CN108151246A - 变风量空调风系统优化节能控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变风量空调风系统优化节能控制方法及装置，建立变风量空调风系统的水力计算模型，通过数据采集模块获取相关数据；根据变风量空调系统各部件的数学模型，计算出各个回路的压降，找出风系统中的最不利回路，计算此时各回路中最不利回路的压降，并以此作为风机的压头；将各空调房间所需的风量以及漏风量之和作为变风量空调系统的设定总风量，将变风量空调风系统最不利回路压降与系统的设定总风量，带入到风机特性曲线的数学模型中，计算出此时风机所需的频率，通过变频器调节风机频率，实现变风量空调风系统中风机的优化控制。本发明能提高变风量空调系统中各末端房间风量的控制效果，且具有一定的节能效益。

Description

变风量空调风系统优化节能控制方法及装置

技术领域

本发明涉及的是一种变风量空调风系统优化节能控制方法及装置。特别是一种变风量空调风系统优化节能控制方法及装置。

背景技术

随着社会的发展人民生活水平的提高，建筑内环境得到了人们越来越多的重视，受直接数字式控制技术和楼宇自动化系统技术在暖通空调领域的应用与发展，具有更高舒适性和易调节性的变风量空调系统的应用逐渐广泛起来。在变风量空调系统控制回路中，风机的控制策略直接影响到各末端房间风量的控制效果，从而影响到房间的热舒适度和风系统的输配能耗，因此，风机的控制是变风量空调系统控制的关键环节。

在变风量空调系统的风量控制研究领域中，大部分都是对风系统中风机的优化控制方法进行研究，研究主要都是基于如遗传算法、粒子群算法、自适应算法等机器学习法。简而言之，就是用大量的实际数据进行多次迭代学习的回归分析，进而得出迭代分析计算之后的结果。整个过程就像是一个黑箱过程，变风量系统各部件的物理意义得不到展现，也不能从系统的结构角度去分析空调系统的控制和节能。在变风量空调系统的实际运行过程中，系统风量随各房间末端负荷的变化实时改变，体现出强动态特性，并且变风量空调系统各控制回路之间存在耦合，使得系统运行时稳定性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于水力特性动态变化模型的变风量空调风系统优化节能控制方法及装置，能提高变风量空调系统中各末端房间风量的控制效果，且具有一定的节能效益。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种变风量空调风系统优化节能控制方法，包括以下步骤：

1)根据厂家和初期调试数据确定变风量空调风系统中的风机模型和变风量末端VAV-box中的电动风阀的水力模型，利用沿程损失计算表中不同形状规格风管的数据拟合以及风管局部阻力系数表的数据得到变风量空调风系统的水力计算模型，并将各模型参数固化在上位机组态软件中；

2)通过数据采集模块获取风机运行数据，风管风量，空调房间设定温度和实际温度，变风量末端VAV-box的设定风量Qi，变风量末端VAV-box的设定阀位θ_i；

3)读取各变风量末端VAV-box的设定风量Qi，以及电动风阀设定阀位θ_i；根据变风量空调系统各部件的数学模型，计算出在此种工况下变风量空调风系统各个回路的压降，找出风系统中的最不利回路，将在最不利回路上的变风量末端VAV-box中的电动风阀开度设为全开状态，计算此时各回路中最不利回路的压降，并以此作为风机的压头；

4)将各空调房间所需的风量以及漏风量之和作为变风量空调系统的设定总风量，将变风量空调风系统最不利回路压降与系统的设定总风量，带入到风机特性曲线的数学模型中，计算出此时风机所需的频率，通过变频器调节风机频率，实现变风量空调风系统中风机的优化控制。

作为本发明的进一步改进，步骤2)具体为：

通过风机数据采集器获得风机运行的频率和电耗，通过变风量末端VAV-box配套安装在空调房间的室内挂墙模块获得空调房间的设定温度和实际温度，通过变风量末端VAV-box上的十字风量传感器获得通过各个变风量末端VAV-box的风量，通过变风量末端VAV-box上的可编程控制器计算得出的空调房间设定风量以及变风量末端VAV-box电动风阀的设定阀位，通过安装在风管各处的风速传感器获取数据获得风系统各处的风速，进而通过不同规格风管尺寸的计算，获得通过不同风管处的风量。

