某型船用变风量空调系统风量控制方法研究

李徐嘉 李志海

摘  要：船用变风量空调系统是船用空调的发展趋势和方向，其核心在于对船用空调的风量进行调配和控制。本研究基于某型船用空调系统，对其传统总风量控制技术行优化，采用一种带补偿修订的变风量系统控制总风量。实验结果证明，该方法对风量控制更加精准，也使整个空调系统更加节能。

关键词：空调;变风量;控制;优化

中图分类号：U664.86                 文献标识码：A

Abstract： The marine VAV air conditioning system is the future development trend and direction of marine air conditioning， and its core is to allocate and control the air volume of marine air conditioning system. In this paper， based on a certain type of marine VAV air conditioning device， the traditional total air volume control technology strategy is optimized and improved， and a total air volume control method with compensation revision is adopted. The experimental results prove that the method is more accurate for air volume control and makes the whole air conditioning system more energy-saving.

Key words：Air conditioner;Variable air volume（VAV）;Control; Optimization

1 前言

近年来，随着经济的发展和技术的进步，人们越来越意识到海洋的重要性，对海洋的探索和利用成为了各国重点发展和研究的方向，也是国际政治、经济、军事的重要舞台。从二次世界大战开始，海军逐渐成为最重要的力量甚至是决胜力量;而在经济全球化的今天，海运承担了全球绝大多数货运任务。舰船作为海上最重要的载体，对一个国家的战略作用凸显，成为维护国家安全和利益的重要工具。

舰船舱室空间内环境的好坏，对船员的身心健康及工作效率会产生直接的影响。适宜的舱室环境不仅可以使船员保持良好的精神状态，保证高效工作，还能有效防止呼吸道疾病的发生，因此提高船舶空调舒适性的技术越来越受到重视和关注。据统计，万吨级以上船舶的空调系统耗电功率约占船舶电网总能量的 20%，是船舶主要的耗能装置之一。如何提高船舶空调系统的制冷效率、降低运行能耗，已成为船舶节能的一个重要研究方向。

变风量空调系统是通过改变送入房间的风量来满足室内负荷变化的空调系统，类似于家用的变频空调，能有效改善舱室舒适性。另外，由于空调系统大部分时间是在部分负荷下运行的，所以风量的减少也带来了风机能耗的减少，进而实现整个系统的节能。据统计，变风量系统相对于定风量系统可以节能 30%～50%。

变风量空调系统是全空气空调系统的一种方式，它是随着空调的舒适性与节能要求而发展起来的一项新技术。变风量空调系统控制方法包括：总风量控制方法、定静压控制方法、变静压控制方法。总风量控制方法的原理，是将各个变风量末端（VAV）计算需求风量反馈给集中式空调器（AHU），空调器根据离心风机相似定律，在空调管道系统阻力系数不发生变化时，自动变频提供变风量末端需要的总风量。

2 传统总风量控制方法

某船原采用传统总风量控制方法，系统随机设定房间温度，自动运行。系统稳定后，监控参数如表1所示：。

从表1可以看出：

（1）AHU总送风量与需求总风量偏差-7.4%，不满足±5%的要求;

（2）稳定后VAV风量精度不满足±5%的数量达到4个，且最高偏差值高达-34.5%，风量严重不足。

2.1 基本原理

传统总风量控制法的基本原理，是建立系统设定风量与风机设定转速的函数关系，用各变风量末端装置需求风量求和值作为系统设定总风量，直接求得风机设定转速。

通过所有末端阀位全开（此时可认为是定风量系统），改变风机转速，得到一系列系统总风量与转速的对应关系（见图1），可近似的当成正比关系。根据这一正比关系，可以知道在设计工况下有一个设计风量和和对应的设计风机转速。虽然设计工况和实际运行工况下系统阻力有所变化，但可将其近似表示为：

式中：Ns、Nd——分别为风机的设定转速和最大转速，r/min;

Gs、Gd——分别为风机的设定风量和最大风量，m/h3。

2.2控制方案

由于末端装置阀门时刻在变化，风管的阻力曲线也随时在变化，风机转速也在Nmin至Nmax之间变化，从而变风量空调系统中的工作点全部落入图3所示的区域内。

如果所有末端區域要求的风量都是按同一比例变化的，则上述关系式就足以用来控制风机转速了。但事实上在运行时几乎不可能出现这种情况，因此我们以管路系统阻力最小（末端阀门全开）的情况为基础，对其他的工况进行近似修正（其他工况下的风机转速均应比阀门最大的情况高）。如图4所示：

