舊有空調自動控制管理論文

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摘要因為資金或工程進度等問題，未裝自動控制的空調系統在運行中常會出現溫、濕度超限，局部過冷/過熱和能量浪費的問題，加裝自動控制系統是解決這些問題的有效方法。本文以實際工程為背景，對舊有空調系統進行自動控制改造的問題進行了探討。主要敘述了控制方案的確定，并針對改造過程中的一些問題，提出了相應的解決辦法。希望能給相關人員在空調設計、自控改造中一些啟迪。

關鍵詞空調系統自動控制傳感器現場控制器PID控制模糊控制

1引言

空調耗能是建筑物耗能中的大戶，隨著能源供應的日趨緊張及人們對室內熱環境、空氣品質的要求愈來愈高，迫切要求在保持空調區域一定舒適度的前提下最大限度地降低空調能耗。空調自控系統可以使建筑內環境更舒適、設備運行更可靠、能源利用更充分，是現代樓宇空調系統重要的組成部分。但是由于資金缺口和工程進度等等問題，許多已建成的商用建筑和辦公大樓的空調系統往往都沒有設計或安裝自動控制系統，隨著建筑物的投入使用，會發現空調區域的溫、濕度波動很大，往往會超過允許的變化范圍，這時業主會提出空調系統自動控制改造的要求。

這種舊有空調系統進行自動控制改造與新空調系統的自控設計相比有許多不同之處，比如舊有的空調系統在運行中往往遭到一些人為因素的影響，致使風系統平衡遭到破壞，加裝自控系統前必須先對舊有空調系統的風道系統重新進行平衡調整，不然自控系統可能達不到預期限效果；另外加裝自動控制系統后對原空調系統的制冷、供熱和水循環系統都交有一定的影響；同時在改造進程中也會遇到一些特殊的問題，有些問題在舊有空調系統的自控改造中是要特殊考慮的。

筆者于2001年參加了某廣播電視大樓的空調系統自動控制改造的工作，該大樓的空調系統當初由于種種原因沒有安裝自控系統。隨著室外氣象條件的變化和室內負荷的變化，空調區域的溫、濕度發生了很大的波動，常常會超過允許的變化范圍。幾年運行下來，每年都發生有的房間過熱有的房間過冷的問題。室內工作人員為了防止過熱或過冷大多將本室的部分送風口用膠紙等物遮擋，結果導致了風系統阻力的不平衡，破壞了其他房間的溫、濕度狀況，造成整個系統的失調。很多工作室出現了冬熱夏冷的情況，這大大影響了工作人員的工作效率，而且對工作人員身體健康有著很大的損傷，且給室內高級機器設備的正常工作造成了一定的隱患（情況嚴重時會影響對溫、濕度比較敏感的設備的正常工作）。由于系統失調，冷站和鍋爐房提供的能量沒能合理使用，造成極大的浪費，運行費用大大提高。在這種情況下，業主提出了給空調系統增加自動控制的要求。下面我們對此空調系統自控改造進行中遇到的問題和相應采取的解決方法作一個介紹，希望能給空調、自控設計和運行管理人員一些啟迪。

2空調控制系統方案的確定

室溫控制是空調自動系統中重要的環節，它是用溫度敏感元件來控制相應的調節機構，使得送風溫度隨擾量的變化而變化。改變送風溫度的方法有：調節加熱器的加熱量或冷卻器的冷卻量，調節新、回風混合比或一、二次回風比等。此廣播電視大樓的空調系統是由11個空氣處理機組組成的全空氣系統，每個機組都是一次回風式系統，本著經濟、簡便的方針，此次空調系統的改造我們采用了常用的調節加熱器的加熱量和冷卻器的冷卻量的方法以改變送風濕度。室內相對濕度的控制可以采用兩種方法：間接控制法（變露點）、直接控制法（變露點），此廣播電視大樓很多工作室因一些儀器設備的緣故對室內相對濕度的要求較為嚴格，為此我們選用了直接控制法去控制室內空氣的相對濕度，即用相對濕度敏感元件，控制相應的調節機構，直接根據相對濕度偏差進行調節，以補償室內熱濕負荷的變化。另外我們還加了一些輔助控制設備以更好的完成空調系統的自動控制。在此次改造進程中自控系統的所有電動調節閥和執行器我們全部采用了美國Hownywell公司的產品。

空調機組控制系統流程圖及文字說明如下：

圖1空氣處理機組自動控制系統流程圖

如圖所示我們在回風機進程處設置了溫、濕度傳感器（AI），以測定總回風的溫、濕度，為控制器的調節提供依據。在冷卻器的供水管路上增加了水量調節閥（AO），夏季根據室內溫度（接近回風溫度）和設定濕度之間的差值，自支控制閥門的開啟度，使室溫控制在要求的范圍內。另外在加熱器的供水管上相應的增加了熱水流量調節閥（AO），用于冬季的室溫控制。我們在加濕器的供汽管道上加裝了電動調節閥（AO）以根據室內相對濕度與設定濕度之間的差值，自動地調節蒸汽的加濕量，以確保室內相對溫度維持在要求的范圍內。同時我們在過濾器的兩端設置了壓差傳感器（DI），用以測定過濾器的積塵情況，在過濾器的積塵達到一定程度后，發出報警信號，用以提醒檢修人員及時更換或清洗過濾器。

