□□ 郭燕飛,張亞南 (.山西經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院,山西 太原 030000;.山西新唐工程設(shè)計(jì)股份有限公司,山西 太原 030000)

引言

暖通空調(diào)(HVAC)即供暖、通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié),是為滿足生產(chǎn)和生活要求,改善勞動(dòng)衛(wèi)生條件,通過人工調(diào)節(jié)使得房間或局部空間的空氣溫度、相對(duì)濕度、潔凈度和氣流速度等參數(shù)達(dá)到技術(shù)要求,以創(chuàng)造良好的環(huán)境熱舒適性滿足人們工作和生活需求的技術(shù)。PMV為預(yù)測(cè)平均值投票模型,是目前評(píng)價(jià)環(huán)境熱舒適度最權(quán)威的方法之一。PMV主要考慮了空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、空氣流速、空間內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的輻射溫度、人體新陳代謝水平和衣物熱阻六個(gè)因素,設(shè)置七個(gè)分值,分別是-3、-2、-1、0、1、2和3,表示環(huán)境內(nèi)人員的冷熱平均感覺,-3表示最冷,3表示最熱,PMV=0表示空氣熱環(huán)境最舒適。由于PMV模型是根據(jù)人的反饋在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下建立的,而且在該模型建立過程中假設(shè)所有參與試驗(yàn)人員各方面一樣,忽略著裝情況和活動(dòng)程度不同,模型不存在個(gè)體差異,因而由PMV按照ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)推導(dǎo)出的標(biāo)準(zhǔn)熱環(huán)境參數(shù)可以在大部分情況下獲得絕大多數(shù)人滿意的舒適度,但由于存在室外氣溫和輻射程度等干擾因素使得標(biāo)準(zhǔn)熱環(huán)境參數(shù)產(chǎn)生瞬態(tài)變化,而且空氣熱環(huán)境存在調(diào)節(jié)滯后性,這就需要暖通空調(diào)系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié),并可通過人機(jī)交互進(jìn)行智能監(jiān)控的暖通空調(diào)系統(tǒng)?，F(xiàn)以中央空調(diào)全空氣系統(tǒng)根據(jù)冷(熱)負(fù)荷變化的智能控制為例構(gòu)建中央空調(diào)智能控制系統(tǒng),可滿足MPV=0的空氣熱環(huán)境參數(shù)設(shè)置,并能實(shí)現(xiàn)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)主要設(shè)備、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的監(jiān)視和自動(dòng)控制。

1 初始環(huán)境參數(shù)確定

丹麥的Fanger P O于1970年基于人體熱平衡和大量試驗(yàn)獲得的數(shù)學(xué)模型,表征著裝人體穩(wěn)定能量平衡時(shí)的熱舒適性方程見式(1):

M-W-3.05[5.733-0.007(M-W)-pa]-

0.429M-W-58.150-0.017 3M(5.867-pa)-

0.001 4M(34-ta)=(tsk-tcl)/0.155Icl=

fclhc(tcl-ta)+3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-

(1)

式中:M——試驗(yàn)人員不同活動(dòng)量,W·m-2;

W——試驗(yàn)人員對(duì)外做功,W·m-2;

pa——環(huán)境中水蒸氣分壓,kPa;

ta——環(huán)境溫度,℃;

tsk——平均皮膚溫度,℃;

tcl——服裝外表面積溫度,℃;

Icl——服裝熱阻,m2·℃·W-1;

fcl——服裝面積系數(shù);

ha——人體對(duì)流換熱系數(shù),W·m-2·℃-1;

根據(jù)文獻(xiàn)[1],考慮服裝表面溫度和體溫調(diào)節(jié)性出汗對(duì)PMV造成的偏差,暖通空調(diào)制冷工況時(shí)智能監(jiān)控系統(tǒng)的初始設(shè)置參數(shù)見表1。依據(jù)使用者的反饋,對(duì)環(huán)境溫濕度設(shè)定值進(jìn)行修正。

表1 不同活動(dòng)強(qiáng)度下PMV=0時(shí)對(duì)應(yīng)環(huán)境參數(shù)值

2 暖通空調(diào)智能監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

暖通空調(diào)智能監(jiān)控系統(tǒng)按照用戶對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控的不同程度采用分級(jí)控制,有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、控制級(jí)和管理級(jí)。典型的中央空調(diào)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 中央空調(diào)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)包括被控設(shè)備和安裝在末端空調(diào)房間內(nèi)采集環(huán)境參數(shù)的各類傳感器和通過控制器的輸出模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)的各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中被控設(shè)備有空調(diào)主機(jī)、冷凍水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵、空調(diào)機(jī)組和冷卻塔等設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)電氣控制柜(箱)。

