趙鵬 孟凡光

【摘要】變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)送風(fēng)量來控制空調(diào)區(qū)域溫度的一種比較先進(jìn)的空調(diào)系統(tǒng)。由于特殊的硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)，其控制方式與傳統(tǒng)的以調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度的空調(diào)系統(tǒng)有所區(qū)別。本文著重分析了變風(fēng)量空調(diào)存在的控制問題，并進(jìn)行了空調(diào)系統(tǒng)的特點分析，論證了在變風(fēng)量控制系統(tǒng)中引入智能方法的必要性，并簡要介紹了常見的空調(diào)智能控制方法。

【關(guān)鍵詞】變風(fēng)量；空調(diào)系統(tǒng)；智能控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

空調(diào)系統(tǒng)是建筑重要組成部分，其能耗占整個建筑能耗的60%-70%，由于空調(diào)系統(tǒng)具有大滯后、大慣性、非線性特性，所以常規(guī)控制方法，有一定的局限性，使系統(tǒng)供給的能量與負(fù)載所需能量不匹配，能量供求不平衡，浪費大量電能。變風(fēng)量空調(diào)的出現(xiàn)很大程度上解決了能源節(jié)約問題。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是通過改變送風(fēng)量，而不是改變送風(fēng)溫度來調(diào)節(jié)和控制某一空調(diào)區(qū)域溫度的一種空調(diào)系統(tǒng)[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，空調(diào)技術(shù)也不斷進(jìn)行設(shè)備改進(jìn)。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度來進(jìn)行控制區(qū)域溫度的，因此，傳統(tǒng)的空調(diào)控制器需要安裝在房間里。而變風(fēng)量控制則采用專用的變風(fēng)量末端設(shè)備進(jìn)行送風(fēng)量的控制。這樣設(shè)計的目的是可以避免冷熱抵消，降低能量消耗。另一方面，由于空調(diào)風(fēng)量可以根據(jù)制冷或者制熱負(fù)荷進(jìn)行一個合理設(shè)置，根據(jù)負(fù)荷變化而調(diào)節(jié)風(fēng)量，從這一角度講可以提高風(fēng)機(jī)的節(jié)能運行狀態(tài)。相比較傳統(tǒng)的通過調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)室溫的方法，其風(fēng)量是固定不變的，無論負(fù)荷如何變化，其風(fēng)量始終是處于一個較高負(fù)荷狀態(tài)下，因此，大量的實際工程運行數(shù)據(jù)表明，變風(fēng)量與傳統(tǒng)的定風(fēng)量系統(tǒng)相比可以大大降低能耗。

1.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制及存在問題

空調(diào)裝置設(shè)備的容量一般是通過計算設(shè)計負(fù)荷確定的，設(shè)定之后不再變化。實際上，在不同季節(jié)或者不同時段，空調(diào)系統(tǒng)并不需要經(jīng)常處于設(shè)計負(fù)荷狀態(tài)。如果可以根據(jù)實際的運行情況調(diào)節(jié)負(fù)荷狀態(tài)是可以進(jìn)行節(jié)能的?？照{(diào)自動控制的任務(wù)是在最大限度節(jié)能和安全生產(chǎn)的條件下，自動調(diào)節(jié)各種裝置的實際輸出量與實際負(fù)荷，使它們相適應(yīng)，以滿足生產(chǎn)工藝和人們在工作和生活中對空氣參數(shù)（溫度、濕度、壓力以及清新度等）的要求[2]。因此，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)并不是一種全新的問題調(diào)節(jié)方式，只是在空調(diào)設(shè)備上進(jìn)行改造，使傳統(tǒng)的定風(fēng)量改造為根據(jù)實際情況變化的變風(fēng)量。由于進(jìn)行溫度控制的空調(diào)系統(tǒng)本身具有較大的大滯后、非線性、濕度和溫度耦合的復(fù)雜特性，基于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的自動控制方法很少有成功的應(yīng)用。

