CN108168031B

CN108168031B - 一种基于风阀位置重设定静压值的微调响应通风空调控制方法

Info

Publication number: CN108168031B
Application number: CN201711397051.2A
Authority: CN
Inventors: 高学金; 付龙晓
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2020-01-24
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: CN108168031A

Abstract

本发明公开一种基于风阀位置重设定静压值的微调响应通风空调控制方法，对楼宇通风空调风系统中管道静压重设定，根据风阀位置与静压值建立数学关系模型，风阀位置反映出末端房间的负荷，通过数学模型计算出管道静压，将静压值发送给空调处理机组(air handling unit,AHU)，AHU根据给定静压值通过PID控制回路调节风机转速，控制静压值维持在给定水平。本发明的研究对象为通风空调风系统，控制对象为管道静压值；末端风阀位置发送风量需求信号，风量需求不大时，减小静压设定值达到节能目的，风量需求增大时，系统可迅速跟上风量需求，末端不会出现饥饿区域，在满足区域舒适度的前提下，达到节能目的。

Description

一种基于风阀位置重设定静压值的微调响应通风空调控制方法

技术领域

本发明属于通风空调节能领域，针对变风量空调系统存在能源浪费的问题，提出一种基于风阀位置重设定静压的微调响应通风空调控制方法。具体是建立风阀位置与管道静压值的数学模型，通过区域负荷确定静压值的大小进而控制风机变频实现节能。

背景技术

暖通空调系统是多变量、多状态、强耦合系统，长期处于变工况，部分负荷运行状态。现在办公楼中空调系统设备选型偏大，长期按照满负荷参数运行，部分负荷时会造成能源的浪费。因此，根据区域具体负荷来设定空调设备运行参数不仅有利于节能减排，对增加设备寿命提高人们的舒适度有很重要的意义。

目前，办公楼里安装变风量空调系统，系统末端风阀控制进入区域的风量，传统的控制方法是定静压控制法，控制管道静压保持不变，改变送风温度使室内温度维持在设定温度。但是风量不变会造成室内空气不能很好的流通，造成室内空气质量下降。变静压法可以通过改变管道静压值从而改变室内的进风量，促进室内空气流通，但是风量过大或者过小都会使区域不能满足人体舒适度。如果可以根据室内负荷设定管道静压值，从而控制区域的进风量，就可以满足室内风量需求。末端风阀开度可以反映室内负荷，建立风阀开度与静压值之间的数学模型，可以有效的提高能源利用率，改善室内空气质量。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种基于风阀位置重设定静压的微调响应通风空调控制方法，建立了风阀开度与静压值之间的数学模型，通过PID控制静压值，改变风机频率，实现节能目的。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于风阀位置重设定静压的微调响应通风空调控制方法，包括以下步骤：

步骤1、空调系统末端风阀发送房间风量需求

空调系统末端风阀位置随着房间负荷的增大开度变大，开度信号为u∈(0,1)，当

1)风阀开度达到95％，直到降到85％，发送一个需求，

2)风阀开度低于70％长达一分钟，发送两个需求，

3)风阀开度低于50％长达一分钟，发送三个需求，

否则不发送请求；

步骤2、空调系统空气处理机组(AHU)响应末端风阀请求

空调系统存在i个末端，设置一个忽略请求I，末端的总需求为

其中，r_i为每个末端发送的需求，M为末端的权重系数，

当末端总需求R小于忽略需求I时，管道静压的设定值(SP(k))为

SP(k)＝SP(k-1)-trim

其中，k表示当前时刻，k-1表示上一时刻，trim表示静压每次减小的幅度，

当末端总需求R大于忽略需求I时，静压设定值由下式计算来迅速跟上负荷的变化，

其中，SP_max表示静压值的设定上限，即满负荷运行时的静压值，

表示部分负荷比率；

静压值完毕后，空气处理机组将静压值SP(k)作为PID控制回路的输入量，反馈参数由压力传感器采集得到，变频器根据偏差调节风机频率，控制风系统的送风量。

作为优选，步骤1所述的发送风量需求，末端风阀设置开度传感器，将开度信号u传给控制器。

作为优选，步骤2中所述的忽略请求I可由下式计算得到：

其中d_2，3表示发送两个或者三个请求的末端风阀的个数，d₁表示发送一个请求的末端风阀的个数。

作为优选，每隔20分钟采集一次末端需求，计算出请求总数R和忽略请求 I，通过控制器计算出压力设定值，将压力设定值通过PID控制输入，根据设定值与偏差，调节风机的频率，从而调节风量，满足室内风量需求，节能控制方法的具体控制流程如下：

