趙天怡,馬良棟,張吉禮

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部土木工程學(xué)院,遼寧大連116024)

風(fēng)機(jī)盤管為中國(guó)中央空調(diào)系統(tǒng)的主要末端設(shè)備,使用場(chǎng)合廣泛覆蓋賓館類與辦公類建筑。文獻(xiàn)表明[1],截止到2005年中國(guó)風(fēng)機(jī)盤管年銷量已超過(guò)200萬(wàn)臺(tái)。從1972年中國(guó)開始研制風(fēng)機(jī)盤管至今,諸多科研人員與工程師在開發(fā)新型產(chǎn)品[2-4]、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[5-6]、熱力特性建模與測(cè)試[7-8]、能耗計(jì)量[9-10]、風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)房間空氣品質(zhì)與熱舒適性[11-15]等方面進(jìn)行了大量有實(shí)用價(jià)值的改進(jìn)與研究。

單臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管的功率雖然不高,但其使用時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)量多,為建筑機(jī)電設(shè)備耗能系統(tǒng)的重要組成。風(fēng)機(jī)盤管的運(yùn)行調(diào)節(jié)與優(yōu)化控制不僅可提高用戶的空調(diào)精度以改善室內(nèi)熱舒適性,又是中央空調(diào)系統(tǒng)乃至建筑節(jié)能的重要實(shí)施手段。陳向陽(yáng)[16]針對(duì)建筑周邊區(qū)風(fēng)機(jī)盤管的控制問(wèn)題,提出了基于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷控制方法,并將輻射溫度傳感器引入風(fēng)機(jī)盤管的控制應(yīng)用中。Ke[17]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了定風(fēng)量(CAV)與變風(fēng)量(VAV)風(fēng)機(jī)盤管的運(yùn)行特性,結(jié)果表明了變風(fēng)量風(fēng)機(jī)盤管的節(jié)能性。Ke[18]綜合考慮節(jié)能效果與室內(nèi)空氣品質(zhì),提出了一類水側(cè)低溫差的風(fēng)機(jī)盤管控制方法。一些學(xué)者也嘗試將模糊控制方法與風(fēng)機(jī)盤管的節(jié)能控制結(jié)合,江志斌等[19]借助模糊邏輯通過(guò)室溫調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)速與電磁三通閥的旁通比,并研發(fā)了模糊控制器。Ghiaus[20]基于if-then的模糊規(guī)則形式,利用T-S模糊模型描述了風(fēng)機(jī)盤管的運(yùn)行特性并提出了以該模型為參考的控制方法,研究比較了模糊控制方法與PID控制的應(yīng)用情況,結(jié)果表明了模糊控制方法在提高空調(diào)房間熱舒適性與節(jié)能上的優(yōu)勢(shì)。

相比于風(fēng)機(jī)盤管領(lǐng)域的其他方面,風(fēng)機(jī)盤管的優(yōu)化控制研究相對(duì)進(jìn)展緩慢,尤其針對(duì)目前中國(guó)應(yīng)用形式最廣泛的雙管式、風(fēng)機(jī)三檔調(diào)速、電動(dòng)水閥通斷控制的風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)(如圖1所示),絕大多數(shù)的溫控器或風(fēng)機(jī)盤管獨(dú)立控制器通過(guò)室內(nèi)掛墻模塊讀取工作模式(冬季或夏季)、房間溫度、房間溫度設(shè)定值、風(fēng)機(jī)檔位狀態(tài)(手動(dòng)或自動(dòng)),根據(jù)圖2的控制策略控制風(fēng)機(jī)檔位與電動(dòng)水閥通斷。

圖1 風(fēng)機(jī)盤管控制點(diǎn)示意圖

圖2 風(fēng)機(jī)盤管控制策略示意圖

圖2中,T RMSPTH與T RMSPTC分別為冬季模式與夏季模式的室溫設(shè)定值。以夏季工況為例,當(dāng)室溫低于TRMSPTC時(shí),水閥關(guān)閉,室溫高于 TRMSPTC時(shí),水閥開啟。當(dāng)室溫介于 T RMSPTC與 T RMSPTC+ΔT1間時(shí),風(fēng)機(jī)低檔運(yùn)行;當(dāng)室溫介于 TRMSPTC+ΔT1與 TRMSPTC+ΔT 2間時(shí),風(fēng)機(jī)中檔運(yùn)行;當(dāng)室溫高于 T RMSPTC+ΔT2時(shí),風(fēng)機(jī)高檔運(yùn)行。冬季模式類似。

以上的運(yùn)行策略被大多數(shù)風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)所采用,且能夠達(dá)到一定的控制效果,該文稱之為傳統(tǒng)控制方法。傳統(tǒng)控制方法需改進(jìn)的方面有:

