变风量空调系统的模糊PID控制.doc

毕业设计（论文） 变风量空调系统的模糊 PID 控制 系 别自动化工程系 专业名称自动化 班级学号5060129 学生姓名王 猛 指导教师王宏伟 2010 年 6 月 10 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 I 页 变风量空调系统的模糊 PID 控制 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内的设备进行越来越科 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、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。随着计算机科学、控制理论的发展，产生了新的智能控制 理论。 本文应用了一种模糊 PID 控制算法，在控制过程中引入模糊控制机理，通过模糊 调节方法，根据系统的动态特性和行为，对 PID 控制器的参数进行在线调整，解决控 制系统的稳定性与获得良好性能的问题，增强系统对不确定性因素的适应性。通过 MATLAB 环境下进行仿真，说明了在参数变化的情况下，Fuzzy-PID 控制器可以达到 满意的性能，并可取得一定的节能效果。 关键词关键词：变风量空调系统， PID 控制，模糊 PID 控制 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 II 页 The PID Fuzzy Control of Variable Air Volume Air Conditioning System Author：Wang Meng Tutor：Wang Hongwei Abstract With the rapid development of Intelligent Building(IB), Building Auto mation System (BAS) has come to control and manage the equipment in the building more and more scientifically, economically and rationally.This can not only raise the function and the level of the building, but also save energy. Variable Air Volume (VAV) air conditioning system is superior to other air condition system for its economic and flexible performance and has become the main stays of air conditioning system. But as a complex thermodynamic system, VAVsystem has many disturb ances and is not easy to calculate its parameters. With the development of computer science and control theory,many new intelligent control theories come into being. In order to satisfy the needs to control effectively and save energy efficiently, this paper introduces a Fuzzy PID control algorithm. Fuzzy control is introduced in the control process, and by using it and according to the dynamic characteristics and behavior of the system, on line adjustment is carried out to the PID control so as to tackle the contradiction between the stability of the control system and gain good performance. Strengthen the adaptability of the system to some unstable factors. Simulating the hypothesis in MATLAB environment. The result indicates that when the parameters change, this control system has good effects and can save energy. Key Words： Variable Air volume air conditioning system, PID control, Fuzzy-PID control 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 III 页 目目 录录 1 绪论.1 1.1 研究背景和研究意义.1 1.1.1 智能建筑及楼宇自动化.1 1.1.2 空调系统的节能控制.2 1.1.3 