變風量空調(diào)系統(tǒng)靜壓設(shè)定值自適應重置方法
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作者：代武賀 張吉禮*趙天怡
大連理工大學建筑能源研究所
摘要：本文提出了變風量空調(diào)系統(tǒng)最不利熱力末端和最大閥位末端的概念，研究了基于大閥位末端目標閥位域的Mamdani模糊參考模型的靜壓設(shè)定值自適應重置方法。在大連理工大學空調(diào)系統(tǒng)智能控制綜合性能試驗臺上，實現(xiàn)了送風機變靜壓自動控制。通過對比試驗分析得出，此方法與變定靜壓設(shè)定值方法相比，靜壓設(shè)定值調(diào)整的目的性更強，調(diào)整到目標閥位域的速度更快，末端阻力損失更小，節(jié)能效果明顯。
關(guān)鍵詞：最不利熱力末端最大閥位末端目標閥位域Mamdani模糊參考模型靜壓設(shè)定值自適應重置方法
Study on Static Pressure Adaptive Reset Method of VAV System
DAI Wu-he, ZHANG Ji-li*, ZHAO Tian-yi
Institute ofBuilding Energy, Dalian University of Technology
Abstract: Two concepts including most unfavorable thermodynamic VAV terminal and maximum valve VAV terminal related to VAV system were introduce, and static pressure value adaptive reset method of Mamdani fuzzy referencemodel based on target domain of valve position of maximum valve VAV terminal was studied. Variable static pressureautomatic control to the supply fan on the air conditioning system intelligent control comprehensive performance testplatform of DLUT was accomplished, and the test results show that this method provides greater purpose, quickadjustment to the target domain, small resistance loss to VAV terminal and obvious energy saving effect compared withprevious variable static pressure value method.
Keywords: most unfavorable thermodynamic VAV terminal, maximum valve VAV terminal, target domain of valveposition, Mamdani fuzzy reference model, static pressure value, adaptive reset method
變風量空調(diào)系統(tǒng)因其能夠隨著負荷的變化而改變送風量的特點，在降低風機的能耗上有很大的優(yōu)勢.但在實際的工程應用中，由于送風靜壓參考變量及其控制邏輯復雜等原因，常導致系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，末端風量達不到設(shè)定值要求，變風量末端閥門阻力損夫大等問題。目前，文獻[1~2]總結(jié)了變風量空調(diào)系統(tǒng)送風量控制方法，包括定靜壓控制法、變定靜壓控制法、變靜壓控制法、總風量控制法等，每種方法都有各自的優(yōu)點。其中，變定靜壓控制法在保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時又能夠降低風機的能耗，但是此種控制方法的算法復雜，尤其是很難根據(jù)系統(tǒng)的負荷需求對靜壓設(shè)定值進行重置。因此，到目前為止，仍然缺乏實用且行之有效的方法。本文首先提出了變風量空調(diào)系統(tǒng)最不利熱力末端和最大閥位末端的概念，然后，提出了基于最大閥位末端目標閥位域的Mamdani模糊參考模型的靜壓設(shè)定值自適應重置方法，最后通過試驗探討了該方法與變定靜壓設(shè)定值法的可行性及優(yōu)越性。
