CN109990445A - 一种变风量空调系统节能控制器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变风量空调系统节能控制器，涉及空气调节和通风节能控制技术领域，包括控制主机，CPU运算器，存储器，模拟信号输入接口，RS485通讯接口，电动风阀执行器，变风量风阀，风机频率控制器，变频风机，室内温度传感器，室外温度传感器；所述CPU运算器，所述存储器，所述模拟信号输入接口，及所述RS485通讯接口均置于所述控制主机中；所述室内温度传感器置于空调房间中。本发明可实现变风量空调系统诸多末端的集成控制，通过室内温度实时动态优化设定，保证人体热舒适和健康前提下，实现节能控制，同时，控制程序还提供基于末端阀门状态反馈的变静压控制流程，从而具有实现系统最大程度的节能技术效果。

Description

一种变风量空调系统节能控制器及方法

技术领域

本发明涉及空气调节和通风节能控制技术领域，尤其涉及一种变风量空调系统节能控制器及方法。

背景技术

变风量(Variable Air Volume，VAV)空调系统作为全风量空调系统的一种形式，因系统的室内空气品质良好、部分负荷时节能性能优越以及空调区域控制灵活，目前在建筑空调中得到了广泛应用。

控制系统是变风量空调系统稳定、节能运行的关键。目前，变风量控制系统通常采用三种控制方法：(1)定静压控制，变静压控制和总风量控制。定静压控制的工作原理是在风机出风管处设置风管静压传感器，当负荷变化时变风量末端风阀开度将发生变化，进而引起风管静压变化，系统控制器根据设定静压值与实测静压值的偏差调节变频风机的输入频率，使静压实测值稳定在设定值，以满足系统送风量需求的变化。(2)总风量控制，其工作原理是当负荷变化时变风量末端风量将发生变化，系统控制器采集各变风量末端的实际风量并计算出总需求风量，然后根据实际总风量与总需求风量的偏差调节变频风机的输入频率，使实际总风量满足需求总风量。(3)变静控制，其基本工作原理是根据变风量末端风阀开度调节变频风机的输入频率。

定静压控制方法简单可靠，经对现有技术的文献检索发现，中国专利(申请)号为CN201620225600.2，名称为一种变风量节能中央空调系统，本发明公开了一种变风量节能中央空调系统，包括主通风管道、风机、通风支管以及低温送风装置，其中，所述低温送风装置设置在通风支管末端，所述通风支管上设置有获取通风支管静压的压力传感器；所述低温送风装置包括与通风支管连接的连接段、设置在所述连接段内的圆形阀门以及执行机构。但定静压控制方法在部分空调负荷情况下，变风量末端装置的阀门处于较小开度，因此系统运行不仅能耗浪费大，而且增加风系统噪声。

总风量控制方法及系统控制的参数是风量，简单直观，控制响应速度快。经对现有技术的文献检索发现，中国专利(申请)号为CN201710689953.7，名称为一种VAV变风量系统总风量法控制策略，提出的一种VAV变风量系统总风量法控制策略包括VAV系统实时需求总风量及VAV系统实时运行总风量，所述VAV系统实时需求总风量是根据实时需求风量值，即根据温差计算出来的实时需求风量，所述VAV系统实时运行总风量是根据实时运行风量值计算得到，经比较后通过调节AHU风机变频器来调节系统送风量。但总风量要求各末端风量测量精度高，否则，很难达到预期的控制效果。

变静压控制方法及系统尽可能保持变风量末端装置在较大开度利于节能，显然变静压控制方法较定静压控制方法更节能，尤其是低空调负荷情况。经对现有技术的文献检索发现，中国专利(申请)号为CN201010508816.7，名称为一种变风量空调系统的变静压控制方法，公开了一种变风量空调系统的变静压控制方法。变风量空调系统启动后，控制器实时统计正常工作VAV的数量N0，以及其中100％阀门开度VAV的数量Nh；实时采集各个正常工作VAV的阀门开度，并计算实际平均阀门开度V1；设定标准平均阀门开度V2和标准100％阀门开度VAV的数量Nb。当V1≥V2时，若Nh≥Nb，增加风机频率，直至Nh＜Nb；若Nh＜Nb，维持当前风机频率；当V1＜V2时，若Nh≥Nb时，增加风机频率，直至Nh＜Nb；若Nh＜Nb，降低风机频率，直至V1达到V2。本发明根据V1与V2的差值实现风机变频调节，且通过设定较高的V2保证空调系统节能运行。但该变静压控制方法只知道变化方向，无具体目标值，很难根据阀位变化确定风机频率，而且当末端风阀变化比较频繁时，整个控制系统将容易出现振荡失调。另外，控制系统没有考虑室内热环境优化节能控制。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种变风量空调系统节能控制器及方法，以实现最大程度的节能技术效果。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何更有效的控制空调风量变化以实现最大程度的节能技术效果。

