风机盘管占空比模糊控制试验研究

赵天怡,马良栋,张吉礼

(大连理工大学建设工程学部土木工程学院,辽宁大连116024)

风机盘管为中国中央空调系统的主要末端设备,使用场合广泛覆盖宾馆类与办公类建筑。文献表明[1],截止到2005年中国风机盘管年销量已超过200万台。从1972年中国开始研制风机盘管至今,诸多科研人员与工程师在开发新型产品[2-4]、优化设计方法[5-6]、热力特性建模与测试[7-8]、能耗计量[9-10]、风机盘管空调房间空气品质与热舒适性[11-15]等方面进行了大量有实用价值的改进与研究。

单台风机盘管的功率虽然不高,但其使用时间长、数量多,为建筑机电设备耗能系统的重要组成。风机盘管的运行调节与优化控制不仅可提高用户的空调精度以改善室内热舒适性,又是中央空调系统乃至建筑节能的重要实施手段。陈向阳[16]针对建筑周边区风机盘管的控制问题,提出了基于外围护结构负荷控制方法,并将辐射温度传感器引入风机盘管的控制应用中。Ke[17]通过试验对比了定风量(CAV)与变风量(VAV)风机盘管的运行特性,结果表明了变风量风机盘管的节能性。Ke[18]综合考虑节能效果与室内空气品质,提出了一类水侧低温差的风机盘管控制方法。一些学者也尝试将模糊控制方法与风机盘管的节能控制结合,江志斌等[19]借助模糊逻辑通过室温调节风机盘管的风速与电磁三通阀的旁通比,并研发了模糊控制器。Ghiaus[20]基于if-then的模糊规则形式,利用T-S模糊模型描述了风机盘管的运行特性并提出了以该模型为参考的控制方法,研究比较了模糊控制方法与PID控制的应用情况,结果表明了模糊控制方法在提高空调房间热舒适性与节能上的优势。

相比于风机盘管领域的其他方面,风机盘管的优化控制研究相对进展缓慢,尤其针对目前中国应用形式最广泛的双管式、风机三档调速、电动水阀通断控制的风机盘管系统(如图1所示),绝大多数的温控器或风机盘管独立控制器通过室内挂墙模块读取工作模式(冬季或夏季)、房间温度、房间温度设定值、风机档位状态(手动或自动),根据图2的控制策略控制风机档位与电动水阀通断。

图1 风机盘管控制点示意图

图2 风机盘管控制策略示意图

图2中,T RMSPTH与T RMSPTC分别为冬季模式与夏季模式的室温设定值。以夏季工况为例,当室温低于TRMSPTC时,水阀关闭,室温高于 TRMSPTC时,水阀开启。当室温介于 T RMSPTC与 T RMSPTC+ΔT1间时,风机低档运行;当室温介于 TRMSPTC+ΔT1与 TRMSPTC+ΔT 2间时,风机中档运行;当室温高于 T RMSPTC+ΔT2时,风机高档运行。冬季模式类似。

以上的运行策略被大多数风机盘管系统所采用,且能够达到一定的控制效果,该文称之为传统控制方法。传统控制方法需改进的方面有:

1)传统方法在多数工况下水阀处于开启状态,若可利用水阀关闭状态下盘管的冷却除湿能力,可适当增加水阀关闭的时间,对于整个风机盘管系统而言,若合理安排好每台盘管的水阀关闭时段,可节省一定的冷冻水量继而降低水泵电耗;

2)可将水阀的控制模式由传统方法的数字量控制模式转化为占空比(定义为水阀开启时间与控制周期之比)控制模式,将数字控制信号转化为模拟信号,从而便于将智能控制理论(如模糊控制)引入至风机盘管的控制方法中;

3)在风机自动模式下,传统方法的风档控制参照室温偏差进行调节,并未考虑到室温偏差变化的因素,对应图2的控制策略,风档易发生频繁变换或室温控制效果不理想的情况。

4)环境温度在高于设定值1～2℃的范围内波动有利于人体热舒适性,因此风机盘管控制无需苛求室温一定严格地被控制在设定值的水平上。即可消耗更小的供冷量达到用户的热环境需求,这说明传统的控制方法具备一定的节能改进空间。