作为本发明的进一步改进，变风量空调风系统水力计算模型包括沿程阻力损失计算模型和局部阻力损失计算模型；

沿程阻力损失计算模型是利用风管沿程损失计算表中的数据对阻抗和风速进行拟合得到不同规格风管的风速与阻抗的对应关系，风速与阻抗的关系式：

S＝aV²+bV+c

式中：S——管段阻抗，Pa/m；

V——风管内风速，m/s；

a,b,c——系数，由风管的形状和规格决定；

局部阻力损失的计算公式为式:

式中：ζ——局部阻力系数；

V——局部阻力构件中的空气流速，m/s；

ρ——空气密度，Kg/m³。

作为本发明的进一步改进，变风量空调风系统水力计算模型具体计算步骤如下：

利用变风量末端VAV-box的设定风量，计算当达到设定风量状态下，各编号管段内风速为：

式中：v_i——不同编号的管段内空气流速，m/h；

Q_box-i——各房间变风量末端VAV-box所需风量，m³/h；

A_i——不同编号管段的横截面积，m²；

再根据各管段内流速，利用计算表中各种材质、各种形状、各种规格的风管的数据，进行其阻抗、风速的关系的拟合，得到风管沿程阻力的阻抗数学计算公式：

S_j＝av_j ²+bv_j+c (j∈1～5)

式中：S_j——不同规格管段的阻抗，kg/m⁷；

v_j——不同编号的管段内空气流速，m/h；

空调风系统分为定风阀阻抗和风管阻抗部分：

S_i＝S_d+S_valve

式中：S_i——不同编号管段的阻抗，kg/m⁷；

S_valve——不同规格风阀阻抗，kg/m⁷；

S_d——同一编号管段下的风管阻抗，kg/m⁷；

同一编号管段的风管阻抗S_d，由相应管段的沿程阻力系数和局部阻力系数组成，根据上述方法求出各个编号管段阻抗，结合上位机读出的相应VAV-box的设定风量，得到在对应风量下各编号管段风管的压降：

式中：ΔP_i——对应风速和阀门开度情况下，编号管段压降值；

结合变风量实验平台实际风管系统的结构形式，计算各回路的压降值，实验平台上各个房间的回路压降值，比较各环路的压降，找出变风量空调系统最不利回路；将在最不利回路上的变风量末端VAV-box中的电动风阀开度设为全开状态，计算此时各回路中最不利回路的压降，并以此作为风机的压头，得到以变风量实验平台为模板构建的变风量空调系统中风管系统的数学模型。

作为本发明的进一步改进，当空调房间的实际温度或设定温度改变时，该空调房间内的变风量末端VAV-box电动风阀的设定阀位和空调房间设定风量会随之相应改变，重复步骤2)-4)。

一种基于水力特性动态变化模型的变风量空调风系统优化节能控制装置，包括上位机、下位机可编程控制器以及扩展模块、风机数据采集器、风速传感器、风机变频器、变风量末端VAV-box及室内挂墙模块；其中，

风机数据采集器，用于获得风机运行的频率和电耗；

变风量末端VAV-box配套安装在空调房间的室内挂墙模块获得空调房间的设定温度和实际温度，变风量末端VAV-box上的十字风量传感器获得通过各个变风量末端VAV-box的风量，变风量末端VAV-box上的可编程控制器计算得出的空调房间设定风量以及变风量末端VAV-box电动风阀的设定阀位；

风速传感器安装在风管各处，用于获取数据获得风系统各处的风速；

下位机可编程控制器以及扩展模块控制风机数据采集器、风速传感器、变风量末端VAV-box及室内挂墙模块将采集相关数据；下位机可编程控制器以及扩展模块通过通信模块与以太网交换机通讯，进而与上位机连接，上位机通过控制风机变频器调节风机频率，实现变风量空调风系统中风机的优化控制。