课题研究意义.3 1.2 变风量空调系统的特点及其应用场合.4 1.2.1 变风量空调系统的特点.4 1.2.2 变风量空调系统的应用场合.5 1.3 国内外变风量空调系统的研究现状.6 1.3.1 国外变风量空调系统的研究现状.6 1.3.2 国内变风量空调系统的研究现状.7 1.4 论文主要工作.7 2 变风量空调系统的原理及自动控制系统.9 2.1 变风量空调系统概述.9 2.1.1 变风量空调系统的基本原理.9 2.1.2 变风量空调系统的组成.10 2.2 末端装置的原理及特点.10 2.3 变风量空调自动控制系统.11 2.3.1 变风量空调自动控制系统的功能.11 2.3.2 变风量空调自动控制系统常用的控制方式.12 2.3.3 变风量空调系统的末端控制回路.14 3 变风量空调系统的 PID 控制设计及仿真.16 3.1 变风量空调系统的房间模型.16 3.2 变风量空调系统的数字 PID 控制器的设计 .17 3.2.1 PID 的控制作用.17 3.2.2 数字 PID 控制设计.19 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 IV 页 3.3 变风量空调系统的 PID 仿真研究 .21 3.3.1 仿真软件简介.21 3.3.2 变风量空调系统的 PID 仿真.22 4 变风量空调系统的模糊 PID 控制设计.25 4.1 模糊控制方法.25 4.2 在变风量空调系统中采用模糊 PID 控制的原因 .27 4.3 变风量空调的室内温度的模糊 PID 控制方案 .27 4.4 房间温度控制系统流程图.34 4.5 变风量空调系统模糊 PID 仿真研究 .36 结 论.38 致 谢.39 参考资料.40 附 录.42 附录 A.42 附录 B .43 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 1 页 1 绪论 1.1 研究背景和研究意义 1.1.1 智能建筑及楼宇自动化 智能建筑是建筑技术与高科技信息技术相结合的产物，提高了人们对社会信息化 与经济国际化的适应性。近几年来，智能建筑已逐步发展成为新兴的交叉学科和产业， 建筑智能化、环境舒适化、通讯高速化、工作高效化已成为时代的需求。由于智能建 筑的发展历史较短，目前尚无统一的概念，美国智能化建筑学会(American Intelligent Building Institute)定义“智能建筑”是将结构、系统、服务、运营及其相互联系全面综合， 达到高效率、高功能与高舒适性的大楼。 在中国国家标准的智能建筑设计标准中规定智能建筑是以建筑为平台，兼备建筑 设备、办公自动化及通信网络系统，集结构、系统、服务、管理以及它们之间的最优 化组合，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境。 通常的说法，智能建筑的主要内容是指 3A，即楼宇自动化(Building Automation， 缩写 BA)、通讯自动化(Communication Automation，缩写 CA)、办公自动化(Office Automation，缩写 OA)1。 加入了中央计算机网络系统和结构化综合布线系统的 3A 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。OA 系统可以处理数据信息、文字信 息、多媒体信息，使办公业务的规范化程度、复杂程度和对信息资源的依赖程度都大 大加强了。BA 系统把全楼所有的建筑设备和设施有效的管理起来。CA 系统在楼内联 结程控电话系统，电视会议系统和多媒体声象服务系统，对外与广域网和局域网以及 卫星通讯系统相联，实现大楼内外便捷的声象数字通信。PDS 系统提供开放式的标准 通信接口，能支持多厂商的不同类型设备的数据传输和网间互联，采用标准材料例如 光纤和非屏蔽双绞线作为传输介质。 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 100MbPs(TCP/IP)的 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 2 页 以太网上，采用无级别的全“集散式”结构，各 DDC(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(BA)系统在本质上是一个庞大的计算机控制系统。因此其结构中必然 包括感应元件、控制元件和控制运算单元三个组成部分。现代的 BA 系统的基础级是 以微型机为核心的基本控制器，实现 DDC(Direct Data Control)控制。 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(DDC 控制器)三级，有的智能建筑还增加了第四级智能建筑 管理2。 1.1.2 空调系统的节能控制 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。因为在设备 的能源消耗中，空调耗能占了 70%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。 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。