（化工过程机械专业论文）变风量（vav）空调系统的模糊增益调整pid控制.pdf

摘要 随着智能建筑的快速发展，楼宇自动化系统也逐渐对建筑设备进行越来越科 学、经济、合理的控制和管理，不仅能使大楼的功能、档次提高，而且可以达到 高效节能的效果。变风量空调系统就是以其节能性、灵活性而优于其它空调系统， 逐渐成为空调系统设计的主流。但是变风量空调系统是一个复杂的热力系统，所 受干扰多，对象的参数易于变化且难以确定。 p i d 控制是最早发展起来的应用经典控制理论的控制策略之一，由于其算法 简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精 确数学模型的确定控制系统。p i d 控制中一个关键的问题就是p i d 参数的整定。 传统的方法是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定参数。而 变风量空调控制过程是一个大惯性、纯滞后、时变、非线性的复杂系统，应用常 规p i d 控制不能达到理想的控制效果。另外，传统的模拟p i d 控制算法呆板、正 定不变、性能欠佳、对运行工况的适应性较差等，单纯采用p i d 控制往往达不到 满意的效果。而近年来日益流行的模糊控制的优点是鲁棒性好，无需知道被控对 象的数学模型，但容易因控制规则的粗糙而引起稳态误差。 本文针对常规p i d 控制和简单模糊控制器存在的缺陷，把模糊理论和p i d 控 制理论结合，在p i d 控制中引入模糊控制机理，构成了兼有两者优点的模糊增益 调整p i d 控制器。这种设计思想是先对空调房间建立数学模型，然后找出p i d 的 三个参数与偏差和偏差变化率之间的模糊关系，在运行中不断检测偏差和偏差变 化率，通过模糊调节方法，根据系统的动态特性和行为，对p i d 控制器的参数进 行在线调整，使被控对象具有良好的动、静态性能。这种方法解决了控制系统的 稳定性和获得良好性能的问题，增强了系统对不确定因素的适应性。 最后，本文采用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 工具箱对系统进行了仿真， 详细阐述了仿真模型的建立过程，通过对仿真结果的分析得出，在参数变化的情 况下，应用模糊增益调整p i d 控制器对变风量系统进行控制，可以达到满意的性 能要求，并具有一定的节能效果。所以，本方法是可行的，具有一定的理论和应 用价值，为今后在工程实践中的应用奠定了基础。 关键词：智能建筑：楼宇自动化；变风量空调系统；节能；p i d 控制 模糊增益调整p i d 控制 变风量空调系统的模糊增益调整p l d 控制 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g ( i b ) ，b u i l d i n ga u t o m a t i o n s y s t e m ( b a s ) h a sc o m et oc o n t r o la n dm a n a g et h ee q u i p m e n ti nt h eb u i l d i n gm o r ea n d m o r es c i e n t i f i c a n y 、 e c o n o m i c a l l ya n df a t i o n a l l y t h i sc a nn o to n l yr a i s et h ef u n c t i o n a n dt h el e v e lo ft h eb u i l d i n g ，b u ta l s os a v ee n e r g y v a r i a b l ea i rv o l u m e ( 、，j 气v ) a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e mi ss u p e r i o rt oo t h e ra i rc o n d i t i o ns y s t e mf o ri t se c o n o m i ca n d n e x i b l ep e r f o r m a n c ea n dh a sb e c o m et h em a i ns t a y so fa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m b u ta s ac o m p l e xt h e r m o d y n a m i cs y s t e m ，v a vs y s t e mh a sm a n yd i s t u r b a n c e sa n di sn o te a s y t oc a l c u l a t ei t sp a r a m e t e r s p i dc o n t r o li so n eo ft h ep i o n e e r so ft