了许多控制方案。根据系统的

设计要求，变风量空调系统的控制一般可分为新风量控制、送风温度控制、送风

压力控制、房间温度控制、房间正压控制等子系统。而在这其中，送风静压控制

是研究的难点。在早期，广泛采用的是定静压控制法（CPT），它是指在送风系统

管网的适当位置(通常在离风机约三分之二处)设置静压传感器，以保持该点静压固

定为前提，通过不断地调节空调送风机输入电力频率来改变空调系统的送风量。

这种方法简单、有效，但节能效果不是最佳。随后又提出了变静压控制法（VPT），

它在 CPT 的基础上根据末端阀门的开度来不断调节送风静压。这种方法节能效果

好，但控制复杂，稳定性不太高。在 90 年代后期，又提出了总风量控制法，它根

据各个房间实时状态来计算所需的送风总量从而确定送风静压。这种方法具有前

馈的作用，节能效果好，但目前很少见到实例[7,9,10]。

§1.3 本文的工作内容

根据本文的研究重点，具体的工作内容如下：

1) 简要介绍变风量空调系统，在阐述变风量空调及其常规控制系统的基础上，

分析了系统的特性针对变风量空调的控制系统具有强耦合、分布参数、非线性和

参数时变等特点，提出用智能控制来解决此系统的控制。探讨变风量系统的控制

方式，根据整个系统在控制调试时的实际情况，结合目前变风量空调的研究现状，

决定将变风量空调系统控制方法的研究作为研究方向，并对各种控制方法进行比

较和分析。

2) 选择变风量空调房间作为研究对象，参考相关文献，根据本实验室空调房

间的实际参数，建立空调房间的仿真模型。详细介绍两种最常用的智能控制方法

模糊控制和神经网络，针对系统复杂、模糊、时变、不确定、多层次的特点提出

改进手段，建立适合于本系统的算法亦实现控制算法的实现。

3) 使用 MATLAB 软件作为仿真平台，通过其控制仿真工具 Simulink 模块建

立了相对应的房间模型，论述模糊控制模块和神经网络模块，说明如何应用模糊

控制模块和神经网络模块来设计控制器，亦对空调房间温度在模糊算法和神经网

络算法控制下的计算机仿真。

4) 学习本实验室变风量空调系统的组态控制软件 BACview 编程、组态；熟悉

空调系统，控制系统软、硬件的连接。通过 BACview 软件的编程、组态，实现空

第一章绪论

调房间温度模糊算法和神经网络算法的实际控制，并对实验结果进行比较和分析。

5) 总结本课题的工作，找出不足以及需要改进的方面。指出下一步可进行的

研究方向，展望智能控制在变风量空调控制领域的发展前景。

变风量智能空调系统的控制算法研究

第二章变风量智能空调系统的控制方案设计

§2.1 变风量智能空调系统介绍

§2.1.1 变风量空调系统的定义

全空气空调系统的基本要求，是要决定向被空调空间输送足够数量的、经过

一定处理了的空气，用以吸收室内的余热和余湿，从而维持室内的所需的温度和

湿度[10]。用热力学公式表示如下：

   

ttc

L









6.3

(2－1)

从公式中可以看出，当室内余热

值发生变化而又要使室内温度

保持不变

时，空调系统可以用两种方法：

1）固定送风量

，而改变送风温度

；这种方法被称为定风量空调系统

2）固定送风温度

，而改变送风量

；这种方法被称之为变风量空调系统

(Variable air volume)英文缩写为 VAV。也就是本文的研究对象。

§2.1.2 变风量空调系统的结构

一个完整的变风量空调系统，应该由冷热水机组、空气处理设备、送回风系

统、末端装置、散流器和自动控制系统组成[10]。本实验室变风量空调系统结构图

如图 2－1

图2－1空调系统的构成

第二章变风量智能空调系统的控制方案设计

§2.2 变风量系统控制方案的设计[13]

变风量系统送至各个房间的风量和系统的总风量，都会随着房间负荷的变化

而变化。因此，系统的控制要求比较高而且较复杂，只有实现了这些控制要求，

系统才能稳定可靠地运行。

如图 2－2所示，变风量系统的控制方案分为五部分：房间温度控制、送风静

压控制、送风温度控制、新风量控制、室内正压控制。图中，带箭头的虚线表示

从DDC 控制器到执行器的输出信号，带箭头的实线表示从传感器到 DDC 控制器

的输入信号。这五个控制方案既相互独立，又相互关联，各回路之间存在着强耦

合性，因此系统的控制的要求比较高。

图2－2变风量系统控制图

§2.2.1 房间温度控制

房间温度控制是本文的核心。变风量空调系统最主要的特点是在每个空调房

间的送风入口处装有一个末端装置，通过改变送入房间的风量来维持各空调房间

温度。因此，末端装置的类型也决定了房间温度控制的方式[11]。

一般压力相关型变风量末端装置在实际控制中，当房间的温度达到设定值时，

末端装置中的风阀阀位应该稳定在某一个位置上。但是，当变风量空调系统中其

他房间所需求的风量发生变化时，将引起送风管道内总送风量发生变化，从而导

致连接该控制房间末端装置的风道处的送风管内的压力产生变化，随之改变了送

入该房间的风量，破坏了原来的稳定。然而房间内空气的热惰性又使房间内空气

温度不会立即改变，待空气温度变化较大时，再对风阀进行调整，此时又会反过

来影响其他房间的风量，并引起温度变化。这样各房间的风阀不断调节，送风量

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第一章绪论1第一章绪论§1.1课题背景上世纪初，人类第一次使用空调来人工创造受控的空气环境（1919－1920年，芝加哥一电影院），使得人类工作、生活环境质量得到的极大的提高。到目前为止，空调已广泛应用于公用、民用建筑，交通，农业，军事等各个领域，已成为现代化的生活中不可缺少的一部分。但随着空调的广泛应用，也带来了许多问题。由于空调能耗很大，特别在一些行业中（如电子工业），空调的能耗将近占到总能耗的40％[1]，所以如何降低空调的能耗成为空调研究的首要目标。普通集中式空调系统是定风量系统，其工作的原理是通过改变送风温度来维持房间的温度。它的送风量是一个恒值，所以比较容易控制，而且诸如气流组织形...

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