空调水系统双闭环控制方法研究

秦　景　崔萌萌　吉高卿

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000;2.北方导航控制技术股份有限公司，北京 100000)



空调水系统双闭环控制方法研究

秦景1崔萌萌2吉高卿1

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000;2.北方导航控制技术股份有限公司，北京 100000)

摘要:通过对传统恒温差和恒压差冷冻水控制系统进行比较分析，将温度和压力控制相结合，采用双闭环的控制策略，从而使冷冻水温差和供水压力得以兼顾，对单纯温度控制的时间滞后问题有所改善，同时内环压力设定可变，能在一定程度跟随系统压力需求，达到降低能耗的目的.

关键词:冷冻水系统；变频；双闭环

0背景

随着经济的持续发展，人民生活水平不断提高，空调被越来越广泛使用，用电约占全国居民电力消耗的30%，在炎热地区电力紧缺的夏季，空调用电占居民用电量的70%以上.能耗问题制约着空调行业的发展，加剧了我国电力供需的矛盾，影响了中国实现可持续发展的战略方针.面对空调产业蓬勃发展和能源短缺之间的矛盾，空调系统节能迫在眉睫.

中央空调系统一般按半小时最大负荷设计，并且有一定的裕量，致使中央空调大部分时间工作在欠负荷情况下，造成很大的能源浪费.为减少损耗，需要空调主机能在一定范围内跟随负荷变化而改变，采用双闭环变频调速的方法可使空调主机根据实际的负载调节频率，以控制泵的转速、扬程，以及管道的流量，最终达到节能的目的.

1央空调冷冻水系统

冷冻水系统通常由水泵、输送管道、分水器、用户末端(与风机盘管系统关联)、集水器、调节阀、旁通阀(变流量系统通常关闭)组成.根据工作原理不同分为定流量和变流量系统两种.冷冻水控制系统由：调节器、比较器、变频器、传感器与变送器、循环泵等组成，结构如图1所示.为了实现变流量控制系统功能，以冷冻水流量为被控量，以冷冻水回水温度为测量值，用y(t)表示；设定值，用r(t)表示.

图1　冷冻水控制系统框图

空调系统的负荷大小与流过管道的水流量直接相关，风机盘管流出的冷冻水的回水温度随系统末端负荷的变化而变化，使水温的实际值与给定值之间产生偏差，这个偏差用e(t)来表示,e(t)=r(t)-y(t).具体控制过程：空调末端设备的传感器检测出冷冻水的回水温度，与给定值比较，比较后的偏差e(t)送入调节器，控制变频器的工作频率改变水泵流量，从而实现了温度变化时，实时控制冷冻水的流量.

1.1冷冻水系统的近似数模描述与控制

中央空调系统中的控制对象大多具有非线性，大滞后，多输入多输出，高阶次等特点.针对其流量控制环节，考虑温度变化的响应过程，其数学模型可以近似等效成一个带惯性的纯滞后环节，应用泰勒级数展开后，进一步描述为近似二阶模型；为使系统具有良好的静动态性能，其控制方式可采用PID控制，系统调节器的传递函数为：

(1)

式中KP-调节器的比例系数；TI-调节器的积分时间常数；TD-调节器的微分时间常数.对于不同的负载，合理地调整PID参数，以期达到满意的控制效果.

中央空调冷冻水的回水温度变化体现空调的负荷变化，采用变频调速实现对系统中冷冻水流量的控制，由此，系统被控对象的输入量是冷冻水的回水温度，输出量是水泵的实时运行转速.

1.2变流量冷冻水系统的节能分析

在相似工况下，对于同一台水泵，当以不同转速运行时，水泵的流量Q，扬程H，轴功率P与转速n之间有如下关系：Q∝n,H∝n2，P∝n3.因而，当转速下降时，水泵功率的减少量远远大于流量的减少量，因此降低转速，可使单位供水耗能减少，达到节能的目的，电机的转速与输入频率有如下关系：

(2)

式中s-转差率，p-电机极对数.

此变流量冷冻水系统采用无级变频调速，采样冷却(冷冻)水在主机上的进出口水温(压力)，送至监控器，与设定值进行比较运算后输出偏差信号(一般为4-20 mA、O-10 V等)给变频器，实现改变水泵转速调节流量，达到经济指标.

2变流量冷冻水系统的分析比较

中央空调的制冷过程是一个多环节串联构成的复杂过程，而冷冻水循环是这个复杂过程中的一个重要环节.目前，中央空调系统的流量控制方式已从定流量控制策略转到变流量控制策略，在变流量控制方式中，最常见的两种控制方式主要是：恒压差控制方式和恒温差控制方式.

2.1恒压差变频控制

在变流量冷冻水控制系统中，末端盘管使用电动二通调节阀，根据负荷的变化调整其开度或状态，使支路冷冻水系统流量变化，从而使系统分配环路流量变化，形成供、回水之间的压力差变化.