首先开机后系统延迟T＝5min，初始化静压值SP₀＝200Pa，检查风阀末端发来的风量需求R，控制器计算忽略请求I，判断R与I的大小，在根据设定好的数学模型计算出当前时刻静压值SP(k),将静压值作为PID的输入信号输入到控制回路，PID控制器根据静压值计算出风机频率，变频器控制风机改变频率运行改变末端送风量，压力传感器检测管道静压值作为反馈信号，具体的误差控制在设定值的±0.5Pa左右，此控制回路的控制变量为静压值，控制对象为风机。

本发明基于风阀开度重设定管道静压值的控制方法，依据风阀开度可以反映房间负荷的特点，采用变静压的策略实现系统的节能，有效的提高了能源利用率和室内舒适度。

附图说明

图1是通风空调风系统的示意图；

图2是节能控制方法的循环规则图；

图3是PID控制回路图；

图4是纵向对比时送风温度变化曲线；

图5是纵向对比时室内温度变化曲线；

图6是纵向对比时风机频率变化曲线；

图7是横向对比时送风温度变化曲线；

图8是横向对比时室内温度变化曲线。

图9是横向对比时风机频率变化曲线；

图10是节能控制方法静压值变化曲线。

具体实施方式

本发明提供一种基于风阀位置重设定静压的微调响应通风空调控制方法，其对象为变风量空调系统的风系统，变风量空调系统的示意图如图1所示。系统包括送风阀、回风阀、空气处理机组、热水盘管，系统末端风阀和末端区域。

(1)末端风阀发送风量需求

房间末端风阀位置随着房间负荷的增大开度变大，开度为u∈(0,1)末端房间发送风量需求的规则如下：

①风阀开度u达到95％，直到降到85％，发送一个需求。

②风阀开度u低于70％长达一分钟，发送两个需求。

③风阀开度u低于50％长达一分钟，发送三个需求。

④否则不发送请求。

每个末端发送需求给空气处理机组的控制器，控制器首先计算总需求R，

其中，k为当前时刻，r_i为第i个末端发送的需求书，M为每个末端所占的权重。末端的权重由末端房间的实际人数和重要程度来决定，需要人为设定。为避免房间产生过冷或者过热状态设置一个忽略请求I，忽略请求由末端总需求得到，

其中d_2，3表示发送两个或者三个需求的末端的个数，d₁为发送一个需求的末端的个数，分式表示了末端需求比例。

(2)空气处理机组响应需求

空气处理机组接收到末端需求后，需要根据需求重设定管道静压值SP(k)，

其计算公式如下：

①当R小于I时，

SP(k)＝SP(k-1)-trim (3)

其中，SP(k-1)为上一时刻静压值，trim为静压值每次的减值幅度。

②当R大于I时，

其中，SP_max静压值的最大值，即满负荷运行时管道的静压值，

表示部分负荷所占满负荷的比率，整个系统的循环规则如图2所示。

如图3所示，静压值完毕后，空气处理机组将静压值SP(k)作为PID控制回路的输入量，反馈参数由压力传感器采集得到，变频器根据偏差调节风机频率，控制风系统的送风量。每次采集末端需求的步长为二十分钟，即二十分钟重设定一次静压值，调节风机转速。

实施例1：

为了验证本发明的节能效果，将本发明的控制策略应用在北京某办公大楼，所描述的示例只是本发明的一个应用，并不代表全部。

本发明在实施过程中，将控制逻辑写进Niagara AX软件的控制模块，算法模块输入信号为所有VAV末端的阀位反馈信号，输出信号为风压设定点。模块中包括每一个VAV末端发出需求信号的规则和AHU风压再设定的逻辑。

实验大厦采用两台空调处理机组，三层楼105个末端房间。表冷器制冷量为612Kw，工作压力为1.6mpa，送风机风量54000m3/h，功率37KW，电压380V，冷冻水进水压力为0.8mpa，冷冻水出水压力为0.75mpa，热水进水压力为0.65mpa 热水出水压力为0.6mpa。实验首先编写控制逻辑包括VAV末端需求响应的发送和AHU设定静压的规则，解决的关键问题是：

①实现静压设定值的开机自设定；

②实现末端风阀开度从85％到全开再到70％有方向性的需求变化；

为了实现节能效果对比，选取另外三层楼作为对比区域，试验阶段一直运行总风量法，试验区的三层楼每周一、三、五运行本发明的控制策略，二、四、六运总风量法。比较的依据是在室内温度相差不多的情况下，即都满足室内舒适度的情况下，风机的频率反应出系统的节能率。

