中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)溫濕度控制的分析

　　1 引 言

　　樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)是智能建筑的一個(gè)重要組成部分。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的功能就是對(duì)大廈內(nèi)的各種機(jī)電設(shè)施，包括中央空調(diào)、給排水、變配電、照明、電梯、消防、安全防范等進(jìn)行全面的計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理。其中，中央空調(diào)的能耗占整個(gè)建筑能耗的50%以上，是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)節(jié)能的重點(diǎn)[1]。由于中央空調(diào)系統(tǒng)十分龐大，反應(yīng)速度較慢、滯后現(xiàn)象較為嚴(yán)重，現(xiàn)階段中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)幾乎都采用傳統(tǒng)的控制技術(shù)，對(duì)于工況及環(huán)境變化的適應(yīng)性差，控制慣性較大，節(jié)能效果不理想。傳統(tǒng)控制技術(shù)存在的問(wèn)題主要是難以解決各種不確定性因素對(duì)空調(diào)系統(tǒng)溫濕度影響及控制品質(zhì)不夠理想。而智能控制特別適用于對(duì)那些具有復(fù)雜性、不完全性、模糊性、不確定性、不存在已知算法和變動(dòng)性大的系統(tǒng)的控制。“綠色建筑”主要強(qiáng)調(diào)的是：環(huán)保、節(jié)能、資源和材料的有效利用，特別是對(duì)空氣的溫度、濕度、通風(fēng)以及潔凈度的要求，因此，空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。空調(diào)控制系統(tǒng)涉及面廣，而要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)比較復(fù)雜，需要有冷、熱源的支持。空調(diào)機(jī)組內(nèi)有大功率的風(fēng)機(jī)，但它的能耗很大。在滿足用戶對(duì)空氣環(huán)境要求的前提下，只有采用先進(jìn)的控制策略對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制，才能達(dá)到節(jié)約能源和降低運(yùn)行費(fèi)用的目的。以下將從控制策略角度對(duì)與監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)的問(wèn)題作簡(jiǎn)要討論。

　　2 空調(diào)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

　　空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成一般包括以下幾部分：

　　(1) 新風(fēng)部分

　　空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中必須采集部分室外的新鮮空氣(即新風(fēng))，這部分新風(fēng)必須滿足室內(nèi)工作人員所需要的最小新鮮空氣量，因此空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)取入量決定于空調(diào)系統(tǒng)的服務(wù)用途和衛(wèi)生要求。新風(fēng)的導(dǎo)入口一般設(shè)在周圍不受污染影響的地方。這些新風(fēng)的導(dǎo)入口和空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)管道以及新風(fēng)的濾塵裝置(新風(fēng)空氣過(guò)濾器)、新風(fēng)預(yù)熱器(又稱為空調(diào)系統(tǒng)的一次加熱器)共同組成了空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)系統(tǒng)。

　　(2) 空氣的凈化部分

　　空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)其用途不同，對(duì)空氣的凈化處理方式也不同。因此，在空調(diào)凈化系統(tǒng)中有設(shè)置一級(jí)初效空氣過(guò)濾器的簡(jiǎn)單凈化系統(tǒng)，也有設(shè)置一級(jí)初效空氣過(guò)濾器和一級(jí)中效空氣過(guò)濾器的一般凈化系統(tǒng)，另外還有設(shè)置一級(jí)初效空氣過(guò)濾器，一級(jí)中效空氣過(guò)濾器和一級(jí)高效空氣過(guò)濾器的三級(jí)過(guò)濾裝置的高凈化系統(tǒng)。

　　(3) 空氣的熱、濕處理部分

　　對(duì)空氣進(jìn)行加熱、加濕和降溫、去濕，將有關(guān)的處理過(guò)程組合在一起，稱為空調(diào)系統(tǒng)的熱、濕處理部分。

　　在對(duì)空氣進(jìn)行熱、濕處理過(guò)程中，采用表面式空氣換熱器(在表面式換熱器內(nèi)通過(guò)熱水或水蒸氣的稱為表面式空氣加熱器，簡(jiǎn)稱為空氣的汽水加熱器)。設(shè)置在系統(tǒng)的新風(fēng)入口，一次回風(fēng)之前的空氣加熱器稱為空氣的一次加熱器;設(shè)置在降溫去濕之后的空氣加熱器，稱為空氣的二次加熱器;設(shè)置在空調(diào)房間送風(fēng)口之前的空氣加熱器，稱為空氣的三次加熱器。三次空氣加熱器主要起調(diào)節(jié)空調(diào)房間內(nèi)溫度的作用，常用的熱媒為熱水或電加熱。在表面式換熱器內(nèi)通過(guò)低溫冷水或制冷劑的稱為水冷式表面冷卻器或直接蒸發(fā)式表面冷卻器，也有采用噴淋冷水或熱水的噴水室，此外也有采用直接噴水蒸汽的處理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣的熱、濕處理過(guò)程。

