旧有空调自动控制管理论文

摘要因为资金或工程进度等问题，未装自动控制的空调系统在运行中常会出现温、湿度超限，局部过冷/过热和能量浪费的问题，加装自动控制系统是解决这些问题的有效方法。本文以实际工程为背景，对旧有空调系统进行自动控制改造的问题进行了探讨。主要叙述了控制方案的确定，并针对改造过程中的一些问题，提出了相应的解决办法。希望能给相关人员在空调设计、自控改造中一些启迪。

关键词空调系统自动控制传感器现场控制器PID控制模糊控制

1引言

空调耗能是建筑物耗能中的大户，随着能源供应的日趋紧张及人们对室内热环境、空气品质的要求愈来愈高，迫切要求在保持空调区域一定舒适度的前提下最大限度地降低空调能耗。空调自控系统可以使建筑内环境更舒适、设备运行更可靠、能源利用更充分，是现代楼宇空调系统重要的组成部分。但是由于资金缺口和工程进度等等问题，许多已建成的商用建筑和办公大楼的空调系统往往都没有设计或安装自动控制系统，随着建筑物的投入使用，会发现空调区域的温、湿度波动很大，往往会超过允许的变化范围，这时业主会提出空调系统自动控制改造的要求。

这种旧有空调系统进行自动控制改造与新空调系统的自控设计相比有许多不同之处，比如旧有的空调系统在运行中往往遭到一些人为因素的影响，致使风系统平衡遭到破坏，加装自控系统前必须先对旧有空调系统的风道系统重新进行平衡调整，不然自控系统可能达不到预期限效果；另外加装自动控制系统后对原空调系统的制冷、供热和水循环系统都交有一定的影响；同时在改造进程中也会遇到一些特殊的问题，有些问题在旧有空调系统的自控改造中是要特殊考虑的。

笔者于2001年参加了某广播电视大楼的空调系统自动控制改造的工作，该大楼的空调系统当初由于种种原因没有安装自控系统。随着室外气象条件的变化和室内负荷的变化，空调区域的温、湿度发生了很大的波动，常常会超过允许的变化范围。几年运行下来，每年都发生有的房间过热有的房间过冷的问题。室内工作人员为了防止过热或过冷大多将本室的部分送风口用胶纸等物遮挡，结果导致了风系统阻力的不平衡，破坏了其他房间的温、湿度状况，造成整个系统的失调。很多工作室出现了冬热夏冷的情况，这大大影响了工作人员的工作效率，而且对工作人员身体健康有着很大的损伤，且给室内高级机器设备的正常工作造成了一定的隐患（情况严重时会影响对温、湿度比较敏感的设备的正常工作）。由于系统失调，冷站和锅炉房提供的能量没能合理使用，造成极大的浪费，运行费用大大提高。在这种情况下，业主提出了给空调系统增加自动控制的要求。下面我们对此空调系统自控改造进行中遇到的问题和相应采取的解决方法作一个介绍，希望能给空调、自控设计和运行管理人员一些启迪。

2空调控制系统方案的确定

室温控制是空调自动系统中重要的环节，它是用温度敏感元件来控制相应的调节机构，使得送风温度随扰量的变化而变化。改变送风温度的方法有：调节加热器的加热量或冷却器的冷却量，调节新、回风混合比或一、二次回风比等。此广播电视大楼的空调系统是由11个空气处理机组组成的全空气系统，每个机组都是一次回风式系统，本着经济、简便的方针，此次空调系统的改造我们采用了常用的调节加热器的加热量和冷却器的冷却量的方法以改变送风湿度。室内相对湿度的控制可以采用两种方法：间接控制法（变露点）、直接控制法（变露点），此广播电视大楼很多工作室因一些仪器设备的缘故对室内相对湿度的要求较为严格，为此我们选用了直接控制法去控制室内空气的相对湿度，即用相对湿度敏感元件，控制相应的调节机构，直接根据相对湿度偏差进行调节，以补偿室内热湿负荷的变化。另外我们还加了一些辅助控制设备以更好的完成空调系统的自动控制。在此次改造进程中自控系统的所有电动调节阀和执行器我们全部采用了美国Hownywell公司的产品。

空调机组控制系统流程图及文字说明如下：

图1空气处理机组自动控制系统流程图

如图所示我们在回风机进程处设置了温、湿度传感器（AI），以测定总回风的温、湿度，为控制器的调节提供依据。在冷却器的供水管路上增加了水量调节阀（AO），夏季根据室内温度（接近回风温度）和设定湿度之间的差值，自支控制阀门的开启度，使室温控制在要求的范围内。另外在加热器的供水管上相应的增加了热水流量调节阀（AO），用于冬季的室温控制。我们在加湿器的供汽管道上加装了电动调节阀（AO）以根据室内相对湿度与设定湿度之间的差值，自动地调节蒸汽的加湿量，以确保室内相对温度维持在要求的范围内。同时我们在过滤器的两端设置了压差传感器（DI），用以测定过滤器的积尘情况，在过滤器的积尘达到一定程度后，发出报警信号，用以提醒检修人员及时更换或清洗过滤器。