实验过程中设定开机时系统的初始静压SP₀＝200Pa，开机延迟T_d＝5min，控制循环步长T＝20min，单次减压量trim＝15Pa，最大静压值SP_max＝400Pa。在进行数据处理时，分为横向对比和纵向对比：

(1)纵向对比

试验区中运行本发明控制策略的工况和运行总风量法的工况对比，选取室外温度相同的工况做对比，由能量公式

Q＝cmΔt (5) Q为房间负荷，C为水的比热容，m为质量风量，Δt为送风温度与室内温度差值，为在相同负荷下进行对比：

cm₀Δt₁＝cm₂Δt₂ (6)

m₀为在总风量法下达到和应用本发明控制策略的区域的温差一样所需要的风量，下标1代表本发明的控制法，下表2代表总风量法，

m＝ρv (7)

ρ为空气密度，v为体积风量，根据体积风量之比等于风机频率之比，

f₀₁为总风量法下达到本发明控制策略的区域的温差一样时风机的频率，根据风机能耗与风机频率的3次方成正比的定律，节能风机能耗可通过下面公式算出：

(2)横向对比

横向对比为同一天内试验区(应用本发明的控制策略)与对比区(应用总风量法策略)之比。由于两个区的负荷不是完全一致，首先要决定两个区在同时运行总风量时风机能耗的差值。在同时运行总风量时建立两个区的平衡方程

Q₁＝Q₂+Q_e (10) 下标1为试验区，2为对比区，Qe为两个区差值。由式(5)到(8)可以得到：

根据实际实验测得v_e/v₁＝0.004,下一步，与纵向对比类似，确定比较基准点。试验区得到的工况为m₁△t₁,对比区总风量法得到的工况为m₂△t₂。需要求出在总风量方法下达到△t₁需要的风量m₀，并考虑两个区的差值。

所以节能率同样可以根据式(9)得到。

实验对比图如说明书附图4-9可得到，在室外温度和送风温度都相差不多时，本发明提出的控制策略相比总风量法节能12％。本发明基于风阀位置再设定静压值的变化曲线如说明书附图10所示，控制过程稳定。

本发明的一种地铁站空调水系统变频控制节能方法不局限于上述示例所属的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种基于风阀位置重设定静压的微调响应通风空调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、空调系统末端风阀发送房间风量需求；

1)风阀开度达到95％，直到降到85％，发送一个需求，

2)风阀开度低于70％长达一分钟，发送两个需求，

3)风阀开度低于50％长达一分钟，发送三个需求，

否则不发送需求；

步骤2、空调系统空气处理机组AHU响应末端风阀需求；

空调系统存在i个末端，设置一个忽略需求I，末端的总需求为R,其中，r_i为每个末端发送的需求，M为末端的权重系数，

当末端总需求R小于忽略需求I时，管道静压的设定值SP(k)为

SP(k)＝SP(k-1)-trim

表示部分负荷比率；

静压值完毕后，空气处理机组将静压值SP(k)作为PID控制回路的输入量，反馈参数由压力传感器采集得到，变频器根据偏差调节风机频率，控制风系统的送风量；步骤2中所述的忽略需求I可由下式计算得到：

其中d_2，3表示发送两个或者三个需求的末端风阀的个数，d₁表示发送一个需求的末端风阀的个数。

2.根据权利要求1所述的一种基于风阀位置重设定静压的微调响应通风空调控制方法，其特征在于：步骤1所述的发送风量需求，末端风阀设置开度传感器，将开度信号u传给控制器。

3.根据权利要求1所述的一种基于风阀位置重设定静压的微调响应通风空调控制方法，其特征在于：每隔20分钟采集一次末端需求，计算出需求总数R和忽略需求I，通过控制器计算出压力设定值，将压力设定值通过PID控制输入，根据设定值与偏差，调节风机的频率，从而调节风量，满足室内风量需求，节能控制方法的具体控制流程如下：

首先开机后系统延迟T＝5min，初始化静压值SP₀＝200Pa，检查风阀末端发来的风量需求R，控制器计算忽略需求I，判断R与I的大小，在根据设定好的数学模型计算出当前时刻静压值SP(k),将静压值作为PID的输入信号输入到控制回路，PID控制器根据静压值计算出风机频率，变频器控制风机改变频率运行改变末端送风量，压力传感器检测管道静压值作为反馈信号，具体的误差控制在设定值的±0.5Pa左右，此控制回路的控制变量为静压值，控制对象为风机。