摘要：随着人们生活水平的不断提高，对生活、工作环境的空气温度、湿度、洁净度和风速都有一定的要求，空气调节就是为了满足这些要求出现的，此外，由于空调设备长期运行，耗能巨大，对其进行实时的自动监控，也是整个系统优化管理、节约人力、降低能量的需要。因此，本文主要分析空调系统的控制的基础内容，并以新风机组自动控制为例子，探讨如何进行自动化控制。
关键词：楼宇空调；自动化系统；控制技术
智能建筑要求提供舒适健康的工作或生活环境，以及符合计算机、通信及各种OA设备工作要求的运行环境，并能够灵活适应建筑物内不向房间的需求，对建筑物在温度、湿度、空气流速与洁净度、噪声等方面有着更高的要求。因此，智能建筑在室内热环境和室内空气品质方面对建筑空调设计及整个暖通空调业都提出了新课题。智能建筑的空调系统应确保室内环境，满足用户需求，同时，其作为楼宇自动化系统的主要控制对象，应该有节能措施，具有经济性和高效性。
一、空调自动化系统的控制的基本内容
1、空气温度控制
按照人类生理要求和生活习惯，根据生产工艺的要求，空气调节系统的控制就是建立一个满足要求的温度环境。空气温度的控制是空调系统最主要、最基本的功能。
2、空气湿度调节
不论是舒适的生活与上作环境，还是特殊的生产和科研环境，都对环境中的湿度参数有一定的要求。空气过于潮湿或过于干燥都会使人感到不舒适，而且随着气温的变化，人们对空气湿度的要求也不尽相同。在一些特殊产品的生产车间、特别贵重物品、仪器设备的存放间或使用工作间，对湿度有更为严格的要求。空气调节系统对湿度的调节是建立一个具有特定湿度环境所必需的。
3、空气气流速度调节
人生活在以低流速流动的空气环境中，比在静止的空气环境中会感到舒适。而处于变流速的空气环境中比恒流速更舒服。监控气流时，通常选距地面1．2 m的空气流速作为监测标准。空调制冷时，水平风速以0．3 m／s为宜；空调制热时，水平风速以0．5 m／s为合适，过高或过低的流速也会给人带来不适。
4、空气质量调节
空气中含氧浓度的高低，直接影响人们的生活质量；空气中悬浮污物的含量，直接影响人们的身体健康。空气中含氧浓度下降，使人感到胸闷憋气，长期在这种环境下工作，危害人的健康，可通过新风量的调节保证空气中的含氧量。空调房间中合适的温湿度也利于细菌繁殖、悬浮污物的聚合，聚合后的悬浮污物携带各种细菌进入空调通风系统中，最终被人吸入体内，对人体带来危害，可通过加强对这些悬浮颗粒的过滤以保证空调环境的清洁度。空气含氧量和空气清洁度的调节都属于空气质量调节。
5、空气压力调节
在一些特别的空调空间，如有超洁净度要求的电子、光学、化学、制药等特殊的生产工艺环境，通过控制使超洁净环境中的空气相对于外部环境的空气维持一定的正压，就避免了外部空气的进入，有利于保证空调空间的洁净度；也有一些空调空间可能有负压要求，如在有毒、有害气体的空调环境中，为了避免有毒、有害气体泄漏至内部环境，可使该空调空间的气压相对于其他空间的气压保持一定的负压，以保证有害气体不向外泄漏造成环境的污染和损害。
空气调节设备有新风机组、空气处理机组、风机盘管、变风量系统（VAV）、送风崩}风系统等类型，下面在各类设备中，将选择有代表性的新风机组自动控制设备作为例子，进行具体的分析与探讨。
二、新风机组自动控制的方法
1、新风机组运行参数与状态监控点／位及常用传感器
新风温度测量：取自安装在新风口上的温度传感器，采用风管空气温度传感器。新风湿度测量：取自安装在新风口上的湿度传感器，采用风管空气湿度传感器（在BAS系统中，不是每个新风口都安装新风温／湿度传感器，只需要在有代表性的少数新风入口或室外适当的检测点安装，测量值可供整个BAS系统共用）。
①过滤网两侧差压监测：取自安装过滤网上的压差开关输出，采用压差开关监测过滤网两侧压差。
②送风温度测量：取自安装在送风管上的温度传感器，采用风管空气温度传感器。
