CN107355942B - 基于绝对湿度的变风量空调室内温湿度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于绝对湿度的变风量空调室内温湿度控制方法，针对夏季工况，温度和湿度控制采用了联合串级双闭环控制。湿度控制环节是通过内环调节冷冻水阀开度改变送风露点，外环通过改变露点设定值调节房间湿度；温度控制环节通过调节末端风阀改变送风量实现温度控制。针对相对湿度和温度之间的耦合性，引入了绝对湿度进行露点除湿。针对温湿度控制回路之间的耦合现象，在控制回路引入不同的修正系数进行解耦协调，实现了舒适性和经济节能的统一。

Description

基于绝对湿度的变风量空调室内温湿度控制方法

技术领域

本发明属于变风量空调系统领域，具体涉及变风量空调室内温湿度控制，特别是一种基于绝对湿度控湿的变风量中央空调系统室内温湿度方法。

技术背景

夏季是空调系统能源需求最突出的季节，主要原因在于环境湿度和温度的上升。湿度主要影响人体的热代谢和水盐代谢，随着人们对舒适度要求的提高，温湿度控制成为夏季空调的关键，是国内外空调学者的研究热点。为了使空调房间维持适宜的温湿度，需采取除湿措施。相对湿度与温度之间存在耦合，而绝对湿度与温度之间并无此现象，对此本发明引入绝对湿度进行露点除湿控制研究。国内外学者对温湿度控制策略、解耦方法和末端装置进行了大量研究，但目前还没有见到基于绝对湿度控湿和末端控制的室内温湿度控制。

发明内容

针对现有技术中还没有在基于绝对湿度控湿和末端结合起来的室内温室度控制方法的问题，本发明的目的在于，提出一种基于绝对湿度的变风量空调室内温湿度控制方法，力求舒适性和经济节能的统一。

一种基于绝对湿度的变风量空调室内温湿度控制方法，包括以下步骤：

步骤一，在需要调节温湿度的室内安装空调末端设备，空调末端设备包括调节风管，调节风管中安装有电动风阀，调节风管与中央空调内的送风机连接，调节风管内安装有风量传感器；本方案中还设置有温度控制器、风量控制器、湿度控制器、送风露点控制器，在室内设置有温度传感器、相对湿度传感器，在中央空调的表冷器一侧安装有送风露点传感器；

步骤二，在温度控制器中设定室内温度参考值T_s，利用温度传感器采集当前室内温度值T_r，然后计算二者差值e_T；

在湿度控制器中设定室内相对湿度参考值H_s，结合设定的室内温度参考值T_s，计算绝对湿度参考值d_s，计算公式为：

利用相对湿度传感器采集室内的相对湿度H_r，结合当前室内温度值T_r，计算房间的绝对湿度实际值d_r，计算公式为：

计算绝对湿度参考值d_s和绝对湿度实际值d_r的差值e_d；

步骤三，在温度控制器中将所述的差值e_T利用PID控制算法进行运算，生成风量控制参考值G_s，通过风量传感器采集当前的实际风量G_r，利用式3计算参数e_f，并将e_f输送给风量控制器；

e_f＝δ(T_s,set-T_s,set0)+G_s-G_r 式3

在上式中，T_s,set为送风温度设定值，T_s,set0为上时刻送风温度设定值，δ表示风量修正系数，取值范围为0.05～0.12；

在湿度控制器中将所述的差值e_d利用PID控制算法进行运算，生成送风温度设定值T_s,set，通过送风露点传感器采集当前的送风露点值T_sr，利用式4计算e_w，并将e_w输送给送风露点控制器；

e_w＝μ(G_s-G_s0)+T_s，set-T_sr 式4

在上式中，G_s为风量控制参考值，G_s0为上时刻风量控制参考值，μ表示露点修正系数，取值范围为0.1～0.2；

步骤四，针对于e_f，风量控制器利用PID控制算法进行运算，生成用于调节电动风阀开度的驱动信号u_g，并对电动风阀进行开度调节；

针对于e_w，送风露点控制器利用PID控制算法进行运算，生成用于调节中央空调中冷冻水阀开度的驱动信号u_T，并对冷冻水阀进行开度调节。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

1.本发明一种基于绝对湿度的变风量空调室内温湿度控制方法，其室内温度控制和湿度控制采用联合串级双闭环控制，同时，房间温度控制内环采用末端控制风量，外环则用风量控制房间温度；房间湿度控制内环采用表冷器控制露点，外环则采用房间湿度控制器控制露点除湿，其中湿度是转化后的绝对湿度。

