变风量空调系统风机总风量控制方法.pdf

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1、暖通空调H V H o n g f o a n d J io n g Y i A b s t r a c t B a s e d o n a n a n a l y s i s o f t h e p r e s s u r e i n d e p e n d e n t t e r mi n a l s , f i n d s t h e s e t a i r f l o wr a t e t o b e a s u i t a b l e c o n t rol p a r a m e t e r , a n d p u t s f o r w a r d a t o t a l v o

2、 l u m e m e t h o d f o r c o n t rol o f t h e V A V s y s t e m s . S i m u l a t i o n o f t h i s a n d c o n s t a n t p r e s s u r e a n d p r e s s u r e r e s e t c o n t rol m e t h o d s wi t h t h e H V A C S IM+ s o f t wa r e s h o w s t h a t t h e f o r m e r i s o f h i g h e r r e

3、 l i a b i I i t y a n d t h e o p e r a t i o n i n a p roj e c t p rov e s i t s s a t i s 句i n g p e 叶o r r n a n c e . K e y wo r d s v a r i a b l e a i r v o l u m e ， t o t a l a i r v o l u m e c o n t rol ， c o n s t a n t p r e s s u r e c o n t rol ， p r e s s u r e r e s e t c o n t rol

4、， a i r c o n d i t i o n i n g s i m u l a t i o n s o f t wa r e T s in g h u a U n iv e r s it y 1 概述 文献 1 1 中， 对定静压和变静压的控制方法进 行了模拟及实验研究， 结果虽然表明这两种控制方 法基本上都能完成系统的控制要求， 但也有很多不 能令人满意的地方: 定静压方法控制简单， 但风机 能耗较高， 末端阀位多处于偏小状态， 相应地带来 了噪声问题; 变静压方法虽然能最大限度地节省风 机能耗， 但控制算法复杂， 实现较为困难， 尤其是控 制公司的产品基本上都不提供变静压的控制算法

5、， 需要控制人员现场编程、 调试， 工作量太大。此外， 这两种方法因为使用压力控制， 在根本上还有一个 系统稳定性的问题。鉴于这些问题的存在对我国 变风量技术的推广应用是一个极大的障碍， 有必要 提出一种新的简单易行的控制方法， 以适应我国目 前的实际状况。 2 总风f控制方法的提出 传统的变风量系统控制方法一直视静压为调 节风机转速的唯一参数。很多文献所提出的控制 方法的进一步改进， 都是围绕静压点的位置， 甚至 于安装几个静压点， 然后经过一个选择开关确定使 用哪个静压值来控制风机。事实上， 只要静压控制 戴斌文， 男， 1 9 7 3 年1 0 月生， 硕士 1 0 0 0 8 4 A

6、t 京2 6 5 9 信箱 ( 0 1 0 ) 6 2 7 8 9 3 6 3 一 2 0 收稿日 期: 1 9 9 8 - 0 6 - 2 3 稿件修回日 期: 1 9 9 8 - 0 9 - 0 9 2 专题研讨1 9 9 9年第2 9 卷第3期 用来计算控制信号的。设定温度 T , t 是用户提出 的要求， 虽然也能部分地反映出对风机的某种控制 需求， 但却不能体现出实际运行中负荷的变化状 况。而设定风量G . t 却是经过P I D控制器后综合 体现了空调区域的实际冷、 热状况的一个控制参 数， 将它用于计算是完全有可能的。 2 . 2 总风量控制方法基本原理 通过对末端控制环路的仔细

7、分析， 发现了各个 末端的设定风量G ;, t 是一个很有价值的量， 它反映 了该末端所带房间目 前要求的送风量， 那么所有末 端设定风量之和则显然是系统当前要求的总风量， 并且体现了系统希望达到的流量状态。根据风机 相似律， 在空调系统阻力系数不发生变化时， 总风 量和风机转速是一个正比的 关系 2 1 . ( 1 ) NI一从 - GI一q 环节存在， 系统就必然有不稳定的因素I l l 。能不 能找到一种方法完全摆脱掉静压控制呢?为实现 这一目的， 首先有必要对变风量系统控制中的各个 环节进行仔细的分析。 在变风量系统控制中， 排除机组的控制环节 后， 风系统控制中只有房间温度控制环节和