为实现上述目的，本发明提供一种变风量空调系统节能控制器，包括控制主机，CPU运算器，存储器，模拟信号输入接口，RS485通讯接口，电动风阀执行器，变风量风阀，风机频率控制器，变频风机，室内温度传感器，室外温度传感器，所述CPU运算器，所述存储器，所述模拟信号输入接口，及所述RS485通讯接口均置于所述控制主机中，所述室内温度传感器置于空调房间中，所述电动风阀执行器一端和所述变风量风阀相连，所述电动风阀执行器另一端和所述RS485通讯接口相连，所述风机频率控制器的输入端和输出端分别与所述RS485通讯接口及所述变频风机相连，所述室内温度传感器及所述室外温度传感器与所述模拟信号输入端口相连。

进一步地，所述电动风阀执行器，所述变风量风阀，所述室内温度传感器，和所述空调房间的数量是相同的且大于等于2。

进一步地，所述控制主机中的模拟信号输入接口支持4～20mA和0～10V/0～5V物理信号，被设置为接入各种温度传感器，所述RS485通讯接口支持modbusRTU，modbusASCII，PPI串口协议。

进一步地，所述存储器内置一个变风量空调系统优化控制程序。

进一步地，所述变风量空调系统优化控制程序包括PID控制模块和一个风机频率控制模块，所述PID控制模块的数量大于等于2。

进一步地，所述PID控制模块用于控制所述变风量风阀7的开度，所述PID控制模块包含有四个关键参数，即P值，I值，D值和风阀控制周期△t。

进一步地，所述风机频率控制模块用于控制所述变频风机的运行频率，所述风机频率控制模块包含有十个关键参数，即初始风机频率f_o、最小风机频率f_min、最大风机频率f_max、末端风阀开度上限值K_max、开度大于K_max的末端风阀实际数量R、开度大于K_max的末端风阀允许数量n、风机频率减少值f_trim、风机频率变化值f_res、风机频率控制周期△T和风机频率变化限幅f_res-max。

进一步地，所述变风量空调系统优化控制程序还包括基于末端阀门状态反馈的变静压控制流程。

进一步地，应用于如权利要求1所述的变风量空调系统节能控制器，包括以下步骤：

步骤一，模型参数初始化，包括所述PID控制模块的参数P、I、D、△t和所述风机频率控制模块的参数，f_o、f_min、f_max、K_max、R、n、f_trim、f_res、△T、f_res-max，并将计时器时间t设定为0，即t＝0；

步骤二，获得各所述空调房间当前室内温度和室外温度，根据室外温度确定室内温度优化设定值；

步骤三，根据所述室内温度优化设定值和所述室内温度，利用PID算法调节各所述变风量风阀的开度；

步骤四，若所述t小于单个所述风机频率控制周期时，t＝t+△t，返回至第二步；

步骤五，当所述t大于单个所述风机频率控制周期时，t＝0，并进入风机频率控制流程；

步骤六，所述控制主机通过RS485通讯协议获得各所述变风量风阀的开度；

步骤七，统计所述开度大于K_max的末端风阀实际数量R；

步骤八，如果所述开度大于所述K_max的末端风阀实际数量R小于允许数量n，则所述风机频率减小f_trim；如果所述开度大于所述K_max的末端风阀实际数量R大于所述允许数量n，初步计算所述风机频率变化值由公式f_res×(R-n)-f_trim计算得到，且只有当所述风机频率变化值小于限幅f_res-max时，所述风机频率变化值才为公式f_res×(R-n)-f_trim计算所得结果，否则所述风机频率变化值为f_res-max；

步骤九，当变化后的所述风机频率小于所述最小风机频率f_min时，所述风机频率等于所述最小风机频率f_min；当变化后的所述风机频率大于所述最大风机频率f_max时，所述风机频率等于所述最大风机频率f_max；

步骤十，将新的所述风机频率设定值送入至所述风机频率控制器中，实现对所述变频风机的调速控制，同时，返回至步骤二。

进一步地，所述步骤二中的室内温度优化设定值根据下式计算得到，

t_air,optimal＝k₁t_out ²+k₂t_out+k₃

该式中，t_air,optimal为所述室内温度优化设定值，t_out为室外温度，k₁、k₂和k₃为待定系数。

与现有技术方案相比，本发明提供的有益技术效果在于，本发明提供的变风量空调系统节能控制器，采用的是集中控制方式，即对众多VAV末端风阀进行集中控制，硬件成本将明显低于常规分散式DDC控制；通过室内温度实时动态优化设定，保证人体热舒适和健康前提下，实现节能控制，同时，控制程序，根据变风量末端风阀开度状态不断调整风机输入频率，在满足绝大部分末端风量要求的前提下，风机输入频率尽可能低(但不低于最小频率f_min),从而实现系统最大程度的节能。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明一个较佳实施例的变风量优化控制程序流程图。

