舊有空調(diào)系統(tǒng)自動控制改造的幾個(gè)問題

舊有空調(diào)系統(tǒng)自動控制改造的幾個(gè)問題

摘要因?yàn)橘Y金或工程進(jìn)度等問題，未裝自動控制的空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行中常會出現(xiàn)溫、濕度超限，局部過冷/過熱和能量浪費(fèi)的問題，加裝自動控制系統(tǒng)是解決這些問題的有效方法。本文以實(shí)際工程為背景，對舊有空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自動控制改造的問題進(jìn)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(yīng)的解決辦法。希望能給相關(guān)人員在空調(diào)設(shè)計(jì)、自控改造中一些啟迪。

關(guān)鍵詞空調(diào)系統(tǒng)自動控制傳感器現(xiàn)場控制器PID控制模糊控制

1引言

空調(diào)耗能是建筑物耗能中的大戶，隨著能源供應(yīng)的日趨緊張及人們對室內(nèi)熱環(huán)境、空氣品質(zhì)的要求愈來愈高，迫切要求在保持空調(diào)區(qū)域一定舒適度的前提下最大限度地降低空調(diào)能耗?？照{(diào)自控系統(tǒng)可以使建筑內(nèi)環(huán)境更舒適、設(shè)備運(yùn)行更可靠、能源利用更充分，是現(xiàn)代樓宇空調(diào)系統(tǒng)重要的組成部分。但是由于資金缺口和工程進(jìn)度等等問題，許多已建成的商用建筑和辦公大樓的空調(diào)系統(tǒng)往往都沒有設(shè)計(jì)或安裝自動控制系統(tǒng)，隨著建筑物的投入使用，會發(fā)現(xiàn)空調(diào)區(qū)域的溫、濕度波動很大，往往會超過允許的變化范圍，這時(shí)業(yè)主會提出空調(diào)系統(tǒng)自動控制改造的要求。

這種舊有空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自動控制改造與新空調(diào)系統(tǒng)的自控設(shè)計(jì)相比有許多不同之處，比如舊有的空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行中往往遭到一些人為因素的影響，致使風(fēng)系統(tǒng)平衡遭到破壞，加裝自控系統(tǒng)前必須先對舊有空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道系統(tǒng)重新進(jìn)行平衡調(diào)整，不然自控系統(tǒng)可能達(dá)不到預(yù)期限效果；另外加裝自動控制系統(tǒng)后對原空調(diào)系統(tǒng)的制冷、供熱和水循環(huán)系統(tǒng)都交有一定的影響；同時(shí)在改造進(jìn)程中也會遇到一些特殊的問題，有些問題在舊有空調(diào)系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)自動控制改造的工作，該大樓的空調(diào)系統(tǒng)當(dāng)初由于種種原因沒有安裝自控系統(tǒng)。隨著室外氣象條件的變化和室內(nèi)負(fù)荷的變化，空調(diào)區(qū)域的溫、濕度發(fā)生了很大的波動，常常會超過允許的變化范圍。幾年運(yùn)行下來，每年都發(fā)生有的房間過熱有的房間過冷的問題。室內(nèi)工作人員為了防止過熱或過冷大多將本室的部分送風(fēng)口用膠紙等物遮擋，結(jié)果導(dǎo)致了風(fēng)系統(tǒng)阻力的不平衡，破壞了其他房間的溫、濕度狀況，造成整個(gè)系統(tǒng)的失調(diào)。很多工作室出現(xiàn)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(nèi)高級機(jī)器設(shè)備的正常工作造成了一定的隱患。由于系統(tǒng)失調(diào)，冷站和鍋爐房提供的能量沒能合理使用，造成極大的浪費(fèi)，運(yùn)行費(fèi)用大大提高。在這種情況下，業(yè)主提出了給空調(diào)系統(tǒng)增加自動控制的要求。下面我們對此空調(diào)系統(tǒng)自控改造進(jìn)行中遇到的問題和相應(yīng)采取的解決方法作一個(gè)介紹，希望能給空調(diào)、自控設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理人員一些啟迪。