室内挂墙模块包含温湿度传感器。

本发明具有以下有益效果：

本发明根据变风量空调风系统中各部件的模型，在满足空调房间所需风量的前提下以变风量空调风系统的压降最小为控制优化目标，提出一种基于水力特性动态变化模型的变风量风系统节能优化控制方法。该方法考虑到了系统阻抗随系统风速变化而变化的情况，判断在变风量系统实时运行工况下风系统的最不利回路，并且根据最不利回路上风阀的开度情况，利用流体管网的自平衡性，在线实时计算满足房间末端风量时系统最不利回路的最小压降值，据此控制风机，获得风机的节能运行工况。基于水力特性动态变化模型的变风量风系统节能优化控制方法属于前馈控制，控制依据是控制系统预先计算得出的设定值，因此控制稳定，不会出现震荡。

本发明的控制装置在现有的变风量空调风系统的基础上，通过下位机可编程控制器以及扩展模块控制风机数据采集器、风速传感器、变风量末端VAV-box及室内挂墙模块将采集相关数据；下位机可编程控制器以及扩展模块通过通信模块与以太网交换机通讯，进而与上位机连接，上位机通过控制风机变频器调节风机频率，实现变风量空调风系统中风机的优化控制，实现了自动化控制的过程。能提高变风量空调系统中各末端房间风量的控制效果，且具有一定的节能效益。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明方法实施流程图；

图3是本发明方法计算实例用图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明装置包括上位机1，以太网交换机2，通信模块3，下位机可编程控制器以及扩展模块4，风速传感器5，风机变频器6，变风量末端VAV-box 7，室内挂墙模块8。其中，上位机1为工业控制计算机，以太网交换机2为8口工业以太网交换机，通信模块3为CP243以太网模块，下位机可编程控制器以及扩展模块4为西门子PLC S7-200CPU以及EM235扩展模块，风速传感器5为热线风速传感器，变风量末端VAV-box 7为皇家单风道单冷型压力无关型变风量箱，包含十字风量传感器、电动风阀、控制器4和执行器，室内挂墙模块8为变风量末端VAV-box 7的配套装置，包含温湿度传感器。

如图2所示，本发明提供一种基于水力特性动态变化模型的变风量空调风系统优化节能控制方法，包括以下步骤：

第一步，根据厂家或初期调试数据确定变风量空调风系统中的风机模型和变风量末端VAV-box中的电动风阀的水力模型，根据设计手册中沿程损失计算表中不同形状规格风管的数据以及风管局部阻力系数表的数据得到变风量空调风系统的水力计算模型，并将各模型参数固化在上位机组态软件中。

第二步，通过数据采集模块获取风机运行数据，风管风量，空调房间设定温度和实际温度，变风量末端VAV-box的风量，变风量末端VAV-box电动风阀的设定阀位和实际阀位。这些参数按照时间序列保存，数据采样间隔可设为60秒。

组态软件通过风机数据采集器获得风机运行的频率和电耗，通过变风量末端VAV-box配套安装在空调房间的室内挂墙模块获取数据获得空调房间的设定温度和实际温度，通过变风量末端VAV-box上的十字风量传感器获取数据获得通过各个变风量末端VAV-box的风量，通过变风量末端VAV-box上的可编程控制器计算得出的空调房间设定风量以及变风量末端VAV-box电动风阀的设定阀位，通过安装在风管各处的风速传感器获取数据获得风系统各处的风速，进而通过不同规格风管尺寸的计算，获得通过不同风管处的风量。

第三步，根据各空调房间的设定风量以及变风量末端VAV-box电动风阀的设定阀位，计算该空调房间末端所在的风系统回路的压降，比较各回路的压降值，确定此时变风量空调风系统的最不利回路。

