CN102384558B - 用于直接膨胀式变风量空调系统的能力控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于直接膨胀式变风量空调系统的能力控制方法，该方法通过调节系统中压缩机转速和电子膨胀阀开度，实现对系统输出冷量的精细调节。该能力控制方法由压缩机转速的数值计算算法及“死区”组成。数值计算算法利用实时测量的系统运行参数，依据系统能力需与系统冷负荷相平衡的原则，直接数值运算出当前所需的压缩机转速；设置的“死区”可有效地对压缩机转速控制回路和电子膨胀阀开度控制回路进行解耦。另一方面，“死区”的引入可抑制由测量噪声和不确定性所引起的外部扰动。本发明能够有效解决具有大的非线性和连续变工况运转的直接膨胀式变风量空调系统的能力控制难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种直接数字控制方法，特别是涉及一种用于直接膨胀式变风量空调系统的能力控制方法。
背景技术
直接膨胀式变风量空调系统由一个直接膨胀式制冷机组与一个变风量送风系统两个部分组成，制冷机组的蒸发器位于变风量送风系统的空气处理箱中，直接做为对送风进行热湿处理的空调冷却盘管；直接膨胀式变风量空调系统包括压力无关型变风量末端、变容量压缩机、电子膨胀阀和变频风机等。在直接膨胀式变风量空调系统中，送风温度和送风静压的稳定性对于消除不同空调区域及其对应的变风量末端的相互干扰起着关键作用，稳定的送风温度和送风静压能够实现对空调区域温度的满意的分区独立控制。然而，由于经过直接膨胀式变风量空调系统蒸发器（直接膨胀式冷却盘管）的空气流量和温度的连续变化，为了保持送风温度的稳定，送风静压和各区域温度的控制回路也需要根据直接膨胀制冷机组制冷量的不同而连续调节。制冷机组的输出冷量和系统变化的冷负荷之间的匹配是保持送风温度的稳定和实现区域温度的分区独立控制的先决条件。然而，在直接膨胀式变风量空调系统中维持送风温度的稳定性和精度比传统的采用高精度三通调节阀调节冷冻水流量的大型变风量空调系统更加困难。
通常的能力控制方法如分段控制及频繁的开/关控制将导致送风温度的波动；另外，热气旁通控制法则明显导致直接膨胀式变风量空调系统运行在低能效状态。随着先进的变制冷剂流量技术的不断发展，在直接膨胀式变风量空调系统中应用变频压缩机和电子膨胀阀，以获取高精度的能量匹配以及节约能源成为最主要的替代方案之一。然而，配备变频压缩机的直接膨胀式变风量空调系统是一个非线性、多变量、时变及强耦合的控制目标。作为直接膨胀式变风量空调系统的固有特性，流经直接膨胀盘管的空气流量的急剧变化进一步加剧了系统的非线性。因此，传统的用于控制变频压缩机转速的、具有固定控制参数的比例-积分控制器很难适应系统的大范围变化的运行条件，送风温度的控制动作对大幅度干扰的反应较慢，甚至在某些运行条件下还会发生剧烈波动，因此稳定的送风温度控制难以实现。近期部分研究已经提出采用模糊控制、自适应控制，神经网络控制等现代控制方法来解决连续变工况运转的直接膨胀式制冷设备的能力控制难题，以提高设备能力控制的鲁棒性。虽然这些方法已经被证实可以改善具有大非线性控制特点的直接膨胀式制冷设备的控制性能，但是却已经显现出其替代比例-积分控制器的局限性。一方面的原因是这些现代控制方法都相对复杂而难以实施。例如，一个成功的神经网络控制算法需要大量的训练数据，而在实际应用中，这些训练数据往往难以获取。随着计算技术和直接数字控制技术的驯熟发展，用于制冷空调设备的控制器的计算和通讯能力得到了很大的加强，大量的设备运行参数能够同时实时地被检测、监控和处理。直接数字控制技术可为直接膨胀式变风量空调系统提供新的控制方法，以实现良好的精细的能力控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于直接膨胀式变风量空调系统的能力控制方法，该方法可解决具有大的非线性和连续变工况运转的直接膨胀式变风量空调系统的能力控制难题，精确匹配直接膨胀式制冷机组的输出冷量与系统风侧的冷负荷，解耦控制压缩机转速控制回路和电子膨胀阀开度控制回路，实现良好的区域温度的分区独立控制。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
