中央空調監控系統溫濕度控制的分析

　　1 引 言

　　樓宇自動化系統是智能建筑的一個重要組成部分。樓宇自動化系統的功能就是對大廈內的各種機電設施，包括中央空調、給排水、變配電、照明、電梯、消防、安全防范等進行全面的計算機監控管理。其中，中央空調的能耗占整個建筑能耗的50%以上，是樓宇自動化系統節能的重點[1]。由于中央空調系統十分龐大，反應速度較慢、滯后現象較為嚴重，現階段中央空調監控系統幾乎都采用傳統的控制技術，對于工況及環境變化的適應性差，控制慣性較大，節能效果不理想。傳統控制技術存在的問題主要是難以解決各種不確定性因素對空調系統溫濕度影響及控制品質不夠理想。而智能控制特別適用于對那些具有復雜性、不完全性、模糊性、不確定性、不存在已知算法和變動性大的系統的控制。“綠色建筑”主要強調的是：環保、節能、資源和材料的有效利用，特別是對空氣的溫度、濕度、通風以及潔凈度的要求，因此，空調系統的應用越來越廣泛。空調控制系統涉及面廣，而要實現的任務比較復雜，需要有冷、熱源的支持。空調機組內有大功率的風機，但它的能耗很大。在滿足用戶對空氣環境要求的前提下，只有采用先進的控制策略對空調系統進行控制，才能達到節約能源和降低運行費用的目的。以下將從控制策略角度對與監控系統相關的問題作簡要討論。

　　2 空調系統的基本結構及工作原理

　　空調系統結構組成一般包括以下幾部分：

　　(1) 新風部分

　　空調系統在運行過程中必須采集部分室外的新鮮空氣(即新風)，這部分新風必須滿足室內工作人員所需要的最小新鮮空氣量，因此空調系統的新風取入量決定于空調系統的服務用途和衛生要求。新風的導入口一般設在周圍不受污染影響的地方。這些新風的導入口和空調系統的新風管道以及新風的濾塵裝置(新風空氣過濾器)、新風預熱器(又稱為空調系統的一次加熱器)共同組成了空調系統的新風系統。

　　(2) 空氣的凈化部分

　　空調系統根據其用途不同，對空氣的凈化處理方式也不同。因此，在空調凈化系統中有設置一級初效空氣過濾器的簡單凈化系統，也有設置一級初效空氣過濾器和一級中效空氣過濾器的一般凈化系統，另外還有設置一級初效空氣過濾器，一級中效空氣過濾器和一級高效空氣過濾器的三級過濾裝置的高凈化系統。

　　(3) 空氣的熱、濕處理部分

　　對空氣進行加熱、加濕和降溫、去濕，將有關的處理過程組合在一起，稱為空調系統的熱、濕處理部分。

　　在對空氣進行熱、濕處理過程中，采用表面式空氣換熱器(在表面式換熱器內通過熱水或水蒸氣的稱為表面式空氣加熱器，簡稱為空氣的汽水加熱器)。設置在系統的新風入口，一次回風之前的空氣加熱器稱為空氣的一次加熱器;設置在降溫去濕之后的空氣加熱器，稱為空氣的二次加熱器;設置在空調房間送風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節空調房間內溫度的作用，常用的熱媒為熱水或電加熱。在表面式換熱器內通過低溫冷水或制冷劑的稱為水冷式表面冷卻器或直接蒸發式表面冷卻器，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實現空氣的熱、濕處理過程。

　　(4) 空氣的輸送和分配、控制部分

　　空調系統中的風機和送、回風管道稱為空氣的輸送部分。風管中的調節風閥、蝶閥、防火閥、啟動閥及風口等稱為空氣的分配、控制部分。根據空調系統中空氣阻力的不同，設置風機的數量也不同，如果空調系統中設置一臺風機，該風機既起送風作用，又起回風作用的稱為單風機系統;如果空調系統中設置兩臺風機，一臺為送風機，另一臺為回風機，則稱為雙風機系統。