2空調(diào)控制系統(tǒng)方案的確定

室溫控制是空調(diào)自動系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)，它是用溫度敏感元件來控制相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使得送風(fēng)溫度隨擾量的變化而變化。改變送風(fēng)溫度的方法有：調(diào)節(jié)加熱器的加熱量或冷卻器的冷卻量，調(diào)節(jié)新、回風(fēng)混合比或一、二次回風(fēng)比等。此廣播電視大樓的空調(diào)系統(tǒng)是由11個(gè)空氣處理機(jī)組組成的全空氣系統(tǒng)，每個(gè)機(jī)組都是一次回風(fēng)式系統(tǒng)，本著經(jīng)濟(jì)、簡便的方針，此次空調(diào)系統(tǒng)的改造我們采用了常用的調(diào)節(jié)加熱器的加熱量和冷卻器的冷卻量的方法以改變送風(fēng)濕度。室內(nèi)相對濕度的控制可以采用兩種方法：間接控制法、直接控制法，此廣播電視大樓很多工作室因一些儀器設(shè)備的緣故對室內(nèi)相對濕度的要求較為嚴(yán)格，為此我們選用了直接控制法去控制室內(nèi)空氣的相對濕度，即用相對濕度敏感元件，控制相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，直接根據(jù)相對濕度偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償室內(nèi)熱濕負(fù)荷的變化。另外我們還加了一些輔助控制設(shè)備以更好的完成空調(diào)系統(tǒng)的自動控制。在此次改造進(jìn)程中自控系統(tǒng)的所有電動調(diào)節(jié)閥和執(zhí)行器我們?nèi)坎捎昧嗣绹鳫ownywell公司的產(chǎn)品。

空調(diào)機(jī)組控制系統(tǒng)流程圖及文字說明

圖1空氣處理機(jī)組自動控制系統(tǒng)流程圖

如圖所示我們在回風(fēng)機(jī)進(jìn)程處設(shè)置了溫、濕度傳感器，以測定總回風(fēng)的溫、濕度，為控制器的調(diào)節(jié)提供依據(jù)。在冷卻器的供水管路上增加了水量調(diào)節(jié)閥，夏季根據(jù)室內(nèi)溫度和設(shè)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(nèi)。另外在加熱器的供水管上相應(yīng)的增加了熱水流量調(diào)節(jié)閥，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(diào)節(jié)閥以根據(jù)室內(nèi)相對濕度與設(shè)定濕度之間的差值，自動地調(diào)節(jié)蒸汽的加濕量，以確保室內(nèi)相對溫度維持在要求的范圍內(nèi)。同時(shí)我們在過濾器的兩端設(shè)置了壓差傳感器，用以測定過濾器的積塵情況，在過濾器的積塵達(dá)到一定程度后，發(fā)出報(bào)警信號，用以提醒檢修人員及時(shí)更換或清洗過濾器。

廣播電視臺在錄制節(jié)目進(jìn)對噪聲的要求很高，但由于此廣播電視大樓空調(diào)系統(tǒng)在噪聲處理上有些欠缺，錄音室在錄制節(jié)目時(shí)往往很難滿足要求，為此工作人員要求在錄制節(jié)目過程中關(guān)閉相應(yīng)的空調(diào)機(jī)組以完成高質(zhì)量的節(jié)目錄制。為了自動檢測、控制空調(diào)機(jī)組的啟停，我們在送、回風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口設(shè)置了壓差傳感器，用于檢測風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)；在送、回風(fēng)機(jī)的啟動電路上安裝了自控觸點(diǎn)用以自動控制風(fēng)機(jī)的啟停。

控制系統(tǒng)我們選用了集散式控制系統(tǒng)DSC，它是70年代中期推出的一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，集計(jì)算機(jī)、通信、控制、屏幕顯示等技術(shù)為一體，實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。筆者參與的改造工程應(yīng)用的是我們自己開發(fā)的一套空調(diào)集散式控制系統(tǒng)，運(yùn)行效果良好。

整個(gè)系統(tǒng)采用總線式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場控制器以MCS-51系列單片機(jī)為核心開發(fā)，主監(jiān)控機(jī)與現(xiàn)場控制器之間通過RS-485總線通信。每個(gè)空調(diào)機(jī)組配裝一臺現(xiàn)場控制器，自成體系，獨(dú)立工作，其結(jié)構(gòu)見圖2所示。它的主要功能有如下幾項(xiàng)：①定期采集各相應(yīng)空調(diào)機(jī)組回風(fēng)的溫、濕度和送風(fēng)機(jī)、過濾器的壓差并存儲，定期上傳存儲的現(xiàn)場采樣數(shù)據(jù)；②接受主監(jiān)控機(jī)下達(dá)的指令，接受監(jiān)控機(jī)下傳的修改后的控制規(guī)則；③根據(jù)主監(jiān)控機(jī)發(fā)出的指令和現(xiàn)場采樣數(shù)據(jù)控制相應(yīng)調(diào)節(jié)閥的開度及電磁閥的開關(guān)，完成控制任務(wù)；④具有顯示，設(shè)定，控制和通訊功能，可以全年不間斷地對本組空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自動控制。

圖2現(xiàn)場控制器原理圖

主監(jiān)控機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)控制器把整個(gè)系統(tǒng)連接起來，通過此通訊網(wǎng)絡(luò)采集11臺下位機(jī)傳送來的各空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)。其采用windows操作平臺，以圖形方式及時(shí)地顯示11套空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)可以對各套空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指定出切合實(shí)際的運(yùn)行方案。體制改革有控制軟件采用我們自行研制的產(chǎn)品，可以保證系統(tǒng)安全可靠的工作。