广播电视台在录制节目进对噪声的要求很高，但由于此广播电视大楼空调系统在噪声处理上有些欠缺，录音室在录制节目时往往很难满足要求，为此工作人员要求在录制节目过程中关闭相应的空调机组以完成高质量的节目录制。为了自动检测、控制空调机组的启停，我们在送、回风机的进出口设置了压差传感器，用于检测风机的工作状态；在送、回风机的启动电路上安装了自控触点（DO）用以自动控制风机的启停。

控制系统我们选用了集散式控制系统DSC（DistributingControlSystems），它是70年代中期推出的一种计算机控制系统，集计算机、通信、控制、屏幕显示等技术为一体，实现了危险分散，控制分散，控制管理集中等功能，是一种面向工程师的计算机控制系统。笔者参与的改造工程应用的是我们自己开发的一套空调集散式控制系统，运行效果良好。

整个系统采用总线式网络结构，现场控制器以MCS-51系列单片机为核心开发，主监控机与现场控制器之间通过RS-485总线通信。每个空调机组配装一台现场控制器（DDC），自成体系，独立工作，其结构见图2所示。它的主要功能有如下几项：①定期采集各相应空调机组回风的温、湿度和送风机、过滤器的压差并存储，定期上传存储的现场采样数据；②接受主监控机下达的指令，接受监控机下传的修改后的控制规则；③根据主监控机发出的指令和现场采样数据控制相应调节阀的开度及电磁阀的开关，完成控制任务；④具有显示，设定，控制和通讯功能，可以全年不间断地对本组空调系统进行自动控制。

图2现场控制器原理图

主监控机通过网络控制器把整个系统连接起来，通过此通讯网络采集11台下位机传送来的各空调机组的运行数据。其采用windows操作平台，以图形方式及时地显示11套空调机组的运行状态，同时可以对各套空调机组的运行数据进行分析，指定出切合实际的运行方案。体制改革有控制软件采用我们自行研制的产品，可以保证系统安全可靠的工作。

3一个空调机组负责的两个工作室冷热不均匀的问题及解决方法

在冬季运行工况下，有一空调机组负责的两个相邻工作室，一个较热，另一则较冷。由于两个工作室由同一空调机组负责送回风，所以控制起来十分麻烦。究其原因是在最初的空调设计时考虑不周，或者是电视台在使用中更改了房间的使用功能所致。

一个工作室（设为A）其外维护结构很少且室内有很多机器及工作人员，散热量很大，在冬季几乎不用供热风就可满足要求甚至室内还会过热，这时应该考虑的是增大新风比降温；而另一个工作室（设为B）其外维护结构面积很大且机器不多（比如办公室等），冬季工况下需要持续的送热风才能满足室内热舒适性要求。虽然机组运转起来后可以在一定程度上混合冷、热丙部分室内回风，缓和两个工作室的冷热不均问题。但是在保证B工作室室内温度时，A工作室有时室温过高，严重影响了室内的工作人员的工作效率及机器的正常运转。本来可以用调节新、回风比的方法解决问题，可是这套系统不同于其他10套系统，它没有回风阀，只有新风阀。我们当时尝试遮住室内部分回风口的方法弥补没有回风阀的缺陷，结果其工作人员反映效果很好，不但温度舒适，感觉空气也比以前清闲。这种方法相当于增加了新风比例，从一定程度上缓解了问题，但这只是临时解决的问题的方法。

4PID控制与模糊控制相结合控制算法的应用

模糊控制的控制速度快、响应时间短、鲁棒性好，但是控制精度偏低，而传统PID控制其控制精度好，但是相应的时间偏长，两者的优点互补，把两者结合在一起就可以弥补对方的弱点，发挥其相互的优点。用模糊控制进行粗调，把被控制对象（室内温度）控制在小于阈值（模糊控制与PID控制的转换临界点），然后由传统的PID控制来精调，这样一来，控制的效果会大大的改善。因此在控制算法上我们采用了PID控制与模糊控制相结合的算法。

5加装自动控制系统后对冷水系统、供热系统影响的分析

在旧有空调系统进行自控改造的过程中，机房工作人员提出疑问，即我们的履行是否会对该空调系统的制冷、供热和水循环系统造成不良影响，比如调节阀关小是否会对制冷机的工作造成不好的影响、循环水泵是否能正常工作等等。为此我们对原冷水、供热循环系统因自控改造的影响程度进行了评估，具体如下：

5．1加装自动控制系统后对原冷水循环系统影响的分析

因为原冷水循环系统的供回水主干管之间未接旁通控制装置，当末端装置采用变流量调节阀以后，末端装置水流量的减少将使水系统的阻力增大，主干管之间的压差增大，冷冻水泵的工作点偏移，在这种情况下冷冻水泵是否可以正常工作？同时，调节阀关小是否会对制冷机的工作造成不好的影响？分析如下：