控制級(jí)安裝在被控設(shè)備附近,為數(shù)字控制器。主要由核心部件CPU(微處理器)、ROM(程序存儲(chǔ)器)、RAM(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)、I/O接口電路、運(yùn)算單元、通信單元、顯示單元等部分組成?，F(xiàn)場(chǎng)控制器可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、按照設(shè)定程序運(yùn)算、控制輸出、利用通信接口按照通信協(xié)議與上機(jī)位連接并接收上位機(jī)控制等功能。

系統(tǒng)管理級(jí)由管理計(jì)算機(jī)和軟件組成?？梢詫?shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算;控制并修改下位機(jī)中任何一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制器的參數(shù)設(shè)定值;對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和記錄,并隨時(shí)查看;對(duì)下位機(jī)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控等功能。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)控制器模塊設(shè)計(jì)

暖通空調(diào)系統(tǒng)尤其是半集中式中央空調(diào)系統(tǒng),空調(diào)設(shè)備多且分散,適合采用分散控制系統(tǒng),在制冷機(jī)房、空調(diào)機(jī)房、換熱機(jī)房和鍋爐房等機(jī)房使用直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC控制器),DDC控制器再利用通信網(wǎng)絡(luò)連接到上位機(jī)。DDC控制器的組成如圖2所示。

圖2 DDC控制器的組成

微處理器(CPU)作為控制器的核心,具有接收用戶程序和數(shù)據(jù)、接收數(shù)字量和模擬量的輸入并根據(jù)運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算、輸出控制信號(hào)等功能。存儲(chǔ)器有兩種:一種是控制器廠家編寫,存儲(chǔ)在ROM內(nèi),只讀不可操作;另一種是可讀可操作的RAM,可存儲(chǔ)用戶程序和輸入輸出數(shù)據(jù)。輸入輸出單元(I/O)功能是由輸入單元接收被控對(duì)象參數(shù)數(shù)據(jù)傳給控制器,再通過輸出單元將執(zhí)行參數(shù)輸送給被控對(duì)象。通信接口根據(jù)國(guó)標(biāo)通信協(xié)議與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信連接。控制器采用雙電源供電,為內(nèi)部電路供電,同時(shí)也為外部傳感器供電,主電源由建筑物照明動(dòng)力用電提供,備用電源由不間斷電源供電。

2.3 傳感器設(shè)計(jì)與選型

暖通空調(diào)系統(tǒng)中的傳感器是將被控房間為空氣參數(shù)通過敏感元件和轉(zhuǎn)化元件,按照規(guī)律轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。在暖通空調(diào)系統(tǒng)中常用傳感器有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器和氣體成分傳感器等。傳感器的選型應(yīng)考慮測(cè)量參數(shù)類型、使用場(chǎng)合、測(cè)量范圍、量程、測(cè)量精度、響應(yīng)時(shí)間、經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行維護(hù)等因素。

溫度傳感器分為接觸式和非接觸式兩大類,每類中又有若干種選擇,每種傳感器的測(cè)量范圍和適用場(chǎng)合各有不同,根據(jù)被控對(duì)象溫度的測(cè)量和控制任務(wù)選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅?。舒適性暖通空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)熱環(huán)境由于常年處于常溫區(qū),溫度測(cè)溫區(qū)范圍窄,傳感器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)從室內(nèi)被控環(huán)境到控制器的距離極可能過長(zhǎng),同時(shí)還要求測(cè)量精度高且測(cè)量誤差小,宜選用熱敏電阻型集成半導(dǎo)體溫度傳感器。

濕度傳感器感測(cè)量的是被控環(huán)境的空氣相對(duì)濕度,通過測(cè)量空氣中的干球溫度和濕球溫度兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)獲得,暖通空調(diào)系統(tǒng)選用電容式相對(duì)濕度傳感器。

暖通空調(diào)系統(tǒng)中壓力傳感器包括風(fēng)管壓力傳感器和水管壓力傳感器兩種,其將被測(cè)對(duì)象的不同部位引入敏感元件的高壓端和低壓端,敏感元件在流體的壓力下產(chǎn)生變形,壓力傳感器將變形量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出即可測(cè)量被控對(duì)象的壓差。暖通空調(diào)系統(tǒng)可根據(jù)被測(cè)流體種類和壓力測(cè)量范圍選擇壓力傳感器。

暖通空調(diào)系統(tǒng)中流量傳感器包括風(fēng)量傳感器和水量傳感器兩種。流量控制有兩種:一種是啟閉控制;另一種是調(diào)節(jié)控制。根據(jù)使用場(chǎng)合、被測(cè)流體種類、工作可靠性、運(yùn)維管理便捷性等可選擇壓差式、渦輪式、電磁式和超聲波式等。