h ec l a s s i c a la p p l i c a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y w i t ht h es t r o n g p o i n to fs t r a i g h t f o r w a r da r i t h m e t i c ，q u i t er o b u s ta n dg o o dr e l i a b i l i t y ，i t h a sb e e nu s e di ni n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi se s p e c i a l l ys u i t a b l cf o rt h ec o n t r o l s y s t e mo ft h ea c c u r a t em a t h e m a t i c sm o d e lc a nb ee s t a b l i s h e d 0 n eo ft h ep i v o t a l p r o b l e m so fp i dc o n t r o li st h et u n i n go fp i dp a r a m e t e r s c o n v e n t i o n a lm e t h o dt ot u n e p i dp a r a m e t e r si sb a s e do nm a t h e m a t i c sm o d e l ，a c c o r d i n gt os o m eo ro t h e rt u n i n g p r i n c i p l e h o w e v e rt h ev a va i rc o n d i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e mi sag r e a ti n e r t i a ，p u r el a g ， h 蟾hn o n l i n e a ra n dt i m e v a r y i n gc o m p l e xs y s t e m ，s ot h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l c a n to b t a i nap e r f b c tr e s u l t o nt h eo t h e rh a n d ，c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o lh a sal o to f s h o r t c o m i n g ，f o re x a m p l e ，a r i t h m e t i cp o n d e r o u s ，i n v a r i a b l ep o s i t i v ed e f i n i t e ，p o o r p e r f o r m a n c e ，t h ea d a p t a b i l i t yt or u n n i n gp r o c e s s ，a n ds oo n s oe m p l o yp i dc o n t r o l a l g o r i t h mo n l yi ni n d u s t r yc o n t r o ls y s t e ma l w a y sc a nn o tr e a c hag o o dr e s u l t i n1 a t e s t y e a r sf i u z z yc o m r o lh a sb e e nd e v e l o p e dq u i c k l yf o ri t sg o o dr o b u s ta b i l i t y a n di td o e s n o tn e e da na c c u r a t em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h eo b j e c t ，b u tb e c a u s eo fr o u g hr u l e si t b r i n g ss t e a d ye r r o rt or e s u l ta l w a y si nt h i sm e t h o d w i t hr e s p e c tt ot h ed e f e c t so ft h et w om e a n s ，t h i sp a p e rl e a d s u z z yc o n t r o l m e c h a n i s mi n t op i dc o n t r o la n db r i n g sf o r w a r dap i df u z z yg a i ns e t t i n gc