1 最不利熱力末端和最大閥位末端
則定義末端i為該時段系統(tǒng)的最不利熱力末端。
關(guān)于最不利熱力末端的幾點說明：
1)最不利熱力末端表征了變風量空調(diào)系統(tǒng)在實際運行中可能出現(xiàn)的一種不利的T況，當前末端的風量已為風閥所能調(diào)節(jié)到的最大風量，此風量下該末端向房間的供冷量（或供熱量）已經(jīng)出現(xiàn)或者即將出現(xiàn)無法滿足該末端空調(diào)負荷需求的現(xiàn)象，故稱為最不利熱力末端�？梢娮畈焕麩崃δ┒藨撌窍到y(tǒng)的調(diào)節(jié)過程中避免出現(xiàn)的一種情況。
2)最不利熱力末端的出現(xiàn)表明當前送風機的工作狀態(tài)已至少不能滿足該末端用戶的風量需求或熱能供應需求，需要及時改變送風機的工作狀態(tài)，如提高靜壓設(shè)定值，增加風機動力等。
3)在某段時間內(nèi)，變風量空調(diào)系統(tǒng)可能同時出現(xiàn)不止一個最不利熱力末端，且最不利熱力末端所在的位置是隨機變化，可能是傳統(tǒng)的最不利環(huán)路即最不利水力環(huán)路所在的末端，也可能不是，并且與各個用戶的風量設(shè)定值變化情況、管網(wǎng)的水力特性及風機的運行特性相關(guān)。
4)當最不利熱力末端不是最不利水力環(huán)路所在的末端時，現(xiàn)有的以最不利水力環(huán)路末端閥門開度等變量為參考變量的送風機風量控制，對最不利熱力末端來說是沒有意義的，在該種工況下最不利熱力末端的用戶室內(nèi)溫度無法達到控制要求。因此，應該尋找其他的策略以實現(xiàn)對送風機的控制調(diào)節(jié)。
5)最不利熱力末端可根據(jù)其定義通過某時間段內(nèi)變風量末端調(diào)節(jié)閥的閥位、該末端風量測量值以及風量設(shè)定值等參數(shù)的狀態(tài)及變化趨勢來實時判斷。
可見，最不利熱力末端是變風量空調(diào)系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)中所不希望發(fā)生的一種工況，送風靜壓設(shè)定值
的取值大小應避免最不利熱力末端的出現(xiàn)。
在具有n個末端的變風量空調(diào)系統(tǒng)實際運行過程中，若某時間段內(nèi)第i個末端調(diào)節(jié)閥的閥位達到所有末端中的最大值，則該末端為該時間段內(nèi)變風量空調(diào)系統(tǒng)的最大閥位末端。
最大閥位末端是相對于所有末端的調(diào)節(jié)閥開度而言的，最大閥位末端的調(diào)節(jié)閥不一定全開。最大閥位末端的定義為預先判斷最不利熱力末端可能出現(xiàn)的位置提供了判定參考。
2 基于最大閥位末端目標閥位域的Mamdani模糊參考模型的靜壓設(shè)定值自適應重置方法
2.1靜壓設(shè)定值重置的參考變量
靜壓設(shè)定值的確定需要符合以下兩點要求：
1)靜壓設(shè)定值能夠滿足系統(tǒng)中所有末端的風量需求，以防止最不利熱力末端的出現(xiàn)：當系統(tǒng)中出現(xiàn)最不利熱力末端時，靜壓設(shè)定值能夠及時地做出調(diào)整，使最不利熱力末端的風量達到風量設(shè)定值要求。
2)由于靜壓設(shè)定值的大小對送風機的節(jié)能效果影響很大，因此，希望靜壓設(shè)定值在滿足各個末端風量要求的情況下能夠盡量小，體現(xiàn)在各個末端上就是盡可能使調(diào)節(jié)閥處于最大開度，這樣既能節(jié)約風機的動力，同時又可以降低末端閥門的噪聲：
綜上選取最大閥位末端調(diào)節(jié)閥閥位為靜壓設(shè)定值重置的參考對象=
2.2靜壓設(shè)定值重置的目標閥位域
