基于Alerton的变风量空调系统末端控制程序的研究

文｜北京工业大学建筑工程学院 张 宁 李炎锋 李俊梅

北京军区空军勘察设计院 胡世阳

1 引言

变风量空调系统出现于20世纪60年代的美国，因可以持续根据负荷的变化调整送风量，大幅降低送风机的能耗，相比定风量空调系统具有更为明显的节能效果而被广泛应用。除去设备选型的问题外，变风量末端控制程序的优劣也对系统控制效果有着直接的影响。在工程应用中，存在着由于变风量末端调节性能较差，造成整个变风量空调系统控制不稳定、超调过大、调节时间过长......使用效果达不到设计预期的问题[1]。西安建筑科技大学、北京工业大学等做了大量有关变风量末端控制器、变风量控制程序的研究[2]。

2 变风量末端装置

VAV空调系统运行的典型内容是由VAV末端装置来根据室内要求进行送风量控制。常用变风量末端可按照控制方法分为压力无关型和压力有关型两种[3]。

（1）压力无关型末端风口（Pressure independent）

末端入口压力变化时，通过末端的风量也将发生变化。压力无关型末端可利用风速传感器计算出实际的空气流量；通过风量调节回路，根据风量的偏差快速地补偿压力的变化，维持原有风量。

（2）压力有关型末端风口（Pressure dependent）

压力有关型末端利用温度控制器直接控制风阀开度，而不设风量传感器和控制器。末端对于压力的影响要等到室内温度随风量的变化而改变以后才会有所反映，在时间上有较大滞后性。

3 变风量末端控制程序

按照压力无关型末端考虑，变风量末端控制程序的控制逻辑主要分为房间所需风量控制和房间风阀开度控制两部分，控制内容主要为：

◆ 利用末端控制器设定送风温度值、送风量值；

◆ 利用温度传感器采集控制区域实际温度；将之与设定温度进行对比，得出偏差；据此，利用PID控制器计算得出送风量；

◆ 对PID控制器计算出的送风量与设计的最大、最小送风量进行线性转换，得出室内所需送风量；

◆ 利用风量传感器采集房间实际风量；将之与室内所需送风量进行对比，得出偏差；据此，利用PID控制器计算出风阀开度；

◆ 上传数据到中央控制管理计算机系统或从中央控制管理计算机系统下载控制设定参数。

控制流程如图1所示。

其中，最大、最小风量值设定尤为重要，对系统的控制效果有着决定性的影响。最大送风量计算采用显热—温差法。各变风量末端装置所对应的温度控制区的热湿比不尽相同，当各温度控制区的室内空气设计干球温度相同时，末端装置的送风温差也相同，末端装置的最大风量与所对应温度控制区的显热负荷成线性关系[4]：

式中，GS为末端装置送风量，单位为kg/s；QS为温度控制区的显热负荷，单位为kW；tN为温度控制区的室内空气设计干球温度，单位为℃；tS为温度控制区的送风干球温度，单位为℃。

变风量末端装置的设计最小风量通常取设计最大风量的30%～40%。

（1）房间所需风量控制程序

房间所需风量控制程序如图2所示。图中，变量AV-67代表房间所需的最大风量，AV-69代表房间所需的最小风量，AI-0为房间实际温度，AV-90为房间设定温度。设计最大风量及最小风量均根据各房间设计冷负荷，通过计算确定。具体设计思路为：利用温度传感器采集房间内的实际温度，利用模拟值比较模块（COMPARATOR）判断AI-0是否处于AV-90±0.2℃的范围内，进而确定房间所需的实际送风量（AI-4）。

①当AI-0处于AV-90±0.2℃范围内时，实际房间送风状态保持当前状态；根据AI-0与AV-90的偏差，利用PI控制模块调节送风量，再利用线性输出模块（LINEAR SCALER）对PID控制器计算出的送风量与设计的最大、最小送风量进行线性转换，计算出室内所需送风量。

②AI-0低于AV-90±0.2℃范围下限，且持续5分钟，说明送风量已经足够，应关闭送风阀。

③AI-0高于AV-90±0.2℃范围上限，说明需要增大送风量，此时应根据AI-0与AV-90的偏差，利用PI控制模块调节送风量，再利用线性输出模块对PID控制器计算出的送风量与设计的最大、最小送风量进行线性转换，计算出室内所需送风量。

（2）房间风阀开度控制程序

房间风阀开度控制程序，如图3所示。图中，AI-10为房间变风量末端自带的毕托管流量计测量的实测风量——因该流量计有测量误差，经过大量的实验测试后用变量AV-12及数值3.6来修正，变量AV-13为修正后的实测风量。具体设计思路为：当AV-13不在AV-4±3%的范围内时，以AV-4为PI计算模块中的设定值进行PI计算，求得并输出房间风阀开度。

图1 控制流程图

图2 房间所需风量控制程序示意图

图3 房间风阀开度控制程序示意图

4 结束语

上述变风量系统末端控制程序应用于北工大智能建筑实验台后，在空调房间设定温度为24℃时，利用温度传感器采集到的室内实际温度为23.5～24.5℃，符合舒适性空调的要求。该程序由Alerton软件中的Visual Logic编程软件编辑而成，以模块化形式显示，结合末端控制流程，可读性强，而且支持根据实际情况利用Alerton软件更改设定参数以与时变性极强的变风量空调系统相适应，对实际工程建设具有一定的参考作用。

1 孙晴.VAV中央空调末端控制器的开发研究[D].西安建筑科技大学，2009.

2 胡世阳，李炎锋，张宁.基于Alteron的VAV空调主机中变静压控制程序的开发[J].智能建筑与城市信息，2011（3）：81-85.

3 黄治钟.楼宇自动化原理[M].中国建筑工业出版社，2003.

4 叶大法.变风量空调系统设计[M].中国建筑工业出版社，2007.