1)傳統(tǒng)方法在多數(shù)工況下水閥處于開啟狀態(tài),若可利用水閥關(guān)閉狀態(tài)下盤管的冷卻除濕能力,可適當(dāng)增加水閥關(guān)閉的時(shí)間,對(duì)于整個(gè)風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)而言,若合理安排好每臺(tái)盤管的水閥關(guān)閉時(shí)段,可節(jié)省一定的冷凍水量繼而降低水泵電耗;

2)可將水閥的控制模式由傳統(tǒng)方法的數(shù)字量控制模式轉(zhuǎn)化為占空比(定義為水閥開啟時(shí)間與控制周期之比)控制模式,將數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào),從而便于將智能控制理論(如模糊控制)引入至風(fēng)機(jī)盤管的控制方法中;

3)在風(fēng)機(jī)自動(dòng)模式下,傳統(tǒng)方法的風(fēng)檔控制參照室溫偏差進(jìn)行調(diào)節(jié),并未考慮到室溫偏差變化的因素,對(duì)應(yīng)圖2的控制策略,風(fēng)檔易發(fā)生頻繁變換或室溫控制效果不理想的情況。

4)環(huán)境溫度在高于設(shè)定值1～2℃的范圍內(nèi)波動(dòng)有利于人體熱舒適性,因此風(fēng)機(jī)盤管控制無(wú)需苛求室溫一定嚴(yán)格地被控制在設(shè)定值的水平上。即可消耗更小的供冷量達(dá)到用戶的熱環(huán)境需求,這說(shuō)明傳統(tǒng)的控制方法具備一定的節(jié)能改進(jìn)空間。

為此,該文將占空比的概念引入風(fēng)機(jī)盤管控制中,提出一類新的風(fēng)機(jī)盤管控制方法即占空比模糊控制方法。

1 風(fēng)機(jī)盤管占空比模糊控制方法

以圖1所示的風(fēng)機(jī)盤管形式為例說(shuō)明。引入占空比R ON的概念。即在特定的控制周期T CYC內(nèi),設(shè)水閥的開啟時(shí)間為 TON,則RON=TON/TCYC。設(shè)當(dāng)前室溫與室溫設(shè)定值的偏差為eT,室溫偏差變化為ecT(當(dāng)前室溫偏差與上一時(shí)刻室溫偏差之差)。控制方法即參照eT與ecT同時(shí)控制R ON與風(fēng)機(jī)檔位,如圖3所示。圖中FS表示風(fēng)機(jī)檔位狀態(tài),以風(fēng)機(jī)自動(dòng)模式為例說(shuō)明,當(dāng)室溫低于設(shè)定值時(shí),RON取0(即在該控制周期內(nèi)水閥關(guān)閉),風(fēng)機(jī)檔位為低檔;當(dāng)室溫處于T RMSPT與T RMSPT+ΔT間時(shí)(如圖3陰影區(qū)域所示),根據(jù)eT與ecT,通過(guò)模糊邏輯Fuzzy_Logic1與Fuzzy_Logic2推理得到風(fēng)機(jī)檔位與R ON的輸出值。模糊規(guī)則表如表1所示;當(dāng)室溫高于TRMSPT+ΔT時(shí),R ON取1,風(fēng)機(jī)檔位為高檔。

表1中,u代表R ON或FS的模糊推理值,eT、ecT、u的模糊論域取[-2,2],在e與ec的論域上劃分為“負(fù)大”、“負(fù)小” 、“零” 、“正小” 、“正大” 共5 個(gè)模糊等級(jí),分別用NB,NS,ZE,PS,PB表示,其隸屬函數(shù)如圖4所示,模糊推理方法為作用模糊子集推理方法[21]。占空比的實(shí)際論域?yàn)閇0,1],求得u之后可直接反模糊化;FS的反模糊化參考u的范圍而確定:當(dāng)u小于0.5時(shí),FS為低檔;當(dāng)u介于0.5與1.5間 時(shí),FS為中檔;當(dāng)u大于1.5時(shí),FS為高檔。

圖3 風(fēng)機(jī)盤管模糊控制方法示意圖

圖4 隸屬函數(shù)

以自動(dòng)模式為例,風(fēng)機(jī)盤管占空比模糊控制方法的執(zhí)行流程如圖5所示。圖中,TRMS為上一時(shí)刻的室溫采樣值,除了執(zhí)行圖3所示的控制策略之外,考慮到室內(nèi)負(fù)荷突然升高對(duì)室溫控制的影響,方法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室溫變化情況:若TRM持續(xù)高于TRMSPT+ΔT達(dá)30 s或T RM持續(xù)高于T RMS+ΔT 1達(dá)30 s,風(fēng)檔自動(dòng)調(diào)至高檔,水閥占空比調(diào)整為1。方法涉及的各類參數(shù)說(shuō)明列于表2。