③送风湿度测量：取自安装在送风管上的湿度传感器，采用风管空气湿度传感器。
④防冻开关状态监测：取自安装在送风管靠近表冷器出风侧的防冻开关输出，只在冬天气温低于0 ℃时使用。
⑤送风机运行状态监测：送风机配电柜接触器辅助触点，也可用监测点在风机前后的差压开关监测。
⑥送风机故障监测：送风机配电柜热机电继电器辅助触点。
⑦送风机开关控制：从DDC（Direct Digital Control直接数字控制，通常称为DDC控制器）数字输出口（DO）输出到送风机配电箱接触器控制回路。
⑧新风口风门开度控制：从DDC控制器数字输出口（DO）输出到新风口风门驱动器控制输入点。
⑨冷／热水阀门开度调节：从DDC模拟输出口（AO）输出到冷热水二通调节阀阀门驱动器控制输入口。
⑩加湿阀门开度调节：从DDC模拟输出口（AO）输出到加湿二通调节阀阀门驱动器控制输入口。
⑪空气质量检测：取自安装在空调区域的空气质量传感器，常选用二氧化碳（CO2）传感器。
⑫送风风速检测：取自送风管上的风速传感器，采用风管式风速传感器。
2、新风机组连锁控制
新风机组启动顺序控制：新风风门开启→送风机启动→冷热水调节阀开启→加湿阀开启。新风机组停机顺序控制：关加湿阀→关冷热水阀→送风机停机→新风阀门全关。
3、新风机组运行与节能控制
（1）新风机组的温度调节与节能策略
新风机组的控制通常以出风口温度或房间温度为被调参数，全年使用的新风机组常以出风口温度和房间温度共同作为被调参数。DDC控制器按照出风口温度或房间温度传感器测量的温度值与给定值比较的偏差，用PID规律调节冷／热水调节阀开度以达到控制冷冻（加热）水量，夏天使房间温度低于28℃，冬季则高于16℃。
（2）湿度调节
新风机组湿度调节与空调系统的湿度调节过程基本相同，把出风口（房间）湿度传感器测量的湿度信号送入DDC控制器与给定值比较，产生偏差，由DDC按PI规律调节加湿电动阀开度，以保持空调房间的相对湿度。
（3）新风风门的调节
根据新风的温湿度、房间的温湿度及焓值计算以及空气质量的要求，控制新风门的开度，使系统在最佳的新风风量的状态下运行，以便达到节能的目的。
（4）过滤器堵塞、防冻保护
采用压差开关测量过滤器两端差压，当差压超限时，压差开关报警，表明过滤网两侧压差过大，过滤网积灰积尘、堵塞严重，需要清理、清洗。
采用防霜冻开关监测换热器出风侧温度，当温度低于5℃时报警，表明室外温度过低，应关闭风门，同时关闭风机，以免换热器温度进一步降低。风门应有良好的气密性和良好的保温性，阻止与室外冷空气的传热，但大多数风门本身的气密性和保温性并不好，难以起到保温隔热的作用。比较可靠的方法是机组停止工作后，仍然把热水调节阀打开（如开启30％），使换热器内的水流缓慢循环流动，若热水水泵已停机，则整个水系统还应开启一台小功率的水泵，保证水系统有一定的水流速度，而不会使管路被冻裂。
（5）空气质量控制
为保证空调房间的空气质量，应选用空气质量传感器，当房间中CO2、CO浓度升高时，传感器输出信号到DDC，经计算，输出控制信号，控制新风风门开度以增加新风量。
（6）设备定时启停与远程开／关操作
控制系统能够依据预定的运行时间表，实现新风机组的按时启／停；应有对设备进行远程开／关操作的功能，也就是在控制中心能实现对空调机组现场设备的远程控制。
在具体的工程中，系统配置都是不一样的，并不是每个新风机组都配置新风温湿度传感器或防冻开关：在洁净度要求较高的场合，新风机可能要配多级过滤网等。应该根据实际情况，统计出设备数量，作为选配DDC控制器的依据。
三、HVAC系统的控制性能的优化
1.新风系统和空调系统控制性能的优化设计
（1）输入测试信号的选择
