家用蒸发冷却变风量中央空调送风系统自动控制方案的探讨

空调制冷大市家用蒸发冷却变风量中央空调送风系统自动控制方案的探讨论文作者：贺进宝黄翔梁才航摘要：家用中央空调系统由于初投资和运行费用高等原因而影响了其推广的进程。家用蒸发冷却中央空调系统有效的降低了初投资和运行费用，同时它与普通风管机系统一样存在着送风系统难于进行分室控制的难题，本文将变风量技术融入到其中，提出了家用蒸发冷却变风量中央空调系统的概念，针对家用中央空调送风系统的特点及问题，面对用户不同的价格接受能力，采用不同的分析解决问题的思路，分别提出了适用于中高端用户和中低端用户的送风系统自动控制方案。关键词：家用中央空调蒸发冷却变风量送风系统自动控制1引言我国经济的不断进步，带来了建筑业的迅速发展。常规家用空调逐渐暴露出其问题，为家用中央空调系统提供了发展机遇[1，2]。已有的家用中央空调系统各有其优、缺点，其中，空气式中央空调系统（风管机）能提供最好的空调品质[3]。家用中央空调的推广主要因为其难以为大多数消费者所接受的初投资与运行费用而进展艰难。在现有技术水平下，家用中央空调的造价通常在250元每平方米左右，一整套产品几万元的价格让大多数用户“望机兴叹”。另外，据业内有关人士统计，现在的家用中央空调，一个冬季或夏季的运行费用都在万元左右，若要充分发挥、享用家用中央空调的空调品质，其对家庭经济实力的要求则是年收入在20万元以上，这种家庭在当前的中国显然是比例甚少的，不超过5%。家用蒸发冷却中央空调系统结合了蒸发冷却制冷技术和传统家用空气式中央空调系统（风管机）的技术和方法，具有制冷系统成本与运行费用低和全新风运行等优点，其一次投资综合造价仅为传统制冷空调方式的40%—70%；维修保养费用为传统机械制冷空调系统的30%—40%。使用天然冷源，整个夏季的耗电量仅为传统制冷空调方式的25%左右[4，5]。然而目前，同常规风管机一样，家用蒸发冷却中央空调系统也存在着难于分室控制的问题，家用蒸发冷却变风量中央空调系统融入了变风量（VAV）控制技术，可解决此问题，是一种适合我国国情的家用中央空调系统。因此，如何以合理的代价将变风量技术和家用蒸发冷却中央空调系统进行结合，便是本文所要探讨的问题。空调制冷大市家用中央空调送风系统的特点及问题传统的变风量系统对于总风机采用静压控制方案[6]，有定静压控制、变静压控制等。对于家用蒸发冷却变风量中央空调而言，其送风系统的规模相对比较小，末端的个数也相对有限，因而单个末端的风量变化对于总风量的影响很大，而且送风管路较短，送风压头较小，采用静压控制的误差必然较大。因此，要实现变风量控制，必须要寻找新的控制方法。总风机控制与多风机控制方法虽然跳过了压力反馈控制的环节[7，8]，但是为了补偿系统压力变化对末端造成的影响，以进行末端风量的精确控制，往往在每一个末端上装有流量测量装置，增加了末端的复杂度和成本。也不是一个十分适合小型送风系统的方案。对属于风管型的家用蒸发冷却变风量中央空调送风系统，其主要需要达到的要求有[9]：（1）当通过某一末端的风量发生变化时，其它末端的送风量不应受大的影响。（2）总送风机如何满足个个末端所需的风量之和发生变化时对总送风量的需求。3面向中高端用户的完全解决方案3.1分析解决问题的思路在图1当中，给出了空调系统中的管路与电路中的电源、电阻的类比关系。将管路的沿程阻力与局部阻力合并后与电路中的电阻相类比，将送风机与电源相类比。送风系统中的等压点相当于电路中的等电位点，将1至5号风阀型变风量末端看成电路中的1至5号可变电阻器。将电路中的各个局部串联支路部分中流过的电流与风管中风量做类比，如果在电路的各个局部串联支路部分（虚线框中的固定电阻与可变电阻器呈串联关系，在本文称之为局部串联支路）中都有一个可调电阻器，而风管的送风口前也类似的装有一个风量调节阀，则要使风口间一个风口风量变化时，通过调节末端阀的开度而不影响其它风口风量的问题和送风机的随动问题就可转化成电路中如何确定各个可变电阻器的阻值及电源的电压，以使得一个局部串联支路的电流发生变化时而不影响其它串联支路中的电流，并且电源能供给适当的总电流。