变风量空调系统风机总风量控制方法

统控制中的各个环节进行仔细的分析。

在变风量系统控制中，排除机组的控制环节后，风系统控制中只有房间温度控制环节和风机转速控制环节。风机转速控制如果不使用静压控制，则必须寻找新的控制手段。可能的办法就是考虑对风机实行某种前馈控制，而不使用反馈控制量进行风机调节。于是想到，既然系统可以集中控制，为什么不充分利用计算机的强有力的计算功能，算出风机合适的转速用来直接控制风机呢？循着这个思路，首先对压力无关型的变风量末端控制环节进行了分析，以求发现可用来计算的控制变量。

2．1 末端控制环路分析

以一个典型的变风量控制系统为例，末端控制环节的控制线路如图1所示。

图1 压力无关型变风量末端控制线路图

T sensor反映了各房间温度状况，是控制系统最终所要实现的目的。

T set表示各房间的温度要求，由用户给出或系统管理人员根据实际情况分别设定。实际使用中往往是给定一个范围，如19～20℃。

G sensor为末端所测的流量，将动压经过内置的对照表及修正系数转换而来。

G set系由温度PID控制器根据房间温度偏差设定的一个合理的房间要求风量。其实现是先由设计人员给出该房间最大、最小设计风量，并存入控制系统数据库中，以Teletrol System Inc.的控制系统为例，数据库中Item228(CDmpOccMax),

Item228(CDmpOccMin)即分别对应于最大、最小风量。G set可用下式确定：

其中PCTCLGSC是直接由房间温度偏差经过PID控制器的输出信号，在数据库中是Item5，其范围是（0～100）。

从图1中可以看出，末端控制实际上使用了一个串级控制。使用这种串级控制的基本原因是末端流量控制和房间温度控制两个环节的时间常数差别太大（具体分析见后文）。整个串级控制环路中共有两个是测量量，即温度、流量测量信号；直接设定参数一个，即设定温度T set；中间变量一个，即设定风量G set；及输出给末端的阀位控制信号C。由于实测量存在测量误差、噪声等，是不可能直接用来计算控制信号的。设定温度T set是用户提出的要求，虽然也能部分地反映出对风机的某各控制需求，但却不能体现出实际运行中负荷的变化状况。而设定风量G set却是经过PID控制器后综合体现了空调区域的实际冷、热状况的一个控制参数，将它用于计算是完全有可能的。

2．2 总风量控制方法基本原理

通过对末端控制环路的仔细分析，发现了各个末端的设定风量G set是一个很有价值的量，它反映了该末端所带房间目前要求的送风量，那么所有末端设定风量之和则显然是系统当前要求的总风量，并且体现了系统希望达到的流量状态。根据风机相似律，在空调系统阻力系数不发生变化时，总风量和风机转速是一个正比的关系[2]：

(1)

模拟中通过固定所有末端阀位全开，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2。从图中也可以清楚地看出两者之间的正比关系。

根据这一正比关系，可以想到在设计工况下有一个设计风量和设计风机转速，那么在运行过程中有一要求的运行风量自然可能对应一要求的风机转速。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：

(2)

如果说所有末端带的区域要求的风量都是按同比例变化的，显然这一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是不可能出现这种情况的。考虑到各末端风量要求的不均衡的变频控制。这个安全系数就可简单地实现风机的变频控制。这个安全系数应该能反映出末端风量的要求的不均衡性。这样我们先给每个末端定义一个相对设定风量R i的概念：

（3）

式中G s,i为第i个末端的设定风量，由房间温度PID控制器输出的控制信号设定；G d,i为第i个末端的设计风量。

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R i不一致，这种不一致的程度，可以用误差理论中的均方差概念来反映。首先计算出各个末端的相对设定风量的R i平均值：