8、风机转 速控制环节。风机转速控制如果不使用静压控制， 则必须寻找新的控制手段。可能的办法就是考虑 对风机实行某种前馈控制， 而不使用反馈控制量进 行风机调节。于是想到， 既然系统可以集中控制， 为什么不充分利用计算机的强有力的计算功能， 算 出风机合适的转速用来直接控制风机呢?循着这 个思路， 首先对压力无关型的变风量末端控制环节 进行了分析， 以求发现可用来计算的控制变量。 2 . 1 末端控制环路分析 以一个典型的变风量控制系统为例， 末端控制 环节的控制线路如图 1 所示。 流t传招器变风R末端 模拟中通过固定所有末端阀位全开， 改变风机 转速， 得到一系列系统总风量与转速的对应关系，

9、见图2 。从图中也可以清楚地看出两者之间的正 比关系。 厂|卜|lr|卜|r|L|eer的 000000000000000000000。5 MRAM ， 二，设定流量 ， 。 图 I 压力无关型变风量末端控制线路图 图 I中: T 反映了 各房间温度状况， 是控制系统最终所 要实现的目的。 T ， 表示各房间的温度要求， 由用户给出或系统管 理人员根据实际情况分别设定。实际使用中往往是给 定一个范围， 如 1 9 -2 0。 G 为末端所测的流量， 将动压经过内置的对照 表及修正系数转换而来。 G ， 系由温度P I D控制器根据房间温度偏差设定 的一个合理的房间要求风量。其实现是先由设计人员

10、 给出该房间最大、 最小设计风量， 并存人控制系统数据 库中， 以T e l e t ro l S y s t e m I n c . 的 控制系 统为 例， 数据库中 I t e m 2 2 8 ( C D rn p O c c M a z ) , I t e m 2 3 8 ( C D m p O c c Mi n ) 即分 别对应于最大、 最小风量。G ， 可用下式确定: 7 0 0 9 0 0 1 1 0 0 13 0 0 15 0 0 转速/ r / m i n 图2 模拟系统中风量与 风机转速的正比关系 根 据 这 一正比关系， 可 以想到在 设计工况下 有一个设计 风量和设计 风

11、机转速， 那 么在 运 行 过 乏:喇吠 程中有一要求的运行风量 自然可以对应一要求的 风机转速。虽然设计工况和实际运行工况下系统 阻力有所变化， 但可将其近似表示为: G 运 行 N运 行 G 设 计 N设 计 ( 2 ) G _ 一 C D m旦 c M a z - C D m 匹c M i n x 一tuu P C I C L G S C十C D m p O c c Mi n 其中P C T C L G S ( : 是直接由房间温度偏差经过P I D 控制器的输出信号， 在数据库中是I t e m s ， 其范围是( 0 - - 1 0 0 ) 0 从图1 中可以看出， 末端控制实际上使

12、用了一 个串级控制。使用这种串级控制的基本原因是末 端流量控制和房间温度控制两个环节的时间常数 差别太大( 具体分析见后文) 。整个串级控制环路 中共有两个是测量量， 即温度、 流量测量信号; 直接 设定参数一个， 即设定温度T . t ; 中间变量一个， 即 设定风量G . t ; 及输出给末端的阀位控制信号C o 由于实测量存在测量误差、 噪声等， 是不可能直接 如果说所有末端带的区域要求的风量都是按 同一比例变化的， 显然这一关系式就足以用来控制 风机转速了。但事实上在运行时几乎是不可能出 现这种情况的。考虑到各末端风量要求的不均衡 性， 适当地增加一个安全系数就可简单地实现风机 的变频

13、控制。这个安全系数应该能反映出末端风 量要求的不均衡性。这样我们先给每个末端定义 一个相对设定风量R ， 的概念: ( 3 ) 式中G S , ， 为第i 个末端的设定风量， 由 房间温度 P I D控制器输出的 控制信号设定; G d , * 为第i 个末 端的设计风量。 暖通空调H V N d 为设计 工 况下的 设计转速; G s , ， 为运行工况下的 第i 个末 端的 设定风量; G d , * 为设计工况下的第i 个末端的 设计风量; 。为所有末端相对设定风量的均方差; K为自 适应的整定参数， 缺省值为 1 . 0 ; n为末端 个数。 参数 K是一个保留数， 可在系统初调时确定

14、， 也可以通过优化某一项性能指标， 如最大阀位偏差 进行自适应整定， 目的是使各个末端在达到设定流 量的情况下， 彼此的阀位偏差最小。 有了这个转速关系式以后， 就可实时地根据末 端设定风量的变化对风机进行转速调节。 3 总风f控制方法的模拟分析 为了对总风量控制方法进行模拟研究， 并比较 总风量控制方法与定静压及变静压控制方法的区 别， 将文献 1 中图1 所示模拟系统加人房间模型 和控制系统后， 建立了如图3 所示的模拟系统。该 系统中风机采用的是 R D Z 5 5 0型， 总共有 5个末 端， 各末端大小依次为8 #, 1 0 #, 8 #, 6 #, 8 #， 每 个末端负责相应支路