在實際的變風量送風量控制系統(tǒng)中，為了保持送風機控制的穩(wěn)定性靜壓設(shè)定值的調(diào)整次數(shù)不宜過多，因而靜壓設(shè)定值無法以某一確定閥位值為目標來進行調(diào)整，但是可以選定一個變化范圍來作為目標閥位域。由于變風量末端的閥門屬于等百分比流量特性 閥位越接近于全開，閥位的變化所引起的阻抗變化越小，即閥門對流量的調(diào)節(jié)作用變化越小，所以可以將具有上述特性的閥位范圍
作為靜壓設(shè)定值重置的目標閥位域，從而減少靜壓設(shè)定值的重置 頻率。
2.3 Mamdani模糊參考模型的靜壓設(shè)定值自適應重置方法
3 靜壓設(shè)定值重置方法試驗研究
3.1試驗系統(tǒng)概況
本試驗平臺隸屬于大連理工大學中央空調(diào)智能試驗系統(tǒng)，包括變風量空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備和自動控制系統(tǒng)�？照{(diào)系統(tǒng)的設(shè)備包括，一臺變頻調(diào)速控制的離心式送風機、送回風孔板流量計、電動新風閥、電動回風閥、電動排風閥、加熱盤管、三個壓力無關(guān)型末端和若干不同量程和精度的壓差傳感器。試驗臺自動控制系統(tǒng)的硬件使用l臺霍尼韋爾XL100和1臺帶若干擴展模塊XCL8010A控制器，使用霍尼韋爾care軟件實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的通信和控制程序。
試驗原理：試驗過程中關(guān)閉排風閥，送風孔板流量計和回風孔板流量計測得送風量和回風量，兩者差值可以得到新風量，采用新風段靜壓控制法同控制新風量；采用壓力無關(guān)型控制末端對室內(nèi)溫度進行控制，末端的風量和閥位信息可以通過控制器實時采集；送風機的控制首先利用采集到的末端閥位信息和風量信息確定靜壓設(shè)定值，然后與靜壓監(jiān)測值比較，最后通過變頻器調(diào)節(jié)風機的頻率；通過調(diào)節(jié)電動連續(xù)調(diào)節(jié)閥控制進入加熱盤管的水量，進而實現(xiàn)對送風溫度的控制，試驗臺簡化后的原理圖如圖3所示。
3.2靜壓設(shè)定值重置方法的試驗程序模塊
表1為程序模塊采用的模糊規(guī)則表。偏差e、偏差變化ec、控制量輸出M的模糊論域均取[-2，2]，e與ec的論域可以劃分為5個模糊等級包括“負大”、“負小”、“零”、“正小”、“正大”，分別用NB，NS，ZE，PS，PB來表示，采用的隸屬函數(shù)如圖4所示。圖4中所列出的隸屬度函數(shù)的線性表達式對應了e與ec的6個模糊子論域，模塊將Fe與Fec(e與ec的模糊值)代入以上這9組線性表達式中，計算隸屬度。對于一組Fe與Fec的值，模塊可以計算各個作用模糊子集下的Fe與Fec的隸屬度，從而實現(xiàn)作用模糊子集推理的方法，最后得出u對應的模糊值Fu，通過重心法反模糊化，求得u。
3.3試驗內(nèi)容
3.3.1試驗相關(guān)參數(shù)選定
1)確定450m3／h新風量對應的新風閥開度為36%（100%對應閥門全開），新風閥前后的靜壓差為115Pa，試驗中保持新風閥開度不變，采用PI控制調(diào)節(jié)回風閥開度，維持靜壓差恒定，整定后P值為-200，，值為16。
2)試驗中調(diào)節(jié)電動連續(xù)調(diào)節(jié)閥的開度，改變進入加熱盤管的水量，維持送風溫度26℃不變，當送風溫度大于260C時，關(guān)小水閥開度，當送風溫度小于260C時，開大水閥開度，試驗中PI控制的P值為100，I值為16。
3)本試驗中靜壓設(shè)定值
的初值設(shè)為170Pa，為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，結(jié)合送風量的變化要求以及傳感器的量程靜壓設(shè)定值的下限值為80Pa，上限值為240Pa，目標閥位域為[75%，95%], 
=10%， 
=85%，QD=5om3/h，程序中相關(guān)參數(shù)的論域是eQ∈[25，150]，
∈[-100, 100] ,eP∈[-42%,-10%],ecP∈[-10%，-10%],△P In∈[10,30],△PDe∈[-30,-10l:
3.3.2對比試驗設(shè)計