由于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的定風(fēng)量控制系統(tǒng)，無論是執(zhí)行機(jī)構(gòu)還是控制方法都有所區(qū)別[3]。為了最大限度地節(jié)約能源，變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)通過采集監(jiān)測房間的實際溫度，判斷實際溫度與設(shè)定值之間的偏差，不斷調(diào)節(jié)變風(fēng)量末端箱的風(fēng)閥開度，從而改變送風(fēng)量的大小，最終使得房間溫度被控制在理想的設(shè)定值附近。可以在冷風(fēng)風(fēng)道設(shè)置電動調(diào)節(jié)風(fēng)門，根據(jù)溫度偏差進(jìn)行冷風(fēng)風(fēng)門開度的調(diào)節(jié)。當(dāng)室內(nèi)溫度偏高使，通過檢測信號判斷應(yīng)該加大冷風(fēng)風(fēng)門開度，加大送入房間的冷風(fēng)量，使室內(nèi)溫度下降到預(yù)先設(shè)定好的理想溫度。為了保證室內(nèi)空氣質(zhì)量，還需要對新風(fēng)進(jìn)行控制。這一控制可以通過在新風(fēng)管道上設(shè)置送風(fēng)溫度傳感器，通過檢測送風(fēng)溫度和室外溫度，從而決定混風(fēng)閥門的開度大小。如果房間溫度較高，則可以減少混風(fēng)閥門開度，從而保證房間的新風(fēng)溫度被控制在一定范圍內(nèi)[4]。另一方面，風(fēng)機(jī)的啟?？刂埔部梢蕴岣呖照{(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果。設(shè)置臨時或者永久設(shè)定是最簡單的方法。實際上，可以根據(jù)不同的假期或者不同季節(jié)，設(shè)置合適的風(fēng)機(jī)啟停時間表。

可以看出，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，但控制系統(tǒng)的設(shè)計很復(fù)雜。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制方法大部分仍采用傳統(tǒng)的PID控制。如果房間處于比較恒定的環(huán)境之下，房間溫度控制系統(tǒng)特性變化不大，這種情況下PID的控制可以取得較好的效果。但實際上房間環(huán)境不可能恒定不變，例如春夏秋冬四季對空調(diào)的風(fēng)量要求不盡相同，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是一個大滯后、高度非線性、多變量耦合的復(fù)雜過程，采用傳統(tǒng)的PID控制方法很難獲得較好的溫度控制。在空調(diào)控制過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)各種隨機(jī)干擾，而PID算法對干擾較為敏感，容易產(chǎn)生積分飽和。如果自動控制器中的控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，有可能使系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制器使整個溫度控制過程產(chǎn)生更多的過程噪聲。例如積分項、比例項參數(shù)設(shè)置不當(dāng)會使得控制系統(tǒng)產(chǎn)生較大波動。

2、在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)引入智能控制策略

隨著在技術(shù)上日益成熟，特別是計算機(jī)工業(yè)的發(fā)展，使先進(jìn)的控制方法引入到空調(diào)控制系統(tǒng)成為可能及趨勢。傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)的理論得到極大發(fā)展，具有自適應(yīng)能力，并走向智能控制的方向。將智能技術(shù)引入到空調(diào)控制系統(tǒng)中不僅推動了空調(diào)自動控制系統(tǒng)的發(fā)展和完善，而且可以進(jìn)行智能技術(shù)的應(yīng)用研究。由于空調(diào)控制系統(tǒng)很難用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，采用傳統(tǒng)的控制技術(shù)很難獲得較好的控制。而空調(diào)智能控制系統(tǒng)擅長處理具有變化環(huán)境、復(fù)雜控制目標(biāo)的過程控制，并具有一定的智能行為，能夠有效處理復(fù)雜過程的非線性映射。具體說，空調(diào)智能控制系統(tǒng)對于設(shè)定的溫度，溫度控制器具有一定的智能行為，能夠找到合適的風(fēng)量。溫度與風(fēng)量之間的關(guān)系不能用數(shù)學(xué)的方法精確的加以描述，因此，空調(diào)智能控制系統(tǒng)實際上是一種不依賴于模型的自適應(yīng)估計。智能技術(shù)相比較于傳統(tǒng)的經(jīng)典控制理論，智能控制技術(shù)更擅長處理復(fù)雜環(huán)境下的非線性映射問題，智能控制是針對系統(tǒng)的復(fù)雜性、非線性、不確定性而提出來的。