　　(4) 空氣的輸送和分配、控制部分

　　空調(diào)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)和送、回風(fēng)管道稱為空氣的輸送部分。風(fēng)管中的調(diào)節(jié)風(fēng)閥、蝶閥、防火閥、啟動(dòng)閥及風(fēng)口等稱為空氣的分配、控制部分。根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)中空氣阻力的不同，設(shè)置風(fēng)機(jī)的數(shù)量也不同，如果空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)置一臺(tái)風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)既起送風(fēng)作用，又起回風(fēng)作用的稱為單風(fēng)機(jī)系統(tǒng);如果空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)置兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，一臺(tái)為送風(fēng)機(jī)，另一臺(tái)為回風(fēng)機(jī)，則稱為雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。

　　5) 空調(diào)系統(tǒng)的冷、熱源

　　空調(diào)系統(tǒng)中所使用的冷源一般分為天然冷源和人工冷源。天然冷源一般指地下深井水，人工冷源一般是指利用人工制冷方式來(lái)獲得的，它包括蒸汽壓縮式制冷、吸收式制冷以及蒸汽噴射式制冷等多種形式。現(xiàn)代化的大型建筑中通常都采用集中式空調(diào)系統(tǒng)，

　　這種形式的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

　　其工作原理是當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)循環(huán)方式把室內(nèi)的熱量帶走，以使室內(nèi)溫度維持于一定值。當(dāng)循環(huán)空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)盤管時(shí)，高溫空氣經(jīng)過(guò)冷卻盤管的鋁金屬先進(jìn)行熱交換，盤管的鋁片吸收了空氣中的熱量，使空氣溫度降低，然后再將冷凍后的循環(huán)空氣送入室內(nèi)。冷卻盤管的冷凍水由冷卻機(jī)提供，冷卻機(jī)由壓縮機(jī)、冷凝器和蒸發(fā)器組成。壓縮機(jī)把制冷劑壓縮，經(jīng)壓縮的制冷劑進(jìn)入冷凝器，被冷卻水冷卻后，變成液體，析出的熱量由冷卻水帶走，并在冷卻塔里排入大氣。液體制冷劑由冷凝器進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，使冷凍水降溫，然后冷凍水進(jìn)入水冷風(fēng)機(jī)盤管吸收空氣中的熱量，如此周而復(fù)始，循環(huán)不斷，把室內(nèi)熱量帶走。當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，需要以熱水進(jìn)入風(fēng)機(jī)盤管，和上述原理一樣，空氣加熱后送入室內(nèi)。空氣經(jīng)過(guò)冷卻后，有水分析出，空氣相對(duì)濕度減少，變的干燥，所以需增加濕度，這就要加裝加濕器，進(jìn)行噴水或噴蒸汽，對(duì)空氣進(jìn)行加濕處理，用這樣的濕空氣去補(bǔ)充室內(nèi)水汽量的不足。

　　3 中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)

　　3.1 中央空調(diào)自動(dòng)控制的內(nèi)容與被控參數(shù)

　　中央空調(diào)系統(tǒng)由空氣加熱、冷卻、加濕、去濕、空氣凈化、風(fēng)量調(diào)節(jié)設(shè)備以及空調(diào)用冷、熱源等設(shè)備組成。這些設(shè)備的容量是設(shè)計(jì)容量，但在日常運(yùn)行中的實(shí)際負(fù)荷在大部分時(shí)間里是部分負(fù)荷，不會(huì)達(dá)到設(shè)計(jì)容量。所以，為了舒適和節(jié)能，必須對(duì)上述設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使其實(shí)際輸出量與實(shí)際負(fù)荷相適應(yīng)。目前，對(duì)其容量控制已實(shí)現(xiàn)不同程度的自動(dòng)化，其內(nèi)容也日漸豐富。被控參數(shù)主要有空氣的溫度、濕度、壓力(壓差)以及空氣清新度、氣流方向等，在冷、熱源方面主要是冷、熱水溫度，蒸汽壓力。有時(shí)還需要測(cè)量、控制供回水干管的壓力差，測(cè)量供回水溫度以及回水流量等。在對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行控制的同時(shí)，還要對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行指示、記錄、打印，并監(jiān)測(cè)各機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及事故狀態(tài)、報(bào)警。

　　中央空調(diào)設(shè)備主要具有以下自控系統(tǒng)：風(fēng)機(jī)盤管控制系統(tǒng)、新風(fēng)機(jī)組控制系統(tǒng)、空調(diào)機(jī)組控制系統(tǒng)、冷凍站控制系統(tǒng)、熱交換站控制系統(tǒng)以及有關(guān)給排水控制系統(tǒng)等。