为此,该文将占空比的概念引入风机盘管控制中,提出一类新的风机盘管控制方法即占空比模糊控制方法。

1 风机盘管占空比模糊控制方法

以图1所示的风机盘管形式为例说明。引入占空比R ON的概念。即在特定的控制周期T CYC内,设水阀的开启时间为 TON,则RON=TON/TCYC。设当前室温与室温设定值的偏差为eT,室温偏差变化为ecT(当前室温偏差与上一时刻室温偏差之差)。控制方法即参照eT与ecT同时控制R ON与风机档位,如图3所示。图中FS表示风机档位状态,以风机自动模式为例说明,当室温低于设定值时,RON取0(即在该控制周期内水阀关闭),风机档位为低档;当室温处于T RMSPT与T RMSPT+ΔT间时(如图3阴影区域所示),根据eT与ecT,通过模糊逻辑Fuzzy_Logic1与Fuzzy_Logic2推理得到风机档位与R ON的输出值。模糊规则表如表1所示;当室温高于TRMSPT+ΔT时,R ON取1,风机档位为高档。

表1中,u代表R ON或FS的模糊推理值,eT、ecT、u的模糊论域取[-2,2],在e与ec的论域上划分为“负大”、“负小” 、“零” 、“正小” 、“正大” 共5 个模糊等级,分别用NB,NS,ZE,PS,PB表示,其隶属函数如图4所示,模糊推理方法为作用模糊子集推理方法[21]。占空比的实际论域为[0,1],求得u之后可直接反模糊化;FS的反模糊化参考u的范围而确定:当u小于0.5时,FS为低档;当u介于0.5与1.5间 时,FS为中档;当u大于1.5时,FS为高档。

图3 风机盘管模糊控制方法示意图

图4 隶属函数

以自动模式为例,风机盘管占空比模糊控制方法的执行流程如图5所示。图中,TRMS为上一时刻的室温采样值,除了执行图3所示的控制策略之外,考虑到室内负荷突然升高对室温控制的影响,方法实时监测室温变化情况:若TRM持续高于TRMSPT+ΔT达30 s或T RM持续高于T RMS+ΔT 1达30 s,风档自动调至高档,水阀占空比调整为1。方法涉及的各类参数说明列于表2。

表1 占空比与风机档位模糊控制规则表

图5 风机盘管占空比模糊控制方法执行流程

表2 风机盘管占空比模糊控制方法参数信息

续表2

2 试验研究

2.1 试验原理

试验采用大连理工大学变流量空调系统集成控制试验台中的风机盘管系统完成,空调系统原理图如图6所示。图6中,系统冷源为一台风冷热泵;V1～V6为电动两通阀;V1～V6为连续调节阀;Tw1～Tw8为水温传感器;FCU1～FCU6为风机盘管,试验以FCU6为对象研究提出的控制方法,FCU6的空调房间建筑面积约10m2,房间内均布5个电热炉,利用调压器调节电热炉的加热量以模拟房间内热源负荷变化。控制器采用Honeywell XL-100型可编程控制器,控制算法采用 Honeywell Care7.0软件编写,控制系统原理图如图7所示。试验台主要设备照片如图8所示。

图6 试验台风机盘管系统原理图

图7 试验台控制系统原理图

图8 试验台主要设备照片

模糊推理方法(图3中的 Fuzzy_Logic1与Fuzzy_Logic2)在Care编程软件中的模块化实现方法为:图4中列出了e与ec的6个模糊子论域所对应的隶属度函数的线性表达式,模块将e与ec模糊值(分别定义为Fe与Fec)代入这9组线性表达式中计算隶属度。模块通过定义36个逻辑量R1～R36来描述表1中所覆盖的Fe与Fec范围。编号顺序参照表1的Fe从左至右,Fec从上至下的变化顺序。例如,R1=1即表示Fe＜-2且Fec＜-2对应的范围组合;R8=1即表示-2＜Fe＜-1且-2＜Fec＜-1对应的范围组合;R16=1即表示-1＜Fe＜0且0＜Fec＜1对应的范围组合;R36=1即表示Fe＞2且Fec＞2对应的范围组合。结合图4中9组线性表达式与R1～R36体现的查表功能,对于一组Fe与Fec值,模块计算各作用模糊子集下Fe与Fec的隶属度,进而实现作用模糊子集推理方法,计算u对应的模糊值Fu,反模糊化,求得u。