本发明是一种用于直接膨胀式变风量空调系统的能力控制方法，它包括以下步骤：
(1) 利用压力无关型变风量末端具有内置的空气流量传感器获取当前流经该末端的真实空气流量的数字信号，计算通过各个变风量末端的空气流量的总和,即，经过直接膨胀式冷却盘管的空气流量 
；实时测量进入直接膨胀式冷却盘管的空气干、湿球温度，根据空气状态方程估算进风的焓值
；通过状态方程计算离开直接膨胀式空调盘管的空气的焓值；然后，根据如下公式计算直接膨胀式冷却盘管的制冷量
：
(2)实时测量压缩机吸入管的过热制冷剂的温度和压力，计算压缩机吸口的过热制冷剂的焓值，且该焓值
等于离开直接膨胀式冷却盘管的制冷剂的焓值
；实时测量的冷凝压力计算离开储液器的制冷剂的焓值且该焓值等于进入直接膨胀蒸发器的制冷剂焓值
；
直接膨胀式制冷设备的单位输出冷量
则根据如下公式进行计算：
(3) 为了维持离开直接膨胀式冷却盘管的空气温度在其设定值，根据直接膨胀冷却盘管风侧和制冷剂侧能量平衡的原则，直接膨胀式冷却盘管的输出冷量等于风侧所需的冷量
，则所需要的经过直接膨胀式冷却盘管的制冷剂流量
，即变频压缩机的制冷剂流量，根据如下公式计算：
(4)根据在压缩机吸入口所测量的温度和压力利用制冷剂的状态方程计算进入压缩机的过热制冷剂的比容
；根据压缩机的几何参数进行计算容积式的压缩机的行程容积
；压缩机的容积系数
可以根据厂家提供的参数获取，所需要的压缩机转速可以根据如下公式计算：
（5）引入一个“死区”作为系统能力控制方法的一部分，用于调节压缩机的转速，实现压缩机转速控制和电子膨胀阀开度控制两个回路之间的解耦；“死区”算法的执行如下：
这里，
是“死区”，如将
设定为5%，即在前后两次采样的时间间隔内，如果所计算出的压缩机的转速变化不大于5%时，则不对压缩机转速进行调节，压缩机转速保持在上一次采样时间点的转速；
是实际压缩机转速，
是计算出的当前压缩机转速；
是上一个采样时间点压缩机的转速，
是控制采样时间；
为计算绝对值的函数，即当计算结果为负值时，取其绝对值；
确定压缩机所需的转速后，驱动压缩机的变频器的频率
则通过如下公式获取：
这里，s是转子的滑移系数，PL是转子的电极数量，
是压缩机转速。
采用上述方案后，本发明采用一种新的方法实现对直接膨胀式变风量空调系统的能力控制，它由一个压缩机转速的数值计算算法和一个“死区”设置组成。数值计算算法利用实时测量的系统运行参数，直接计算出压缩机所需要的转速。首先，通过直接膨胀式变风量空调系统风侧和制冷剂侧的能量平衡关系计算出系统的冷负荷；然后，根据所测量的制冷剂侧的温度与压力，计算出制冷机组的单位制冷量；接着，根据冷负荷和单位制冷量计算出所需的系统制冷剂流量；最后，结合压缩机的几何参数和性能参数，计算出压缩机的转速。设置“死区”的目的在于解耦压缩机转速控制回路与电子膨胀阀开度控制回路，通过设定“死区”，实现较为剧烈的负荷变化由相应的压缩机转速调节进行响应，较小的负荷变化则由电子膨胀阀开度调节进行响应。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是依据本发明方法设计的直接膨胀式变风量空调系统的结构示意图；
图2是用于本发明的基本流程图；
图3是依据本发明方法设计的直接膨胀式变风量空调系统的区域温度随时间的变化曲线；
图4是依据本发明方法设计的直接膨胀式变风量空调系统的送风温度随时间的变化曲线；