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 3 页 1、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(IAQ)，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。 2、利用变风量系统减少风机能耗 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。 3、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。 1.1.3 课题研究意义 1、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。 2、为智能建筑的节能提供技术保证 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。作为具 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 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 4 页 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。 3、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 变风量空调系统的特点及其应用场合 1.2.1 变风量空调系统的特点 变风量空调系统可以根据空调负荷的变化及室内参数要求的变化，自动调节空调 送风量(达到最小送风量时)来调节送风温度，以满足室内人员的舒适要求或其他工艺要 求。同时根据实际送风量自动调节送风机的转速，最大限度地减少风机动力，节约能 量。 VAV 系统与目前最常见的全空气定风量系统和新风加风机盘管系统相比，VAV 系 统具有以下优点3,4,5： 1、与传统的 CAV 系统相比，能够实现局部区域(房间)的灵活控制 各个房间内的 VAV BOX 可以根据负荷的变化或者个人的舒适要求自动调节送风 量。更能符合“以人为本”的目的，满足了个人不同的健康、舒适要求，提升了空调系 统的档次及品质。而新型的串连式 FBP 变风量末端在保证人员热舒适的前提下，增加 了低负荷工况下室内空气的有效流动，进一步提高了室内空气品质(IAQ)，有益于人员 的健康； 2、VAV 系统与 CAV 系统相比较，具有显著的经济性 由于 VAV BOX 的独立控制的特点，使该系统具有自动把不同的能量(风量)移至不 同需求的场所的功能。因此，尽管各个房间的最大送风量与 CAV 系统是完全相同的， 但是 VAV 系统总送风量及冷(热)量通常低于 CAV 系统的总送风量及冷(热)量，这使得 系统的空调机组容量可以减小，从而使整幢楼的冷水机组的安装容量下降，机组尺寸 减小，占用机房面积也因此而下降。同时，当各房间的负荷减少时，各 VAV BOX 的 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 5 页 风量将自动减少，系统对总风量的需求也就必然下降，通过设置适当的控制手段，降 低送风机的转速，使得其能耗下降。同时，一幢建筑物的空调负荷(尤其是冷负荷)在全 年运行中，只有极少数时间是处于设计状态的，其余时间均是在低负荷下运行，因此， VAV 系统将使空调送风机的全年运行能耗大大降低。根据国外有关资料，VAV 系统 与 CAV 系统相比，全年的空气输送能耗可节约 30%以上，设备装机容量可减少 10%- 30%(考虑到各房间的同时使用系数)，全年节能总量高达 20%-40%； 3、VAV 系统与新风加风机盘管系统相比，空调品质高 首先，VAV 系统属于全空气系统，对房间的换气次数有较大的提高，而且在过渡 季节可以充分利用全新风送风(或者调新风比)，而风机盘管加新风系统中，全年新风量 基本上是不变的，即是满足最低卫生标准的要求的最小新风量来设计的；其次，采用 VAV 系统，冷冻水管与冷凝水管不进入建筑吊顶空间，因而避免了盘管凝水和霉变问 题； 4、采用了 VAV 系统，有利于房间的灵活分隔，VAV 系统由于其末端装置布置灵 活，只有软风管与主风管相连并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 VAV BOX 的风量相匹配，即可以较方便地满足新用户的 需求，这一特点是定风量系统和新风加风机盘管系统无法比拟的。 VAV 系统虽然有很多优点，但仍然存在着一些问题。 1、从用户的角度看，当房间负荷变小，送风量减少到一定程度时，房间内会发生 缺少新风，室内人员会感到憋闷；房间内正压或负压过大导致房门开启困难；室内的 噪声偏大，系统中较大的噪声源除了送回风机外，主要是末端装置产生的噪声。 2、从运行管理方面看，主要有：系统运行不稳定，尤其是带“经济循环 Economizer Cycle”的系统；节能效果有时不明显。 3、目前变风量系统还存在一些固有的缺点：系统的初投资比较大；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，往往很难保证室内湿 度要求。 1.2.2 变风量空调系统的应用场合 1、负荷变化较大的建筑物 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 6 页 由于变风量空调系统可以减少送风机和加热的能量(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。