o n t r o l a l g o r i t h m i nt h i s p a p e r ， i nt h ef i r s t p l a c e ， ar o u g hm a t h e m a t i c a lm o d e l0 fa i r c o n d i t i o n i n gr o o mi s b u i l tu pa n dt h ef u z z yr e l a t i o ni sf o u n da m o n gt h ep i d p a r a m e t e r s ，t h ed e v i a t i o na n dt h ec h a n g i n gr a t eo fd e v i a t i o n s e c o n d l y ，t h es y s t e m u n c e a s i n g l yd e t e c t st h ed e v i a t i o na n dt h ec h a n g i n gr a t e o fd e v i a t i o ni no p e r a t i o n l a s t l y ，a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h es y s t e ma d j u s t st h ep i dp a r a m e t e r s t h r o u g hf u z z ya d j u s t m e n tt h e o “e st os a t i s f yt h ec o n t r o lo b j e c tg o o dd y n a m i ca n ds t a t i c p e r f o r m a n c e s s i m u l a t i n gt h eh y p o t h e s i sw i t hs i m u l i n kb o xi nm a t l a be n v i r o n m e n t ，t h i s i i 硕士学位论文 p a p e ri n t r o d u c e s t h ep r o c e s so fe s t a b l i s h i n g s i n l u l a t i n gm o d e le x h a u s t i v e l y ， a n d a n a l y z e dt h es i m u l a t i n gr e s u l t s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tw h e n t h ep a r a m e t e r sc h a n g e ， t h i sc o n t r o ls y s t e mh a sg o o de f k c t sa n dc a ns a v ee n e r g y s ot h ep i df h z z yg a i ns e t t i n g c o n t r o la l g o r i t h mi sf b a s i b l et o 、i a b l ea i rv b l u m ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m sa n dh a s s o m et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e ，f u r t h e rm o r et h i sp a p e rl a i daf o u n d a t i o nf o ri t s l a t e re n g i n e e r i n gu s e k e yw o r d s ：i n t e u i g e n tb u i i d i g ；b u i i d i n ga u t o m a t i o n ；v a r i a b l ea i rv o l u m ea i r c o d i t i o n i n gs y s t e m ；e n e r g ys a v i n g ；p i dc o n t r o i ；p i df h z z yg a i n s e “i n gc o n t r o l i i i 插图索引 图1 1智能建筑结构 图2 1变风量( w ) 空调系统的结构原理图 图2 2 全空气系统族谱 图2 3 单管型末端结构图 图2 4 串联型末端结构图 图2 5串联型末端控制图 图2 6 并联型末端结构图一 图2 7 并联型末端控制图 图3 1单风道变风量空调系统简图 图3 2 单风道变风量空调控制系统的结构示意图 图3 3定静压法w 控制系统 图3 4 变静压法w 控制系统 图3 5送风温度控制回路框图 图3 6 送风管道静压控制回路框图 图3 7 风机跟踪控制法示意图一 