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摘要：由于中央空调系统是一个具有多个输入输出参数、典型的强耦合、参数时变性强的非线性系统，在相同的负荷状态下，不同的被控对象随时间的变化也不一样。空调系统控制策略的任务就是通过保证自身逻辑上的完整性，在负荷状态变化时，仍能以高效节能的方式维持空调房间的空气温湿度品质。本文以阿尔及利亚康斯坦丁3000座剧院为背景，研究大空间二次回风空调系统的智能化控制策略。
关键词：二次回风；串级控制策略；温湿度；焓值
1 大空间二次回风空调系统介绍
1.1、大空间空调系统分析
大型剧场、体育馆、会所等大空间区域的温湿度负荷、地面高差及服务规模负荷流动均较大，在满足舒适性要求下，送风温度不宜过低温差不宜大于7℃，采用二次回风中央空调系统结合座椅送风通风方式（如图1所示），能够有效节约能源，同时能提供良好的空调效果和合理的气流分配。在人员密集场所的温度、湿度和空气品质直接影响人体舒适感，但被控对象随着负荷变化或者感染因素的影响，其对象特性参数或者结构发生改变，多个控制目标相互存在耦合，调节一个目标时也会对其他目标产生影响。康斯坦丁3000座剧院项目在通常的温度控制基础上进行了创新，设计了串级控制技术设计控制策略，即“温度-焓值”串级控制，根据实际系统的输入输出数据，系统对空气状态进行实时控制，具有较好的时效性，并根据运行情况不断修正，保证空调效果的同时有效避免了系统的不稳定性、滞后性及非线性、强耦合的弊端。如图1所示气流组织示意图。
图1 某工程大空间气流组织示意图
1．2二次回风空调机组功能介绍
二次回风空调机组主要针对夏季工况而言，引进二次回风的主要目的是提高表冷器之后的空气温度而达到降低送风温差和节约能源的目的，减少二次加热和相应配套设备容量。在冬季或者过渡季，二次回风机组关闭二次回风阀从而转变为一次回风机组或全新风机组，其功能段组合方法有多种。康斯坦丁剧院项目如图2所示的组合方式，避免建立复杂的控制模型，高效、实用，节约项目成本，其系统组成部件及检测参数介绍如下：
a.送、回风是定频风机，检测送、回风的温湿度以及风机的运行状态，不检测风量。
b.一次回风、新风、二次回风量之和等于送风量，且三者之间保持平衡；排风阀打开，保证室内一定的正压且不阻碍新风的引进。
c.新风不做监测，只需保证在满座情况下的最小新风量即可；当室外新风参数发生变化，即室外新风状态点偏离设计值时，针对新风负荷变化的系统动作响应会通过送、回风温、湿度变化得以调节。
d.室内CO2含量不做监测，只需满足满座情况下的最小新风量即可；
e.过滤段主要对前后压差进行检测，当压差高于设定压差值时发出警报信号，及时清洗过滤段。
f.单盘管处理冷热负荷，电动三通阀调节冷冻水流量。
g.加湿器位于送风管上，控制加湿器动作，监测安全恒湿量。
图2 二次回风空调机组功能段示意图
在本空调系统中，空调机组启动初期，温度控制的优先级高于空气品质控制的优先级，即为节约能源空调机组开启时新风阀保持为最小开度（夏季工况），调节二次回风阀和冷水阀使温度尽快达到设定值；在室内温、湿度基本达到设定的要求后改为空气品质的优先级高于温度控制的优先级。
基于以上分析，本文所介绍的控制策略原则如下：a.在满足人体舒适感及卫生要求的同时，保证最小新风量（新风阀门由机组风平衡调试确定）；b.在保证室内温度及空气品质的同时，温度控制优先级高于湿度控制；c.避免阀门频繁动作造成系统空气质量的不稳定。
2 工况选择及控制策略
2.1 工况选择
