变风量空调系统空气处理机组的故障检测与诊断方法研究

摘要：空调在所有建筑耗能中所占比例最大，建筑空调工作者正在尝试采取措施，提高能源利用效率，尽可能使耗能量降至最低。变风量空调系统在运行过程中极易产生故障，为了确保设备的正常运行，文章首先分析了变风量空调系统的特征，然后对变风量空调系统空气处理机组的故障检测与诊断方法进行了探讨。

关键词：变风量；空调系统；空气处理机组；故障检测；故障诊断

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）29-0058-03

变风量空调系统在人们生活中起到了重要作用，因该系统的能源消耗问题一直尚未解决，在使用过程中引起了很多争议。人们正在采取措施，提高能源利用效率，同时也在挖掘新能源。据资料统计，我国建筑能耗在社会总能耗中所占的比例在20%～25%之间，由此可见，建筑能耗所占比例非常大。目前为了促进空气质量，必须了解故障检测工作，及时诊断系统中的潜在

故障。

1 变风量空调系统特征

目前，节能问题被人们广为关注。近几年，无论是大型、中型、小型办公室内，都可看到变风量空调系统的应用，这种系统具备很多特征，其中包括控制灵活性好、舒适度高、节能潜力大等。该系统的市场潜力非常大，其关键设备就是末端装置，末端装置主要设置于顶棚上，维护与检测难度相对较大。除此之外，为了充分体现该系统的经济性与节能性，变风量空调系统的自动化程度非常高，这使空调系统故障的发生更为频繁。变风量空调系統有着自身的特征，主要表现在五个方面：（1）变风量空调系统属于全空气空调系统，无冷凝水污染危害。（2）与定风系统相较，从初期投资上看，变风系统投资少，且具备良好的节能效果。就定风系统而言，室内送风量能够以空调负荷变化为依据而产生变化，这表明送风量可以于室内转移。（3）变风量空调系统能够独立控制所有空调区域，并且以空调区域为依据，对空气湿度进行控制。（4）该系统因工作原理比较特殊，难以控制空气湿度，必须采取辅助措施，达到控制空气湿度的目的。（5）在负荷相同条件下，变风量空调系统所产生的噪声相对较小。

2 变风量空调系统故障诊断方法

故障指的是系统在运行时，计算参数（或观察参数）产生了偏差，简单来说就是系统运行时出现了异常现象。故障诊断全称为故障检测与诊断，明确设备运行信息后，可及时找出系统产生故障的影响因素，明确故障产生的具体位置。故障检测与诊断过程包括三个部分，分别为故障的检测、诊断、辨识。通过故障检测，可以了解系统有无故障。空调系统的诊断有多种方法，主要包括以下两种方式：

2.1 定量模型FDD法

定量模型FDD法需要将物理特征与原理综合起来进行考虑，利用数学公式将系统输出与输入关系表现出来，定量模型可以将系统动态特性与静态特性完全展示。通过数据的正常运行，能够建立模型，并预测系统性能及其可能会产生的行为，了解系统实测值与预测值间的差，最后经故障检测与残差比较，判断系统有无故障。若残差在故障检测阈值外，就表明系统出现了故障。定量模型的建立包括四种方式，分别为参数估计法、奇偶空间法、卡曼滤波器法、物理原理法。对于已知参数，采用后两种方法更好。不过就大部分系统而言，通常都是未知参数。

2.2 定性模型FDD法

定性物理模型是对系统行为进行描述的定性模型，它能够描述系统的行为、因果、功能、结构，主要采用模拟物理系统行为与预测物理系统行为两种方法。这种方法的推理方式比较灵活，便于及时对故障进行

分析。

3 变风量空调系统处理故障分析

3.1 系统故障检测流程

在检测与诊断故障过程中，首先要以以往的运行数据为依据，采用遗传算法，对空调模型参数进行优化，该检测工作需要在系统处于离线状态下完成。除此之外，还可调整部件模型参数，预测处理机组性能。在运行条件与输入条件相同的情况下，通过计算系统实测值与预测值间的残差，便于明确系统有无异常，最终通过故障分类器，将故障源找出。

