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空调箱串级控制策略：模拟与实例 清华大学建筑节能研究中心 常晟 姜子炎 王福林 摘要：本文首先分析了目前常用的空调箱控制策略的问题，并介绍了一种实用的空调箱控制策略。本文涉及的全空气系统包括定风量系统与变风量系统，一台空调箱服务多个空间，配备VAV-box的系统不在讨论之列。本文建立了空调箱与房间模型，展现了新控制策略的控制效果。新控制策略实际应用于京港两地的建筑中，实际运行结果显示空调箱控制稳定，并取得了显著的节能效果。 关键词：空调箱，串级控制，稳定性，小温差，节能 1 实际工程中常见的AHU控制的问题 对于采用全空气系统的建筑，空调箱的控制调节对系统运行有重要的影响。现场调研发现，空调箱的控制调节是否良好，不仅影响室内舒适性和风机能耗，而且对水系统是否良好运行起着很重要的作用。 目前，空调箱的调节方式多为“回风控制法”，以定风量系统为例，即：控制器以一定时间步长（如：30秒）读取回风温度，并与其设定值比较，将结果代入特定控制算法（如：PID算法）计算得到冷冻水阀门开度，通过调节阀门开度实现对室温的控制。图1为这一调节过程的框图。 图1 回风控制法调节过程 在这一调节过程中，包含两个惯性环节，一个是通过改变水阀开度调节冷冻水量，从而改变送风温度和供入室内的冷量Q；另一个是供冷量Q的变化导致房间温度tr的变化。其中，后一个环节的惯性要远大于前一个环节，即房间温度变化的速率要远小于水阀开度调节送风温度的速率。在实际工程中，回风传感器的高频随机误差、PID参数取值不当等会经由两个惯性环节的放大，造成水阀开度的振荡，从而引起送风温度波动、室内温度波动等一系列问题。归纳如下： 1）送风温度波动较大，导致室内温度波动较大 在北京某建筑中，AHU采用上述回风控制法，由图2可见其送风温度波动频繁且幅度较大。送风温度的波动最终影响到回风温度的控制不够稳定，同样存在较为频繁的波动。 2）阀门波动频繁，影响水阀寿命 图2表示的空调箱中，水阀开度变化频繁，其开度往往在接近全开与全关之间大幅变化，此现象易导致水阀出现故障，降低水阀的工作寿命。 3）总供回水温差偏小，影响水系统良好运行 各个空调箱冷冻水量波动频繁剧烈，会对总供回水温差带来不良的影响。图3是空调箱表冷器的相对冷量-相对水量图，对于两个工作在60%额定冷量的空调箱，其理论联合工作点应在O点，总供回水温差正比于连接原点与O点的直线的斜率。但是，由于水阀振荡，实际工程中的两个空调箱在某一时刻下，可能一个工作在A点，另一个工作在B点，此时AB点综合后的系统工作点位于C点，总供回水温差正比于连接原点与C点的直线的斜率，要远小于过O点直线的斜率。 在北京某商业建筑中，实际观察空调箱的运行曲线，发现水阀的调节基本处于类似“通断控制”的模式，即水阀开度在全关与全开之间大幅波动。在大多数时刻，总有一些空调箱处于水阀全开、大流量、小温差的工况，而另外的空调箱处于水阀接近全关、小流量、大温差的工况。由于前者所占流量的权重大，总的供回水温差在夏季典型工况下小于3oC，造成冷水输配系统的运行效率低下，且对冷机群控带来不利影响。 2 新空调箱控制策略：串级控制 2.1 一对一系统，风机不变频 AHU内部处理空气过程的惯性与房间温度的调节惯性相差很多，串级控制策略的核心即在于将这两个调节过程分开，使其彼此独立。对于一台空调箱为一个空间服务、风机不变频的系统，串级控制的调节过程如图4所示： 图4 风机不变频的空调箱串级控制调节过程 图4中，外部调节回路为室温调节过程，即计算回风温度tr与其设定值tset之差，通过适当的控制算法(如PID算法)，确定送风温度设定值。这个调节过程的时间步长较长（例：300秒）。内部调节回路为空调箱空气处理过程，即通过调整空调箱内部各执行器的状态，使送风温度达到其设定值。这一调节过程要比室温调节过程快很多（例：时间步长在10秒左右）。因此，在室温调节的过程中，AHU对送风温度的调节时间可以忽略；而在AHU内部调节的过程中，回风温度、送风温度设定值等可以看做定值。这样，两个惯性环节就被独立开来。 2.2 一对一系统，风机变频 为了节省风机电耗，很多空调箱的风机装配有变频器。此时，空调箱的调节过程如图5所示【1】。 图5中的控制策略分为两个调节过程。一是通过风量调节房间温度，即比较回风温度与其设定值之差，通过一定的控制算法，确定风机频率。这一调节过程的惯性较大，因而时间步长较长。而另一个调节过程则是房间湿度的调节，这是一个串级调节过程，其外部控制回路是通过房间湿度与其设定值之差确定送风温度设定值，具有较大的时间步长，而内部控制回路则是通过改变新回风阀开度、冷冻水阀开度等维持送风温度在其设定值附近，具有较短的时间步长。 3 风机不变频的空调箱串级控制策略的模拟验证与实际工程应用 3.1 模