2.本发明引入了绝对湿度进行露点除湿，解除了相对湿度和温度之间的耦合现象，使空调系统更加节能；本发明针对温湿度控制回路之间的耦合现象，在控制回路引入不同的修正系数进行解耦协调。

3.本发明在西安建筑科技大学智能建筑研究所变风量中央空调系统中进行了室内温湿度控制实验，并在实验中得到了验证，方法可行，具有良好的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的控制原理图；

图2为本发明中传感器和控制器的布设结构示意图；

图3为仿真实验中房间温度仿真控制效果图；

图4为仿真实验中房间湿度仿真控制效果图；

图5为未加入修正系数时房间温湿度控制效果仿真图；

图6为加入修正系数后房间温湿度控制效果仿真图；

图中标号代表：1—室内，2—调节风管，3—电动风阀，4—风量控制器，5—风量传感器，6—温度控制器，7—温度传感器，8—上位机，9—湿度控制器，10—送风露点控制器，11—送风机，12—送风露点传感器，13—表冷器，14—冷冻水阀，15—相对湿度传感器。

具体实施方式

本发明提供了一种基于绝对湿度的变风量空调室内温湿度控制方法，包括以下步骤：

步骤一，在需要调节温湿度的室内1安装空调末端设备，空调末端设备包括调节风管2，调节风管2上安装有电动风阀3，通过调节电动风阀3的开度，以影响通过调节风管2向室内1的送风量；通过送风量的控制，来影响室内的温度，从而达到对室内温度调节的目的。

调节风管2与中央空调内的送风机11连接，将送风机11的风力导入到室内；调节风管2内安装有风量传感器5，用于采集当前调节风管2内的风量；该系统还包括温度控制器6、风量控制器4、湿度控制器9、送风露点控制器10，这四个控制器均为PID控制器；在室内1设置有温度传感器7和相对湿度传感器15，分别用于采集室内的温度和相对湿度；在中央空调的表冷器13的一侧安装有送风露点传感器12，用于采集送风露点，即送风温度。通过对中央空调内冷冻水阀14开度的调节，控制表冷器13内的冷冻水流量，来实现对新风的露点调节，从而实现不同温度的除湿。

本方案的各个控制器和元器件中，温度控制器、湿度控制器连接并与上位机或者控制面板连接，温度传感器与温度控制器连接，风量传感器与风量控制器连接，送风露点传感器与送风露点控制器连接，相对湿度传感器与湿度控制器连接，温度控制器与风量控制器连接，湿度控制器与送风露点控制器连接，风量控制器与电动风阀连接，送风露点控制器与冷冻水阀连接。

步骤二，在温度控制器中设定室内温度参考值Ts，该参考值可通过与温度控制器连接的控制面板或者上位机8来进行设定，室内温度参考值即用户期望室内最终达到的温度值；利用室内的温度传感器采集当前室内温度值Tr，计算二者差值e_T；

在湿度控制器中设定室内相对湿度参考值H_s，该参考值即用户期望室内最终达到的湿度值；结合设定的室内温度参考值T_s，计算绝对湿度参考值d_s，计算公式为：

利用相对湿度传感器采集室内的相对湿度H_r，结合当前室内温度值T_r，计算房间绝对湿度实际值d_r，计算公式为：

计算绝对湿度参考值d_s和绝对湿度实际值d_r的差值e_d；

步骤三，在温度控制器中将所述的差值e_T利用PID控制算法进行运算，其中PID控制算法的参数利用人工整定法确定，生成风量控制参考值G_s，通过风量传感器采集当前的实际风量G_r，利用式3计算参数e_f，并将e_f输送给风量控制器；

e_f＝δ(T_s,set-T_s,set0)+G_s-G_r 式3

在上式中，T_s,set为送风温度设定值，通过下面的步骤计算得到；T_s,set0为上时刻送风温度设定值，送风温度设定值在湿度控制器中计算生成，是一个随时间变动的值，这里的上时刻是指当前送风温度设定值变动之前的数值；δ表示风量修正系数，取值范围为0.05～0.12，本实施例中，风量修正系数取值为0.082。

在湿度控制器中将所述的差值e_d利用PID控制算法进行运算，其中PID控制算法的参数利用人工整定法确定，生成送风温度设定值T_s，set，通过送风露点传感器采集当前的送风露点值T_sr，利用式4计算e_w，并将e_w输送给送风露点控制器；

e_w＝μ(G_s-G_s0)+T_s，set-T_sr 式4

在上式中，G_s为风量控制参考值，G_s0为上时刻风量控制参考值；风量控制参考值在温度控制器中运算生成，是一个随时间变动的值，这里的上时刻是指当前风量控制参考值变动之前的数值；μ表示露点修正系数，取值范围为0.1～0.2，本实施例中，露点修正系数取值为0.117。