5．1．1对制冷机的影响

经甲方提供的数据计算得出待改造的11台空调机组所在的工作区所需的总制冷量约为2306500kcal/h，此工作区还包括很多风机盘管系统，但我们可以计算出11套系统总需冷量为714000kcal/h，占全部需冷量的百分比为：

如调节的最大限按50%考虑，则调节量占需冷量的百分比：

5．1．2对水泵的影响

原冷水循环系统采用3台IS200-150-400A单吸清水泵，两用一备，每台的设计流量为224～373m3/h，扬程为47.7～43m，两台合用时的流量为448～746m3/h，取中间值为597m3/h，扬程为45.6m。

被改造的11套系统的总水量：

占总水量的百分比；

如调节阀关闭一半，则系统的总水量变为：

如调节阀完全关闭，则系统的总水量变为：

从以上计算可以看出：（a）被改造的11套系统的需冷量占全部低区需冷量的30.9%，考虑极端情况，各阀门均调节到输出能量的50%，则系统的冷量从原来的100%变为100-（30.96÷2）=84.52%。制冷机组用的是约克离心式机组，从约克离心式机组的说明书中我们知道，机组可以在总负荷的20%～100%之间可靠的工作，故调节阀调节作用对冷水机组工作的可靠性是没有影响的；（b）被改造的11套系统的总水量占整个低区总冷冻水循环量的23.9%，如调节阀关闭一半，即11套系统的总水量从143m3/h减少为71.5m3/h。此时的系统总循环水量从原来的597m3/h减少为597-71.5=525m3/h。从IS200-150-400A水泵的样本中我们知道，此时水泵的工作点扬程大约为46.6m，不但水泵可以可靠的工作，而且不容还仍处于高效区（高效区的水量下限为448m3/h），因此不会对系统的冷冻水泵的工作造成不良影响。

5．2加装自动控制系统后对原供热系统影响的分析

加装自动控制系统后是否会对供热系统的板式换热器、热水循环泵等造成影响，我们也进行了分析：

5．2．1目前的供热系统是由锅炉提供3kg/cm2的蒸汽，经过两台Alfallaval板式换热器换成90℃的热水，再经过两台ISR125-100-200循环水泵供给A区低层，B区和C区的大约36台新风机组一组合式空调机组热水盘管，向相关区域提供热量后变70℃的回水，再经过板式换热器加热后供出。整个系统的最高处大约32m，膨胀水箱装在8.5层的设备层内，水箱内水面距锅炉房热水循环泵入口处的高度为33.5m，系统设有一补水泵，补消耗在热水循环泵入口处，水泵扬程为82.6m。

主要设备的规格：

①热水循环泵：ISR125-100-200三台扬程：50m，流量200m3/h

②板式换热器：M15-MFCL两台热负荷：6400kW

设计压力：16.0barg实验压力：20.8barg设计温度：150℃

③补水泵：40DL×7扬程：82.6m

5．2．2影响分析

可以看出，热水循环水泵入口的静压为33.5m，经过循环泵加压后的压力为33.5m+50m=83.5m，这一点是系统的最高压力，系统中其他点的压力都不会超过这一点的压力。当用户的热负荷减少，经查看ISR125-100-200水泵曲线，当该水泵的流量从200m3/h减少为100m3/h时，该泵扬程从50m上升为65m，在这种极端情况下，系统最大压力点的压力为33.5m+65m=98.5m。当补水泵向管网补水时，膨胀水箱的水位将会上升，当水面上升至上限时，电接点信号将会自动切断补水泵的补水，从而使补水点的压力恒定，维持在33.5m。

从以上分析可知，热水管网中任何一点的压力在任何情况下，都不会超过98.5m，而板式换热器的设计压力为16barg（大约160m水柱），从而可以知道，自动控制的加入不会给热水循环系统的管网和板式换热器造成不利的影响。

6结论

6．1加装自动控制系统是解决旧有空调系统温度超限、分布不均、局部过热/过冷和能量浪费的有效方法，对改善空调区域的环境质量，减少能量损失，降低运行成本有着显著的作用。

6．2对由多台空气处理器组成的较大规模空调系统进行自控改造时，集散热量式控制系统是应该首选的一种控制方式，它具有结构简单，功能强大、传输方便、数据安全可靠的特点。

6．3自控系统的调试就在对旧有空调系统的风道系统重新进行平衡调整后进行，不然自控系统可能达不到预期的效果。

6．4暖通空调工程中的控制对象多为温度、流量等这些具有非线性、滞后特征的参数，单一的控制算法很难获得较好的控制效果，PID控制与模糊控制的结合是个很好的算法选择。

参考文献

1张兆亮，集散控制系统，内蒙古：内蒙古人民出版社，1993

2王福瑞，单片微机测控系统设计大全，北京：北京航空航天大学出版社，1999。

3路延魁，空气调节设计手册（第二版），北京：中国建筑工业出版社，1995

4赵荣义等，空气调节（第三版），北京：中国建筑工业出版社，1994