变风量空调系统的优化控制算法*

邓小飞，黄光亚，宋志国，张银行

(1.吉首大学信息科学与工程学院，湖南吉首 416000;2.吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000)

变风量空调系统的优化控制算法*

邓小飞1，黄光亚1，宋志国2，张银行2

(1.吉首大学信息科学与工程学院，湖南吉首 416000;2.吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000)

变风量空调系统因为控制过程复杂，所以目前难以推广，市场上广泛使用的是定风量空调系统.针对这种情况，从理论上提出了变风量空气处理机组送风温度的优化控制算法，并用Matlab仿真软件对其进行了仿真分析，仿真结果表明，该算法以更低的能耗达到更佳的运行效果.

变风量空调系统;变风量空气处理机组;送风温度;优化控制

能源危机日益成为当今世界共同关注的问题，人们正致力于寻找新的能源和提高能源利用效率［1］.据统计，变风量空调系统(Variable Air Volume Air Conditioning System，简称VAV)比常规的定风量系统可节能30%～50%，在节能、热舒适性和灵活性等方面远远优于其他空调系统.［2］然而变风量空调系统的控制比较复杂，对系统的自动控制程度有较高的要求，研究变风量空调系统的优化控制具有重要的现实意义，从而引起了国内外学者的广泛关注［3-7］.Fredrik等［3］分析了送风温度的优化控制对系统各方面的影响，并建立了以能耗为目标的目标函数，比较了优化送风温度和持续送风温度2种情况的能耗情况，调节变送风温度能够减少暖通空调系统的能耗.程加堂等［4］针对变风量空调系统存在耦合并难以稳定运行的情况，把空调系统分解为机组部分和末端部分来考虑.对机组部分采用最小二乘法建模，提出了基于单神经元自适应PID控制方案.徐新华等［5］提出了变风量系统的送风静压和送风温度优化控制方法以及多区域新风量优化控制方法，这些控制方案及控制程序在变风量空调系统的动态仿真平台上进行测试以评估它们的动态控制性能、节能及空气品质特性.刘平等［6］介绍了冷却塔的已有模型及其参数辨识，提出了一种能降低冷却塔风机和水泵的能耗较低优化控制方法.宋虹等［7］采用闭环间接辨识法研究了变风量空调末端部分控制系统的节能优化问题.

笔者利用优化控制理论，根据压力无关型末端的负荷率和最小风量的要求，提出了一种新的送风温度优化控制策略，仿真结果表明新的控制策略能够在很大程度上节约了风机能耗.

1 变风量空气处理机组

变风量空气处理机组(Air Handling Unit，简称AHU)是变风量空调系统的重要设备，其主要功能是为空调系统提供足量的新风、维持送风温度和送风管道静压在其设定值等.空气处理机组对空调系统能耗和室内热湿环境有较大的影响，系统总风量通过对管道静压的控制来实现，即在负荷变化的情况下，维持管道某处的静压在某一设定值附近(当然这一设定值可以根据具体需要而改变)即变静压控制，其原则是尽量使风阀开度开大，使系统阻力减小，在满足风量要求的前提下使得静压设定值最小，这样就要降低风机转速，实现节能的目的.另一方面，当负荷减少时，系统所需的风量也随之减少，但当风量减少到一点程度时，会造成新风量不足，室内空气流动不畅混合不均匀等现象，这时就要提高送风温度以增大所需风量.因此，研究变风量空调空气处理机组送风温度的优化控制方法，对节约空调系统能耗、改善室内热舒适性和空气品质、提高工作人员的工作效率均具有现实意义.

2 送风温度优化控制

2.1送风温度优化控制理论

变风量空调系统的最佳送风温度与风机的运行能耗、供冷和供热的运行能耗一同综合考虑，使其综合能耗为最小，然而这几项能耗值都在动态变化中，所以这种综合考虑是个十分复杂的过程.

在某一供冷负荷要求下，送风温度越高，送风温差就变小，需要的风量就越大，送风机运行能耗升高，但此时冷水温度不必维持得太低，制冷效率可以升高，供冷的能耗就可以降低.在炎热的夏季正午时刻，送风温度可以接近最佳设计温度如13℃，那么在负荷比较小的早晨或傍晚，送风温度则可再调为1 7～18℃，而在午后则有可能将送风温度再调至13℃以下.在稍凉爽的季节日子里，则全天都可能将送风温度设置在17～18℃范围内，虽然风机的能耗可能会稍有增加，但供冷的能耗则会降低，总的综合能耗会变小.可见，并不是系统只要处于供冷状态，送风温度就要维持在较低的温度，若这样运行的话，不仅会使某些空调区域出现过冷现象，还可能引起室内空气流动不畅、新风量不足等问题，甚至还可能出现再热能耗，从而使综合能耗增加.

2.2送风温度优化控制策略

在VAV空调系统中，当区域处于部分负荷时，AHU送风量减少，可降低风机能耗.但是送风量的减少会带来不利的影响，如送风混合欠充分、室内空气流动欠佳、送风直接下落等现象，这样会影响室内的热舒适性.有效的解决方法是在保证室内热舒适性的前提下设定一个最小风量，当实际送风量小于这个最小风量时，就通过提高送风温度来增大送风量.如果设计送风温度为Tsa，送风温度设定值Tsasp，系统的压力无关型末端(VAVBOX)个数为N，且为每个VAVBOX设定了最小风量，当检测到实际送风量(MFL)小于设定最小风量(MNFL)的VAVBOX个数为N时，就将送风温度提高.这种方法旨在通过提高送风温度增大送风量来解决室内空气流动问题，即送风温度设定值只能提高，而没有控制规则来使设定值减小.