（4）

式中n为变风量系统中末端的总个数。

则均方差σ可以表示为：

（5）

有了上述基本概念之后，我们可以给出下面的风机转速控制关系式：

（6）

式中N s为运行工况下风机设定转速；N d为设计工况下的设计转速；G s,i为运行工况下的第i个末端的设计风量；σ为所有末端相对设定风量的均方差；K为自适应的整定参数，缺省值为1.0；n为末端个数。

参数K是一个保留数，可在系统初调时确定，也可能通过优化某一项性能指标，如最大阀位偏差进行自适应整定，目的是使各个末端在达到设定流量的情况下，彼此的阀位偏差最小。

有了这个转速关系式以后，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。

3 总风量控制方法的模拟分析

为了对总风量控制方法进行模拟研究，并比较总风量控制方法与定静压及变静压控制方法的区别，将文献[1]中图1所示模拟系统加入房间模型和控制系统后，建立了如图3所示的模拟系统。该系统风机采用的是RDZ550型，总共有5个末端，各末端大小依次为8#、10#、8#、6#、8#，每个末端负责相应支路上的房间。其中C1为温度控制器、C2是流量控制器、C3为压力控制器，使用的均是PID控制器，测压点选在第3个末端的入口处。其中压力控制环节仅在定静压控制和变静压控制中才使用，总风量控制时没有该环节。系统设计状态下，风机转速为25r/s，总风量4.3kg/s（约13000m3/h）。各房间设计风量依次为0.83，1.3，0.83，0.5，0.83kg/s。各控制器参数均采用文献[1]中整定好的参数。

图3 模拟系统简图

3．1 总风量基本调节过程模拟

首先在仅考虑水力工况，即不考虑房间热过程的情况下，给定各末端的要求设定风量依次为0.6，0.75，0.4，0.25，0.6kg/s，模拟了总风量控制方法的基本调节过程。由前述控制原理可知，转速控制器根据设定风量立即计算出要求的风机转速，使风机从启示直接调节到计算值。然后各末端根据设定流量再单独调节。其运行状态基本等同于定风机转速运行。模拟结果的风机转速、风道压力、流量曲线、阀位曲线分别见图4，5，6，7。

图4 风机总风量控制时的转速调节曲线

图5 总风量控制法的控制点压力曲线

图6 总风量控制法的各末端流量调节曲线

图7 总风量控制法的各末端阀位调节曲线

图4是总风量控制时的风机转速调节曲线。由于设定风量预先给定，风机转速可能根据公式（6）立刻计算出来，于是风机启动后直接到达设定转速。

图5是静压控制时控制点压力在总风量控制时的压力波动曲线。从图中可以看出其压力波动过程相对于文献[1]定静压控制时快速、稳定得多，而且几乎没有超调。因此图6中各末端流量调节曲线也较为平稳。

更突出的的是从图7中阀位曲线可以看出，有两个末端阀们基本上处于全开状态，这表明风机总是在尽可能低的转速下运行。因此单从固定流量在工况来看，总风量控制方法具有极为显著的优势。

3．2 三种风机控制方式过渡过程模拟比较

在考虑房间模型后，模拟边界条件如下：各房间初始温度25℃，设定温度20℃；室内负荷依次为2，4，4，2，4，kW；风机初始转速为20r/s；各末端阀位开始均处于半开状态。

基于上述条件，进行了总风量控制、定静压控制、变静压控制3种不同的控制方式下各自的过渡过程模拟。结果见图8，9，10，11。

图8 没风机控制方式下的转速调节曲线

图9 不同风机控制方式下的控制点压力调节曲线

图10 不同风机控制方式下的末端流量调节曲线

图11 不同风机控制方式下的末端阀位调节曲线

图8是3种不同风机控制方式下的转速调节曲线，从图中可以看出，变静压控制过渡时间最长，但其稳定后转速最小；总风量控制和定静压控制的过渡过程比较一致，只是总风量控制时稳定后的风机转速要低一些。

图9是3种不同风机控制方式下的控制点压力调节曲线，它们和风机调节曲线基本保持相同的趋势，值得指出的是3种控制方式中，总风量控制方法的压力最为平衡，而定静压控制则有微小的高频波动，变静压控制下的压力则有低频小幅波动。