表1 占空比與風(fēng)機(jī)檔位模糊控制規(guī)則表

圖5 風(fēng)機(jī)盤管占空比模糊控制方法執(zhí)行流程

表2 風(fēng)機(jī)盤管占空比模糊控制方法參數(shù)信息

續(xù)表2

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)采用大連理工大學(xué)變流量空調(diào)系統(tǒng)集成控制試驗(yàn)臺(tái)中的風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)完成,空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖6所示。圖6中,系統(tǒng)冷源為一臺(tái)風(fēng)冷熱泵;V1～V6為電動(dòng)兩通閥;V1～V6為連續(xù)調(diào)節(jié)閥;Tw1～Tw8為水溫傳感器;FCU1～FCU6為風(fēng)機(jī)盤管,試驗(yàn)以FCU6為對(duì)象研究提出的控制方法,FCU6的空調(diào)房間建筑面積約10m2,房間內(nèi)均布5個(gè)電熱爐,利用調(diào)壓器調(diào)節(jié)電熱爐的加熱量以模擬房間內(nèi)熱源負(fù)荷變化。控制器采用Honeywell XL-100型可編程控制器,控制算法采用 Honeywell Care7.0軟件編寫,控制系統(tǒng)原理圖如圖7所示。試驗(yàn)臺(tái)主要設(shè)備照片如圖8所示。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)原理圖

圖7 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)原理圖

圖8 試驗(yàn)臺(tái)主要設(shè)備照片

模糊推理方法(圖3中的 Fuzzy_Logic1與Fuzzy_Logic2)在Care編程軟件中的模塊化實(shí)現(xiàn)方法為:圖4中列出了e與ec的6個(gè)模糊子論域所對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)的線性表達(dá)式,模塊將e與ec模糊值(分別定義為Fe與Fec)代入這9組線性表達(dá)式中計(jì)算隸屬度。模塊通過(guò)定義36個(gè)邏輯量R1～R36來(lái)描述表1中所覆蓋的Fe與Fec范圍。編號(hào)順序參照表1的Fe從左至右,Fec從上至下的變化順序。例如,R1=1即表示Fe＜-2且Fec＜-2對(duì)應(yīng)的范圍組合;R8=1即表示-2＜Fe＜-1且-2＜Fec＜-1對(duì)應(yīng)的范圍組合;R16=1即表示-1＜Fe＜0且0＜Fec＜1對(duì)應(yīng)的范圍組合;R36=1即表示Fe＞2且Fec＞2對(duì)應(yīng)的范圍組合。結(jié)合圖4中9組線性表達(dá)式與R1～R36體現(xiàn)的查表功能,對(duì)于一組Fe與Fec值,模塊計(jì)算各作用模糊子集下Fe與Fec的隸屬度,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)作用模糊子集推理方法,計(jì)算u對(duì)應(yīng)的模糊值Fu,反模糊化,求得u。

2.2 試驗(yàn)工況與試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)?zāi)康臑閷?duì)比風(fēng)機(jī)盤管占空比模糊控制方法與傳統(tǒng)方法的應(yīng)用效果。占空比模糊控制方法通過(guò)圖7所示的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),傳統(tǒng)方法采用Honeywell W7752D的風(fēng)機(jī)盤管控制器實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)分別將2種方法應(yīng)用于FCU6的控制中,每組試驗(yàn)周期為10.5 h,為保證試驗(yàn)工況的均衡性,2組試驗(yàn)分別在室外溫度相差不大的連續(xù)2 d(2009年8月4日,8月5日)內(nèi)的相同時(shí)段進(jìn)行。監(jiān)測(cè)的室外溫度情況(圖9所示)表明,傳統(tǒng)控制方法對(duì)應(yīng)試驗(yàn)日(8月4日)平均溫度為28.0℃,占空比控制方法對(duì)應(yīng)試驗(yàn)日(8月5日)平均溫度為27.8℃。傳統(tǒng)控制方法試驗(yàn)日下午時(shí)段的室外溫度略高于占空比控制方法試驗(yàn)日,晚間時(shí)段的室外溫度略低于占空比控制方法試驗(yàn)日?？傮w上看,由于存在著0.2℃的平均室外溫度差異,傳統(tǒng)控制方法的試驗(yàn)日工況略不利于占空比控制方法。下面就針對(duì)室外溫度差異對(duì)試驗(yàn)工況的影響情況予以分析。