鉴于此，根据VAVBOX的负荷率和最小风量的要求，提出了一种新的送风温度优化控制策略:当室内负荷增大到某一程度时，则降低送风温度设定值，当室内风量不足时，则提高送风温度设定值来增大风量.末端控制回路如图1所示.

图1 压力无关型末端控制回路

由图1可知，末端有3个控制回路，即风量控制回路、负荷控制回路和温度控制回路.由于风量控制回路的存在，由温度控制器给出的设定送风量就能得到保障，而不受风道静压变化的影响，具有较高的精确性.同时负荷控制回路的存在，当室内负荷增大到某一程度时，能通过降低送风温度设定值来提高室内的热舒适性.

3 优化控制算法仿真及其分析

利用Matlab工具箱进行优化控制仿真时，设定各个末端相关的数据，如阀门开关控制信号DCL、末端的实际送风量MFL(单位为L/s)和需风量RFL(单位为L/s)、最小风量设定值MNFL(单位为L/s)、最大负荷设定值(单位为W/m2)、送风温度设定值Tsatsp(单位为℃)等，送风温度最高值设为18℃，送风温度的最低值设为13℃.

图2，3为送风温度随室内负荷及风量的变化曲线.由图2，3可知:当室内负荷增大到每平方米0.235 W时，则送风温度设定值下降，直到下降到送风温度的最低设定值13℃;当室内送风量不足28 L/s时，送风温度设定值升高，直到上升到送风温度的最高设定值18℃.

图2 送风温度随室内负荷的变化曲线

图3 送风温度随室内风量的变化曲线

图4 风机变频器输出频率

图4为某一时段AHU送风机变频器频率的仿真输出.由图4可知，优化前输出频率基本保持不变即为50 Hz，优化后的变化范围为45.45～48 Hz.设风机的转速为n、频率为f、风量为L，功率为N，则其相互关系为

又令风机的额定功率为N0，最大输出频率为fmax，则输出功率和输出频率的关系为

在送风温度设定值优化后，风机的频率输出值减小，再由(1)式可知，风机的输出功率减小，优化后的系统比原系统更节约风机能耗.

4 结语

提出一种AHU送风温度优化控制的新方法.根据VAVbox的负荷率和最小风量的要求，为了最大限度地节省风机能耗，当室内负荷增大到某一程度时，则降低送风温度设定值;当室内风量不足时，则提高送风温度设定值来增大风量.因此，送风温度的优化控制是暖通设计者优先选择的控制方法.

［1］ 蔡敬琅.变风量空调设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007:1-22.

［2］ 叶大法，杨国荣，董 涛.国外变风量空调系统设计理念探讨与借鉴［J］.暖通空调，2008，38(3):62-67.

［3］ FREDRIK ENGDAHL，DENNIS JOHANSSON.Optimal Supply Air Temperature with Respect to Energy Use in a Variable Air Volume System［J］.Energy and Buildings，2004，36(3):205-218.

［4］ 程加堂，艾 莉，段志梅.变风量空调系统机组部分的建模与仿真［J］.自动化技术与应用，2009(4):8-9.

［5］ XU Xin-hua，WANG Sheng-wei，SUN Zhong-wei，et al.A Model-Based Optimal Ventilation Control Strategy of Multi-Zone VAV Air-Conditioning Systems［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29(1):91-104.

［6］ 刘 平，李树江，王向东.空调冷却塔的建模与优化控制［J］.暖通空调，2011(3):152-155.

［7］ 宋 虹，任庆昌，白 燕，等.变风量空调末端双闭环系统的模型辨识和仿真［J］.计算机仿真，2012(10):396-399.

(责任编辑 陈炳权)

Optimal Control of Variable Air Volume Systems

DENG Xiao-fei1，HUANG Guang-ya1，SONG Zhi-guo2，ZHANG Yin-hang2
(1.College of Information Science and Engineering，Jishou University，Jishou 416000，Hunan China;2.College of Physical Mechanical and Electrical Engineering，Jishou University，Jishou 416000，Hunan China)

It is difficult to apply Variable Air Volume(VAV)air condition system for its complex control process，so constant air volume system is still widely used in China.In view of this situation，the optimal theoretical strategies of controlling the temperature of air supplied by VAV air handling unit are presented.Then Matlab simulation software is used to analyze the results.The simulation results show that this algorithm can better operate with the lower energy consumption.

Variable Air Volume(VAV)air conditioning system;Air Handling Unit(AHU);air temperature; optimal control

TU831.3

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2013.02.013

1007-2985(2013)02-0061-03

2012-11-21

吉首大学校级科研项目资助(11JD043);湖南省教育厅优秀青年项目(11B102);湖南省自然科学基金项目(11JJ6061)

邓小飞(1982-)，女，湖南邵阳人，吉首大学信息科学与工程学院讲师，硕士，主要从事大系统控制理论、无线传感器网络和无线通信技术研究.