15、上的房间。其中C 1 为温度 控制器、 C 2 是流量控制器、 C 3 为压力控制器， 使用 的均是 P I D控制器， 测压点选在第 3 个末端的入 口处。其中C 3 压力控制环节仅在定静压控制和 变静压控制中才使用， 总风量控制时没有该环节。 系统设计状态下， 风机转速为2 5 r / s ， 总风量4 . 3 k g / s ( 约1 3 0 0 0 m 3 / h ) 。各房间设计风量依次为 0 . 8 3 , 1 . 3 , 0 . 8 3 , 0 . 5 , 0 . 8 3 k g / s 。各控制器参数均 采用文献 1 1 中整定好的参数值。 5 0 1 0 0 1 5 0 20

16、0Bt M A 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 图4 风机总风量控制时的转速调节曲线 目生、只田 图5 总风量控制法的控制点压力曲线 流t 份 闷 ， 流t 流t 一流t . 一流t 5/国洲/暇砖 图6 总风量控制法的各末端流量调节曲线 也御御伽 阅阅阅周 一 图7 总风量控制法的各末端阀位调节曲线 图4 是总风量控制时的风机转速调节曲线。 由于设定风量预先给定， 风机转速可以根据公式 4 专题研讨1 9 9 9 年第2 9 卷第3期 ( 6 ) 立刻计算出来， 于是风机启动后直接到达设定 转速。 图5 是静压控制时控制点压力在总风量控制 时的压力波动曲线。从图中可以看出其压

17、力波动 过程相对于文献【 1 定静压控制时快速、 稳定得多， 而且几乎没有超调。因此图6中各末端流量调节 曲线也较为平稳。 更突出的是从图7 中阀位曲线可以看出， 有两 个末端阀位基本上处于全开状态， 这表明风机总是 在尽可能低的转速下运行。因此单从固定设定流量 工况来看， 总风量控制方法具有极为显著的优势。 3 . 2 三种风机控制方式过渡过程模拟比较 在考虑房间模型后， 模拟边界条件如下: 各房 间初始温度2 5， 设定温度2 0; 室内负荷依次 为2 , 4 , 4 , 2 , 4 k W; 风机初始转速为2 0 r / s ; 各末端 阀位开始均处于半开状态。 基于上述条件， 进行了总

18、风量控制、 定静压控 制、 变静压控制3 种不同的控制方式下各自的过渡 过程模拟。结果见图8 , 9 , 1 0 , 1 1 0 龟思夔 ，上Q口U卜了6UJ4内j叮乙 n叶on呼卜UUO点UO 划皿 1 5 0 3 0 0 4 5 0 6 0 0 7 5 0 9 0 0 1 0 5 0 1 2 0 0 1 3 5 0 1 5 0 0 图s 不同风机控制方式下的转速调节曲线 目立/只田 图9 不同风机控制方式下的控制点压力调节曲线 5、J、侧尝 N一，一 丰篷 能貂 图n不同风机控制方式下的末端阀位调节曲线 趋势， 值得指出的是 3 种控制方式中， 总风量控制 方法的压力最为平稳， 而定静压控

19、制则有微小的高 频波动， 变静压控制下的压力则有低频小幅波动。 图1 0 是阀位较大的一个末端在不同风机控制 方式下的流量调节过程。可以看出， 虽然控制方式 不同， 但流量的调节却基本一致， 只是总风量控制 时流量波动幅度稍微大些。总的来说不管使用哪 一种风机调节方式， 它们都能快速地满足房间负荷 对流量提出的要求。 图1 1 是对应图1 0 所示末端的阀位调节过程。 可见， 变静压控制时在流量稳定以后， 由于人口静 压的不断降低， 阀位还是会逐渐开到较大的位置， 而定静压和总风量控制则跟着压力的调节同步稳 定下来。 从上述 4图可以归纳出以下几个基本结论: 总风量控制方法和静压控制方法一样能

20、很好地完 成变风量系统中的风机变频调节; 系统运行稳定 后， 总风量控制下的系统压力最为稳定， 表明总风 量控制时出现系统振荡的可能性最小; 从风机转 速和风道静压曲线可以清楚地看出， 总风量控制在 耗能上介于定静压和变静压控制之间。 3 . 3 三种风机控制方式动态模拟比较 为研究总风量控制方法在负荷变化的动态过 程中的调节作用， 将图3 所示模拟系统中第1 个房 间的负荷在系统运行稳定后， 突然从 2 k W 升为 4 . 5 k W， 进一步比较了3 种不同的风机控制方式 下各自的调节过程。模拟结果如图1 2 到图1 6 0 11口U口三，n乙n 00n叶找仙 .、刀、-招 0 1 5