图5是依据本发明方法设计的直接膨胀式变风量空调系统的电子膨胀阀开度随时间的变化曲线；
图6是依据本发明方法设计的直接膨胀式变风量空调系统的压缩机转速随时间的变化曲线。
图1中的标号：
1-1：变容量压缩机，1-2：冷凝器，1-3：电子膨胀阀，1-4：直接数字控制器，2-1：空气处理箱，2-2：新风阀，2-3：回风阀，2-4：过滤器，2-5：直接膨胀式冷却盘管（蒸发器），2-6：变频风机，2-7：变频器，2-8：静压传感器，2-9：压力无关型变风量末端，2-10：室温传感器，2-11：散流器。
具体实施方式
如图1所示，本发明所针对的直接膨胀式变风量空调系统由直接膨胀式制冷机组1和变风量送风系统2两个部分组成，包括以下重要设备：压力无关型变风量末端2-9、变容量压缩机1-1、电子膨胀阀1-3和变频风机2-6。
如图2所示，本发明是一种用于直接膨胀式变风量空调系统的能力控制方法，它主要由压缩机转速的数值计算算法（步骤1－4）和“死区”（步骤5）两部分组成，其具体实施步骤如下:
1、 利用压力无关型变风量末端具有内置的空气流量传感器获取当前流经该末端的真实空气流量的数字信号，计算通过各个变风量末端的空气流量的总和，这个流量总和可以认为等于经过直接膨胀式冷却盘管的空气流量
。利用进入直接膨胀式冷却盘管的空气的实时测量的干、湿球温度，根据空气状态方程估算进风的焓值
。假设离开直接膨胀式冷却盘管的空气温度为供风温度设定值减去一个固定的由于流经送风风机而引起的空气温升。然后，通过状态方程计算离开直接膨胀式空调盘管的空气的焓值
。然后，根据如下公式计算直接膨胀冷却盘管的制冷量：
2、实时测量压缩机吸入管的过热制冷剂的温度和压力，计算压缩机吸口的过热制冷剂的焓值
。忽略从直接膨胀蒸发器出口到压缩机吸入口的管路阻力损失，离开直接膨胀蒸发器的制冷剂的焓值根据如下公式进行计算：
根据实时测量的冷凝压力计算离开储液器的制冷剂的焓值
。忽略制冷剂在液管的能量损失，进入直接膨胀蒸发器的制冷剂焓值
则根据如下公式进行计算：
直接膨胀制冷设备的单位输出冷量
则根据如下公式进行计算：
3、 为了维持离开直接膨胀式空调盘管的空气温度在其设定值，根据直接膨胀式冷却盘管风侧和制冷剂侧能量平衡的原则，直接膨胀式冷却盘管的输出冷量
应等于风侧所需的冷量，如下：
则所需要的经过直接膨胀式冷却盘管的制冷剂流量
，即变频压缩机的制冷剂流量，根据如下公式计算：
4、根据在压缩机吸入口所测量的温度和压力利用制冷剂的状态方程计算进入压缩机的过热制冷剂的比容
。容积式的压缩机的行程容积
可以根据压缩机的几何参数进行计算。压缩机的容积系数
可以根据厂家提供的参数获取，所需要的压缩机转速
可以根据如下公式计算：
5、引入一个“死区”作为系统能力控制方法的一部分，用于调节压缩机的转速，实现压缩机转速控制和电子膨胀阀开度控制两个回路之间的解耦。“死区”算法的执行如下：
这里，
是“死区”，如将
设定为5%，即在前后两次采样的时间间隔内，如果所计算出的压缩机的转速变化不大于5%时，则不对压缩机转速进行调节，压缩机转速保持在上一次采样时间点的转速；
是实际压缩机转速，
是计算出的当前压缩机转速；是上一个采样时间点压缩机的转速，是控制采样时间。
为计算绝对值的函数，即当计算结果为负值时，取其绝对值。
确定压缩机所需的转速后，驱动压缩机的变频器的频率
则通过如下公式获取：
这里，s是转子的滑移系数，PL是转子的电极数量，
是压缩机转速。
本发明的实际应用实例：