1)室外溫度為室外氣象因素對(duì)冷負(fù)荷的綜合影響的一部分。由于2類試驗(yàn)日均為晴天且太陽(yáng)輻射強(qiáng)度基本一致,考慮到太陽(yáng)輻射對(duì)冷負(fù)荷的影響相對(duì)均衡,因此室外溫度的微小差異將不會(huì)對(duì)2組試驗(yàn)日內(nèi)房間冷負(fù)荷造成較大影響。

2)為進(jìn)一步降低室外溫度對(duì)試驗(yàn)工況的干擾,試驗(yàn)分別在固定的試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)在試驗(yàn)房間加入400 W 內(nèi)熱源4次,每次持續(xù)40min后關(guān)閉,加入600 W內(nèi)熱源1次,持續(xù)40min后關(guān)閉。由于內(nèi)熱源的散熱強(qiáng)度要大大高于室外工況對(duì)房間的傳熱強(qiáng)度,加入內(nèi)熱源后的試驗(yàn)工況下房間冷負(fù)荷的主要來(lái)源為內(nèi)熱源引起的冷負(fù)荷,進(jìn)而室外溫度對(duì)冷負(fù)荷的影響程度將進(jìn)一步降低,因此可認(rèn)為2組試驗(yàn)的冷負(fù)荷需求基本一致,試驗(yàn)工況保持均衡。加入內(nèi)熱源的2組試驗(yàn)日的工況對(duì)比如圖9所示。2組試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)列于表3。

圖9 對(duì)比試驗(yàn)的室外溫度與附加內(nèi)熱源工況

表3 試驗(yàn)參數(shù)信息

續(xù)表3

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖10列出了占空比模糊控制方法與傳統(tǒng)控制方法的風(fēng)機(jī)檔位控制信號(hào)、電動(dòng)水閥控制信號(hào)、風(fēng)機(jī)盤管顯熱供冷量、潛熱供冷量、全熱供冷量與室溫控制效果的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。為便于比較,圖10中的試驗(yàn)結(jié)果均按照數(shù)值大小升序排列。為便于定量比較2種方法的應(yīng)用效果,統(tǒng)計(jì)2種方法的評(píng)價(jià)指標(biāo)列于表4。

圖10 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

表4 兩類控制方法的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)

從試驗(yàn)結(jié)果可見:

1)從風(fēng)機(jī)檔位在試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)的分布情況看,占空比模糊控制方法在試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)的一半時(shí)間為低檔運(yùn)行,而傳統(tǒng)方法的高、中、低檔運(yùn)行時(shí)間各占總時(shí)間的1/3左右。從風(fēng)機(jī)電耗在試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)的累計(jì)值可見,占空比模糊控制方法較傳統(tǒng)控制方法節(jié)省了約28.9%的風(fēng)機(jī)電耗。

2)從電動(dòng)水閥的控制效果看,傳統(tǒng)方法的水閥開啟時(shí)間頻數(shù)為78.5%,而占空比模糊控制方法在試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)僅對(duì)應(yīng)47.4%的水閥開啟頻數(shù)。對(duì)于整個(gè)風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)而言,若將各臺(tái)盤管的開啟時(shí)段交錯(cuò)開,占空比模糊控制方法將節(jié)省更可觀的冷凍水量,從而降低冷凍水泵的輸送電耗。

3)從風(fēng)機(jī)盤管消耗的冷量情況來(lái)看,占空比模糊控制方法較傳統(tǒng)控制方法低6.3%,值得注意的是,占空比模糊控制方法的通水時(shí)間要明顯少于傳統(tǒng)控制方法,即表明在斷水的狀態(tài)下風(fēng)機(jī)盤管仍可向房間提供一定的冷量。

4)從室溫控制效果來(lái)看,占空比模糊控制方法的室溫絕對(duì)偏差平均值較傳統(tǒng)方法低0.5℃,圖10(f)也同時(shí)表明,占空比模糊控制方法可獲得更理想的室溫控制效果。

3 結(jié)論

1)風(fēng)機(jī)盤管占空比模糊控制方法將占空比的概念引入水閥的控制中,將傳統(tǒng)方法的水閥兩位通斷控制轉(zhuǎn)化為占空比模擬量控制,不僅便于模糊控制方法在風(fēng)機(jī)盤管優(yōu)化控制中的應(yīng)用,也充分利用了風(fēng)機(jī)盤管斷水狀態(tài)下的冷量,從而節(jié)約了一定的冷凍水量輸送能耗。

2)占空比模糊控制方法在風(fēng)機(jī)電耗、冷凍水量消耗、供冷量及室溫控制效果4方面均要優(yōu)于傳統(tǒng)控制方法,綜合節(jié)能量約為30%,這部分節(jié)能量還不包括考慮冷凍水量節(jié)省而帶來(lái)的冷凍水泵節(jié)電量。

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