空调箱串级控制策略模拟与实例.doc

空调箱串级控制策略：模拟与实例清华大学建筑节能研究中心 常晟 姜子炎王福林摘要：本文首先分析了目前常用的空调箱控制策略的问题，并介绍了一种实用的空调箱控 制策略本文涉及的全空气系统包括定风量系统与变风量系统，一台空调箱服务多个空间， 配备VAV-box的系统不在讨论之列本文建立了空调箱与房间模型，展现了新控制策略的 控制效果新控制策略实际应用于京港两地的建筑中，实际运行结果显示空调箱控制稳定, 并取得了显著的节能效果关键词：空调箱，串级控制，稳定性，小温差，节能1实际工程中常见的AHU控制的问题対于采用全空气系统的建筑，空调箱的控制调节对系统运行有重要的影响现场调研 发现，空调箱的控制调节是否良好，不仅彩响室内舒适性和风机能耗，而且对水系统是否 良好运行起着很重要的作用冃前，空调箱的调节方式多为“回风控制法”，以定风虽系统为例，即：控制器以一 定时间步长（如：30秒）读取冋风温度，并与其设定值比较，将结果代入特定控制算法 （如：PID算法）计算得到冷冻水阀门开度，通过调节阀门开度实现对•室温的控制图1 为这一调节过程的椎图"t set-t-控制器 •空调房间图1回风控制法调节过程在这一调节过程中，包含两个惯性环节，一个是通过改变水阀开度调节冷冻水量，从 而改变送风温度和供入室内的冷量Q；另一个是供冷量Q的变化导致房间温度“的变化。

其中，后一个环节的惯性要远大于前一个环节，即房间温度变化的速率要远小于水阀开度 调节送风温度的速率在实际工程中，回风传感器的高频随机误差、PID参数取值不当等 会经由两个惯性环节的放大，造成水阀开度的振荡，从而引起送风温度波动、室内温度波 动等一系列问题归纳如下：1）送风温度波动较大，导致室内温度波动较人在北京某建筑中，AHU采用上述回风控制法，由图2可见其送风温度波动频繁且幅 度较人送风温度的波动最终影响到回风温度的控制不够稳左，同样存在较为频繁的波动2）阀门波动频繁，彩响水阀寿命图2表示的空调箱中, 化，此现象易导致水阀出 现故障，降低水阀的工作 寿命3）总供回水温差偏小, 影响水系统良好运行水阀开度变化频繁，英开度往往在接近全开与全关之间大幅变♦送风温度・回风温度▲水阀开度图2典型空调箱送风温度◎回风温度各个空调箱冷冻水量 波动频繁剧烈，会对总供 回水温差带來不良的影 响图3是空调箱表冷器的札I对冷量■和对水量图】，对于两个工作在60%额定冷量的空调箱，其理论联合工作点应 在O点，总供回水温差正比于连接原点与O点的直线的斜率但是，由于水阀振荡，实 际工程中的两个空调箱在某一时刻下，可能一个工作在A点，另一个工作在B点，此吋 AB点综合后的系统工作点位于C点，总供回水温差正比于连接原点与C点的直线的斜率,要远小于过O点直线的斜率。

在北京某商业建筑中，实际观察空调箱的运行曲线, 发现水阀的调节基木处于类似“通断控制”的模式, 即水阀开度在全关与全开Z间大幅波动在大多数吋 刻，总有-•些空调箱处于水阀全开、大流量、小温差 的工况，而另外的空调箱处于水阀接近全关、小流量、 大温差的工况由于前者所占流量的权重大，总的供 回水温差在夏季典型工况下小于3°C,造成冷水输配 系统的运行效率低下，.「L对冷机群控带来不利影响 2新空调箱控制策略：串级控制2.1 一对一系统，风机不变频图3典型空调箱表冷器相对冷 量■相对水量图串级控制的调节过程如图4所示:图4风机不变频的空调箱串级控制调节过程AHU内部处理空气过程的惯性与房间温度的调 节惯性相差很多，串级控制策略的核心即在于将这两 个调节过程分开，使其彼此独立对于一台空调箱为一个空间服务、风机不变频的系统,图4中，外部调节回路为室温调节过程，即计算回风温度"与其设定值如之差，通过 适当的控制算法（如P1D算法），确定送风温度设定值这个调节过程的时间步长较长（例: 3（）（）秒）内部调节回路为空调箱空气处理过程，即通过调整空调箱内部各执行器的状态, 使送风温度达到其设定值这一调节过程要比室温调节过程快很多（例：时间步长在10 秒左右）。

因此，在室温调节的过程中，AHU对送风温度的调节吋间可以忽略；而在AHU 内部调节的过程中，冋风温度、送风温度设定值等可以看做定值这样，两个惯性环节就 被独立开来2.2 一对一系统，风机变频为了节省风机电耗，很多空调箱的风机装配有变频器此时，空调箱的调节过程如图图5风机变频的空调箱控制调节过程5所示⑴图5小的控制策略分为两个调节过 程一是通过风量调节房间温度，即比较 回风温度与其设定值Z差，通过一定的控 制算法，确定风机频率这一调节过程的 惯性较大，因而时间步长较长而另一个 调节过程则是房间湿度的调节，这是一个 串级调节过程，其外部控制回路是通过房 间湿度与其设定值之差确定送风温度设定值，具有较人的时间步长，而内部控制回路则是1相对冷最-相对水最图：相对冷量为空调箱实际供冷最与额定供冷量Z比，相对水最为表冷器实际通过 水虽:与额定通过水量Z比通过改变新冋风阀开度、冷冻水阀开度等维持送风温度在其设定值附近，具有较短的时间 步长3风机不变频的空调箱串级控制策略的模拟验证与实际工程应用3.1模拟验证本文建立了盘管与房间的动态模型，比较两台相同的空调箱，风机均不变频，一台采 用冋风控制法，一台采用串级控制法，其控制效果如图6至图9所示⑵。