第四步，将在最不利回路上的变风量末端VAV-box中的电动风阀开度赋值为95％(全开状态)，计算此时最不利回路的压降，并以此作为风机的压头。

需要指出的是，在整个控制策略中，人为将阀门开度赋值。这是只在计算流程中进行赋值，并非实际对变风量末端电动风阀进行调节，末端有自己的控制回路，若强行调节，会使系统紊乱。

第五步，把各空调房间的设定风量之和以及各风管接口处漏风量作为变风量空调风系统的风机设定风量。

第六步，将此时变风量空调风系统最不利回路压降与变风量空调风系统的风机设定风量，带入到风机特性曲线数学模型中，计算出此时风机所需的频率，通过风机的变频控制器调节风机频率，实现变风量空调系统风机的优化控制。

第七步，当空调房间的实际温度或设定温度改变时，该空调房间内的变风量末端VAV-box电动风阀的设定阀位和空调房间设定风量会随之做出相应改变。因此，重复第二步至第六步。

本实例中，变风量空调风系统的水力计算模型描述如下：

由于空调房间的风量变化，变风量空调风系统中不仅末端电动风阀开度的变化导致风阀阻力实时变化，风管阻抗也随着管内风速变化而发生实时变化。为求得某一时刻变风量空调风系统的瞬时阻抗，避免直接计算风管阻抗的复杂过程超出可编程控制器4的计算范围。本发明方法中的变风量空调风系统水力计算模型包括沿程阻力损失计算模型和局部阻力损失计算模型。

沿程阻力损失计算模型是利用《实用供热空调设计手册》中风管沿程损失计算表中的数据对阻抗和风速进行拟合得到不同规格风管的风速与阻抗的对应关系。具体方法是分别对不同规格的风管，用计算风管压降的公式(1)推导出式(2)：

ΔP＝SQ² (1)

再根据同一规格风管下，不同风速所对应的风管阻抗分别进行数值拟合，得到用在某一特定规格下，风速与阻抗的关系式(3)。

S＝aV²+bV+c (3)

式中：S——管段阻抗，Pa/m；

V——风管内风速，m/s；

a,b,c——系数，由风管的形状和规格决定。

本发明方法将影响风管沿程阻力两个因素——风管尺寸结构和管道风速分开考虑，比直接根据公式计算风管沿程阻力简洁，解决了查表计算法中提供的风速不全面，插入法求值不够精确的问题。拟合数据使用的是设计手册中的管段压力损失计算表，具有较高的可靠性。相比于《实用供热空调设计手册》中提供的沿程阻力的简化算法，此方法能更为精确的反映变风量风系统阻抗的实时变化。

局部阻力损失的计算公式为式(4):

式中：ζ——局部阻力系数；

V——局部阻力构件中的空气流速，m/s；

ρ——空气密度，Kg/m³。

局部阻力系数值也通过查表获得。

如图3所示，利用实例演示变风量空调风系统水力计算模型。假设变风量空调风系统的风管布置和规格尺寸如图3所示，风管材质为镀锌钢板。将实验平台送风管划分为以下几个部分，分别进行计算。利用变风量末端VAV-box的设定风量，计算当达到设定风量状态下，各编号管段内风速为式(5)所示：

式中：v_i——不同编号的管段内空气流速，m/h；

Q_box-i——各房间变风量末端VAV-box所需风量，m³/h；

A_i——不同编号管段的横截面积，m²。

再根据各管段内流速v₁,v₂,v₃,v₄,v₅,v₆,v₇，利用计算表中各种材质、各种形状、各种规格的风管的数据，进行其阻抗、风速的关系的拟合，得到风管沿程阻力的阻抗数学计算公式(6)。本发明方法假设使用的矩形风管数据进行拟合，不同规格风管的阻抗-风机拟合系数见下表1：

S_j＝av_j ²+bv_j+c (j∈1～5) (6)