工况分为过渡季、夏季、冬季三种。针对康斯坦丁当地温差加大的特点，为保证室内温、湿度调节在目标范围内，每小时进行一次模式选择确认。系统开机时读取室外温湿度参数，利用DDC焓值计算器自动生成焓值，对比实时焓值与设计焓值来选择运行模式。
利用如下焓值控制法来选择工况模式，避免了时间表控制的盲目性，克服了温度控制的诸多弊端，如调节室内温度和湿度时冷热抵消现象、未考虑湿度对人体舒适感的影响及能耗大等缺点，也避免人为选择的随意性；此外，控制策略是基于ASHRAE标准中 “人体舒适区”，其调节范围比温度控制更大，因此更加节能。模式选择原理如图3，图中N——室内，W——室外，T——温度，TH——湿度，H——焓值，T冬N设计20℃——冬季室内设计温度20℃。
图3系统工况选择逻辑原理
注：蓝色框表示执行温度判断，绿色框表示执行焓值判断，焓值是由焓值计算器通过检测温度度自动生成，下同。
2.2 过渡季工况
过渡季节不需要开启制冷机，利用新风作为空调的自然冷源，仅靠新风去除室内的热负荷，以最大新风量运行，即采用简单的开环控制，仅仅根据室外参数来控制新风阀和一次回风阀的开度。这种运行方式必然使得室内的热环境在某些时段不能满足热舒适的要求，某些时段风量过大，不节能。应细化控制策略，将简单的开环控制策略转变为闭环反馈控制，满足热舒适的要求并实现节能。
a.新风不足以去除室内的冷负荷，造成室内空气焓值高于设计值，应按空调工况运行。此种情况一般都会发生，运行工况的选择按图4进行。
b.新风温度低于设计送风温度，影响了舒适，应采用新风回风混合的方式运行，送风量是变化的。此种情况一般都在某时段发生。
2.3夏季工况
2．3．1夏季空气处理过程
二次回风系统空气处理过程见图4，首先引进状态点W的新风，与状态点N的一次回风混合后达到状态点C，经盘管降温除湿处理后机器露点L，再与二次回风混合，提高送风温度到达送风状态点O。一定量的送风进入室内，去除室内的热湿负荷，保证室内空气达到设计状态点N。随着室外气象条件的状态点W变化和室内热扰的变化N点变化，特别是在康斯坦丁当地气候条件昼夜差异较大的情况下，剧场演出性质以及入座率变化时，热湿比和空调负荷都会发生变化，必须对二次回风系统的运行调节才能保证室内空气状态点，也才能实现运行节能。与传统一次回风系统相比，二次回风系统取消再热段从而降低了系统的耗电量，除需要确定新回风混合比以外，还需通过一定的逻辑关系控制一次回风与二次回风的比例，以达到控制送风温度的目的。
图4 夏季工况空气处理焓湿图
2.3.2夏季工况控制策略
夏季工况是控制策略的重点与难点，因为二次回风在夏季可节约再热量，但对空气状态的影响具有不确定性。如何在保证舒适度要求的前提下最大限度地利用二次回风一直是工程上的难点。本文提出将二者作为整体考虑，进行协调控制，不单独控制二次回风阀和冷水阀。
夏季工况下的“温度-焓值”串级控制策略的主要思路如下：系统启动时空气状态离设定要求较远，为尽快向设定值靠近，将二次回风阀固定于一较小开度，主要调节冷水阀；系统运行一段时间后，空气状态已进入设定范围，此时开大二次回风阀，减小冷水阀开度，最大限度地利用二次回风节约能源。为加快二次回风系统的响应速度，采用二次回风阀进行粗调，继而用冷水阀进行精调，使空气状态尽快向设定值靠近。将风阀调节与水阀调节的优势结合起来，使控制效果达到最优；同时避免由于阀门变动频繁造成系统不稳定的局面。初始阀门状态：二次回风阀关闭，新风阀处于最小新风量位置，一次回风阀及三通水阀全开，排风阀处于设计排风量位置。为直观反应观众的舒适度，取回风温度及湿度作为控制指标，将其与室内设计状态点进行对比，先进行温度控制，再进行焓值控制。控制逻辑如下图5所示：
图5 夏季工况控制逻辑
2.4冬季工况
2.4.1冬季空气处理过程