例如办公室、会议中心、商场等，一 旦建筑物内有人员聚集和灯光开启，负荷就接近顶峰；人员离开和灯光关闭，负荷就 变小，因此负荷变化较大。故适合采用变风量系统。 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的安装上比较 灵活，故用于多区域时，比一般传统的空调系统更为经济。这些传统的系统为：多区 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的采用变风量系统。公用回风通道可以获得 满意的效果，因为如采用多回风通道可能产生系统静压过低或过高的情况。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污染。 1.3 国内外变风量空调系统的研究现状 变风量空调系统(Variable Air Volume Air condition System)于 20 世纪 60 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指标达到要求。 1.3.1 国外变风量空调系统的研究现状 变风量(VAV)空调系统在国外运行己有三十多年的历史，已有了多年的设计运行 实绩。20 世纪 60 年代 VAV 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 70 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 20 年中不断 发展，现已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6，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(VAV)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 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 7 页 年的文献可以看出，压力无关型的末端装置己经普遍使用，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。紧接着就是最小新风量的问题，以满 足室内空气质量(IAQ)要求，目前仍是研究热点。同时研究人员还关注变风量(VAV)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7。 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,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(VAV)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研究现状 我国 80 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8。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。二是受变风量空调系统节能的诱惑， 因此业主也希望采用变风量系统节约运行费用9。 在我国的新兴建筑中，该系统的建设使用越来越多，尤其是在国内的大中型城市， 如上海、北京等城市。而且随着对空调节能的重视，国内的设计、研究人员也开始关 注这种系统形式，越来越多的研究成果也不断出现10,11。相信随着系统设备的国产化 以及人们对室内环境要求的提高，我国变风量空调系统将会有良好的发展前景。 1.4 论文主要工作 考虑到对于变风量空调控制系统，由于其有许多干扰因素，所以控制系统的设计 是变风量空调中的一个重要问题。只有合理、有效的控制系统设计，才能最大程度的 体现变风量空调系统的优势，即舒适与节能的特点。本文针对这个问题主要做以下几 方面工作： 1、通过阅读大量的国内外文献，对变风量空调的发展及运行现状作了介绍，并分 析了变风量空调的发展趋势。对变风量空调系统的构成和特点作了阐述，并分析了工 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 8 页 作场合。 2、介绍了变风量空调系统的原理、特点、组成以及变风量空调系统的分类，并介 绍了末端装置的原理和特点，为后面的设计打下了基础。还介绍了 VAV 系统的常用控 制方式和末端控制回路。 3、变风量空调系统的 PID 控制设计并做出了仿真，对实验结果进行了分析。 4、介绍了模糊控制的原理及各自的特点，并分别和 PID 控制方法的优点和不足， 以及将两种控制方法结合起来的优点，从而提出设计方案，设计了变风量空调系统的 模糊 PID 控制器。接着对其进行仿真，将两次仿真结果比较分析。 5、结论。实验结果表明了模糊 PID 控制方法优于目前普遍使用的 PID 控制方法。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 9 页 2 变风量空调系统的原理及自动控制系统 2.1 变风量空调系统概述 2.1.1 变风量空调系统的基本原理 变风量空调系统(Variable Air Volume Air Condition System，简称 VAV 系统),是通 过改变送风量而不是送风温度来调节和控制某一空调区域温度的一种空调系统。在空 调系统运行过程中，最大冷负荷出现的时间不到总时间的 10%，全年平均负荷率仅为 50%，在绝大部分时间内，空调系统处于部分负荷运行状态。