　　3.2 中央空調(diào)自動(dòng)控制的功能

　　(1) 創(chuàng)造舒適宜人的生活與工作環(huán)境

　　·對(duì)室內(nèi)空氣的溫度、相對(duì)濕度、清新度等加以自動(dòng)控制，保持空氣的最佳品質(zhì);

　　·具有防噪音措施(采用低噪音機(jī)器設(shè)備);

　　·可以在建筑物自動(dòng)化系統(tǒng)中開(kāi)放背景輕音樂(lè)等。

　　通過(guò)中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠使人們生活、工作在這種環(huán)境中，心情舒暢，從而能大大提高工作效率。而對(duì)工藝性空調(diào)而言，可提供生產(chǎn)工藝所需的空氣的溫度、濕度、潔凈度的條件，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

　　(2) 節(jié)約能源

　　在建筑物的電器設(shè)備中，中央空調(diào)的能耗是最大的，因此需要對(duì)這類電器設(shè)備進(jìn)行節(jié)能控制。中央空調(diào)采用自動(dòng)控制系統(tǒng)后，能夠大大節(jié)約能源。

　　(3) 創(chuàng)造了安全可靠的生產(chǎn)條件

　　自動(dòng)監(jiān)測(cè)與安全系統(tǒng)，使中央空調(diào)系統(tǒng)能夠正常工作，在發(fā)現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)報(bào)警并進(jìn)行事故處理。

　　3.3 中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成

　　圖2為一室溫的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它是由恒溫室、熱水加熱器、傳感器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器機(jī)構(gòu)和(調(diào)節(jié)閥)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。其中恒溫室和熱水加熱器組成調(diào)節(jié)對(duì)象(簡(jiǎn)稱對(duì)象)，所謂調(diào)節(jié)對(duì)象是指被調(diào)參數(shù)按照給定的規(guī)律變化的房間、設(shè)備、器械、容器等。圖2所示的室溫自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)也可以用圖3所示的方塊圖來(lái)表示。室溫就是室內(nèi)要求的溫度參數(shù)，在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中稱為被調(diào)參數(shù)(或被調(diào)量)，用θa表示。在室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，被調(diào)參數(shù)就是對(duì)象的輸出信號(hào)。被調(diào)參數(shù)規(guī)定的數(shù)值稱為給定值(或設(shè)定值)，用θg表示。室外溫度的變化，室內(nèi)熱源的變化，加熱器送風(fēng)溫度的變化，以及熱水溫度的變化等，都會(huì)使室內(nèi)溫度發(fā)生變化，從而室內(nèi)溫度的實(shí)際值與給定值之間產(chǎn)生偏差。這些引起室內(nèi)溫度偏差的外界因素，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中稱為干擾(或稱為擾動(dòng))，用f表示。在該系統(tǒng)中，導(dǎo)致室溫變化的另一個(gè)因素是加熱器內(nèi)熱水流量的變化，這一變化往往是熱水溫度或熱水流量的變化引起的，熱水流量的變化是由于控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)—調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度變化所引起的，是自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于補(bǔ)償干擾的作用使被調(diào)量保持在給定值上的調(diào)節(jié)參數(shù)，或稱調(diào)節(jié)量q。調(diào)節(jié)量q和干擾f對(duì)對(duì)象的作用方向是相反的。

　　4 中央空調(diào)系統(tǒng)控制中存在的問(wèn)題

　　4.1 被控對(duì)象的特點(diǎn)

　　空調(diào)系統(tǒng)中的控制對(duì)象多屬熱工對(duì)象，從控制角度分析，具有以下特點(diǎn)[3]：

　　(1) 多干擾性

　　例如，通過(guò)窗戶進(jìn)來(lái)的太陽(yáng)輻射熱是時(shí)間的函數(shù)，受氣象條件的影響;室外空氣溫度通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)室溫產(chǎn)生影響;通過(guò)門、窗、建筑縫隙侵入的室外空氣對(duì)室溫產(chǎn)生影響;為了換氣(或保持室內(nèi)一定正壓)所采用的新風(fēng)，其溫度變化對(duì)室溫有直接影響。此外，電加熱器(空氣加熱器)電源電壓的波動(dòng)以及熱水加熱器熱水壓力、溫度、蒸汽壓力的波動(dòng)等，都將影響室溫。

　　如此多的干擾，使空調(diào)負(fù)荷在較大范圍內(nèi)變化，而它們進(jìn)入系統(tǒng)的位置、形式、幅值大小和頻繁程度等，均隨建筑的構(gòu)造(建筑熱工性能)、用途的不同而異，更與空調(diào)技術(shù)本身有關(guān)。在設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮到盡量減少干擾或采取抗干擾措施。因此，可以說(shuō)空調(diào)工程是建立在建筑熱工、空調(diào)技術(shù)和自控技術(shù)基礎(chǔ)上的一種綜合工程技術(shù)。