為了比較參考M模型的靜壓設(shè)定值自適應重置方法（以下簡稱M模型重置法）和變定靜壓設(shè)定值的方法，其中變定靜壓設(shè)定值法的變化步長取為10Pa，設(shè)計一組室內(nèi)溫度設(shè)定值變化的試驗二假定室內(nèi)溫度值為19C恒定，按照一定順序每10min改變一個末端對應的室內(nèi)溫度設(shè)定值為200C或18℃，來體現(xiàn)不室內(nèi)不同區(qū)域負荷變化的差異性，室內(nèi)溫度設(shè)定值改變規(guī)則如表2。
3.3.3參考M模型的靜壓設(shè)定值自適應重置方法隨實際室內(nèi)負荷變化試驗
試驗前將試驗房間的門窗敞開2h,使室內(nèi)溫度降低到與室外溫度相近水平，然后關(guān)閉門窗。試驗從早8:00開始進行2h.初始時給定3個末端的溫度設(shè)定值，空調(diào)系統(tǒng)運行近Ih改變一次各個末端的溫度設(shè)定值（表3）。
3.4試驗結(jié)果
如圖5所示，兩種不同靜壓設(shè)定值重置方法的靜壓設(shè)定值變化情況。圖5中可以看出在控制目標相同的情況下，M模型重置法的靜壓設(shè)定值改變次數(shù)為19次，平均值為137.2Pa，階躍變化絕對值平均量（每兩次采樣值的差的絕對值之和／采樣值改變次數(shù)）為1.66Pa／次，變定靜壓設(shè)定值法靜壓設(shè)定值改變次數(shù)為45次，平均值為151.2Pa，階躍變化絕對值平均量為2.35Pa／次。M模型重置法的靜壓設(shè)定值更小，送風機的能耗就會更低，同時階躍變化絕對值平均量也小，表示該控制方法的穩(wěn)定性更好。
圖6表示試驗中風機消耗電功率情況，其中時間是按電功率值由小到大的采樣時間次序排列。試驗中在大部分采樣時間內(nèi)M模型重置法的功率值均小于變定靜壓法的功率值，且這部分時間均為系統(tǒng)處于部分負荷狀態(tài)。M模型重置法電功率的平均值為0.338kW，總能耗為0.555kWh，變定靜壓法的電功率平均值為0.343kW，總能耗為0.562kWh。圖7表示,M模型重置法和變定靜壓法的末端最大閥位和最小閥位情況。
圖7中M模型重置法的最大閥位平均值為86.11%，最小閥位平均值為44.50%,變定靜壓法的最大閥位平均值為82.31%．最小閥位的平均值為44.78%，綜上M模型重置法在末端閥門上的阻力損失小于變定靜壓法。圖8為M模型重置法隨實際負荷變化試驗靜壓設(shè)定值和功率值變化情況。
圖8表示了室內(nèi)溫度首先達到初始設(shè)定溫度和運行1小時后改變溫度設(shè)定值的靜壓設(shè)定值和功率值變化。情況。初始時由于負荷最大，靜壓設(shè)定值維持初始值170Pa，隨著室內(nèi)負荷減少，靜壓設(shè)定值降低到下限值80Pa，此時各個末端達到初始室溫設(shè)定值，第二次改變室內(nèi)溫度設(shè)定值之后，靜壓設(shè)定值開始增加，當再次達到室溫設(shè)定值時，靜壓設(shè)定值又維持在80Pa的穩(wěn)定狀態(tài)。試驗過程中靜壓設(shè)定值的平均值為158.5Pa,階躍變化絕對值平均量為1.62Pa/次，風機消耗電功率的平均值為0.374kW，能耗為0.749kWh。
4 結(jié)論
1)最不利熱力末端是變風量空調(diào)系統(tǒng)中應該避免出現(xiàn)的不利工況，其定義對靜壓設(shè)定值進行合理的重置有重要的意義。
2)最大閥位末端是預先判定最不利熱力末端可能出現(xiàn)位置的重要參考依據(jù)，本文提出了基于最大閥位末端目標閥位域的Mamdani模糊參考模型的方法進行靜壓設(shè)定值的重置，在免了最不利熱力末端出現(xiàn)的同時獲得理想的節(jié)能效果。
3 )Mamdani模糊參考模型的靜壓設(shè)定值自適應重置方法與變定靜壓法相比，可以避免其變化步長，靜壓監(jiān)測點和靜壓設(shè)定初始值選取困難的問題，使靜壓設(shè)定值的重置有明確目的性和良好的適應性，調(diào)整更為迅速，控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定。實際工程中只要確定靜壓監(jiān)測點，然后通過對論域進行合理的調(diào)整，便能實現(xiàn)靜壓設(shè)定值進行自適應重置。
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