将本发明的能力控制方法应用于如图1所示的直接膨胀式变风量空调系统中，该系统具有两个空调区域：房间A和房间B。根据如图2所示的本发明处理流程，利用本发明对该直接膨胀式变风量空调系统的能力进行控制。起始时房间A和房间B的温度维持在23.5和23℃，在第420秒将房间A的设定温度阶跃变化到25℃，系统按照本发明的能力控制方法对压缩机转度和电子膨胀阀开度进行调节，以响应系统的阶跃变化；当房间A的设定温度从23.5℃阶跃变化到25℃时，房间A的变风量末端阀门开度减小，风量减小（从670m 3 /h减小为350m 3 /h），风侧所需的冷负荷亦随之减小（在50秒内从6.8 kW降低到5.5 kW）；为了匹配减小的风侧冷负荷，当根据数值计算算法计算出的压缩机转速超出“死区”限制范围时，压缩机的转速随即下降（从420S时的72Hz 降低到460S时的55Hz），同时，电子膨胀阀开度减小；运行结果如图3~图6所示，实施结果表明系统的送风温度能被稳定在给定温度，房间A的室温最终被控制在新的设定温度25℃处，且室温波动范围小于0.3℃；房间B的室温则始终控制在25℃；室温控制精度高，控制性能良好。
大量的实验表明，本发明可以通过预先调节压缩机转速来克服大的外部干扰，很好地实现了对送风温度和区域温度的控制，具有很好的控制性能。本发明能够解决具有大的非线性和连续变工况运转的直接膨胀式变风量空调系统的能力控制难题。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (1)
1.一种用于直接膨胀式变风量空调系统的能力控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：
(1) 利用压力无关型变风量末端具有的内置的空气流量传感器获取当前流经该末端的空气流量的数字信号，计算通过各个压力无关型变风量末端的空气流量的总和,即，经过直接膨胀式冷却盘管的空气流量 ；实时测量进入直接膨胀式冷却盘管的空气干、湿球温度，根据空气状态方程估算进入直接膨胀式冷却盘管的空气的焓值
；通过空气状态方程计算离开直接膨胀式冷却盘管的空气的焓值
；然后，根据如下公式计算直接膨胀式冷却盘管空气侧所需的冷量：
(2)实时测量压缩机吸入口的过热制冷剂的温度和压力，计算压缩机吸入口的过热制冷剂的焓值
，且该焓值
等于离开直接膨胀式冷却盘管的制冷剂的焓值
；实时测量冷凝压力计算离开储液器的制冷剂的焓值，且该焓值等于进入直接膨胀式冷却盘管的制冷剂的焓值
；
直接膨胀式冷却盘管的单位输出冷量
则根据如下公式进行计算：
(3) 为了维持离开直接膨胀式冷却盘管的空气温度在其设定值，根据直接膨胀式冷却盘管空气侧和制冷剂侧能量平衡的原则，直接膨胀式冷却盘管的输出冷量
等于空气侧所需的冷量
，则所需要的经过直接膨胀式冷却盘管的制冷剂流量
，即压缩机的制冷剂流量，根据如下公式计算：
(4)根据在压缩机吸入口所测量的过热制冷剂的温度和压力，利用制冷剂的状态方程计算进入压缩机的过热制冷剂的比容
；根据压缩机的几何参数计算容积式的压缩机的行程容积
；压缩机的容积系数
可以根据厂家提供的参数获取，所需要的压缩机转速
可以根据如下公式计算：
（5）引入一个“死区”作为空调系统能力控制方法的一部分，用于调节压缩机的转速，实现压缩机转速控制和电子膨胀阀开度控制两个回路之间的解耦；“死区”算法的执行如下：
这里，是“死区”，在前后两次采样的时间间隔内，如果所计算出的压缩机转速变化百分比小于
，则不对压缩机转速进行调节，压缩机转速保持在上一次采样时间点的转速；
是所需要的压缩机转速，
是计算出的当前压缩机转速；是上一个采样时间点的压缩机转速，是控制采样时间间隔；
为计算绝对值的函数，即当计算结果为负值时，取其绝对值；
确定压缩机所需要的转速后，驱动压缩机的变频器的频率
则通过如下公式获取：
这里，s是转子的滑移系数，PL是转子的电极数量，
是所需要的压缩机转速。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130703 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |