CN110030706A - 用于机械通风系统中的智能风平衡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于机械通风系统中的智能风平衡器。平衡器通过智能调控风道末端风阀来解决通风系统中管道末端气流分布不均匀的问题。与基于PID闭环控制的气流控制器不同，平衡器基于数学模型，并根据现场数据辨识模型参数，以预测风阀位置下管道内的流量和压强。平衡器充分考虑耦合效应，其智能的自适应算法和顺序调整算法一次性将各末端风阀调整到位，有效避免了重复迭代。平衡器进行在线调节，无需中断通风系统的正常运作，节约大量维修成本。此外，平衡器持续监测与分析风阀位置，气流分布和风扇转速，并将监测数据用于更新模型，检测系统故障和优化系统性能。
Description
技术领域
本发明属于分布式控制、暖通空调领域，具体涉及一种用于机械通风系统中的智能风平衡器（SAB）。
背景技术
管道系统风平衡通过调节风阀位置和风扇速度实现设计流量值。目前，工业实践中最常用的风平衡方法是一种基于经验法则的试错法。由于管道系统中的耦合效应，这种经验试错法需要数次迭代尝试才能平衡所有末端气流，人力成本高，且精度较低。此外，由于系统的动态调节过程长，且在很大程度上偏离正常工况，该方法要求通风系统停机。考虑到停机成本，这种传统的调节方法在实际应用中提出了严峻的挑战。
为了解决上述问题，各类新技术层出不穷，而这些技术的主要关键点均围绕在如何规避迭代尝试上。譬如，通过优化调节过程中的目标量缩短调节周长；或者，利用逆向调节法从风道下游开始调节，并逐步延至上游以避免重复调试。然而，这些方法都需要人力参与，且精度较低。此外，所有上述风平衡方法因调节过程中迭代尝试引起的震荡，都不可避免需要系统停机维护。因此，这些方法并不适用于因负载变化而导致的实际流量偏离设计流量情况下的定期维护。这显然增加了通风系统的维护成本，且影响了整个暖通空调系统的能源效率。
发明内容
鉴于上述限制，本发明设计一种用于机械通风系统中的智能风平衡器（SAB），其目的一是SAB利用管道数学物理模型直接辨识出管道参数，并计算出设计风量对应的风阀角度，SAB实现从管道辨识到风阀调节的自动一体化，效率高，响应速度快，且精度高；其目的二是该风平衡器在通风系统正常运行期间执行，SAB在保证各分支达到设计流量的基础上，同时维持风扇功耗最小，兼具高效率，经济性良好，提高通风系统稳态精度及动态性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：该用于机械通风系统中的智能风平衡器（SAB）的调控方法是：对风管道系统进行数学建模，并根据现场数据辨识模型参数，以预测风阀位置下管道内的流量和压强；将风道末端的设计流量视为平衡目标，通过自适应算法实现风量均衡，并维持风扇转速最小。
该SAB的调控方法包括如下具体步骤：
步骤1： 在安装前期，SAB通过无线传感器采集来自室内环境控制器、风阀控制器和风扇控制器的数据，以用于辨识整个风道系统的模型参数；
步骤2： SAB通过智能自适应优化算法，计算出系统设计流量下各个末端对应的风阀位置以及风扇转速，以平衡风道气流分布；
步骤3： SAB依据计算值，通过顺序调整算法，依次调整所有风阀位置和风扇转速，使所有相关的末端达到所需的流量，并维持风扇功耗最小；
步骤4： SAB持续监测室内环境控制器的数据以及各末端空气流量，以维持风道系统的动态平衡。
其工作触发指令来源于管道末端流量监测；当实测流量值与设计流量值的差超过设定阈值后，SAB开启在线调节直到该系统恢复风平衡状态；此后，SAB将进入备用待机状态；同时，SAB持续监测与分析风扇转速、风阀位置和空气流速，并将监测数据用于更新设计流量值，检测系统故障和优化系统性能。
该智能风平衡器（SAB）通过物联网通讯技术实现对各末端气流的协调控制与智能监控。
所述步骤1中，SAB依据质量守恒定律，以及各风道支路压降公式，建立一个全局的管道系统的数学模型。
所述步骤2中，SAB使用的智能算法包括机器学习方法例如线性回归、支持向量机（SVM）、以及无模型的分布式协调控制方法。
本发明的有益效果是：
1、SAB利用管道数学物理模型直接辨识出管道参数，并计算出设计风量下对应的风阀角度，SAB实现了从管道辨识到风阀调节的自动一体化，简化了实际操作中的繁琐过程，极大方便了用户的使用。
2、SAB不依赖于技术人员的经验，无需人力参与，降低了人力成本，且提高了调节精度。
3、SAB响应速度快，实现在线调节，无需停机维修，极大缩减了维护成本，其适用于变化负载的动态调节，提高了通风系统的能源效率。
4、SAB在满足设计流量的条件下，保证了最小风道管阻，风扇能耗最小，能源效率高，经济性好。
5、SAB能够精准计算出管道设计流量下各末端对应的风阀位置，无需迭代尝试，效率高。