將智能控制技術(shù)引入到變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中，首先要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。才能對系統(tǒng)中的溫濕度、風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)的流量、壓力等按照一定的控制策略進(jìn)行控制。首先要滿足系統(tǒng)負(fù)荷，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)健康、節(jié)能的運行。由于智能空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計理念是使空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷隨變化的外界環(huán)境與室內(nèi)溫度變化而變化，這種設(shè)計方式可以使空調(diào)系統(tǒng)工作在最佳工況下運行，設(shè)定的溫度環(huán)境同時也使得空調(diào)負(fù)荷的變化而變化，進(jìn)而實現(xiàn)節(jié)能控制。另外，空調(diào)系統(tǒng)具有多變量耦合關(guān)系，一旦溫度的設(shè)定點發(fā)生變化，空調(diào)系統(tǒng)的變量之間會由于相互影響而增加系統(tǒng)的控制難度，因此，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)具有較高的自動化控制要求，這也促進(jìn)了智能控制技術(shù)需要被引入到變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制中來，對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制和管理，尋找最佳的運行模式，以便能夠更好的滿足人們對空調(diào)系統(tǒng)的要求，這在實際變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中具有十分重要的現(xiàn)實意義。

在空調(diào)智能控制系統(tǒng)中引入的較為成熟的智能技術(shù)為模糊控制、專家推理系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等方法。模糊控制是借鑒操作員的成功控制經(jīng)驗，并規(guī)則化，從而實現(xiàn)空調(diào)的模糊控制，這一方法不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，并具有較強(qiáng)的魯棒性，控制院里符合人們對過程控制作用的直觀描述和思維邏輯[6]；而基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的空調(diào)控制器，其控制問題本質(zhì)上是一類模式識別問題[5]。另外一個思路是采用啟發(fā)式全局尋優(yōu)的群優(yōu)化算法，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的能耗尋優(yōu)以獲得較好的節(jié)能效果。另外，針對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)定點變動時，整個系統(tǒng)完全達(dá)到穩(wěn)態(tài)時間過長，且各子系統(tǒng)易出現(xiàn)超調(diào)的問題，可以考慮采用迭代學(xué)習(xí)控制（ILC）的設(shè)定值序列優(yōu)化方法，利用迭代學(xué)習(xí)期望軌跡改善空調(diào)子系統(tǒng)的動態(tài)特性。如果適當(dāng)?shù)奶岣呃鋬鏊隹跍囟?，降低冷卻水的出口溫度，并采用智能調(diào)節(jié)方法對多臺制冷機(jī)和水泵的啟動順序合理調(diào)配，采用BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測最小預(yù)熱（冷）期和最長提前停機(jī)時間，對制冷壓縮機(jī)進(jìn)行最優(yōu)啟停控制。為了提高人體熱舒適度、節(jié)約能源，研究基于熱舒適度的節(jié)能型空調(diào)控制算法。以熱舒適度算法為系統(tǒng)核心，通過算法得到PMV值，根據(jù)PMV值給出了自適應(yīng)調(diào)節(jié)的控制，實現(xiàn)系統(tǒng)需要的自適應(yīng)熱舒適度的目標(biāo)要求，調(diào)整算法參數(shù)以達(dá)到最佳效果。也有人提出采用回歸正交試驗的方法，得出空調(diào)系統(tǒng)耗電與其主要影響因素參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，可以通過優(yōu)化計算出最佳的空調(diào)系統(tǒng)運行參數(shù)。

3.結(jié)論

本文介紹了變風(fēng)量空調(diào)概念，并分析了變風(fēng)量自動控制系統(tǒng)存在的問題，通過分析變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的特點，論證了在空調(diào)控制系統(tǒng)中引入智能技術(shù)的必要性，簡要介紹了常見的空調(diào)智能控制理論。

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