图3 8 旁通风机法示意图 图3 9 压差检测法示意图一 图3 1 0c 0 2 浓度监测控制法示意图 图3 1 1 压力有关末端控制回路一 图3 1 2 压力无关型末端控制回路 图4 1空调风系统设计示意图 图4 2串联式动力型变风量空调箱 图4 3 空调机组控制原理图 图4 4 新风机组控制原理图一 图5 1变风量空调系统室温控制框图 图5 2增量式控制算法的程序框图一 图5 3模糊控制原理框图 图5 4 常规二维模糊控制器 图5 5自适应模糊控制器结构 图5 6 模糊增益调整p i d 控制器 图5 78 ( 后) 和b ( 七) 的隶属函数 图5 8a ，或 a 的隶属度函数 图5 9口单点隶属度函数 图5 1 0 房间温度控制系统流程图 i v j h堪修傍加加嬲筋拍”勰勰凹如弛砣强弧弘甜钙钙如”钉铂 图5 1 l 模糊增益调整p i d 控制算法流程图 图6 1s i m u l i n k 模型的一般性结构 图6 2 模糊增益调整p i d 控制器s i m u l i n k 仿真方框图 图6 3 初步的f i s 图6 4m a t l a b 下的f u z z p i d f i s 结构 图6 5e 、e c 的隶属度函数 图6 6d k p 、d k d 的隶属度函数 图6 7搿的隶属度函数 图6 8m a t l a b 下的模糊规则表 图6 9 传统p i d 控制阶跃响应曲线 图6 1 0 模糊增益调整p i d 控制阶跃响应曲 图6 1 l 扰动下传统p i d 控制响应曲线 图6 1 2 扰动下模糊增益调整p i d 控制响 v 鼹铅钞印仉甜砚酡以甜 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 写王霹 日期：2 0 0 6 年3 月5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 寻玉连 导师签名：苍絮 日期：劲。年石月岁日 日期：2 一影年莎月j ，日 1 1 课题的背景 第1 章绪论 1 1 1 智能建筑( i b ) 概述 随着人类科学技术的发展，人类的居住环境也逐步改善。建筑发展到今天， 出现了智能建筑这样一座里程碑，它集中体现了以人类为本的建筑思想以及系统 工程学的成果，它是土木工程技术与现代通讯技术、计算机技术、控制技术的结 晶。 智能建筑( i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 是一个综合的概念，其内容不仅限于建筑智 能化系统工程的范畴。它是以建筑为平台，将通信自动化、办公自动化、建筑设 备自动化及在此基础上的系统集成和服务管理进行优化组合，进而形成的高效、 舒适、便利的建筑环境。宏观的看，智能建筑还包括良好的建筑环境( 如造型、 层高、净空、采光等) 、力学结构、机电设备配置( 如空调、新风机、电梯、自动 化车库等) 等。通常的说法，智能建筑的主要内容是指3 a ，即楼宇自动化( b u i l d i n g a u t o m a t i o n ，缩写b a ) 、通讯自动化( c o m m u i l i c a t i o na u t o m a t i o n ，缩写c a ) 、办 公自动化( o m c e a u t o m a t i o n ，缩写o a ) 。也有人认为是指5 a 或者7 a ，5 a 、 7 a 之说与3 a 之说的区别在于是否将保安、消防等子系统单独列出。 图11 智能建筑结构 变风量空调系统的模糊增益调整p i d 控制 加入了中央计算机网络系统和结构化综合布线系统的3 a 智能建筑是现代智 能建筑的典型，我们可以称之为现代智能建筑总体结构。如图1 1 所示。 1 1 2 自动化系统( b a s ) 智能建筑的两大支柱是楼宇自动化系统和综合布线信息系统。楼宇自动化系 统的主要任务是对建筑物内的机电设备实行全面的监控，其内容包括给排水、空 调通风、采暖供热、动力照明、电梯等。楼宇自动化系统一般运行在不小于1 0 0 m b d s ( t c p i p ) 的以太网上，采用无级别的全“集散式”结构，各d d c ( 直接数字控 制器) 之间的数据共享和工作协调完全通过彼此之间直接通信完成。 楼宇自动化系统控制方法上有传统的模拟量控制系统和集散控制系统两种。 模拟量控制系统一般由中央主机、外围设备、传输通道、数据收集站和检测元件 等部分组成，现今应用较少。 现代的楼控系统依靠计算机和网络通信技术的发展，将感应元件和控制单元 制成集中标准的数字信号元件，将控制矩阵的运算工作分散到分布于智能建筑各 处的智能控制器上，并将所有的控制器置于中央计算机或计算机网络的统一监视 和管理之下。这种系统结构就称为分散型微处理机控制系统( d i s t r i b u t e d m i c m p m c e s s o rc o n t r o ls y s t e m ) 简称集散系统，即基础级是以微型机为核心的基 本控制器，实现d d c ( d i r e c td a t ac o n t r 0 1 ) 控制。 