式中：S_j——不同规格管段的阻抗，kg/m⁷；

v_j——不同编号的管段内空气流速，m/h；

表1不同规格下镀锌钢板风管阻抗-风速拟合系数表

各管段编号的阻抗由管段的沿程阻力、局部阻力以及变风量末端VAV-box中的电动风阀阻力共同组成，其中沿程阻力和局部阻力，当管网的尺寸和形式确定之后，这部分的阻抗就随之确定，阻力就只与风管中的风速有关；变风量空调VAV-box中的电动风阀，由于电动风阀开度实时变化，风阀的阻力系数也在一直改变。故空调风系统分为定阻抗部分和变阻抗部分，如式(7)

S_i＝S_d+S_valve (7)

式中：S_i——不同编号管段的阻抗，kg/m⁷；

S_valve——不同规格风阀阻抗，kg/m⁷；

S_d——同一编号管段下的定阻抗，kg/m⁷；

同一编号管段的定阻抗S_d，由相应管段的沿程阻力系数和局部阻力系数组成。根据上述方法求出各个编号管段阻抗，结合上位机读出的相应VAV-box的设定风量，得到在对应风量下各编号管段风管的压降，如式(8)：

式中：ΔP_i——对应风速和阀门开度情况下，编号管段压降值。

结合变风量实验平台实际风管系统的结构形式，计算各回路的压降值。

比较各环路的压降，找出变风量空调系统最不利回路。此为以变风量实验平台为模板构建的变风量空调系统中风管系统的数学模型。

最后，需要说明的是，上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明思想和范围的前提下，可在上述说明的基础上进行其他不同形式的变化和改进，这些变化和改进应仍处于本发明创造的保护范围之中。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种变风量空调风系统优化节能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据厂家和初期调试数据确定变风量空调风系统中的风机模型和变风量末端VAV-box中的电动风阀的水力模型，利用沿程损失计算表中不同形状规格风管的数据拟合以及风管局部阻力系数表的数据得到变风量空调风系统的水力计算模型，并将各模型参数固化在上位机组态软件中；

2)通过数据采集模块获取风机运行数据，风管风量，空调房间设定温度和实际温度，变风量末端VAV-box的设定风量Qi，变风量末端VAV-box的设定阀位θ_i；

3)读取各变风量末端VAV-box的设定风量Qi，以及电动风阀设定阀位θ_i；根据变风量空调系统各部件的数学模型，计算出在此种工况下变风量空调风系统各个回路的压降，找出风系统中的最不利回路，将在最不利回路上的变风量末端VAV-box中的电动风阀开度设为全开状态，计算此时各回路中最不利回路的压降，并以此作为风机的压头；

4)将各空调房间所需的风量以及漏风量之和作为变风量空调系统的设定总风量，将变风量空调风系统最不利回路压降与系统的设定总风量，带入到风机特性曲线的数学模型中，计算出此时风机所需的频率，通过变频器调节风机频率，实现变风量空调风系统中风机的优化控制。

2.根据权利要求1所述的一种变风量空调风系统优化节能控制方法，其特征在于：步骤2)具体为：

通过风机数据采集器获得风机运行的频率和电耗，通过变风量末端VAV-box配套安装在空调房间的室内挂墙模块获得空调房间的设定温度和实际温度，通过变风量末端VAV-box上的十字风量传感器获得通过各个变风量末端VAV-box的风量，通过变风量末端VAV-box上的可编程控制器计算得出的空调房间设定风量以及变风量末端VAV-box电动风阀的设定阀位，通过安装在风管各处的风速传感器获取数据获得风系统各处的风速，进而通过不同规格风管尺寸的计算，获得通过不同风管处的风量。

3.根据权利要求1所述的一种变风量空调风系统优化节能控制方法，其特征在于：变风量空调风系统水力计算模型包括沿程阻力损失计算模型和局部阻力损失计算模型；

沿程阻力损失计算模型是利用风管沿程损失计算表中的数据对阻抗和风速进行拟合得到不同规格风管的风速与阻抗的对应关系，风速与阻抗的关系式：

S＝aV²+bV+c

式中：S——管段阻抗，Pa/m；

V——风管内风速，m/s；

a,b,c——系数，由风管的形状和规格决定；

局部阻力损失的计算公式为式:

式中：ζ——局部阻力系数；

V——局部阻力构件中的空气流速，m/s；

ρ——空气密度，Kg/m³。

4.根据权利要求2所述的一种变风量空调风系统优化节能控制方法，其特征在于：变风量空调风系统水力计算模型具体计算步骤如下：

利用变风量末端VAV-box的设定风量，计算当达到设定风量状态下，各编号管段内风速为：

式中：v_i——不同编号的管段内空气流速，m/h；

Q_box-i——各房间变风量末端VAV-box所需风量，m³/h；

A_i——不同编号管段的横截面积，m²；

再根据各管段内流速，利用计算表中各种材质、各种形状、各种规格的风管的数据，进行其阻抗、风速的关系的拟合，得到风管沿程阻力的阻抗数学计算公式：

S_j＝av_j ²+bv_j+c (j∈1～5)

式中：S_j——不同规格管段的阻抗，kg/m⁷；

v_j——不同编号的管段内空气流速，m/h；

空调风系统分为定风阀阻抗和风管阻抗部分：

S_i＝S_d+S_valve

式中：S_i——不同编号管段的阻抗，kg/m⁷；

S_valve——不同规格风阀阻抗，kg/m⁷；

S_d——同一编号管段下的风管阻抗，kg/m⁷；

同一编号管段的风管阻抗S_d，由相应管段的沿程阻力系数和局部阻力系数组成，根据上述方法求出各个编号管段阻抗，结合上位机读出的相应VAV-box的设定风量，得到在对应风量下各编号管段风管的压降：

ΔP_i＝S_i×(∑Q_box-i)²

式中：ΔP_i——对应风速和阀门开度情况下，编号管段压降值；

结合变风量实验平台实际风管系统的结构形式，计算各回路的压降值，实验平台上各个房间的回路压降值，比较各环路的压降，找出变风量空调系统最不利回路；将在最不利回路上的变风量末端VAV-box中的电动风阀开度设为全开状态，计算此时各回路中最不利回路的压降，并以此作为风机的压头，得到以变风量实验平台为模板构建的变风量空调系统中风管系统的数学模型。

5.根据权利要求1所述的一种变风量空调风系统优化节能控制方法，其特征在于：当空调房间的实际温度或设定温度改变时，该空调房间内的变风量末端VAV-box电动风阀的设定阀位和空调房间设定风量会随之相应改变，重复步骤2)-4)。

6.一种基于水力特性动态变化模型的变风量空调风系统优化节能控制装置，其特征在于，包括上位机(1)、下位机可编程控制器以及扩展模块(4)、风机数据采集器、风速传感器(5)、风机变频器(6)、变风量末端VAV-box(7)及室内挂墙模块(8)；其中，

风机数据采集器，用于获得风机运行的频率和电耗；

变风量末端VAV-box(7)配套安装在空调房间的室内挂墙模块(8)获得空调房间的设定温度和实际温度，变风量末端VAV-box(7)上的十字风量传感器获得通过各个变风量末端VAV-box的风量，变风量末端VAV-box(7)上的可编程控制器计算得出的空调房间设定风量以及变风量末端VAV-box电动风阀的设定阀位；

风速传感器(5)安装在风管各处，用于获取数据获得风系统各处的风速；

下位机可编程控制器以及扩展模块(4)控制风机数据采集器、风速传感器(5)、变风量末端VAV-box(7)及室内挂墙模块(8)将采集相关数据；下位机可编程控制器以及扩展模块(4)通过通信模块(3)与以太网交换机(2)通讯，进而与上位机(1)连接，上位机(1)通过控制风机变频器(6)调节风机频率，实现变风量空调风系统中风机的优化控制。

7.根据权利要求6所述的基于水力特性动态变化模型的变风量空调风系统优化节能控制装置，其特征在于，室内挂墙模块(8)包含温湿度传感器。