3 工程案例

山西省汾陽市某商務(wù)中心共8層,每層設(shè)置一套帶熱回收的組合式空調(diào)機(jī)組,可夏季制冷和冬季供熱,采用中央空調(diào)分級(jí)自動(dòng)控制,整個(gè)系統(tǒng)共安裝8套現(xiàn)場(chǎng)控制器,每套現(xiàn)場(chǎng)控制器控制一臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組,每臺(tái)空調(diào)機(jī)組的監(jiān)控原理如圖3所示。

圖3 組合式空調(diào)機(jī)組(帶熱回收)的監(jiān)控原理圖

現(xiàn)場(chǎng)控制器采用DDC控制器,控制器主電源為220 V交流電,備用電源采用UPS電源,對(duì)每臺(tái)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,并進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行軟件的組態(tài)和調(diào)整,完成各項(xiàng)內(nèi)容報(bào)表。監(jiān)測(cè)和自控功能要求見表2。

表2 組合式空調(diào)機(jī)組監(jiān)測(cè)和自控要求

系統(tǒng)以PMV=0的計(jì)算數(shù)值為初始設(shè)定值,使空調(diào)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。自動(dòng)控制邏輯如下:

(1)送風(fēng)溫度自動(dòng)控制:空調(diào)房間負(fù)荷發(fā)生變化后,通過控制器中的PID控制模塊優(yōu)化設(shè)定值,對(duì)室內(nèi)溫度的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值進(jìn)行比較,控制表冷器或加熱盤管電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度,調(diào)整送風(fēng)溫度,滿足室溫要求。

(2)送風(fēng)濕度自動(dòng)控制:通過實(shí)測(cè)回風(fēng)濕度與設(shè)定值對(duì)比,控制加濕段噴淋量,調(diào)整送風(fēng)濕度,滿足室內(nèi)濕度要求。

(3)空氣質(zhì)量自動(dòng)控制:通過實(shí)測(cè)回風(fēng)CO2/VOC濃度與設(shè)定值對(duì)比,控制新風(fēng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度,調(diào)節(jié)新回風(fēng)比,保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。

(4)其他自動(dòng)控制:監(jiān)視低溫防凍,并進(jìn)行報(bào)警,防止加熱盤管凍裂;監(jiān)視空氣過濾器兩側(cè)壓差,判斷是否需要清理;監(jiān)視風(fēng)機(jī)兩側(cè)壓差,判斷風(fēng)機(jī)工況是否正常;新風(fēng)和排風(fēng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與風(fēng)機(jī)連鎖,保護(hù)加熱盤管安全。

該智能監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過驗(yàn)收后投入使用,按照夏季制冷工況設(shè)計(jì)控制邏輯,設(shè)置空調(diào)機(jī)組的初始參數(shù)。該商務(wù)中心按表1中使用人群的活動(dòng)量級(jí)坐至低級(jí)考慮,輸入機(jī)組的設(shè)定溫度值為25 ℃,相對(duì)濕度為50%。根據(jù)用戶反饋對(duì)初始設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整,然后根據(jù)實(shí)測(cè)回風(fēng)溫濕度數(shù)值與設(shè)定值之間的偏差,按照PID控制算法通過調(diào)整表冷器管路上的調(diào)節(jié)閥開度來控制送風(fēng)溫度;通過調(diào)整噴淋管路上的調(diào)節(jié)閥開度來控制送風(fēng)濕度;通過調(diào)整新回風(fēng)管段上的調(diào)節(jié)閥開度來控制房間空氣質(zhì)量。

4 結(jié)語

通過分析暖通空調(diào)智能監(jiān)控系統(tǒng)組成及各部分功能作用和選型設(shè)計(jì),構(gòu)建暖通空調(diào)的智能控制系統(tǒng)。通過分析預(yù)測(cè)熱舒適度平均值投票指數(shù)(PMV)數(shù)值的影響因素,選擇適宜的計(jì)算模型,選取PMV=0的空氣參數(shù)作為中央空調(diào)智能監(jiān)控系統(tǒng)初始設(shè)定值。以帶熱回收空調(diào)機(jī)組的智能控制系統(tǒng)為例,分析系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)和控制對(duì)象,分析空調(diào)房間室內(nèi)溫、濕度的控制過程。通過設(shè)計(jì)暖通空調(diào)智能監(jiān)控系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)溫濕度監(jiān)測(cè)和控制,為暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)與改造提供依據(jù),對(duì)降低建筑能耗有很大意義。