6、通过物联网通讯技术实现对各末端气流的协调控制与智能监控，因此在实际应用中更容易维护。
附图说明
图1为实施例中SAB投入使用后通风系统的结构示意图；
图2为智能风阀照片；
图3为实施例中SAB控制实现框图；
表1为实施例中SAB投入使用后的实验结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，但不能用来限制本发明的范围。
一种用于机械通风系统中的智能风平衡器（SAB），其特征在于包括如下步骤：
步骤1： 在安装前期，SAB通过无线传感器采集来自室内环境控制器，风阀控制器和风扇控制器的数据，以用于辨识整个风道系统的模型参数；
步骤2： SAB通过智能自适应优化算法，计算出系统设计流量下各个末端对应的风阀位置以及风扇转速，以平衡风道气流分布；
步骤3： SAB依据计算值，通过顺序调整算法，依次调整所有风阀位置和风扇转速，使所有相关的末端达到所需的流量，并维持风扇功耗最小；
步骤4： SAB持续监测室内环境控制器的数据以及各末端空气流量，以维持风道系统的动态平衡。
智能风平衡器（SAB）的工作触发指令来源于管道末端流量监测；当实测流量值与设计流量值的差超过设定阈值后，SAB开启在线调节直到该系统恢复风平衡状态；此后，SAB将进入备用待机状态；同时，SAB持续监测与分析风扇转速，风阀位置和空气流速，并将监测数据用于更新设计流量值，检测系统故障和优化系统性能。
图1为实施例中SAB投入使用后通风系统的结构示意图；各末端设备通过无线传感器接收来自室内环境控制器、风阀控制器和风扇控制器的数据；这些信息用于实时监控各末端流量，并通过自适应算法调节所有末端的风阀位置和风扇转速，以平衡气流；使用这种算法，用户能以最小的能耗享受最大的舒适度；优化结果会发送给风阀控制器和风扇控制器执行。
图2为SAB系统中的智能风阀的照片，其主要组成部件包括控制器、风阀、风阀执行器，适用于低流速的自平均皮托管，以及通讯模块；其中，通信模块支持有线和无线通讯，实现终端与监控计算机之间以及终端之间的双向数据传输。
图3为实施例中SAB控制实现框图，SAB通过控制风阀角度调节各末端流量，其调节准则依照模型计算值。
表1为实施例中SAB投入使用后的实验结果图；SAB将风道末端的设计流量视为平衡目标，并通过自适应算法实现风道系统各支路风量均衡，并维持风扇转速最小；表1列出了经过SAB调整后，管道中各个支路调节过程中实际流量与设计流量的值，以及相对误差；由表1可知，本发明提出的方法能够较为准确达到各末端达的设计流量。
表1
上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其仍处于本发明权利要求范围之中。
Claims (6)
1.用于机械通风系统中的智能风平衡器，其特征在于该平衡器的调控方法是：对风管道系统进行数学建模，并根据现场数据辨识模型参数，以预测风阀位置下管道内的流量和压强；将风道末端的设计流量视为平衡目标，通过自适应算法实现风量均衡，并维持风扇转速最小。
2.根据权利要求1所述的用于机械通风系统中的智能风平衡器，其特征在于：该平衡器的调控方法包括如下具体步骤：
步骤1： 在安装前期，平衡器通过无线传感器采集来自室内环境控制器、风阀控制器和风扇控制器的数据，以用于辨识整个风道系统的模型参数；
步骤2： 平衡器通过智能自适应优化算法，计算出系统设计流量下各个末端对应的风阀位置以及风扇转速，以平衡风道气流分布；
步骤3： 平衡器依据计算值，通过顺序调整算法，依次调整所有风阀位置和风扇转速，使所有相关的末端达到所需的流量，并维持风扇功耗最小；
步骤4： 平衡器持续监测室内环境控制器的数据以及各末端空气流量，以维持风道系统的动态平衡。
3.根据权利要求1所述的用于机械通风系统中的智能风平衡器，其特征在于：其工作触发指令来源于管道末端流量监测；当实测流量值与设计流量值的差超过设定阈值后，平衡器开启在线调节直到该系统恢复风平衡状态；此后，平衡器将进入备用待机状态；同时，平衡器持续监测与分析风扇转速、风阀位置和空气流速，并将监测数据用于更新设计流量值，检测系统故障和优化系统性能。
4.根据权利要求1所述的用于机械通风系统中的智能风平衡器，其特征在于：该智能风平衡器通过物联网通讯技术实现对各末端气流的协调控制与智能监控。
5.根据权利要求1所述的用于机械通风系统中的智能风平衡器，其特征在于：所述步骤1中，平衡器依据质量守恒定律，以及各风道支路压降公式，建立一个全局的管道系统的数学模型。
6.根据权利要求1所述的用于机械通风系统中的智能风平衡器，其特征在于：所述步骤2中，平衡器使用的智能算法包括机器学习方法例如线性回归、支持向量机、以及无模型的分布式协调控制方法。
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