通过对K1曲线的修正（改变斜率），可以得到K2、K3……Kn曲线，变风量系统在调节过程中，系统管路阻力特性曲线与风机特性曲线的交点刚好落到这些曲线上，可得

式中：Ns、Nd——分别为风机的设定转速和最大转速，r/min;

Gs、Gd——分别为风机的设定风量和最大风量，m/h3。

——综合修正系数。

考虑到各末端风量要求的不均衡性，适当增加一个修正系数就可简单地实现风机的变频控制。为此，我们先给每个末端定义一个相对设定风量R：

显然，由于各个末端要求风量的差异而使各末端的相对设定风量不一致，这种不一致的程度，可以用误差理论中的均方差σ来反映：

按上述转速计算方式（6），就可实时地根据末端设定风量的变化对风机进行转速调节。当各VAVbox的需求风量一致时，说明各个末端的趋势趋于一致，此时计算的σ为0，修正系数则为1。故AHU转速是在对应阀门开度最大的情况下的转速，这是出于节能的考虑，使VAVbox末端阀门的开度尽量往最大开度方向调节。

传统总风量控制方法，对送风机频率Fs只按风机相似定律进行粗略控制，计算公式如下：

空调系统总风量控制流程框图，如图2所示：

2.3 存在的问题

从图2可以看出：传统控制方法只有前馈控制，没有闭环反馈修正控制，若直接应用于船舶舒适性空调，必然存在如下问题：

（1）风量控制精度不够

传统控制方法只考虑了末端总需求风量的变化，忽略了个体房间的送风量，而实际系统在运行过程中会出现管道阻力不平衡、管道漏风等因素，导致部分房间末端送风量不足控制精度差的问题;

（2）节能性不够

送风机频率只按风机相似定律进行粗略控制，而实际在运行过程中送风机控制频率往往过大，导致末端风阀关闭过小，带来房间节流噪声，降低了人员的舒适性。因此，传统控制方法不具备最佳节能性。

3 变风量控制方法

通过理论分析及多组试验结果来看，传统总风量控制方法缺少对个体末端状态的监控，直接导致系统控制的异常。为此，拟采用一种实时补偿修订频率的变风量控制方法，该方法既判断所有末端状态，自动调整送风机频率，保证末端满足风量要求，又可实时判断自动调小频率节能运行。

变风量控制方法的风机频率计算公式如下：

带反馈补偿的变风量系统总风量控制流程，如图5所示：

变风量控制方法与传统控制方法的最大区别，在于增加了频率补偿因子ΔF 。

完整实施过程如下：

（1）舱室变风量末端根据室内设定温度与实际温度的差值，计算末端需求风量值，再根据当前风量与需求风量的差值，调节末端阀门开度，采用串级PI控制，使房间需求风量等于实际风量;

（2）AHU与VAV之间通过标准协议进行通讯连接，AHU读取各末端的需求风量进行求和，按周期△T（取值范围3～15min）计算需求频率Fs;

（3）AHU按周期△T（取值范围0.1～30min）读取各末端的需求风量、实际风量、阀位开度，并进行程序运算得出补偿频率ΔF，从而得出最终输出频率Fs=Fs+△F，最终输出频率Fs按△T周期计算输出;

（4）△F按周期性△T计算，控制思路如下：

（A）当检测有N1个（取值范围：1～0.2倍系统末端数量）末端风阀开到较大开度X1%（取值范围：75%～100%）时，实际送风量仍不足，则需微调增加送风机频率幅度为A（取值范围0.5 Hz～5Hz），直至送风机频率上限;

（B）当检测N2个（取值范围：75%～100%系统末端个数）末端的实际送风量Qa与需求风量Qd的偏差值，满足（1-Qa/Qd）*100%

（C）当检测不满足上述（A）、（B）条件时，ΔF可保持不变，或以少数服从多数原则输出变化值ΔF。

4 变风量控制方法应用效果

变风量控制系统自动运行后，监控参数见表2，监控曲线见图6。

从上述图、表可以看出，变风量控制方法相比传统控制方法，具有明显的精度优势：

（1）所有舱室VAV风量控制精度，及总风量控制精度均在±5%以内;

（2）相较于传统控制方法，变风量控制方法仅有1个房间（VAV8）的风阀开度达到了100%，说明送风机运行在最佳频率。既保证VAV末端风量满足控制精度要求，又控制了送风机的运行频率不会过高，具有良好的节能性。

5 小结

（1）变风量控制方法中的频率补偿因子ΔF，考虑了末端个体的运行状态，既提高了末端风量控制精度，使绝大多数末端满足风量需求，同时系统会自适应运行在最佳频率，具有显著节能效果;

（2）变风量控制方法是基于船用变风量平台的一次理论联系实际的成功验证，对变风量空调的实船应用提供了有效的工程示范。

参考文献

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