恒压差变频控制的原理是，在冷冻水控制系统流通管路的适当位置上，安装压差传感器，经传感器检测其供回水之间的压差并将其值传送至控制器，实测压差值与设定压差值比较，根据偏差大小，驱动变频器调整频率,使水泵根据负荷需求变速运行，从而实现变流量调节的目的.

恒压差控制系统优点：压差是通过安装在管道上的压差传感器获得，当系统的负荷变化较大时，由于压差信号的直接传送，使被控对象响应的时滞性较小，即水的流量能够快速的跟随系统负荷的变化而相应做出实时变化，因而，调节时间较短.

恒压差控制缺点：①压差传感器的压差变化并不能准确地描述空调外部和内部负荷的变化情况，由于管道上的压差传感器获得的信号与冷冻水系统的负荷之间没有直接的关系，因此，即使压差发生变化，这个变化也不能准确地反应空调负荷的变化.在压差信号并不能很好反应系统负荷的情况下，若以其作为被控量来调节系统冷冻水的流量，误差将会很大，即恒压差控制不能保证冷冻水流量实时准确跟随负荷变化而变化；②恒压变流量控制要求系统压差不变，使系统末端部分环路及阀门消耗多余的压差，造成能源浪费；③恒压差时温差很难高于5 ℃，小于设计温差导致流量偏大，有悖于大温差低流量的节能趋势.

2.2恒温差变频控制法

恒温差控制法，通过控制供、回水温差At控制水泵运行，保持制冷机组的供水温度不变(<7 ℃)，供、回水温差恒定(Δt=5 ℃)，当空调负荷变化时，通过改变水泵的流量来调节供、回水温差，使之恒定不变.当空调负荷下降时，如果流量保持不变，回水温度下降，At相应变小，此时通过温差控制器、变频器降低水泵转速，减少空调系统的水流量,Δt保持恒定,而水泵能耗是以转速三次方的关系递减(实际上稍有减少).

恒温差变频控制的优点：可以直接反应空调负荷的变化.缺点：温度传感器安装在管道上，由于温度的采集点与空调末端设备的热采点之间有一定距离，因此，即使温度变化，导致温差变化需经过一个循环后，结果才能显现出来.对于大型的中央空调系统，其流水管路通常距离较长，冷冻水循环周期相应加长，迟滞情况明显，有的几分钟至数分钟，甚至更长.因此，冷冻水系统的惯性大，温度反应速度慢.当系统负荷发生改变时，由于系统的容积特性，需等到温度缓慢变化后才能产生相应的调节动作，在小型系统中，这个延迟有时是比较小，但在大型的系统中，这个滞后往往较大，影响到了控制的及时性和系统相应快速性，阻碍控制效果的提高，进而使系统的能耗也相应的增多.即①控制作用在时间上滞后较严重；②由于缺少对压力的控制可能导致环路供水压力不足.

综上所述，单一地采用一种控制方法，都存在弊端，但是，不管哪种控制方法，水泵的转速不能根据流量的减小而无限地减小，当水泵的转速过小时，水泵的功率也很小，其提供的扬程也小，可能不能把冷水送到最不利环路末端的风机盘管.因此，恒压差系统适用于酒店、办公楼等楼层、房间较多、管网阻力变化大的场合，解决了当管网阻力变化时某些环路供水压力不足，使负荷末端无法正常降温的问题.恒温差系统适用于超市、商场等楼层和房间少、管网阻力变化小的场合，压力控制要求不高，冷冻水流量能够跟随客流量、天气等因素变化而变化即可.

3双闭环系统的提出与分析

单纯的压力或温度控制都比较片面，很难满足系统要求，多数场合对温度和压力都要考虑，系统中有温度和压力两个控制量，流量一个被控量，可以用双闭环控制或串级控制，由于被控过程中的纯滞后环节影响控制系统的跟随性，使生产工艺要求得不到满足.把主要扰动和距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，使用串级控制系统，减小纯滞后环节对主被控量的影响，改善控制系统的控制质量.所以应当将反应缓慢的温度环作为外环，将反应及时的压力环作为内环，避免出现因内环比外环反应慢导致指令混乱甚至出现系统不稳定的情况.另一方面，温差是根据整个中央空调系统特性设定的，应当保持恒定；压差是根据当前系统运行工况设定的，是可变的，所以由外环经过调节器运算作为内环给定.冷冻水循环系统中，供回水的温差和压差，都反映了热交换过程中的热量大小，因此根据供回水温差和压差控制循环水的流速，控制用户末端和蒸发器热交换的速度，是比较合理的控制方法，即采用温差、压差的双闭环控制，系统框图如图2.