输入测试信号必须满足保证系统可辨识的条件。其最低要求是辨识过程中的所有动态必须被输入信号充分激励，即输入信号的频谱必须覆盖整个过程。进一步需要的是依据所选的信号能够建造比较精确的模型。M序列伪随机信号是一个理想的信号[1]。
M序列信号有类似于白噪声的性能。著者用线性移位寄存器做了一个M序列信号发生器，并在实验室将它施加到系统的输入端。为了保证获得正确的实验，计算了实际信号的自相关函数和频谱。如图2是计算结果中的自相关函数。
图2 M序列信号发生器的自相关函数
（2）子系统的建模过程
首先应当取除数据的平均值。通常输出中会存在扰动产生的线性或非线性的趋势，必须去除它们以提高模型估计的精度。其次在系统辨识中并没有获取模型的标准、安全的途径。为了实现无偏参数估计，采用辅助变量（IV）的最小二乘法来估计ARX模型。最后依据获得的模型，按照系统的动态和静态的品质要求进行仿真。应用MATLAB工具软件得到了上述两个系统的P，I，D参数，然后把它们应用智能大厦BAS的软件接口之上，系统的控制性能得到大大的优化。
2.变风量终端的控制性能优化设计
（1）变风量终端的控制原理
压力无关型VAV BOX通常采用串级控制方法，其控制回路包括温度主控制环（外环）和风量副控制环（内环）。
串级控制策略通常被用来控制压力无关型再热末端装置。因为串级控制可以通过副环的控制作用抑制施加到主回路上的扰动，还可以降低主被控变量对内环过程参数改变的灵敏度。图3是它的控制回路的框图。内环控制器C1为副控制器，用于控制风量；外环控制器C2为主控制器，用于控制区域温度。
供水温度作为扰动施加到区域对象上。因此该框图是把VAV BOX看作一个单输入单输出系统（SISO）来描述的。输入是区域温度设定，输出是区域温度。
图3变风量终端的控制原理
（2）变风量终端的对象静态特性
首先用阶跃响应实验来预估内环系统的过渡过程时间。阶跃信号施加在风阀执行器的输人上，试验方向从风阀全关到全开，再从全开到全关，重复进行。施加的阶跃信号幅度为每次20%开度。实验时尽量保持供水温度不变[2]。
图4（a）和（b）分别为实验获得的内环负阶跃响应和内环的正阶跃响应曲线。每当风阀开度反向时，无论从100%降到80%时，或从0增加到20%时，输出风量都基本没有变化。这是由于滞后的缘故。滞后由两部分组成：传动机构的游隙和浮点控制造成的随机误差。前者大约在7°左右，后者由于通电时间的不精确产生的误差，并且较大。滞后的存在会对内环数学模型产生较大的非线性影响。在内环辨识过程中，这是必须要考虑的一个重要特性。
图4变风量终端的静态特性（a）负阶跃响应试验；（b）正阶跃响应
（3）变风量终端的建模
对图3的内环对象，采用开环辨识的方法，对外环则采用多变量闭环辨识的方法。首先根据系统的条件证明系统的可辨识性。然后通过分析确定模型为两输入，单输出模型。第一个输入为区域输入温度；第二个输入为热水供水温度。根据获得的变风量终端的模型，应用MATLAB工具软件计算出控制参数。
四、结束语
综上所述，空气调节系统的任务就是当室内外的空气参数（温度、湿度等）发生变化时，要求保持空调空间内空气参数不变或不超出给定的变化范围。通常采取对空气进行加热或冷却达到温度调节的目的，通过加湿和除湿达到湿度调节的目的，通过过滤和调节新风量来达到空气质量调节的目的，为人们的生活、工作、学习提供更优质的环境。
参考文献：
[1]苏锦霰，耿望阳，智能建筑的空调节能［J］智能建筑，2004年。
[2]李冬辉，楼宇自控系统中节能控制的研究［J］低压电器，2006年。
[3]龙惟定，程大章，智能化大楼的建筑设备［M］北京：中国建筑工业出版社，2007年。
论文作者:陆荟先
论文发表刊物:《基层建设》2017年第29期
论文发表时间:2018/1/14
标签：新风论文; 空气论文; 湿度论文; 温度论文; 机组论文; 空调论文; 风门论文; 《基层建设》2017年第29期论文;