21、0 3 0 0 4 5 0 6 0 0 7 5 0 9 0 0 1 0 5 0 1 2 0 0 1 3 5 0 1 5 0 0 图 1 0 不同风机控制方式下的末端流量调节曲线 图8 是 3 种不同风机控制方式下的转速调节 曲线， 从图中可以看出， 变静压控制过渡时间最长， 但其稳定后转速最小; 总风量控制和定静压控制的 过渡过程比较一致， 只是总风量控制时稳定后的风 机转速要低一些。 图9 是3 种不同风机控制方式下的控制点压 力调节曲线， 它们和风机调节曲线基本保持相同的 图1 2 房间负荷变化时的转速调节曲线 图1 2 是负荷突变后3 种风机控制方式的转速 调节曲线。从图中可以看出总风量

22、控制下风机转 速调节最为迅速， 而且最为平稳; 而变静压控制下 的风机转速则接近一种阶梯式的调节方式， 逐步逼 近稳定转速， 超调很小; 定静压控制时转速曲线显 暖通空调H V 变静压控制在调节过程中时间长， 且有 压力波动， 结合上机组的控制后容易出现系统振 荡; 稳定后， 各个控制法下的系统压力、 风机转速 和过渡过程曲线一致， 即变静压控制下转速、 压力 均最小， 其次是总风量控制， 最不利于节能的显然 是定静压控制。 4 总风f控制方法的工程应用 为确保总风量控制方法在实际工程应用中能 取得良好的控制效果， 首先在中央电视台的一个变 风量系统上进行了试运行实验。该变风量系统详 见文献

23、1 0 该系统风机控制使用的是定静压控制， 实验是 在定静压控制运行稳定后， 将转速锁定， 风机控制 切换为总风量控制后进行的。实验首先记录了风 机转速和静压控制时的控制点压力运行数据， 然后 将某个末端的设定风量突然锁定在一个较小的数 值上， 得到了风机的调节曲线及相应的压力波动曲 线， 分别见图1 7 , 1 8 0 Und.二目nU ，山件乙八乙 222120 p、侧侧 19 .519 二 甲 一， .! 5/之砚耸 图 1 7 实验系统上总风量控制时的风机转速曲线 .生吕、只田 图1 6 房间负荷变化时房间温度调节曲线 然是一种典型的P I D阶跃响应曲线。稳定以后， 和过渡过程曲线一

24、致， 总风量控制转速居中， 变静 压控制下转速最低。 图1 3 是控制点压力调节曲线， 因为房间负荷 的加大， 该末端阀位迅速开大， 引起风道压力突然 降低， 这从图中定静压和变静压控制下的压力曲线 可以看出。但总风量控制方式下， 压力不仅没有降 低， 反而突然升高， 这主要是因为总风量控制带有 某种程度上的前馈控制含义， 而不像静压控制中风 机的调节是反馈控制。风机的预先调节自然使风 道压力变化方向不同于反馈控制时的变化。因此 在总风量控制方式下压力调节波动幅度也比静压 控制时大一些。 图1 4 是末端流量调节曲线， 因为转速调节和 阀位调节几乎是同步进行的， 即转速增加和阀位开 大一起进行

25、， 所以负荷变化房间的流量在总风量控 制时变化最快， 但超调也相对大一些。 图1 5 是负荷变化房间的末端阀位调节曲线。 图中较为突出的是变静压控制时阀位很长时间内 都处于全开状态， 末端流量一段时间内不能满足房 图 1 8 实验系统上总风量控制时的压力调节曲线 图1 7 是系统运行过程中及人为改变设定风量 后的风机转速调节曲线。从图中可以看出， 系统运 行中由于房间设定风量的微小波动， 风机也偶尔做 出小幅度的调节， 当末端设定风量有较大变化时， 风机转速立刻根据新的设定风量调节到计算值， 并 不再变化。 6 专题研讨1 9 9 9 年第2 9 卷第3 期 图1 8 是先前定静压控制时静压测

26、量点在总风 量控制时的压力波动曲线。从图中可以看出， 在系 统稳定时， 测点压力约稳定在2 2 0 P a 左右， 曲线中 很多小毛刺显然是压力传感器的测量误差所致， 误 差范围大约是土1 0 P a 。在风机转速突然调节后， 压力也迅速降低， 并稳定下来。 在中央电视台变风量系统上获得了对总风量 控制的实际运行特性后， 在解放军总医院新南楼的 变风量系统的控制系统上大胆采用了总风量控制 方式， 并已经开始了系统的试运行。从整个控制系 统的初调来看， 的确比定静压变风量控制系统易于 调节， 试运行结果非常理想。 5 结论 5 . 1 总风量控制方式在控制系统形式上具有比静 压控制简单得多的结构