2.2 试验工况与试验参数

试验目的为对比风机盘管占空比模糊控制方法与传统方法的应用效果。占空比模糊控制方法通过图7所示的控制系统实现,传统方法采用Honeywell W7752D的风机盘管控制器实现。试验分别将2种方法应用于FCU6的控制中,每组试验周期为10.5 h,为保证试验工况的均衡性,2组试验分别在室外温度相差不大的连续2 d(2009年8月4日,8月5日)内的相同时段进行。监测的室外温度情况(图9所示)表明,传统控制方法对应试验日(8月4日)平均温度为28.0℃,占空比控制方法对应试验日(8月5日)平均温度为27.8℃。传统控制方法试验日下午时段的室外温度略高于占空比控制方法试验日,晚间时段的室外温度略低于占空比控制方法试验日。总体上看,由于存在着0.2℃的平均室外温度差异,传统控制方法的试验日工况略不利于占空比控制方法。下面就针对室外温度差异对试验工况的影响情况予以分析。

1)室外温度为室外气象因素对冷负荷的综合影响的一部分。由于2类试验日均为晴天且太阳辐射强度基本一致,考虑到太阳辐射对冷负荷的影响相对均衡,因此室外温度的微小差异将不会对2组试验日内房间冷负荷造成较大影响。

2)为进一步降低室外温度对试验工况的干扰,试验分别在固定的试验时段内在试验房间加入400 W 内热源4次,每次持续40min后关闭,加入600 W内热源1次,持续40min后关闭。由于内热源的散热强度要大大高于室外工况对房间的传热强度,加入内热源后的试验工况下房间冷负荷的主要来源为内热源引起的冷负荷,进而室外温度对冷负荷的影响程度将进一步降低,因此可认为2组试验的冷负荷需求基本一致,试验工况保持均衡。加入内热源的2组试验日的工况对比如图9所示。2组试验的相关参数列于表3。

图9 对比试验的室外温度与附加内热源工况

表3 试验参数信息

续表3

2.3 试验结果与分析

图10列出了占空比模糊控制方法与传统控制方法的风机档位控制信号、电动水阀控制信号、风机盘管显热供冷量、潜热供冷量、全热供冷量与室温控制效果的对比试验结果。为便于比较,图10中的试验结果均按照数值大小升序排列。为便于定量比较2种方法的应用效果,统计2种方法的评价指标列于表4。

图10 对比试验结果

表4 两类控制方法的定量评价指标

从试验结果可见:

1)从风机档位在试验时段内的分布情况看,占空比模糊控制方法在试验时段内的一半时间为低档运行,而传统方法的高、中、低档运行时间各占总时间的1/3左右。从风机电耗在试验时段内的累计值可见,占空比模糊控制方法较传统控制方法节省了约28.9%的风机电耗。

2)从电动水阀的控制效果看,传统方法的水阀开启时间频数为78.5%,而占空比模糊控制方法在试验时段内仅对应47.4%的水阀开启频数。对于整个风机盘管系统而言,若将各台盘管的开启时段交错开,占空比模糊控制方法将节省更可观的冷冻水量,从而降低冷冻水泵的输送电耗。

3)从风机盘管消耗的冷量情况来看,占空比模糊控制方法较传统控制方法低6.3%,值得注意的是,占空比模糊控制方法的通水时间要明显少于传统控制方法,即表明在断水的状态下风机盘管仍可向房间提供一定的冷量。

4)从室温控制效果来看,占空比模糊控制方法的室温绝对偏差平均值较传统方法低0.5℃,图10(f)也同时表明,占空比模糊控制方法可获得更理想的室温控制效果。

3 结论

1)风机盘管占空比模糊控制方法将占空比的概念引入水阀的控制中,将传统方法的水阀两位通断控制转化为占空比模拟量控制,不仅便于模糊控制方法在风机盘管优化控制中的应用,也充分利用了风机盘管断水状态下的冷量,从而节约了一定的冷冻水量输送能耗。

2)占空比模糊控制方法在风机电耗、冷冻水量消耗、供冷量及室温控制效果4方面均要优于传统控制方法,综合节能量约为30%,这部分节能量还不包括考虑冷冻水量节省而带来的冷冻水泵节电量。

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