——rf^K i7 •…选現碱心〉20 1 —1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001潛淤挣•海沁:冷彬、淞沁J滤嘶5 3)图6房间温度与送风温度（I叫风控制）图7房间温度与送风温度（串级控制）由图6和图7可见，串级控制法的送风温度波动的频率要低得多，波动的幅度也要小 得多虽然两种控制方式均能将房间温度在要求的范I节I内，但串级控制法明显拥有更好的 房间温度控制效果，例如本案例中，串级控制法下的房间温度波动不超过±0.2°C, R波动 频率较缓：而回风控制法的房间温度波动则在±0.5°C,且频率较快 m 初水 ®（kx/3> 2& ・…只和反（X?）•I—・・・・也妊填cc〉a•曲必■ ・• Jz % * : •?/ •• •• FiIB 盛;••八・X 1• •III iiLiilihUHlllihi iJ] llil 川"山IwWiM R符木冊（k“％>1001 2001 300! 1«1 5001 <4X）1 7001 8001 <001rrn（»）302118126 0回253015101812巒緞黯•站:••沁納紳辭沁核和20I5IOStool 3001 :KKH 4001 5001 6001 7001 8001 9001图8盘管水量与回水温度 图9盘管水量与回水温度如图8和图9所示，串级控制下水量和回水温度的波动范围也远小于回风控制的系统。

在同样的供冷量下，串级控制下的流量更小，I叫水温度更高3.2实际工程应用在北京某商业建筑中，共有22台空调箱，风机不变频，原空调箱控制策略为回风控 制法，后改为串级控制法改造完成后，水阀开度振荡现象消失，送风温度波动平稳，室 温控制比改造前稳定改造示的空调箱水侧流量平稳，避免了原先“人流•量、小温差”的特性表1夏季工 作口典型时刻实测空调箱供回水温度，其中10#和12#空调箱是先期改为串级控制的两台， 而其余空调箱采用冋风控制法农1典型时刻实测空调箱供回水温度编号5#10#11#12#19#20#21#22#温差°C292. 5102.9332.54风机变频的空调箱新控制策略的工程应用在香港某人型商场，8（）余台空调箱向商场公共区域供冷，改造前，这些空调箱风机不 变频，采用回风控制法节能诊断中，发现这些空调箱风机能耗偏高，是该空调系统中仅 次于冷机的耗能设备，年耗电约400万度改造后，为部分空调箱加装风机变频器，并采 用2.2节所述的控制策略其中，通过调节风机转速控制回风温度，通过调节送风温度设 定值控制湿度现场调研发现，该建筑湿负荷较稳定，且对室内湿度精度要求较低，故不 设湿度传感器，而采用定送风温度设定值的方法。

改造完成后，控制效果良好，送风温度平稳、室温稳定于设定值附近；水阀开度、风 机频率平稳（图10、11）典型吋段的控制效果如图12所示改造工程的节电效果明显该工程自2008年启动，至2009年完成，空调箱电耗逐渐 卜降到原來的80%,年节电量达到90万度（图13）•送风淋度■回风温度■水阀开度图10改造前控制效果图11改造后控制效果•送风温度出■回风温度▲水潤开度阡送风温度」[川风温度十水侧开度*风机频率图12改造后典型时段控制效果■风机电耗2006年 2007年 2008年 2009年图13改造后的节能效果5总结空调箱的控制调节对室温控 制效果、风机电耗、水侧温差等 都有重大影响在实际工程中, 往往采用回风控制法由丁房间 温度调节与空调箱内部调节是两 个差别很大的惯性坏节，回风控 制法往往会导致水阀人幅波动， 不仅影响水阀寿命，而R导致室 温波动，II•造成水侧供冋水温差偏小本文 介绍了串级控制方法，该方法町以将房间温 度调节与空调箱内部调节两个惯性坏节分 开，模拟与实际工程的结呆证明，这种控制 方法效果稳定，风侧与水侧的波动较小，室 温控制稳定，且有效抑制了 “大流量、小温 差”现象。

这种实用的控制策略，在北京、 香港两地的实际建筑中进行实际应用及验 证，取得了良好的控制效果和节能收益6参考文献[1]江亿姜子炎.建筑设备自动化[M].北京：中国建筑工业出版社，2007[21张晓亮.空调冷冻站及冷冻水系统模拟计算方法的研究.巾请清华大学丄学博士学位论文,2010第一作者：常晟、男、1985年9月出生、博士研究生、清华大学建筑学院建筑技术科学系,邮编100084, 联系010-62780201、010-62770544、电子邮箱changs04@mails. 。