VAV 系统通过减少送风 量，从而降低了风机输送功耗，起到了明显的节能效果。 T T 房间1房间2 9 回风管 回风 排风 新风 送风管 8 10 7 6 54 3 2 1 1.新风门 2.混风门 3.排风门 4.过滤器 5.表冷器 6.喷淋器 7.变频风机 8.VAV 末端装置 9.温度传感器 10.送风散流器 图 2.1 变风量空调系统的结构原理图 变风量(VAV)空调系统由空气处理机组(Air-Handing Units ,AHU)、送风系统(主风 管、支风管)、末端装置(Terminal Units)和送风散流器以及必要的自控装置五部分组成， 其中末端装置是变风量系统的关键设备，它可以接受室温调节器的指令，根据室温的 高低，自动调节送风量，以满足室内负荷的需求。其它组成部分与定风量空调系统的 作用基本相同。如图 2.1 是一个单风道变风量(VAV)空调系统的结构原理图12。 该图是一个完整的 VAV 系统示意图，它的主要元件：(1)被调空间和末端装置，(2)冷 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 10 页 却盘管，(3)加湿器，(4)风道，(5)送风机，(6)控制系统。跟踪回风循环来理解 VAV 系 统的工作过程：房间内的空气由回风道送回，其中一部分被排放掉，剩余的一部分与 室外新风混合，混合后的空气通过表冷器与冷却盘管内的冷冻水进行热交换，同时也 引起了湿度的变化，为了满足送风湿度的要求，加湿器还要进行湿度处理，送风机根 据空调房间所需风量，调整转速以满足对送风量的要求。送风经由送风道送至各个末 端，末端装置根据房间负荷调节风阀开度给空调房间提供所需的风量。要想很好的控 制该循环中房间的温度和湿度，送风量和送风状态必须不断地进行调整。完成这些工 作的有效方法就是采用自动控制系统。 2.1.2 变风量空调系统的组成 1、空气处理设备 空气处理设备一般都安装在独立的空调机房里，或安装在建筑物的屋顶上。空气 处理设备有普通的新风格栅、新风阀和回风阀、预热器、表冷器和送风机组成。表面 冷却器既可以是直接蒸发，也可以是冷水式，但在大型民用建筑中，绝大多数都是采 用冷水式。 2、送风系统 VAV 系统从送风机到各末端装置的送风系统，一般都是一个中速中压系统。在一 个大型 VAV 系统中，由于受到安装空间的限制，其送风主干管甚至可能采用较高的风 速。 由于系统在运行时要求风管内要有一定的静压值，所以需要一个强度较大、密封 性好的风管系统，以防止出现空气的渗漏以及由于风速较高而要防止因风管振动产生 有害的噪音。支管通常采用一定压力的圆形软管，将主风管和末端装置连接在一起。 3、末端装置 末端装置是 VAV 系统的关键设备，通过它来调节送风量，补偿变化着的室内负荷， 维持室内温度。一个 VAV 系统运行成功与否，在很大程度上取决于所选用的末端装置 性能的好坏。末端装置的种类很多，构造各异，但他们都要有进风短管、消声腔、风 量调节器、控制阀等几个基本部分组成。有的末端装置还和送风散流器连成一体。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 11 页 2.2 末端装置的原理及特点 变风量空调系统是全空气系统的一种。考察全空气系统的分类可以对变风量系统 有更加全面的认识。根据变风量系统在全空气系统中的位置分类，变风量系统可基本 分为单风道、双风道和多区域系统三种。而其中单风道变风量系统又可分为再热、诱 导、风机动力、双导管和可变散流器等几种调节形式。 变风量空调系统的形式也很多，它们之间的不同主要是以末端装置形式的不同而 有所区别13。变风量空调系统主要是通过末端装置来控制房间送风量，满足房间热湿 负荷及新风量。末端装置的好坏直接影响房间的空调效果(干球温度，相对湿度等)。 变风量空调系统主要是通过末端装置以室内温度的波动为控制信号来控制房间送 风量，满足房间热、湿负荷的变化和新风量要求，它的好坏直接影响房间的空气品质。 在国外变风量末端装置己经发展了 20 多年，拥有不同的类型和规格。其中变风量末端 的种类可分为：单管型变风量末端、双管型变风量末端、风机动力型末端、诱导型末 端、压力相关型末端14。在实际工程中多采用单管型和风机动力型末端(串联型和并联 型)。变风量末端的控制方式有气动式控制、模糊控制、DDC 控制。近年来模糊控制成 为人们研究的热点。 2.3 变风量空调自动控制系统 过去大多数空调系统采用定风量变送风温度的方式，这样的系统在住宅和小型的 商用建筑中使用较多。而变风量系统恰恰相反，系统送风温度相对一定，而改变送风 量来满足负荷的要求。VAV 系统能根据太阳辐射量，照明，人员发热量，室内发热源 以及通风量的变化来调节系统的送风量，所以需要计算系统的最大与最小风量系数， 以适应全年负荷变化的要求。因为在空调系统中风机能耗占相当大的比例，变风量系 统能随时跟踪建筑负荷的变化，及时调节送风量，从而减少风机能耗，达到节能的目 的；而且变风量系统便于分区调节，以满足不同房间的空调要求，因此在商务办公楼 宇的设计中很适合采用这种系统。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 12 页 2.3.1 变风量空调自动控制系统的功能 变风量(VAV)空调自动控制系统可以对室内空气的温度、相对湿度及空气清新度 等加以自动控制，保持空气的最佳品质，使人们生活、工作在这种环境中心情舒畅， 从而提高工作效率、改善生活品质。 自动控制的监测与安全系统，能使制冷空调系统正常运行，并在出现系统运行异 常和发生故障的情况下及时报警并进行事故处理。 