康斯坦丁地区冬季干燥在楼控中心判断系统处于冬季状态时，二次回风空调机组严格意义上说是只以一次回风工况运行。在冬季，室外空气温度比室内空气温度低，室外空气含湿量比室内的少。新风与一次回风的混合温度和湿度仍比室内的小，因此必须对空气进行加热和加湿处理，以保证送风温湿度要求。同以上两种工况一样，由于未设置CO2探测，根据卫生要求，要保证最小新风量，室外状态点对于送风温湿度的影响，最终会通过水阀及加湿器的进行定时调节。焓湿图如图6所示。
首先引进状态点W的新风，与状态点N的一次回风混合后达到状态点C，经盘管升温处理后机器露点L，再与经过送风管上的加湿器加湿处理到达送风状态点O。一定量的送风进入室内，保证室内空气达到设计状态点N。
图6冬季工况空气处理焓湿图
2.4.2冬季工况控制策略
初始阀门状态：一次回风阀、新风阀、排风阀处于设计风量位置，三通水阀全开，二次回风阀关闭。由于空调提供的热负荷为室内热负荷与新风热负荷之和，所以，当新风量最小时，加热量最省。冬季工况下的新风阀开度同样须保证最小新风量，排风阀开启以保证一定的正压，送风量等于新风与一次回风之和。冬季工况空气处理过程同样是基于先进行温度粗调，再监控焓值进行精调的原则，取回风温度及湿度作为控制指标，将其与室内设计状态点进行对比，控制逻辑见图7所示：
图7 冬季工况控制逻辑
3实际应用分析
“温度-焓值”串级控制系统主要适用于对象延迟较大、时间常数大的场合，另外当干扰较大时也可提高抗干扰能力，改善控制品质动态响应效果好，能够实现动态跟踪和稳定的精度，非常适用于大空间人员密集场所的温、湿度控制，楼控中心的控制界面如图8所示。
图8 某工程楼控界面
如图9，记录了2015年6月21日一次演出全过程中，从观众入场前的快速预冷过程到温度调节阶段，以快速满足人体舒适要求，再到焓值调节阶段，以进一步提升舒适度和节能功能。动态调试演出过程中的空气品质，重点检测演出大厅内的干球温度、相对湿度、焓值，此外还检测二氧化碳浓度、颗粒物浓度。经分析，调节过程良好的克服了时间常数的影响，并达到稳定的效果。冬季运行工况较为简单，在此不做详述。
图9 某工程夏季工况运行曲线
4总结
本文结合某工程的气候条件、工程造价、后期运行的实际情况，深入研究二次回风系统，提出了一套完整的基于焓值的串级控制策略，并以进入实际运用阶段，取得了良好的效果，不仅解决了温度、湿度的调节，能有效克服二次扰动的影响，引进焓值起了改善对象动态特性作用，因此可加大主温度调节的增益，提高系统的工作效益。满足了对环境的舒适性需求，而且通过在线自调整功能，实时监测室内外焓值以判断运行工况，对于类似于康斯坦丁这样昼夜气候条件变化较大的地区较为适用，避免了认为判断的盲目性，达到了空调节能的目的；该自控策略具有实用性、经济性及通用性，对于类似的工程具有借鉴作用，具备研究及推广的价值。
参考文献
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[3]姜昊.净化空调系统利用二次回风的节能设计.洁净与空调技术，2007
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[5]吕洁.大空间二次回风空调机组控制策略的研究与实现[学位论文]，2006
[6]陆耀庆.实用供热空调设计手册（第二版）.北京：中国建筑工业出版社，2007
论文作者:程美华
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
标签：回风论文; 工况论文; 新风论文; 温度论文; 状态论文; 空气论文; 空调论文; 《建筑学研究前沿》2017年第30期论文;