图10是阀位较大的一个末端在不同风机控制方式下流量调节过程。可以看出虽然控制方式不同，但流量的调节却基本一致，只是总风量控制时流量波动幅度稍微大些。总的来说不管使用哪一种风机调节方式，它们都能快速的满足房间负荷对流量提出的要求。

图11是对应图10所示末端的阀位调节过程。可见，变静压控制时在流量稳定以后，由于入口静压的不断降低，阀位还是会逐渐开到较大的位置，而定静压和总风量控制则跟着压力的调节同步稳定下来。

从上述4图可以归纳出以下几个基本结论：①总风量控制方法和静压控制方法一样能很好地完成变风量系统中的风机变频调节；②系统运行稳定后，总风量控制下的系统压力最为稳定，表明总风量控制时出现系统振荡的可能性最小；③从风机转速和风道静压曲线可以清楚地看出，总风量控制在耗能上介于定静压和变静压控制之间。

3．3 三种风机控制方式动态模拟比较

为研究总风量控制方法在负荷变化的动态过程中的调节作用，将图3所示模拟系统中第1个房间的负荷在系统运行稳定后，突然从2kW升为4.5 kW，进一步比较了3种不同的风机控制方式下各自的调节过程。模拟结果如图12到图16。

图12是负荷突变后3种风机控制方式的转速调节曲线。从图中可以看出总风量控制下风机转速调节最为迅速，而且最为平稳；而变静压控制下的风机转速则接近一种阶梯式的调节方式，逐步逼近稳定转速，超调很小；定静压控制时转速曲线显然是一种典型的PID阶跃响应曲线。稳定以后，和过渡过程曲线一致，总风量控制转速居中，变静压控制下转速最低。

图12 房间负荷变化时的转速调节曲线

图13是控制点压力调节曲线，因为房间负荷的加大，该末端阀位迅速开大，引起风道压力突然降低，这从图中定静压和变静压控制下的压力曲线可以看出。但总风量控制方式下，压力不仅没有降低，反而突然升高，这主要是因为总风量控制带有某种程度上的前馈控制含义，而不像静压控制中风机的调节是反馈控制。风机的预先调节自然使风道压力变化方向不同于反馈控制时的变化。因此在总风量控制方式下压力调节波动幅度也比静压控制时大一些。

图13 房间负荷变化时的压力调节曲线

图14是末端流量调节曲线，因为转速调节和阀位调节几乎是同步进行的，即转速增加和阀位开大一起进行，所以负荷变化房间的流量在总风量控制时变化最快，但超调也相对大一些。

图14 房间负荷变化时末端流量调节曲线

图15是负荷变化房间的末端阀位调节曲线。图中较为突出的是变静压控制时阀位很长时间内都处于全开状态，末端流量一段时间内不能满足房间要求。直到末端入口压力增加到足够程度，设定静压稳定下以后，阀位才逐渐稳定下来。

图15 房间负荷变化时末端阀位调节曲线

图16是负荷变化房间的温度曲线。除了总风量控制时房间温度调节幅度较大外，3种风机控制方式下在房间温度的调节方面差异不大。

图16 房间负荷变化时房间温度调节曲线

从3种风机控制方式下的动态模拟各曲线可以得到如下结论：①总风量控制方式调节迅速，对房间负荷扰动反应快，同时短时间内温度偏差也相对较大；②变静压控制在调节过程中时间长，且有压力波动，结合上机组的控制后容易出现系统振荡；

③稳定后各个控制法下的系统压力、风机转速和过渡过程曲线一致，即变静压控制下转速、压力均最小，其次是总风量控制，最不利于节能的显然是定静压控制。

4 总风量控制方法的工程应用

为确保总风量控制方法在实际工程应用中能取得良好的控制效果，首先在中央电视台的一个变风量系统上进行了试运行实验。该变风量系统详见文献[1]。

该系统风机控制使用的是定静压控制，实验是在定静压控制运行稳定后，将转速锁定，风机控制切换为总风量控制后进行的。实验首先记录了风机转速和静压控制时的控制点压力运行数据，然后将某个末端的设定风量突然锁定在一个较小的数值上，得到了风机的调节曲线及相应的压力波动曲线，分别见图17，18。