1 1 3 集散式楼宇自控系统的构成和各部分功能 现阶段的集散控制系统通常分为三级控制网络。也就是管理信息级( 中央监 控主机) 、监控级( 通讯网络) 、过程级( d d c 控制器) 三级，有的智能建筑还增 加了第四级智能建筑管理级。 管理信息级( 中央监控主机) ： 它采用高可靠性的容错计算机或工业控制机，实现对整个控制系统的集中检 测、管理与最优控制。中央监控主机以高性能的微型计算机为核心，采取了多种 适用于中国具体环境运行的技术措施，可与现场设备组成机电一体化机组。 监控级( 通讯网络) ： 它的任务是利用数字通讯技术，将中央监控主机与空调器、制冷机等现场控 制装置有机的连接为一体，组成节能优化控制系统。 过程级( 现场控制器) ： 现场控制器是配有丰富控制软件与完善接口功能的计算机。由于该控制器能 与自动开关、接触器等强电电器安装在同一控制柜中，为实现机电一体化提供了 物质基础。该系统成功的应用了强电、弱电一体化技术，与各种传感器、变送器、 执行器及被控设备合理配合，现场控制装置包括d d c 及其相应的变配电设备，与 被控的现场工艺设备组成机电一体化或其他形式的全自动设备，既能独立全自动 运行，又能接受中央监控主机的统一控制与管理。现场设备包括多种空调器、变 配电设备及水处理系统等。 倾士学位论文 1 1 4 楼宇自动化系统的节能及投资效益 越 智能楼宇是楼宇发展的高级阶段，它通过对建筑物的结构、系统、服务和管 理方面的功能及其内在的联系，以最优化的设计，提供一个投资合理又拥有高效 率的优雅舒适、方便快捷、高度安全的环境空间。 楼宇自动化标准提高后，除导致投资的增加外，也必然伴随着能耗与运行费 用的增加，因此节能的意义更显得突出。 大楼设备不能没有电力、天然煤气。随着石油价格的高涨，这些日常花费的 节俭成为大厦所有者、建筑设计师、大楼管理员的重大课题。楼宇自动化系统最 初产生的原因也是处于能量管理的需要，经过逐渐的发展，楼宇自动化系统越来 越注重节能的要求。对于能量的节约，也成为了衡量一个楼字自动化系统设计的 重要标准。因为在设备的能源消耗中，空调耗能占了7 0 左右，所以在智能建筑节 能控制中，空调系统的节能控制是极其重要的。 1 1 5 空调系统的节能控制 空气调节( 简称空调) 是使室内的空气温度、相对湿度、空气流动速度和洁 净度等参数保持在一定范围内，以满足生产工艺和生活条件要求的技术。空气调 节在国民经济的许多工业部门得到了极为广泛的应用，并随着科学技术的发展， 空调技术也得到了不断的改进和提高。 空调系统是由若干空气处理设备组成的，这些设备的工作能力是按负荷计算 确定的。在实际运行中，负荷的变化就会引起被控变量的变化，为了自动的保持 被控变量在一定范围内，必须采用自动化系统。空调自控的任务是当被控变量偏 离设定值时，依据偏差自动控制设备的实际输出量，使被控变量保持在一定范围 内，以满足空调的要求。 空气调节自动化是现代自动控制的一部分，只有实现空调自动化，才能更好 的满足生产和生活的需要，更好的节约能源。因此，根据各种气候条件，工艺要 求和空气处理过程，采用不同的空调方案与自动控制系统就具有重要的意义。 1 从节能角度确定室内空气的最佳状态 对于舒适性建筑，并非要求室内空气状态恒定于一点，而是允许在较大的范 围内浮动，例如温度为2 0 一2 7 ，相对湿度在4 0 一7 0 内，均满足舒适性要求。 这样，当室外状态偏低时，室内相应靠近此区域的下限；室外状态偏高时，室内 则靠近此区域的上限。当室外处于此区域附近时，则尽可能多用新风，使室内状 态随外界空气状态变化。这样既可最大限度的节能，又可提高室内空气品质和舒 适程度。 2 新风量的控制 足够的新风量对于提供良好的室内空气品质( i a q ) ，保证室内人员的舒适感 和身体健康有着直接意义。但新风取量过多，将增加新风能耗。故在满足室内卫 生要求的情况下，减少新风量，有显著的节能效果。 3 优化空调设备启动、停止时间 大多数建筑如商场、写字楼等的空调系统，在使用前需要提前进行预冷( 或 预热) ，使楼宇在使用时处于要求的范围内。而在停止使用前一段时间关闭空调系 统，利用系统的热惰性和空调设备温差中的剩余冷量，使室温维持在需求值的范 围。故优化启动和停止时间可以大大提高空调的节能效果，使智能建筑在充分发 挥其各智能子系统功能的基础上，以最有效和最节能的方式为用户提供舒适的工 作环境。 4 过渡季节采用室外空气作为自然冷源 在空调运行时间内保持卫生的基础上，只有夏季室外空气焓大于室内空气焓、 冬季室外空气焓小于室内空气焓时，减少新风量才有显著的节能意义。当供冷期 间出现室外空气焓小于室内空气焓( 过渡季节或夜间) 时，应采用全新风运行， 这不仅能缩短制冷机的运行时间，减少新风耗能量，同时可改善室内环境的空气 质量。因此，空气系统设计时，不仅要保证冬、夏季的摄小新风，而且在过渡季 节应能增加和开足新风门。 