　　5) 空調系統的冷、熱源

　　空調系統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。現代化的大型建筑中通常都采用集中式空調系統，

　　這種形式的結構示意圖如圖1所示。

　　其工作原理是當環境溫度過高時，空調系統通過循環方式把室內的熱量帶走，以使室內溫度維持于一定值。當循環空氣通過風機盤管時，高溫空氣經過冷卻盤管的鋁金屬先進行熱交換，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空氣送入室內。冷卻盤管的冷凍水由冷卻機提供，冷卻機由壓縮機、冷凝器和蒸發器組成。壓縮機把制冷劑壓縮，經壓縮的制冷劑進入冷凝器，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入蒸發器進行蒸發吸熱，使冷凍水降溫，然后冷凍水進入水冷風機盤管吸收空氣中的熱量，如此周而復始，循環不斷，把室內熱量帶走。當環境溫度過低時，需要以熱水進入風機盤管，和上述原理一樣，空氣加熱后送入室內。空氣經過冷卻后，有水分析出，空氣相對濕度減少，變的干燥，所以需增加濕度，這就要加裝加濕器，進行噴水或噴蒸汽，對空氣進行加濕處理，用這樣的濕空氣去補充室內水汽量的不足。

　　3 中央空調自動控制系統

　　3.1 中央空調自動控制的內容與被控參數

　　中央空調系統由空氣加熱、冷卻、加濕、去濕、空氣凈化、風量調節設備以及空調用冷、熱源等設備組成。這些設備的容量是設計容量，但在日常運行中的實際負荷在大部分時間里是部分負荷，不會達到設計容量。所以，為了舒適和節能，必須對上述設備進行實時控制，使其實際輸出量與實際負荷相適應。目前，對其容量控制已實現不同程度的自動化，其內容也日漸豐富。被控參數主要有空氣的溫度、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。有時還需要測量、控制供回水干管的壓力差，測量供回水溫度以及回水流量等。在對這些參數進行控制的同時，還要對主要參數進行指示、記錄、打印，并監測各機電設備的運行狀態及事故狀態、報警。

　　中央空調設備主要具有以下自控系統：風機盤管控制系統、新風機組控制系統、空調機組控制系統、冷凍站控制系統、熱交換站控制系統以及有關給排水控制系統等。

　　3.2 中央空調自動控制的功能

　　(1) 創造舒適宜人的生活與工作環境

　　·對室內空氣的溫度、相對濕度、清新度等加以自動控制，保持空氣的最佳品質;

　　·具有防噪音措施(采用低噪音機器設備);

　　·可以在建筑物自動化系統中開放背景輕音樂等。

　　通過中央空調自動控制系統，能夠使人們生活、工作在這種環境中，心情舒暢，從而能大大提高工作效率。而對工藝性空調而言，可提供生產工藝所需的空氣的溫度、濕度、潔凈度的條件，從而保證產品的質量。

　　(2) 節約能源

　　在建筑物的電器設備中，中央空調的能耗是最大的，因此需要對這類電器設備進行節能控制。中央空調采用自動控制系統后，能夠大大節約能源。

　　(3) 創造了安全可靠的生產條件

　　自動監測與安全系統，使中央空調系統能夠正常工作，在發現故障時能及時報警并進行事故處理。

　　3.3 中央空調自動控制系統的基本組成

　　圖2為一室溫的自動控制系統。它是由恒溫室、熱水加熱器、傳感器、調節器、執行器機構和(調節閥)調節機構組成。其中恒溫室和熱水加熱器組成調節對象(簡稱對象)，所謂調節對象是指被調參數按照給定的規律變化的房間、設備、器械、容器等。圖2所示的室溫自動調節系統也可以用圖3所示的方塊圖來表示。室溫就是室內要求的溫度參數，在自動調節系統中稱為被調參數(或被調量)，用θa表示。在室溫調節系統中，被調參數就是對象的輸出信號。被調參數規定的數值稱為給定值(或設定值)，用θg表示。室外溫度的變化，室內熱源的變化，加熱器送風溫度的變化，以及熱水溫度的變化等，都會使室內溫度發生變化，從而室內溫度的實際值與給定值之間產生偏差。這些引起室內溫度偏差的外界因素，在調節系統中稱為干擾(或稱為擾動)，用f表示。在該系統中，導致室溫變化的另一個因素是加熱器內熱水流量的變化，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的執行機構—調節閥的開度變化所引起的，是自動調節系統用于補償干擾的作用使被調量保持在給定值上的調節參數，或稱調節量q。調節量q和干擾f對對象的作用方向是相反的。