图17 实验系统上总风量控制时的风机转速曲线

图18 实验系统上总风量控制时的压力调节曲线

图17是系统运行过程中及人为改变设定风量后的风机转速调节曲线。从图中可以看出，系统运行中由于房间设定风量的微小波动，风机也偶尔做出小幅度的调节，当末端设定风量有较大变化时，风机转速立刻根据新的设定风量调节到计算值，并不再变化。

图18是先前定静压控制时静压测量点在总风量控制时的压力波动曲线。从图中可以看出，在系统稳定时，测点压力约稳定在220Pa左右，曲线中很多小毛刺显然是压力传感器的测量误差所致，误差范围大约±10 Pa。在风机转速突然调节后，压力也迅速降低，并稳定下来。

在中央电视台变风量系统上获得了对总风量控制的实际运行特性后，在解放军总医院新南楼的变风量系统的控制系统上大胆采用了总风量控制方式，并已经开始了系统的试运行。从整个控制系统的初调来看，的确比定静压变风量控制系统易于调节，试运行结果非常理想。

5 结论

5．1 总风量控制方法在控制系统形式上具有比静压控制简单得多的结构。它可以避免使用压力测量装置，减少了一个风机的闭环控制环节；此外，也不需要变静压控制时的末端阀位信号。这种控制系统形式上的简化，同时也带来了控制系统可靠性的提高。

5．2 总风量控制方式在控制特点上是直接根据设定风量计算出要求的风机转速，具有某种程度上的前馈控制含义，而不同于静压控制中典型的反馈控制。但设定风量并不是一个在房间负荷变化后立刻设定到未来能满足该负荷的风量（即稳定风量），而是一个由房间温度偏差积分出的逐渐稳定下来的中间控制量。因此总风量控制方式下风机转速也不是在房间负荷变化后立刻调节到稳定转速就不动了，它可以说是一种间接根据房间温度偏差由PID控制器来控制转速的风机控制方法，这才是总风量控制方法的实质。

5．3 总风量控制在控制性能上具有快速、稳定的特点，不像压力控制下系统压力总是有一些高频小幅振荡。其主要原因是因为总风量控制方式取消了压力控制环节，而传统控制方式下由于压力测量误差的存在，导致风机做出一些无谓的微小调节，使系统总不可避免地出现幅波动现象。而且实际系统中压力测量误差更大，控制算法往往要对其进行简单的滤波处理，再用来控制风机，否则系统根本稳定不下来。正因为总风量控制的这个优点，使得控制系统不仅减少了初投资，而且在安装调时还可能大大减少工作量，并提高控制系统的可靠性。

5．4 总风量控制在风机节能上介于变静压控制和定静压控制之间，并更接近于变静压控制。因为变静压控制算法较为复杂，而且容易引起系统压力振荡，所以总风量控制法从控制和节能角度上综合考虑，不失为一种传统静压控制的有效方法。

5．5 虽然总风量控制具有如此显著的优点，但从模拟中也可看总风量控制同样有自己的缺陷。即增加了末端之间的耦合程度，只是这种末端之间的耦合主要是通过风机的调节实现的。在静压控制方式下，各末端的耦合则是通过风道压力来实现的（这种耦合是不可避免的）。这种差别反映在有房间负荷变化后，风机和该房间的末端阀位同时调节使其余房间的流量发生了不可忽视的改变，迫使相应末端尽快做出调节，恢复以前的设定流量。从图14和图15中压力和流量曲线就已经可以看出这种差别了。图19给出的最后一个不端在第一个房间负荷突变后流量调节曲线，图中清楚地反映出总风量控制方式下流量曲线波动最为严重。

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