5 利用变风量系统节约风机能耗 由于空调系统在全年大部分时间里是在部分负荷下运行，而变风量空调系统 是通过改变送风量来调节室温的，因此可大幅度减少送风机的动力能耗。同时在 确定系统总风量时还可以考虑一定的同时使用情况，所以能够节约风机运行能耗 和减少风机装机容量。 6 使用热回收装置 对于空调系统，总是需要部分或全部排走室内空气，补充室外新风。在排风 的过程中，必然会把一部分有用的能量( 热量或冷量) 白白放走，同时为了对新 风进行处理又要投入新能量。若在系统中安装热回收装置( 包括热量或冷量的回 收) ，就能回收排风中的能量，用以预热或预冷新风，从而减少处理新风使用的能 量。 另外，选择高性能的设备及适当的控制策略，也可以达到节能的目的。 1 1 6 课题意义 一、促进我国相对落后的变风量空调控制技术的发展。 自从改革开放以来，空调技术的应用范围越来越广，规模越来越大，水平也 越来越高。但这其中变风量空调技术的发展则显得滞后，无论是变风量空调系统 理论上的研究探讨，还是产品的研制开发，都与世界上发达国家有不小的差距。 我国现有空调设计和施工规范中，对变风量空调系统的阐述也不够，使这项技术 的推广与应用受到影响。因此，深入研究变风量空调控制技术，对促进变风量空 调技术在我国的进一步的应用和发展具有重要的现实意义。 二、为智能建筑的节能提供技术保证 4 硕士学位论文 随着智能建筑的迅速发展，舒适与节能成为了当今智能建筑发展的趋势。作 杰具有显著节能效果的变风量空调系统不仅可以节约风机的能耗，而且运行灵活， 能够很容易的进行改、扩建。因此应该在我国得到更多的应用。对本课题的研究， 能为建筑的节能提供技术保证，为变风量空调系统的广泛应用奠定基础。 三、加速变风量空调系统中控制算法的研究与应用进程 变风量空调系统能否正常运行在很大程度上要依赖于控制系统。只有将空调 系统设计和控制系统设计两部分融合起来，同时考虑，才能设计出成功的变风量 空调系统。所以对变风量空调系统控制算法的研究也成为了一个热点议题，这些 控制算法也需要应用于实际工程来进行检验。对本课题的研究，可以加快控制算 法的研究与应用进程。 1 2 变风量( w ) 空调系统的特点及使用场合 1 2 1 变风量空调系统的优缺点 1 ) 节能性好 定风量式的全空气空调系统中，一般按房间最大热湿负荷确定风量，风量确 定后全年不变。实际上，在大多数情况下，空调房间的负荷低于最大负荷。当实 际负荷低于最大负荷时，为了维持室温设计水平，必须减少送风温差，其方法是 通过再热或混合，以热量抵消部分冷量。这样无论在热量上还是在冷量上都造成 定的浪费。其次，当室内负荷不是最大负荷时，送风量大于实际需要量。为了 输出多余风量，风机要多消耗能量。为了克服定风量系统的这些缺点，发展了变 风量系统。 变风量空调系统通过自动控制可以达到舒适性高，节能显著等优点。因为在 设备的能源消耗中，空调能耗占了7 0 左右。而其中风机能耗占较大一部分。变风 量空调自控系统较好的降低了风机的能耗，在目前智能控制建筑节能中，起到了 重要的作用。 2 ) 控制合理 采用变风量空调系统时，由于各房间内的末端装置可以随该区域温度的变化， b 日拟室内温度的波动为信号来自动控制送风量。因此能保证各区域或房间温度按 使用要求进行温度控制，使用标准得以提高，房间的过冷或过热现象被消除也使 能量得到合理的应用。 3 ) 应用布置灵活 v a v 系统布置灵活，这一特点对于目前较大规模建造的高档次写字楼来说是 极为有益的。目前的办公楼根据现代办公的要求一般采用大开问设计，待其出租 出售后，用户常根据各自的使用要求对房间进行二次分隔及装修，如果房间变更 变风量空调系统的模糊增益调整p i d 控制 新用户又会按自己的要求进行新的分隔及改造。在控制整个开间的总冷、热量不 变的前提条件下，系统由于其末端的布置灵活，只有软风道与主风管相连，且能 进行区域温度控制。因此只要重新分隔后各房间的冷热量与该房间重新调整的末 端风量相匹配，可以较方便满足新用户的要求。 4 ) 自控系统可与b a s 相配合 自控系统是变风量空调系统中相当重要的环节，整个系统都是通过自动控制 系统的协调工作来达到目的的。这样对于具有b a s 系统的建筑来讲，更适于配合。 5 ) 经济循环 由于v a v 系统是全空气空调系统，它可充分利用室外新风作为冷源，即“经 济循环”。这样对于冷水机组来说，在经济循环期内，冷水机组可停止运行，依靠 室外的天然冷源来提供冷量，这样使冷水机组能耗得以降低。 6 ) 与风机盘管系统相比的优点 v a v 系统属于全空气系统，对房间的换气次数有较大的提高，其次正如利用 全新风送风，节约能耗。而风机盘管加新风全年新风量基本固定不变，既是以满 足最低的卫生标准所要求的最小新风量来设计。因此尤其在过渡季节，v a v 系统空 气品质比风机盘管加新风系统更节约能耗，另外，室内的空气品质也要好得多。 维修工作量降低，变风量末端装置结构简单( 通常只有一个电动阀) 、可靠性 高、故障率小。因此长年的维护检修工作相对更少一些。普通的末端装置只有软 风管，而没有冷冻水管进入房间。