廣播電視臺在錄制節目進對噪聲的要求很高，但由于此廣播電視大樓空調系統在噪聲處理上有些欠缺，錄音室在錄制節目時往往很難滿足要求，為此工作人員要求在錄制節目過程中關閉相應的空調機組以完成高質量的節目錄制。為了自動檢測、控制空調機組的啟停，我們在送、回風機的進出口設置了壓差傳感器，用于檢測風機的工作狀態；在送、回風機的啟動電路上安裝了自控觸點（DO）用以自動控制風機的啟停。

控制系統我們選用了集散式控制系統DSC（DistributingControlSystems），它是70年代中期推出的一種計算機控制系統，集計算機、通信、控制、屏幕顯示等技術為一體，實現了危險分散，控制分散，控制管理集中等功能，是一種面向工程師的計算機控制系統。筆者參與的改造工程應用的是我們自己開發的一套空調集散式控制系統，運行效果良好。

整個系統采用總線式網絡結構，現場控制器以MCS-51系列單片機為核心開發，主監控機與現場控制器之間通過RS-485總線通信。每個空調機組配裝一臺現場控制器（DDC），自成體系，獨立工作，其結構見圖2所示。它的主要功能有如下幾項：①定期采集各相應空調機組回風的溫、濕度和送風機、過濾器的壓差并存儲，定期上傳存儲的現場采樣數據；②接受主監控機下達的指令，接受監控機下傳的修改后的控制規則；③根據主監控機發出的指令和現場采樣數據控制相應調節閥的開度及電磁閥的開關，完成控制任務；④具有顯示，設定，控制和通訊功能，可以全年不間斷地對本組空調系統進行自動控制。

圖2現場控制器原理圖

主監控機通過網絡控制器把整個系統連接起來，通過此通訊網絡采集11臺下位機傳送來的各空調機組的運行數據。其采用windows操作平臺，以圖形方式及時地顯示11套空調機組的運行狀態，同時可以對各套空調機組的運行數據進行分析，指定出切合實際的運行方案。體制改革有控制軟件采用我們自行研制的產品，可以保證系統安全可靠的工作。

3一個空調機組負責的兩個工作室冷熱不均勻的問題及解決方法

在冬季運行工況下，有一空調機組負責的兩個相鄰工作室，一個較熱，另一則較冷。由于兩個工作室由同一空調機組負責送回風，所以控制起來十分麻煩。究其原因是在最初的空調設計時考慮不周，或者是電視臺在使用中更改了房間的使用功能所致。

一個工作室（設為A）其外維護結構很少且室內有很多機器及工作人員，散熱量很大，在冬季幾乎不用供熱風就可滿足要求甚至室內還會過熱，這時應該考慮的是增大新風比降溫；而另一個工作室（設為B）其外維護結構面積很大且機器不多（比如辦公室等），冬季工況下需要持續的送熱風才能滿足室內熱舒適性要求。雖然機組運轉起來后可以在一定程度上混合冷、熱丙部分室內回風，緩和兩個工作室的冷熱不均問題。但是在保證B工作室室內溫度時，A工作室有時室溫過高，嚴重影響了室內的工作人員的工作效率及機器的正常運轉。本來可以用調節新、回風比的方法解決問題，可是這套系統不同于其他10套系統，它沒有回風閥，只有新風閥。我們當時嘗試遮住室內部分回風口的方法彌補沒有回風閥的缺陷，結果其工作人員反映效果很好，不但溫度舒適，感覺空氣也比以前清閑。這種方法相當于增加了新風比例，從一定程度上緩解了問題，但這只是臨時解決的問題的方法。

4PID控制與模糊控制相結合控制算法的應用

模糊控制的控制速度快、響應時間短、魯棒性好，但是控制精度偏低，而傳統PID控制其控制精度好，但是相應的時間偏長，兩者的優點互補，把兩者結合在一起就可以彌補對方的弱點，發揮其相互的優點。用模糊控制進行粗調，把被控制對象（室內溫度）控制在小于閾值（模糊控制與PID控制的轉換臨界點），然后由傳統的PID控制來精調，這樣一來，控制的效果會大大的改善。因此在控制算法上我們采用了PID控制與模糊控制相結合的算法。

5加裝自動控制系統后對冷水系統、供熱系統影響的分析

在舊有空調系統進行自控改造的過程中，機房工作人員提出疑問，即我們的履行是否會對該空調系統的制冷、供熱和水循環系統造成不良影響，比如調節閥關小是否會對制冷機的工作造成不好的影響、循環水泵是否能正常工作等等。為此我們對原冷水、供熱循環系統因自控改造的影響程度進行了評估，具體如下：