要想使故障诊断准确度得到提升，在检测故障过程中，还有很多注意事项，其中包括：（1）保证参数准确无误。就大部分空调部件而言，可经测量获取其模型输入参数，其中包含新风流量、新风湿度、新风温度、回风温度、送风静压、送风温度、冷冻水温度、混合风温度等。空调传感器精度较高，传感器测量值可直接作为输入参数。少部分模型参数难以经测量获取，例如冷冻水流量与送风机流量就是如此，必须经计算才可得到。（2）无法避免误差。利用参数对空气处理机组故障进行检测过程中，有很多不确定因素无法避免，这表明模型误差必定会存在。不确定因素有两种，分别为建模误差、测量误差。（3）阈值的选取。阈值选取与故障检测误报率、敏感度存在很大关联，若阈值太大，系统可能无法检测出小故障，出现故障漏报的情况，若阈值太小，可能会出现假警报的情况。本文涉及到的阈值有两种，分别为故障诊断阈值、故障检测阈值，参数自整定模型与故障检测阈值在故障检测过程中应用比较广泛，专家规则与故障诊断阈值主要应用在寻找故障源上。

3.2 故障检测阈值的获取

在变风量空调系统故障诊断方法中，我们对FDD方法进行了介绍，了解到通过计算系统实测值与模型预测值间的残差，比较基准值与残差后如果残差在正常范围内，则表明系统不存在异常。若残差不在正常范围内，表明系统出现了故障。在系统正常运行的条件下，其基准值实际上就是故障检测阈值。选取阈值是一个非常重要的环节，其方法包括三种，分别为基于知识、基于统计、基于数学模型的方法。

3.3 末端装置的检测

在变风量空调系统中，控制末端装置相对而言比较简单，CUSUM控制图可以实现对末端装置故障的检测，经运行数据可以了解到，当采样间隔控制在几分钟内时，系统运行数据的自相关性表现得非常明显，这提示CUSUM控制图性能会逐渐降低。利用残差CUSUM控制图对末端装置进行检测，首选需将故障发生的原因找出，便于立刻采取措施维修或者将故障排除。

控制末端装置的主要目的是使室内控制温度维持在设定值，然而受到很多因素的影响，会导致系统出现异常，其中包括控制器故障、安装错误、传感器故障、设计不科学、设备故障等问题，均可能致使设备运行时产生偏差，CUSUM控制图可以对异常偏移进行检测，对其敏感性较高，不过它会受到数据自相关的影响，因此，在检测过程中，必须考虑到数据自相关可能带来的影响。

3.4 控制器硬故障

若系统出现了控制器硬故障，控制器难以得出准确风量设定值与风阀开度控制信号，实际需风量与引起送风量无法一致，系统设定值与空气温度间也会产生偏差。在建筑节能中，控制器硬故障会影响室内的舒适度，因此，一旦发现硬故障的存在后，要将其及时排除。

4 变风量空调系统诊断软件

结构化查询语言简称SQL，它在数据查询、数据操纵、数据访问、数据控制与数据定义中都有应用，具备效率高、综合统一、功能强等特征，语言十分简洁，处理功能非常强大，安全性较高。如果用户需对任务频繁干预，则可利用服务器将数据库控制与存取任务完成。在用户对数据进行读取过程中，可向服务器申请，服务器以申请内容为依据，及时做出处理。通过结构化查询语言，可以实现变风量空调系统的在线监测，获取数据流程图。

4.1 获取运行数据

诊断软件需要获取系统运行数据，编程语言为VB，通过AOD实现与结构化查询语言服务器的连接，将自动获取程序开发，便于获取运行数据。

4.2 实现机组故障的在线检测

机组诊断软件与在线检测均需要通过对参数进行设置后完整，如果模型预测值与系统实测值间残差不在故障检测阈值范围内，则表明机组存在异常（故障）。

4.3 运行流程的自动生成

诊断软件的使用可以将机组运行数据以图形的方式展现出来，软件能够自动生成运行流程图，便于在评估控制性能与原始设计中起到辅助作用，同时也有利于进一步研究、分析故障产生的原因。

4.4 故障报告

使用诊断软件后，能够自动生成系统故障报告，且会自动保存，故障报告中的内容非常详细，其中包括故障出现的时间、结束时间、具体位置等内容，便于在维修与检测过程中，将其余故障排除。

5 结语

随着生活节奏的加快，人们对生活舒适度提出了更高要求，变风量空调系统设计也更为复杂，因此，在运行过程中，极易产生各种故障。为了确保设备的正常运行，必须及时对设备进行检测，并诊断设备哪一环节出现了问题。本文首先分析了变风量空调系统的特征，然后对变风量空调系统空气处理机组的故障检测与诊断方法进行了详细探讨，有利于为日后空调系统故障的检测提供依据。

参考文献

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作者简介：刘杰（1976-），男，浙江上虞人，浙江金盾风机股份有限公司暖通工程师。