但风机盘管加新风系统中，必然冷冻水管进入 房间，施工水平及制造工艺受到限制。未做好造成凝水滴落的现象随时可见，这 也极大的影响了房间的正常使用【2 j 。 v a v 系统虽然有很多优点，但在设计应用中仍然存在如下一些问题。 一、从用户的角度看，主要有： 1 ) 缺少新风，室内人员感到憋闷； 2 ) 房间内正压或负压过大导致房门开启困难； 3 ) 室内噪声偏大。 二、从运行管理方面看，主要有： 1 ) 系统运行不稳定，尤其是带“经济循环”的系统； 2 ) 节能效果有时不明显。 三、此外，变风量系统还存在一些固有的缺点： 1 ) 系统的初投资比较大； 2 ) 对于室内湿负荷变化较大的场合，如果采用室温控制而又没有末端再热装 置，往往很难保证室内的湿度要求。 1 2 2 变风量空调系统的使用场合 6 硕士学位论文 一般来说，有些建筑物采用变风量空气调节系统是合适的，这些建筑物是： 负荷变化较大的建筑物( 如办公大楼) 、多区域控制的建筑物以及有公用回风通道 的建筑物。 1 负荷变化较大的建筑物 由于变风量可以减少送风几何加热的能量( 因为利用灯光及人员等热量) ，故 负荷变化较大的建筑物可以采用变风量系统。若建筑物的玻璃窗面积比例小，外 墙传热系数小，室外气候对室内影响较小，则不适用变风量系统，因为部分负荷 时节约的能源较少。例如办公大楼，一旦建筑物内有人员聚集和灯光开启，负荷 就接近失峰；人员离开和灯光关闭负荷就变小，因此负荷变化大。再如图书馆或 公共建筑，具有较大面积的玻璃窗和变化较大的负荷，也适合采用变风量系统， 因为它的部分负荷的时间比较长。 2 多区域控制的建筑物 多区域控制的建筑物适合采用变风量系统。因为变风量系统在设备安装上比 较灵活，故用于多区域时，比一般传统的系统更为经济。这些传统的系统是：多 区域系统、双管系统和单区屋顶空调器等。 3 有公用回风通道的建筑物 具有公用回风通道的建筑物可以成功地采用变风量系统。公用回风通道可以 获得满意的效果，因为如果采用多回风通道可能产生系统静压过低或过高的情形。 一般来说，办公大楼和学校均可采用公用回风通道。然而，也有一些建筑物不适 合应用，如医院中的隔离病房、实验室和厨房等。因为采用公用回风通道会造成 空气的交叉感染。 1 3 国内外变风量( w ) 空调系统的发展现状及研究热点 变风量空调系统( v a r i a b l ea i rv o l u m ea i rc o n d i t i o ns y s t e m ) 于2 0 世纪6 0 年代 诞生在美国。它不同于传统的定风量空气调节方式，而是能够动态地调整送入房 间的风量以平衡室内负荷的变化，从而使被控温度和室内空气质量( i a q ) 指标达到 要求。变风量空气调节方式的兴起有许多主客观因素。一方面，由于空调系统大 部分运行于部分负荷下，因而变风量的空气调节方式可以极大的降低风机能耗， 这是它的主要优势。另一方面，现代办公大楼智能化程度的提高也要求相应的空 调系统更加舒适、安全和节能且具备智能化功能，而传统的定风量空气调节方式 已经难以满足人们日益提高的要求；另外，微电子技术的发展日新月异，大规模 集成电路的成本大幅度降低空调系统中风机的巨大能耗已经迫切要求。基于以上 因素，具有先进的空气调节方式和节能效果的变风量空调技术便得以迅速而广泛 应用。 变风量空调系统的模糊增益调整p i d 控制 1 3 1 国外变风量( v a v ) 空调系统的发展现状及研究热点 变风量( w ) 空调系统在国外运行已有三十多年的历史，已有了多年的 设计运行实绩。2 0 世纪6 0 年代v a v 系统诞生初期，其推广应用还很有限，当时美 国占主导地位的仍是定风量系统加末端再热和双风道系统。西方7 0 年代爆发了石 油危机，这使得变风量空调系统凭借其节能、系统灵活等优点得以广泛的应用， 并在其后2 0 年中不断发展，现己成为美国空调系统的主流。目前变风量空调己成 为商业建筑中最流行和最节能的空调系统【3 】，但它也是在不断发现问题和解决问题 中成长成熟的。目前在美国、日本及西欧等国家的办公楼、旅馆、医院、学校和 商业中心等建筑中广泛使用。国外空调工程师首先遇到的问题是变风量( ) 空 调系统运行的稳定性和节能问题。为此，出现了应该选用压力有关型的末端装置 或是选用压力无关型的末端装置之争，从近两年的文献可以看出，压力无关型的 末端装置己普遍使用【4 】，基本上采用变频变静压方式控制风量，从而达到稳定运行 和节能的目的。紧接着就是晟小新风量的问题，以满足室内空气质量( i n d o o ra i r q u a i i t y ，i a q ) 要求，目前仍是研究热点【5 】。同时研究人员还关注变风量( w ) 空调 系统模型的建立和控制策略的研究，并取得了一定的成果【”。 在国外发达国家v a v 系统经历了3 0 多年的发展和变革，并应用于许多不同的 建筑类型，有着广泛的应用空间。如美国的w 系统广泛应用于教育、健康类建 筑及其他公共建筑中，尤其是办公建筑。