　　4 中央空調系統控制中存在的問題

　　4.1 被控對象的特點

　　空調系統中的控制對象多屬熱工對象，從控制角度分析，具有以下特點[3]：

　　(1) 多干擾性

　　例如，通過窗戶進來的太陽輻射熱是時間的函數，受氣象條件的影響;室外空氣溫度通過圍護結構對室溫產生影響;通過門、窗、建筑縫隙侵入的室外空氣對室溫產生影響;為了換氣(或保持室內一定正壓)所采用的新風，其溫度變化對室溫有直接影響。此外，電加熱器(空氣加熱器)電源電壓的波動以及熱水加熱器熱水壓力、溫度、蒸汽壓力的波動等，都將影響室溫。

　　如此多的干擾，使空調負荷在較大范圍內變化，而它們進入系統的位置、形式、幅值大小和頻繁程度等，均隨建筑的構造(建筑熱工性能)、用途的不同而異，更與空調技術本身有關。在設計空調系統時應考慮到盡量減少干擾或采取抗干擾措施。因此，可以說空調工程是建立在建筑熱工、空調技術和自控技術基礎上的一種綜合工程技術。

　　(2) 多工況性

　　空調技術中對空氣的處理過程具有很強的季節性。一年中，至少要分為冬季、過渡季和夏季。近年來，由于集散型系統在空調系統中的應用，為多工況的空調應用創造了良好的條件。由于空調運行制度的多樣化，使運行管理和自動控制設備趨于復雜。因此，要求操作人員必須嚴格按照包括節能技術措施在內的設計要求進行操作和維護，不得隨意改變運行程序和拆改系統中的設備。

　　(3) 溫、濕度相關性

　　描述空氣狀態的兩個主要參數為溫度和濕度，它們并不是完全獨立的兩個變量。當相對濕度發生變化時會引起加濕(或減濕)動作，其結果將引起室溫波動;而室溫變化時，使室內空氣中水蒸氣的飽和壓力變化，在絕對含濕量不變的情況下，就直接改變了相對濕度(溫度增高相對濕度減少，溫度降低相對濕度增加)。這種相對關聯著的參數稱為相關參數。顯然，在對溫、濕度都有要求的空調系統中，組成自控系統時應充分注意這一特性。

　　4.2 控制中存在的主要問題

　　目前中央空調系統主要采用的控制方式是pid控制，即采用測溫元件(溫感器)+pid溫度調節器+電動二通調節閥的pid調節方式。夏季調節表冷器冷水管上的電動調節閥，冬季調節加熱器熱水管上的電動調節閥，由調節閥的開度大小實現冷(熱)水量的調節，達到溫度控制的目的。為方便管理，簡化控制過程，把溫度傳感器設于空調機組的總回風管道中，由于回風溫度與室溫有所差別，其回風控制的溫度設定值，在夏季應比要求的室溫高(0.5～1.0)℃，在冬季應比要求的室溫低(0.5～1.0)℃。

　　pid調節的實質就是根據輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數關系進行運算，將其運算結果用于控制輸出。現場監控站監測空調機組的工作狀態對象有：過濾器阻塞(壓力差)，過濾器阻塞時報警，以了解過濾器是否需要更換;調節冷熱水閥門的開度，以達到調節室內溫度的目的;送風機與回風機啟/停;調節新風、回風與排風閥的開度，改變新風、回風比例，在保證衛生度要求下降低能耗，以節約運行費用;檢測回風機和送風機兩側的壓差，以便得知風機的工作狀態;檢測新風、回風與送風的溫度、濕度，由于回風能近似反映被調對象的平均狀態，故以回風溫濕度為控制參數。根據設定的空調機組工作參數與上述監測的狀態數據，現場控制站控制送、回風機的啟/停，新風與回風的比例調節，盤管冷、熱水的流量，以保證空調區域內空氣的溫度與濕度既能在設定范圍內滿足舒適性要求，同時也能使空調機組以較低的能量消耗方式運行。pid調節能滿足對環境要求不高的一般場所，但是pid調節同樣存在一些不足，如控制容易產生超調，對于工況及環境變化的適應性差，控制慣性較大，節能效果也不理想，所以對于環境要求較高或者對環境有特殊要求的場所，pid調節就無法滿足要求了。