27、。它可以避免使用压力测 量装置， 减少了一个风机的闭环控制环节; 此外， 也 不需要变静压控制时的末端阀位信号。这种控制 系统形式上的简化， 同时也带来了控制系统可靠性 的提高。 5 . 2 总风量控制方式在控制特点上是直接根据设 定风量计算出要求的风机转速， 具有某种程度上的 前馈控制含义， 而不同于静压控制中典型的反馈控 制。但设定风量并不是一个在房间负荷变化后立 刻设定到未来能满足该负荷的风量( 即稳定风量) ， 而是一个由房间温度偏差积分出的逐渐稳定下来 的中间控制量。因此总风量控制方式下风机转速 也不是在房间负荷变化后立刻调节到稳定转速就 不动了， 它可以说是一种间接根据房间温度偏差

28、由 P I D控制器来控制转速的风机控制方法， 这才是总 风量控制方法的实质。 5 . 3 总风量控制在控制性能上具有快速、 稳定的 特点， 不像压力控制下系统压力总是有一些高频小 幅振荡。其主要原因是因为总风量控制方式取消 了压力控制环节， 而传统控制方式下由于压力测量 误差的存在， 导致风机做出一些无谓的微小调节， 使系统总不可避免地出现小幅波动现象。而且实 际系统中压力测量误差更大， 控制算法往往要对其 进行简单的滤波处理， 再用来控制风机， 否则系统 根本稳定不下来。正因为总风量控制的这个优点， 使得控制系统不仅减少了初投资， 而且在初调时还 可以大大减少工作量， 并提高控制系统的可靠

29、性。 5 . 4 总风量控制在风机节能上介于变静压控制和 定静压控制之间， 并更接近于变静压控制。因为变 静压控制算法较为复杂， 而且容易引起系统压力振 荡， 所以总风量控制法从控制和节能角度上综合考 虑， 不失为一种替代传统静压控制的有效方法。 5 . 5 虽然总风量控制具有如此显著的优点， 但从 模拟中也可看出总风量控制同样有自己的缺陷。 即增加了末端之间的祸合程度， 只是这种末端之间 的祸合主要是通过风机的调节实现的。在静压控 制方式下， 各末端的祸合则是通过风道压力来实现 的( 这种藕合是不可避免的) 。这种差别反映在有 房间负荷变化后， 风机和该房间的末端阀位同时调 节， 极大地改变

30、了系统阻力特性， 尤其是风机的调 节使其余房间的流量发生了不可忽视的改变， 迫使 相应末端尽快做出调节， 恢复以前的设定流量。从 图1 4 和图1 5中压力和流量曲线就已经可以看出 这种差别了。图1 9给出的最后一个末端在第一个 房间负荷突变后流量调节曲线， 图中清楚地反映出 总风量控制方式下流量曲线波动最为严重。 仲孺蕊掇麟0570565、 图1 9 房间负荷变化时其余房间流量波动曲线 总之， 总风量控制方法是基于压力无关型的变 风量末端研究出的一种新的变风量系统控制方法， 由于它避免了压力控制环节， 确实能很好的降低控 制系统调试难度， 提高控制系统稳定性; 而且通过 合理选用采样时间，

31、完全可以消除上述各个末端之 间的祸合增强现象。因此， 不管是从控制系统稳定 J性， 还是从节能角度上来说， 总风量控制都具有很 大的优势， 完全可以成为取代各种静压控制方式的 有效的风机调节手段。 6 参考文献 1 戴斌文. 变风量空调系统控制方法研究: 硕士学位论 文 . 北京: 清华大学， 1 9 9 8 . 2 周漠仁. 流体力学泵与风机( 第3 版)北京: 中国建筑工 业出版社， 1 9 9 4 . . J 下 万. 四平康利冷却器厂， 专业生产经营国产、 进口板式换热 器， 全焊式换热器， 换热站， 各种风机， 各种阀门、 配件及胶 垫， 品种齐全。维修各种板式换热器。一流的产品让用户满 意， 丰厚的回报让朋友满意， 我们愿与您共同发展、 发达。 诚招各地专职兼职业务代表， 收人丰厚 地址: 四平市铁东北一马路% 号5 单元7 号 邮编: 1 3 6 0 0 1 电 话( 传 真) : ( 0 4 3 4 ) 3 5 2 6 1 6 0 经理 : 张健