在高层建筑物中该系统的使用率可达到 9 0 ，8 0 年代w 系统被广泛应用于英国，在1 9 8 9 年变风量末端的市场占有率达 到了5 0 i ”。 变风量空调系统凭借它的突出特点成为发达国家空调系统的主流并得到大量 推广应用。许多国家和研究机构都进行了积极的研究和发展，尤其在美国、日本 和欧洲的一些发达国家，变风量空调系统的研究发展水平已经名列前茅。 s c s e k h a r 和c h u n gj e ey 乱通过能量模拟程序对应用于一幢高层办公楼建筑 的不同空调系统形式进行整体评价，其中包括变风量空调系统、定风量空调系统、 两管制风机盘管加新风系统等五种空调系统形式1 8 】。在研究过程中应用d o e 2 能 量模拟程序，对建筑物全年进行动态模拟，从模拟结果中证明了变风量空调系统 的良好节能特性。 s c s e k h a r 还研究了在热湿条件下以五幢建筑为模型，对变风量空调系统与 定风量空调系统进行能耗比较【9 j 。由于建筑负荷与建筑维护结构和建筑朝向相关， 他研究了各建筑的负荷变化并对v a v 系统的潜在节能性进行研究。最终得出结论 五幢建筑w 系统的节能在1 1 5 2 5 7 之间。风机节能突出，而且制冷部分机 能性也是客观的。 k h y a n g 和m m t i n g 通过对w 系统确立有效的计算方法，评价系统在热 湿环境中的节能潜力并进行了一年多的实验，验证了模拟结果的正确性。整个实 验表明系统节能可高达4 9 7 。文献还对四种典型的天气类型进行实验，结果表明 系统的节能达到3 0 5 0 。证明了v a v 系统是一种节能并可广泛推广的空调系统 形式【1 们。 另外还有许多学者对该系统形势进行了研究，对其进行了详尽的理论建模及 分析，了解系统的稳定性及运行特点【1 射，为系统的设计、施工管理提出了有益 的见解和建议。 总而言之，现在越来越多的学者对该系统形式进行了各方面研究，比如其节 能性、系统稳定性及运行特点等。变风量( w ) 空调系统在发达国家高级办公大 楼中已得到了广泛使用，并正朝着更加普及更完善的方向迈进。 1 3 2 国内变风量( ) 空调系统的发展现状及研究热点 我国8 0 年代初，曾经引进过变风量系统，但由于对系统性能不够了解，致使 系统不能按设计要求运行，一时间变风量系统的应用和研究停顿下来1 1 3 】。近年来， 工程师又把目光转向了变风量系统。这其中有两大原因：一是国内目前的定风量系 统和风机盘管系统暴露了一些无法避免的缺点。由于我国目前舒适性空调都是没 有末端再热的定风量系统，所以一个送风参数不能适应不同房间的要求。风机盘 管系统可以避免这个问题，但是凝水污染吊顶以及霉变问题同样不能令人容忍。 随着室内办公设备的增加、房间使用功能的变化、房间格局的变化，空调系统也 应当做相应的改动，可是定风量系统和风机盘管系统的改建比较复杂。二是受变 风量系统节能的诱惑( 空调历来是能耗大户，而其中风机和水泵能耗占较大一部 分) ，因此业主也希望采用变风量系统以节约运行费用【l “。但是，现阶段在国内 v a v 系统的使用还是不如发达国家那样广泛，大部分仅在屋顶旋转餐厅部分或公 共部分局部使用v a v 系统。至于大面积、整栋大厦采用w 的工程比较少见。在 上海市9 0 年代兴建的数百幢办公大楼中，变风量( w ) 空调系统约占6 ，仅限 于少数高级办公建筑【j “。 同时，随着空调事业的发展，w 末端在美国、日本等工业发达国家，曰益 得到普及和应用。在w 末端的研究和应用方面，我国己落后许多年。近年来， 末端的开发和应用，已经提到了议事日程，相信在不久的将来，w 末端机 缝将在我国空调领域得到更广泛的应用。 我国香港地区的许多建筑采用了v a v 系统【l ”。如1 9 9 2 年落成的亚洲最高的 香港中环广场办公大厦( 7 8 层，高3 6 8 m ) 、1 9 8 9 年建成的香港中银大厦( 7 3 层， 高3 1 5 m ) 、1 9 9 1 年竣工的4 0 万平方米香港太古广场上部的港岛香格里拉和万豪酒 店、1 9 9 1 年建成的香港渣打银行总行和建于1 9 8 8 年的香港尤德医院都是采用了 w 系统。据统计香港近期著名建筑物有7 0 一8 0 采用w 系统【1 7j ，其中单管型 变风量空调系统的模糊增益调整p i d 控制 和风机动力型末端( 串联型和并联型) 应用最为广泛。 在我国内地，目前系统的应用还很有限。改革开放以来，我国引进外资 工程中有一些采用w 系统。如北京世界贸易中心大楼。另外一些仅在屋顶旋转 餐厅部分或公共部分局部使用w 系统。对于大面积、整栋大厦采用w 的工程 比较少见。目前国内民用建筑空调基本上采用定风量加风机盘管的方式【1 7 】。 变风量空调系统在国内未被采用的原因很多。一方面，w 系统的一次投资 高于风机盘管或其他产品，这就使得投资商更趋向于选择定风量产品；另一方面， 定风量空调系统的设计、施工比较成熟，而业主对w 空调系统比较陌生，不愿 承担风险。当然变风量技术自身也存在着一些问题。比如当风量变得过小时，新 风量不易保证；