3一個(gè)空調(diào)機(jī)組負(fù)責(zé)的兩個(gè)工作室冷熱不均勻的問題及解決方法

在冬季運(yùn)行工況下，有一空調(diào)機(jī)組負(fù)責(zé)的兩個(gè)相鄰工作室，一個(gè)較熱，另一則較冷。由于兩個(gè)工作室由同一空調(diào)機(jī)組負(fù)責(zé)送回風(fēng)，所以控制起來十分麻煩。究其原因是在最初的空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)工作室其外維護(hù)結(jié)構(gòu)很少且室內(nèi)有很多機(jī)器及工作人員，散熱量很大，在冬季幾乎不用供熱風(fēng)就可滿足要求甚至室內(nèi)還會過熱，這時(shí)應(yīng)該考慮的是增大新風(fēng)比降溫；而另一個(gè)工作室其外維護(hù)結(jié)構(gòu)面積很大且機(jī)器不多，冬季工況下需要持續(xù)的送熱風(fēng)才能滿足室內(nèi)熱舒適性要求。雖然機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)起來后可以在一定程度上混合冷、熱丙部分室內(nèi)回風(fēng)，緩和兩個(gè)工作室的冷熱不均問題。但是在保證B工作室室內(nèi)溫度時(shí)，A工作室有時(shí)室溫過高，嚴(yán)重影響了室內(nèi)的工作人員的工作效率及機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本來可以用調(diào)節(jié)新、回風(fēng)比的方法解決問題，可是這套系統(tǒng)不同于其他10套系統(tǒng)，它沒有回風(fēng)閥，只有新風(fēng)閥。我們當(dāng)時(shí)嘗試遮住室內(nèi)部分回風(fēng)口的方法彌補(bǔ)沒有回風(fēng)閥的缺陷，結(jié)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(dāng)于增加了新風(fēng)比例，從一定程度上緩解了問題，但這只是臨時(shí)解決的問題的方法。

4PID控制與模糊控制相結(jié)合控制算法的應(yīng)用

模糊控制的控制速度快、響應(yīng)時(shí)間短、魯棒性好，但是控制精度偏低，而傳統(tǒng)PID控制其控制精度好，但是相應(yīng)的時(shí)間偏長，兩者的優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)，把兩者結(jié)合在一起就可以彌補(bǔ)對方的弱點(diǎn)，發(fā)揮其相互的優(yōu)點(diǎn)。用模糊控制進(jìn)行粗調(diào)，把被控制對象控制在小于閾值，然后由傳統(tǒng)的PID控制來精調(diào)，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(jié)合的算法。

5加裝自動控制系統(tǒng)后對冷水系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)影響的分析

在舊有空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自控改造的過程中，機(jī)房工作人員提出疑問，即我們的履行是否會對該空調(diào)系統(tǒng)的制冷、供熱和水循環(huán)系統(tǒng)造成不良影響，比如調(diào)節(jié)閥關(guān)小是否會對制冷機(jī)的工作造成不好的影響、循環(huán)水泵是否能正常工作等等。為此我們對原冷水、供熱循環(huán)系統(tǒng)因自控改造的影響程度進(jìn)行了評估，具體

5．1加裝自動控制系統(tǒng)后對原冷水循環(huán)系統(tǒng)影響的分析

因?yàn)樵渌h(huán)系統(tǒng)的供回水主干管之間未接旁通控制裝置，當(dāng)末端裝置采用變流量調(diào)節(jié)閥以后，末端裝置水流量的減少將使水系統(tǒng)的阻力增大，主干管之間的壓差增大，冷凍水泵的工作點(diǎn)偏移，在這種情況下冷凍水泵是否可以正常工作？同時(shí)，調(diào)節(jié)閥關(guān)小是否會對制冷機(jī)的工作造成不好的影響？分析

5．1．1對制冷機(jī)的影響

經(jīng)甲方提供的數(shù)據(jù)計(jì)算得出待改造的11臺空調(diào)機(jī)組所在的工作區(qū)所需的總制冷量約為2306500kcal/h，此工作區(qū)還包括很多風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，但我們可以計(jì)算出11套系統(tǒng)總需冷量為714000kcal/h，占全部需冷量的百分比為：

如調(diào)節(jié)的最大限按50%考慮，則調(diào)節(jié)量占需冷量的百分比：

5．1．2對水泵的影響

原冷水循環(huán)系統(tǒng)采用3臺IS200-150-400A單吸清水泵，兩用一備，每臺的設(shè)計(jì)流量為224～373m3/h，揚(yáng)程為～43m，兩臺合用時(shí)的流量為448～746m3/h，取中間值為597m3/h，揚(yáng)程為。