步骤四，针对于e_f，风量控制器利用PID控制算法进行运算，生成用于调节电动风阀开度的驱动信号u_g，并对电动风阀进行开度调节；

针对于e_w，送风露点控制器利用PID控制算法进行运算，生成用于调节中央空调中冷冻水阀开度的驱动信号u_T，并对冷冻水阀进行开度调节。

在本方案中，所述的PID控制算法的参数利用人工整定法确定，这里的人工整定法可以是Z-N整定法、衰减曲线法等，是本领域普遍且通用的确定方法，在此不赘述。

实验仿真：

申请人利用Matlab对本申请的技术方案进行了仿真，在仿真结果中，从图3可以看出，温度控制回路未加载风量修正系数δ时，控制出现了一定的超调和震荡，调整时间较长；加载δ后调整时间缩短至1200s左右，且没有超调和震荡。从图4可以看出，湿度控制回路未加载露点修正系数μ时，控制前期出现了震荡，调整时间较长。加载了μ后，虽然有一定的超调量，但响应速度加快，调整时间缩短至500s左右，具体性能参数见表1。综上所述，温湿度联合控制下系统总体控制效果有明显提升。

表1房间温湿度控制性能指标

夏季工况下，将上述控制方案在空调系统实验平台进行研究调试，根据系统非线性大滞后的实际情况下设计了增量式PID控制器和单神经元自适应PID控制器。室内温湿度设定值分别为25℃和60％，运行4000s左右系统达到稳定状态，其控制效果如图5所示。房间温度稳定于25.5±1℃，湿度稳定于63±3％，系统调节时间较长；

实验中系统波动较大，主要原因是由于末端系统工况复杂，实验系统与模型仿真的理想工况相比受到内外扰动的作用，工作状态发生了变化。对此，在上述室内温湿度串级双闭环联合控制的基础上，经过反复测试研究得到温湿度修正系数：δ＝0.082，μ＝0.117。加入修正系数，再次进行实验，运行802s达到稳定，其控制效果如图6所示。房间温度稳定于25±0.5℃，湿度稳定于60±2％，系统调节时间较之前明显减少；以上表明系统加载修正系数后总体控制效果有明显提升，本文提出的方法能较好的进行室内温湿度控制。

Claims (1)

1.一种基于绝对湿度的变风量空调室内温湿度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在需要调节温湿度的室内安装空调末端设备，空调末端设备包括调节风管，调节风管中安装有电动风阀，调节风管与中央空调内的送风机连接，调节风管内安装有风量传感器；本方案中还设置有温度控制器、风量控制器、湿度控制器、送风露点控制器，在室内设置有温度传感器、相对湿度传感器，在中央空调的表冷器一侧安装有送风露点传感器；

步骤二，在温度控制器中设定室内温度参考值T_s，利用温度传感器采集当前室内温度值T_r，然后计算二者差值e_T；

在湿度控制器中设定室内相对湿度参考值H_s，结合设定的室内温度参考值T_s，计算绝对湿度参考值d_s，计算公式为：

利用相对湿度传感器采集室内的相对湿度H_r，结合当前室内温度值T_r，计算房间的绝对湿度实际值d_r，计算公式为：

计算绝对湿度参考值d_s和绝对湿度实际值d_r的差值e_d；

步骤三，在温度控制器中将所述的差值e_T利用PID控制算法进行运算，生成风量控制参考值G_s，通过风量传感器采集当前的实际风量G_r，利用式3计算参数e_f，并将e_f输送给风量控制器；

e_f＝δ(T_s,set-T_s,set0)+G_s-G_r 式3

在上式中，T_s,set为送风温度设定值，T_s,set0为上时刻送风温度设定值，δ表示风量修正系数，取值范围为0.05～0.12；

在湿度控制器中将所述的差值e_d利用PID控制算法进行运算，生成送风温度设定值T_s,set，通过送风露点传感器采集当前的送风露点值T_sr，利用式4计算e_w，并将e_w输送给送风露点控制器；

e_w＝μ(G_s-G_s0)+T_s，set-T_sr 式4

在上式中，G_s为风量控制参考值，G_s0为上时刻风量控制参考值，μ表示露点修正系数，取值范围为0.1～0.2；

步骤四，针对于e_f，风量控制器利用PID控制算法进行运算，生成用于调节电动风阀开度的驱动信号u_g，并对电动风阀进行开度调节；

针对于e_w，送风露点控制器利用PID控制算法进行运算，生成用于调节中央空调中冷冻水阀开度的驱动信号u_T，并对冷冻水阀进行开度调节。