通过自动控制系统，可以对制冷空调系统进行过程优化，选择最佳的温度、静压、 空气清新度的设定值，使系统的能源消耗降至最低。通过自动控制系统的运行，可以 将很多需要人工完成的工作交给自动控制系统完成，有效减少人工操作和劳动强度， 减少一些不必要的人员支出，避免人力资源的浪费。自动控制系统可以优化使用制冷 空调系统的设备，使系统设备的使用损耗降低，故可延长设备的使用寿命和周期。 2.3.2 变风量空调自动控制系统常用的控制方式 变风量空调系统的设计和控制系统的设计是密不可分的。而且变风量(VAV)系统 的控制相对于定风量(CAV)系统的控制要复杂得多，主要原因是末端变风量装置(即 VAV Box)不断调整房间送风量，从而引起机组部分送风机不断进行转速调整，从而引 起定风量系统不曾遇到的许多问题。图 2.2 是单风道变风量空调控制系统的结构示意图 15。 T T 房间1房间2 回风管 回风 排风 新风 送风管 阀 门 控 制 器 静压控制器 送风湿度 控制器 送风温度 控制器 图 2.2 变风量空调控制系统的结构示意图 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 13 页 从图中可以看出，这个控制系统有六个反馈控制回路即室温控制、送风静压控制、 送回风量匹配控制、新排风量控制以及送风温度控制、送风湿度控制。它们是变风量 空调控制系统的必要组成部分。当然，系统还会有预冷、预热等其他控制。实际上， 这六个回路之间存在耦合，但为了便于说明问题，此处认为各控制回路独立。系统的 工作原理是：夏季，当某个房间的温度低于设定值时，温度控制器就会调节变风量末 端装置中的风阀开度减少送入该房间的风量，由于系统阻力增加，引起送风静压升高， 当静压超过设定值时，静压控制器通过调节风机转速减少系统的总送风量。送风量的 减少导致送回风量差值的减少，送回风量匹配控制器减少回风量以维持设定值。同时， 为保证送风温度和湿度，表冷器冷冻水流量和加湿器流量相应减少。风道压力的变化 将导致新排风量的变化，控制器将调节新风、回风和排风阀来保证新排风量。当房间 温度高于设定值时，调节过程相反16。可见，各房间的风量调节和系统总风量调节是 变风量(VAV)空调系统的控制关键，其他回路调节必须紧密配合才能使变风量(VAV)空 调系统正常工作。 根据这个控制原理，国内外变风量(VAV)空调系统控制方式主要有以下三种17： 1、定静压控制方式 所谓定静压控制就是通过调节风机转速来保持风道上某一点静压恒定不变，从而 保证各个末端装置进行风量调节时其它末端装置在该设定静压值下都可获得自己所需 风量。它是变风量(VAV)空调系统最早使用的控制方式，在欧美设计市场比较流行。 由于该方式已有多年的运行经验，因此国内普遍使用的仍是这种方式。 虽然该控制方式原理简单，但其自身存在缺点，突出表现在系统的压力测点在工 程实际中很难选择，通常只能选用折衷点而非最佳点，如果该设置点没有代表性会使 变风量(VAV)空调系统调试困难；其次，系统达不到最佳节能效果。所以，这种方式 设计市场也逐渐被取代。 2、变静压控制方式 当节流式变风量空调系统处于低负荷时，若采用定送风静压方式，消耗在末端装 置上的静压就会增加，这显然对节能是不利的。于是，在保证系统风量要求的同时尽 量降低送风静压的变静压法就随之而生，它也称为最小静压控制法。其控制思想是通 过变频器来调节送风机的输出，以保证系统中至少有一个末端装置(具有最大静压值的 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 14 页 那一个)的风阀处于或接近全开状态，以降低其风速和入口静压，从而降低整个系统的 静压，节约送风动力。它是当今国内外变风量空调设计时关注的热点。 3、总风量控制方式 前面提到的两种控制方式都属于静压控制方式。但由于压力控制环节和末端流量 控制环节存在一定的耦合特性，所以容易引起系统的压力调解震荡现象。如果摆脱压 力控制，而又能很好地实现对风机的变频调节，则可克服震荡现象。因此，国内学者 便提出了基于总风量的控制方式。 风机总风量控制方法是基于压力无关型的 VAV 末端研究出的一种新的简单易行的 VAV 空调系统的控制方法。所谓总风量控制就是根据各末端设定的风量之和调节送风 机转速，以满足各房间所要求的风量。该控制法与静压控制的主要区别就是总风量控 制法不再监测、调控静压点的压力值，而是直接统计各末端要求的风量之和，据此总 风量而调节风机的转速。 变风量(VAV)空调系统的三种方法，各有自己的优点和不足，但在实际工程中定 静压控制仍是最常采用的控制方式。 2.3.3 变风量空调系统的末端控制回路 变风量空调系统的末端控制主要是对室温的控制而言。根据调节方式的不同，可 将变风量末端分为压力无关型和压力有关型末端18。 1、压力有关型末端 压力有关是指末端风阀的执行机构直接由房间温度控制器控制。其控制原理图如 下： 设定送风温度 温度控制器风阀执行机构被控房间 温度传感器 房间温度 + - 图 2.3 压力有关型末端控制回路 由这种控制回路可以看出，温度控制器虽然根据温度偏差得出了相应的控制作用 即风阀的开度，但是由此开度而得到的所需送风量却不一定能够得到保障，它受风道 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 15 页 影响很大。显然，静压变大，送风量变大；静压变小，则相应的送风量变小，它们有 着一定的比例关系。这正是“压力有关”这一名称的由来。 2、压力无关型末端 压