被改造的11套系統(tǒng)的總水量：

占總水量的百分比；

如調(diào)節(jié)閥關(guān)閉一半，則系統(tǒng)的總水量變?yōu)椋?/p>

如調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉，則系統(tǒng)的總水量變?yōu)椋?/p>

從以上計(jì)算可以看出：被改造的11套系統(tǒng)的需冷量占全部低區(qū)需冷量的%，考慮極端情況，各閥門均調(diào)節(jié)到輸出能量的50%，則系統(tǒng)的冷量從原來的100%變?yōu)?00-=%。制冷機(jī)組用的是約克離心式機(jī)組，從約克離心式機(jī)組的說明書中我們知道，機(jī)組可以在總負(fù)荷的20%～100%之間可靠的工作，故調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)作用對冷水機(jī)組工作的可靠性是沒有影響的；被改造的11套系統(tǒng)的總水量占整個(gè)低區(qū)總冷凍水循環(huán)量的%，如調(diào)節(jié)閥關(guān)閉一半，即11套系統(tǒng)的總水量從143m3/h減少為m3/h。此時(shí)的系統(tǒng)總循環(huán)水量從原來的597m3/h減少為=525m3/h。從IS200-150-400A水泵的樣本中我們知道，此時(shí)水泵的工作點(diǎn)揚(yáng)程大約為，不但水泵可以可靠的工作，而且不容還仍處于高效區(qū)，因此不會對系統(tǒng)的冷凍水泵的工作造成不良影響。

5．2加裝自動控制系統(tǒng)后對原供熱系統(tǒng)影響的分析

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

5．2．1目前的供熱系統(tǒng)是由鍋爐提供3kg/cm2的蒸汽，經(jīng)過兩臺Alfallaval板式換熱器換成90℃的熱水，再經(jīng)過兩臺ISR125-100-200循環(huán)水泵供給A區(qū)低層，B區(qū)和C區(qū)的大約36臺新風(fēng)機(jī)組一組合式空調(diào)機(jī)組熱水盤管，向相關(guān)區(qū)域提供熱量后變70℃的回水，再經(jīng)過板式換熱器加熱后供出。整個(gè)系統(tǒng)的最高處大約32m，膨脹水箱裝在層的設(shè)備層內(nèi)，水箱內(nèi)水面距鍋爐房熱水循環(huán)泵入口處的高度為，系統(tǒng)設(shè)有一補(bǔ)水泵，補(bǔ)消耗在熱水循環(huán)泵入口處，水泵揚(yáng)程為。

主要設(shè)備的規(guī)格：

①熱水循環(huán)泵：ISR125-100-200三臺揚(yáng)程：50m，流量200m3/h

②板式換熱器：M15-MFCL兩臺熱負(fù)荷：6400kW

設(shè)計(jì)壓力：實(shí)驗(yàn)壓力：設(shè)計(jì)溫度：150℃

③補(bǔ)水泵：40DL×7揚(yáng)程：

5．2．2影響分析

可以看出，熱水循環(huán)水泵入口的靜壓為，經(jīng)過循環(huán)泵加壓后的壓力為+50m=，這一點(diǎn)是系統(tǒng)的最高壓力，系統(tǒng)中其他點(diǎn)的壓力都不會超過這一點(diǎn)的壓力。當(dāng)用戶的熱負(fù)荷減少，經(jīng)查看ISR125-100-200水泵曲線，當(dāng)該水泵的流量從200m3/h減少為100m3/h時(shí)，該泵揚(yáng)程從50m上升為65m，在這種極端情況下，系統(tǒng)最大壓力點(diǎn)的壓力為+65m=。當(dāng)補(bǔ)水泵向管網(wǎng)補(bǔ)水時(shí)，膨脹水箱的水位將會上升，當(dāng)水面上升至上限時(shí)，電接點(diǎn)信號將會自動切斷補(bǔ)水泵的補(bǔ)水，從而使補(bǔ)水點(diǎn)的壓力恒定，維持在。

從以上分析可知，熱水管網(wǎng)中任何一點(diǎn)的壓力在任何情況下，都不會超過，而板式換熱器的設(shè)計(jì)壓力為16barg，從而可以知道，自動控制的加入不會給熱水循環(huán)系統(tǒng)的管網(wǎng)和板式換熱器造成不利的影響。

6結(jié)論

6．1加裝自動控制系統(tǒng)是解決舊有空調(diào)系統(tǒng)溫度超限、分布不均、局部過熱/過冷和能量浪費(fèi)的有效方法，對改善空調(diào)區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量，減少能量損失，降低運(yùn)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(guī)模空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自控改造時(shí)，集散熱量式控制系統(tǒng)是應(yīng)該首選的一種控制方式，它具有結(jié)構(gòu)簡單，功能強(qiáng)大、傳輸方便、數(shù)據(jù)安全可靠的特點(diǎn)。

6．3