　　(2) 多工況性

　　空調(diào)技術(shù)中對(duì)空氣的處理過(guò)程具有很強(qiáng)的季節(jié)性。一年中，至少要分為冬季、過(guò)渡季和夏季。近年來(lái)，由于集散型系統(tǒng)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，為多工況的空調(diào)應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。由于空調(diào)運(yùn)行制度的多樣化，使運(yùn)行管理和自動(dòng)控制設(shè)備趨于復(fù)雜。因此，要求操作人員必須嚴(yán)格按照包括節(jié)能技術(shù)措施在內(nèi)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行操作和維護(hù)，不得隨意改變運(yùn)行程序和拆改系統(tǒng)中的設(shè)備。

　　(3) 溫、濕度相關(guān)性

　　描述空氣狀態(tài)的兩個(gè)主要參數(shù)為溫度和濕度，它們并不是完全獨(dú)立的兩個(gè)變量。當(dāng)相對(duì)濕度發(fā)生變化時(shí)會(huì)引起加濕(或減濕)動(dòng)作，其結(jié)果將引起室溫波動(dòng);而室溫變化時(shí)，使室內(nèi)空氣中水蒸氣的飽和壓力變化，在絕對(duì)含濕量不變的情況下，就直接改變了相對(duì)濕度(溫度增高相對(duì)濕度減少，溫度降低相對(duì)濕度增加)。這種相對(duì)關(guān)聯(lián)著的參數(shù)稱為相關(guān)參數(shù)。顯然，在對(duì)溫、濕度都有要求的空調(diào)系統(tǒng)中，組成自控系統(tǒng)時(shí)應(yīng)充分注意這一特性。

　　4.2 控制中存在的主要問(wèn)題

　　目前中央空調(diào)系統(tǒng)主要采用的控制方式是pid控制，即采用測(cè)溫元件(溫感器)+pid溫度調(diào)節(jié)器+電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥的pid調(diào)節(jié)方式。夏季調(diào)節(jié)表冷器冷水管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，冬季調(diào)節(jié)加熱器熱水管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，由調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度大小實(shí)現(xiàn)冷(熱)水量的調(diào)節(jié)，達(dá)到溫度控制的目的。為方便管理，簡(jiǎn)化控制過(guò)程，把溫度傳感器設(shè)于空調(diào)機(jī)組的總回風(fēng)管道中，由于回風(fēng)溫度與室溫有所差別，其回風(fēng)控制的溫度設(shè)定值，在夏季應(yīng)比要求的室溫高(0.5～1.0)℃，在冬季應(yīng)比要求的室溫低(0.5～1.0)℃。

　　pid調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，將其運(yùn)算結(jié)果用于控制輸出。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站監(jiān)測(cè)空調(diào)機(jī)組的工作狀態(tài)對(duì)象有：過(guò)濾器阻塞(壓力差)，過(guò)濾器阻塞時(shí)報(bào)警，以了解過(guò)濾器是否需要更換;調(diào)節(jié)冷熱水閥門的開(kāi)度，以達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的;送風(fēng)機(jī)與回風(fēng)機(jī)啟/停;調(diào)節(jié)新風(fēng)、回風(fēng)與排風(fēng)閥的開(kāi)度，改變新風(fēng)、回風(fēng)比例，在保證衛(wèi)生度要求下降低能耗，以節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用;檢測(cè)回風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)兩側(cè)的壓差，以便得知風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài);檢測(cè)新風(fēng)、回風(fēng)與送風(fēng)的溫度、濕度，由于回風(fēng)能近似反映被調(diào)對(duì)象的平均狀態(tài)，故以回風(fēng)溫濕度為控制參數(shù)。根據(jù)設(shè)定的空調(diào)機(jī)組工作參數(shù)與上述監(jiān)測(cè)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)控制站控制送、回風(fēng)機(jī)的啟/停，新風(fēng)與回風(fēng)的比例調(diào)節(jié)，盤管冷、熱水的流量，以保證空調(diào)區(qū)域內(nèi)空氣的溫度與濕度既能在設(shè)定范圍內(nèi)滿足舒適性要求，同時(shí)也能使空調(diào)機(jī)組以較低的能量消耗方式運(yùn)行。pid調(diào)節(jié)能滿足對(duì)環(huán)境要求不高的一般場(chǎng)所，但是pid調(diào)節(jié)同樣存在一些不足，如控制容易產(chǎn)生超調(diào)，對(duì)于工況及環(huán)境變化的適應(yīng)性差，控制慣性較大，節(jié)能效果也不理想，所以對(duì)于環(huán)境要求較高或者對(duì)環(huán)境有特殊要求的場(chǎng)所，pid調(diào)節(jié)就無(wú)法滿足要求了。