图2　双闭环控制系统框图

将供回水温差设定为5 ℃，控制回水温度即可保持温差，冷冻水泵出口压力控制循环水流量.内环为压力流量控制环，外环为温度控制环，实际回水温度与给定值比较后，偏差经温度调节器运算，作为内环压力给定，与实际循环水压力比较后偏差信号经压力调节器运算，作为变频器的频率设定信号.可以将冷冻水回水温度控制在设定的温度(比如12 ℃)，实现了冷冻水泵转速跟随负荷变化而变化.

但是，不管采用何种控制方法，水泵的转速都不可能随流量减小无限制降低，水泵转速过低时会导致扬程不足(可能引起冷水供应不到某些不利环路末端).所以必须通过找到水泵的最小转速来设定变频器的最低输出频率，水泵的最小转速由水泵最小扬程设定(至少保证供水压力大于水系统各部分压力损失之和)，这样即便水泵转速有下限，节能效果也是非常显著的.

3.1数字PID调节器的原理和调试方法

双闭环系统需要用到温度和压力两个调节器，均采用PID调节器，考虑到现代计算机数字控制，通过对连续PID算式的离散化处理，很容易得到位置式控制算法表达式，其算式为：

(3)

式中：u((n))：第n次采样时刻回路输出计算值；Kp：比例增益；e((n))：第n次采样时刻的偏差值；T：采样周期，u0：输出的初始值；

位置式算法要计算过去偏差的累加值，易产生较大的累计误差.且由于位置控制算式中存在累加，不仅要占用许多存储单元，也不利于编写程序及执行速度.实际控制中多采用增量式PID控制算法，增量式算法中不用累加，调节器输出的控制增量只与最近三次采样有关，所以误动作时影响较小，较容易获得比较好的控制效果.其算式为：

(4)

当偏差e为正时，调节器输出增大，而当偏差e为负时，调节器输出减小，这样的调解器为正作用调节器，反之，为反作用调节器.若增益为正，则该调节器为正作用回路；若增益为负，则该调节器为反作用回路.根据冷冻水系统回水温度与负荷正跟随的关系，通常压差和负荷负跟随关系(用户减少时很多管路关闭使管网阻力增大，负荷减小)可以初步断定温度调节器的比例系数为负，压力调节器的系数为正.

4结语

相比于前面的温度或者压力单闭环系统，该双闭环变流量控制系统具有以下运行特点：

1)该系统采用PLC作为双闭环调节器，控制灵活，操作方便，可靠性高且成本低廉.PLC参与控制设备运行，同时作为调节器，调节流量输出和水泵运行台数，使得数字量与模拟量可以协同动作，也很容易实现首次启动全速运行，手动运行与自动运行无干扰切换.

2)双闭环包含了温度和压力两个量的控制，一定程度上克服了单闭环必须舍弃对其中一个量的控制的弊端，而很多场合压力和温度控制都不可忽略，所以该双闭环系统有较宽的适用范围.

3)由于内环的压力调节器反应较快，对单纯温度控制的时间滞后问题有所改善；由于内环压差设定可变，一定程度上能跟随系统压力变化的需求.

参考文献

[1]陈汝东，岳孝方.制冷技术与应用[M].上海：同济大学出版社，2006

[2]霍小平.中央空调自控系统设计[M].北京：中国电力出版社，2014

[4]陈芝久.制冷装置自动化[M].北京：机械工业出版社，2011

[5]易新、刘宪英.变频冷水机组在中央空调系统中的应用[J].重庆大学学报，2002,(8)100～108

[6]李彬.变流量空调水系统的节能探讨[J].暖通空调，2006，(1)132～135

[7]李斌、陈剑.常规空调大温差水系统的适用性分析[J]暖通空调，2009，39(3):78～82

[8]孙一坚.空调水系统变流量节能控制[J].暖通空调，2001，31(6)5～7

Research on Controlling Method of Double-closed Loop in Air Conditioning Water System

QIN Jing1,CUI Meng-meng2,JI Gao-qing1

(1.Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou 075000,China；2.North Navigation Controlling Technology Co.,Ltd,Beijing 100000,China)

Abstract：Based on the comparative analysis of traditional controlling system of cooling water with constant temperature and constant pressure,double closed-loop controlling strategy is presented to combine temperature control with pressure control together,so as to give attention to both the temperature difference of chilled water and the pressure of water supply.As a result,the time lag for simple temperature control has improved,and at the same time,the inner ring has set variable pressure,which,to a certain extent,can follow the system pressure,so as to achieve the goal of reducing energy consumption.

Key words：chilled water system;variable flow;double-closed loop

收稿日期：2015-11-20

基金项目：河北省教育厅QN2014203；河北省住建厅 2014-225；河北建筑工程学院基金项目 Q201312

作者简介：秦景(1980-)，女，硕士，讲师，从事电气控制研究.

中图分类号:TP 13，TU 83

文献标识码：A