其中，1-控制主机，2-CPU运算器，3-存储器，4-模拟信号输入接口，5-RS485通讯接口，6-电动风阀执行器，7-变风量(VAV)风阀，8-风机频率控制器，9-变频风机，10-室内温度传感器，11-室外温度传感器，12-空调房间。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本发明装置实施例包括：控制主机1，CPU运算器2，存储器3，模拟信号输入接口4，RS485通讯接口5，电动风阀执行器6，变风量(VAV)风阀7，风机频率控制器8，变频风机9，室内温度传感器10，室外温度传感器11。其中，CPU运算器2，存储器3，模拟信号输入接口4，RS485通讯接口5置于控制主机1中，室内温度传感器10置于空调房间12中。若干电动风阀执行器6和变风量(VAV)风阀7相连，并和RS485通讯接口5相连；风机频率控制器8的输入端和输出端分别与RS485通讯接口5及变频风机9相连；若干室内温度传感器10及室外温度传感器11和模拟信号输入端口4相连。控制主机1中的模拟信号输入接口4支持4～20mA和0～10V/0～5V等物理信号，可接入各种温度传感器，RS485接口5支持modbusRTU，modbusASCII，PPI等串口协议。

存储器3内置一个变风量空调系统优化控制程序。由电动风阀执行器6获得的变风量(VAV)风阀7开度信号通过RS485通讯接口5传入存储器3中的优化控制程序，若干个室内温度传感器10和室外温度传感器11的温度信号数据通过模拟信号输入接口4传入存储器3中的优化控制程序，CPU运算器2运行存储器3中的优化控制程序，获得若干个变风量(VAV)风阀7的开度信号和优化风机频率，返回给存储器3，若干个变风量(VAV)风阀7的开度信号通过RS485通讯接口5传给电动风阀执行器6，实现对若干个变风量(VAV)风阀7的开度控制，优化风机频率通过RS485通讯接口5传给风机频率控制器8，实现对变频风机9的转速控制。

存储器3中的优化控制程序有多个控制模块，即若干个PID控制模块和一个风机频率控制模块。PID控制模块用于控制变风量(VAV)风阀7的开度，其包含有四个关键参数，即P值，I值，D值和风阀控制周期△t；风机频率控制模块用于控制变频风机9的运行频率，其包含有十个关键参数，即初始风机频率f_o,最小风机频率f_min,最大风机频率f_max,末端风阀开度上限值K_max,开度大于K_max的末端风阀实际数量R，开度大于K_max的末端风阀允许数量n，风机频率减少值f_trim，风机频率变化值f_res，风机频率控制周期△T和风机频率变化限幅f_res-max。以上这些参数事先根据实际系统调试得到，并固化在控制程序中。

优化控制程序实施流程主要包括以下步骤：

第一步，模型参数初始化，主要包括若干个PID控制模块参数和风机频率控制模块参数，并将计时器时间t设定为0，即t＝0；

第二步，获得各房间当前室内温度和室外温度，根据室外温度确定室内温度优化设定值；

第三步，根据室内温度优化设定值和室内温度，利用PID算法调节各VAV末端风阀开度；

第四步，若t小于单个风机频率控制周期时，t＝t+△t,返回至第二步；

第五步，当t大于单个风机频率控制周期时，t＝0，并进入风机频率控制流程；

第六步，控制主机1通过RS485通讯协议获得变风量各末端风阀7开度；

第七步，统计开度大于K_max的末端风阀实际数量R；

第八步，如果开度大于K_max的末端风阀实际数量R小于允许数量n，则风机频率减小f_trim；如果开度大于K_max的末端，风阀实际数量R大于允许数量n，初步计算风机频率变化值为公式f_res×(R-n)-f_trim计算所得结果，且只有当根据式f_res×(R-n)-f_trim计算所得结果小于限幅f_res-max时，风机频率变化值才为公式f_res×(R-n)-f_trim计算所得结果，否则风机频率变化值为f_res-max；

第九步，当变化后的风机频率小于最小风机频率f_min时，风机频率等于最小风机频率f_min；当变化后的风机频率大于最大风机频率f_max时，风机频率等于最大风机频率f_max；

第十步，将新的风机频率设定值送入至风机频率控制器8中，实现对变频风机9的调速控制，同时，返回至第二步。

本实施例中，第二步中的室内温度优化设定值根据式(1)计算得到

t_air,optimal＝k₁t_out ²+k₂t_out+k₃ (1)