5．1加裝自動控制系統后對原冷水循環系統影響的分析

因為原冷水循環系統的供回水主干管之間未接旁通控制裝置，當末端裝置采用變流量調節閥以后，末端裝置水流量的減少將使水系統的阻力增大，主干管之間的壓差增大，冷凍水泵的工作點偏移，在這種情況下冷凍水泵是否可以正常工作？同時，調節閥關小是否會對制冷機的工作造成不好的影響？分析如下：

5．1．1對制冷機的影響

經甲方提供的數據計算得出待改造的11臺空調機組所在的工作區所需的總制冷量約為2306500kcal/h，此工作區還包括很多風機盤管系統，但我們可以計算出11套系統總需冷量為714000kcal/h，占全部需冷量的百分比為：

如調節的最大限按50%考慮，則調節量占需冷量的百分比：

5．1．2對水泵的影響

原冷水循環系統采用3臺IS200-150-400A單吸清水泵，兩用一備，每臺的設計流量為224～373m3/h，揚程為47.7～43m，兩臺合用時的流量為448～746m3/h，取中間值為597m3/h，揚程為45.6m。

被改造的11套系統的總水量：

占總水量的百分比；

如調節閥關閉一半，則系統的總水量變為：

如調節閥完全關閉，則系統的總水量變為：

從以上計算可以看出：（a）被改造的11套系統的需冷量占全部低區需冷量的30.9%，考慮極端情況，各閥門均調節到輸出能量的50%，則系統的冷量從原來的100%變為100-（30.96÷2）=84.52%。制冷機組用的是約克離心式機組，從約克離心式機組的說明書中我們知道，機組可以在總負荷的20%～100%之間可靠的工作，故調節閥調節作用對冷水機組工作的可靠性是沒有影響的；（b）被改造的11套系統的總水量占整個低區總冷凍水循環量的23.9%，如調節閥關閉一半，即11套系統的總水量從143m3/h減少為71.5m3/h。此時的系統總循環水量從原來的597m3/h減少為597-71.5=525m3/h。從IS200-150-400A水泵的樣本中我們知道，此時水泵的工作點揚程大約為46.6m，不但水泵可以可靠的工作，而且不容還仍處于高效區（高效區的水量下限為448m3/h），因此不會對系統的冷凍水泵的工作造成不良影響。

5．2加裝自動控制系統后對原供熱系統影響的分析

加裝自動控制系統后是否會對供熱系統的板式換熱器、熱水循環泵等造成影響，我們也進行了分析：

5．2．1目前的供熱系統是由鍋爐提供3kg/cm2的蒸汽，經過兩臺Alfallaval板式換熱器換成90℃的熱水，再經過兩臺ISR125-100-200循環水泵供給A區低層，B區和C區的大約36臺新風機組一組合式空調機組熱水盤管，向相關區域提供熱量后變70℃的回水，再經過板式換熱器加熱后供出。整個系統的最高處大約32m，膨脹水箱裝在8.5層的設備層內，水箱內水面距鍋爐房熱水循環泵入口處的高度為33.5m，系統設有一補水泵，補消耗在熱水循環泵入口處，水泵揚程為82.6m。

主要設備的規格：

①熱水循環泵：ISR125-100-200三臺揚程：50m，流量200m3/h

②板式換熱器：M15-MFCL兩臺熱負荷：6400kW

設計壓力：16.0barg實驗壓力：20.8barg設計溫度：150℃

③補水泵：40DL×7揚程：82.6m

5．2．2影響分析

可以看出，熱水循環水泵入口的靜壓為33.5m，經過循環泵加壓后的壓力為33.5m+50m=83.5m，這一點是系統的最高壓力，系統中其他點的壓力都不會超過這一點的壓力。當用戶的熱負荷減少，經查看ISR125-100-200水泵曲線，當該水泵的流量從200m3/h減少為100m3/h時，該泵揚程從50m上升為65m，在這種極端情況下，系統最大壓力點的壓力為33.5m+65m=98.5m。當補水泵向管網補水時，膨脹水箱的水位將會上升，當水面上升至上限時，電接點信號將會自動切斷補水泵的補水，從而使補水點的壓力恒定，維持在33.5m。

從以上分析可知，熱水管網中任何一點的壓力在任何情況下，都不會超過98.5m，而板式換熱器的設計壓力為16barg（大約160m水柱），從而可以知道，自動控制的加入不會給熱水循環系統的管網和板式換熱器造成不利的影響。

6結論

6．1加裝自動控制系統是解決舊有空調系統溫度超限、分布不均、局部過熱/過冷和能量浪費的有效方法，對改善空調區域的環境質量，減少能量損失，降低運行成本有著顯著的作用。

6．2對由多臺空氣處理器組成的較大規模空調系統進行自控改造時，集散熱量式控制系統是應該首選的一種控制方式，它具有結構簡單，功能強大、傳輸方便、數據安全可靠的特點。

6．3自控系統的調試就在對舊有空調系統的風道系統重新進行平衡調整后進行，不然自控系統可能達不到預期的效果。

6．4暖通空調工程中的控制對象多為溫度、流量等這些具有非線性、滯后特征的參數，單一的控制算法很難獲得較好的控制效果，PID控制與模糊控制的結合是個很好的算法選擇。

參考文獻

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