式(1)中，t_air,optimal为室内温度优化设定值，t_outl为室外温度，k₁,k₂和k₃为待定系数，这些系数充分考虑了室内热舒适要求和节能性，并避免了室内、外温差过大所引起的人体健康方面的问题。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种变风量空调系统节能控制器，其特征在于，包括控制主机，CPU运算器，存储器，模拟信号输入接口，RS485通讯接口，电动风阀执行器，变风量风阀，风机频率控制器，变频风机，室内温度传感器，室外温度传感器，所述CPU运算器，所述存储器，所述模拟信号输入接口，及所述RS485通讯接口均置于所述控制主机中，所述室内温度传感器置于空调房间中，所述电动风阀执行器一端和所述变风量风阀相连，所述电动风阀执行器另一端和所述RS485通讯接口相连，所述风机频率控制器的输入端和输出端分别与所述RS485通讯接口及所述变频风机相连，所述室内温度传感器及所述室外温度传感器与所述模拟信号输入端口相连。

2.如权利要求1所述的变风量空调系统节能控制器，其特征在于，所述电动风阀执行器，所述变风量风阀，所述室内温度传感器，和所述空调房间的数量是相同的且大于等于2。

3.如权利要求1所述的变风量空调系统节能控制器，其特征在于，所述控制主机中的模拟信号输入接口支持4～20mA和0～10V/0～5V物理信号，被设置为接入各种温度传感器，所述RS485通讯接口支持modbusRTU，modbusASCII，PPI串口协议。

4.如权利要求1所述的变风量空调系统节能控制器，其特征在于，所述存储器内置一个变风量空调系统优化控制程序。

5.如权利要求4所述的变风量空调系统节能控制器，其特征在于，所述变风量空调系统优化控制程序包括PID控制模块和一个风机频率控制模块，所述PID控制模块的数量大于等于2。

6.如权利要求5所述的变风量空调系统节能控制器，其特征在于，所述PID控制模块用于控制所述变风量风阀7的开度，所述PID控制模块包含有四个关键参数，即P值，I值，D值和风阀控制周期△t。

7.如权利要求8所述的变风量空调系统节能控制器，其特征在于，所述风机频率控制模块用于控制所述变频风机的运行频率，所述风机频率控制模块包含有十个关键参数，即初始风机频率f_o、最小风机频率f_min、最大风机频率f_max、末端风阀开度上限值K_max、开度大于K_max的末端风阀实际数量R、开度大于K_max的末端风阀允许数量n、风机频率减少值f_trim、风机频率变化值f_res、风机频率控制周期△T和风机频率变化限幅f_res-max。

8.如权利要求7所述的变风量空调系统节能控制器，其特征在于，所述变风量空调系统优化控制程序还包括基于末端阀门状态反馈的变静压控制流程。

9.一种变风量空调系统节能控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的变风量空调系统节能控制器，包括以下步骤：

步骤一，模型参数初始化，包括所述PID控制模块的参数P、I、D、△t和所述风机频率控制模块的参数，f_o、f_min、f_max、K_max、R、n、f_trim、f_res、△T、f_res-max，并将计时器时间t设定为0，即t＝0；

步骤二，获得各所述空调房间当前室内温度和室外温度，根据室外温度确定室内温度优化设定值；

步骤三，根据所述室内温度优化设定值和所述室内温度，利用PID算法调节各所述变风量风阀的开度；

步骤四，若所述t小于单个所述风机频率控制周期时，t＝t+△t，返回至第二步；

步骤五，当所述t大于单个所述风机频率控制周期时，t＝0，并进入风机频率控制流程；

步骤六，所述控制主机通过RS485通讯协议获得各所述变风量风阀的开度；

步骤七，统计所述开度大于K_max的末端风阀实际数量R；

步骤八，如果所述开度大于所述K_max的末端风阀实际数量R小于允许数量n，则所述风机频率减小f_trim；如果所述开度大于所述K_max的末端风阀实际数量R大于所述允许数量n，初步计算所述风机频率变化值由公式f_res×(R-n)-f_trim计算得到，且只有当所述风机频率变化值小于限幅f_res-max时，所述风机频率变化值才为公式f_res×(R-n)-f_trim计算所得结果，否则所述风机频率变化值为f_res-max；

步骤九，当变化后的所述风机频率小于所述最小风机频率f_min时，所述风机频率等于所述最小风机频率f_min；当变化后的所述风机频率大于所述最大风机频率f_max时，所述风机频率等于所述最大风机频率f_max；

步骤十，将新的所述风机频率设定值送入至所述风机频率控制器中，实现对所述变频风机的调速控制，同时，返回至步骤二。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤二中的室内温度优化设定值根据下式计算得到，

t_air,optimal＝k₁t_out ²+k₂t_out+k₃

该式中，t_air,optimal为所述室内温度优化设定值，t_out为室外温度，k₁、k₂和k₃为待定系数。