空调制冷大市在电路中，基尔霍夫电流定律（KCL）体现了电流的连续性。基尔霍夫电压定律（KVL）是电压与路径无关这一性质的反映。根据电阻电路的支路分析方法，对于具有n个节点和b条支路的电路，按KCL可以列出(n-1)个独立的支路电流方程；选择一组独立回路，按KVL可以列出(b-n+1)个独立的支路电压方程；这样共有b个方程。对b条支路，按支路的内容可以列出b个支路方程。所以总共可以列出2b个方程。电路中的变量为b个支路电流和b个支路电压，总共也是2b个，所以问题可解。在空调系统当中，空气被认为是不可压缩流体，在管路中具有与KCL相仿的流体连续性；管路中任意两点间的压力差也是单值的，即无论沿那条路径，两点间的压力差是相同的，与KVL中电压与路径无关这一性质相同。因此管路中的问题也可进行类似的计算。理论上问题虽然可解，但另一个问题是此种计算由于变风量系统中的末端风量与总风量经常变化而需要不断根据新的情况重新计算。要进行准确的计算必须如要知道电路中的各个已知电阻值一样，需要知道管路的阻力特性，而且求解多变量（一个风口对应一个变量）方程组并不是件一般的可进行数字运算的控制器就可解决的事，整个系统的管路特性对于每一工程均不相同，每次都单独将这个管路的特性输入控制器并开发其控制程序会严重降低效率。然而类似的问题在单纯的并联电路中，其计算则要容易的非常多。即如果将图1中的R1，R2，R3去除，使D，E，F三点电位与C点相同，各个串联支路之间成为并联关系，那么对于假设问题无需列复杂的方程组，只需根据欧姆定律进行简单的计算即可。从以上分析可以得出，如果能将管路中的末端也变成并联的简单组合，计算的问题就可大大简化。3.2具体解决方案空调制冷大市遵循前述思路，可以考虑将管路设计成支管系统，具体做法是：做一个类似于静压箱的集风量箱，目的是为了建立类似于电路中的等压点，将总送风机的送风送入此中，然后每一空调房间均单独引出一条送风管路到集风量箱，并在各单独的管路中安装调节阀，集风量箱前所有管路均属串联，集风量箱内全压变化不大，可以认为集风量箱是个近似的等压点，下游的各个管路则是严格的并联关系。室内温控器根据室内温度给出所需风量值，控制器将各个房间的风量值求和，通过变频器控制总风机的转速，使总的送风量满足要求，同时控制各个房间里的调节阀，使各个房间得到所需的风量值。对于大的空调工程，支管送风系统并不一定现实，但对于风口数目少的小系统，尤其是家用中央空调的送风系统，还是非常合适的。作为例子，现对于有七个房间的家用中央空调系统，送风的控制过程具体如下所述[10]。系统布置：送风机后设置流量传感器QS，用于测量风机提供的送风量。集风量箱内设有压力传感器PS（系统开始正常运行后可取走）。通往各个房间的风管内装有电动调节阀D，室内温控器TC用于给定各个房间所需的送风量。控制系统包括室内部分和中央控制部分，室内控制部分包括室内温控器、末端控制器、风阀及其执行器，中央控制部分包括中央控制器，压力传感器，流量传感器。运行前控制系统初始化：目的是为了使控制器了解整个风管系统的阻力特性，从而支持后面所提的风量平衡和总风量控制方法。具体过程：送风机在某一固定转速下运行；中央控制器控制末端控制器，完全打开1号房间的调节阀，关闭所有其他房间的调节阀，忽略1号房间内的室内控制器送来的所需风量信号，测量此时系统中流经1号支管路的风量及压力降△P。根据△P=KQ2，得到K1-0，然后风阀每增开6度，便测量其相应的风量及压力，得到K1-1，K1-2，⋯⋯K1-13。完全打开2号房间的调节阀，关闭所有其他房间的调节阀，忽略2号房间内的室内控制器送来的所需风量信号，测量此时系统中的风量及压力。根据△P=KQ2，得到K2-0，然后风阀每关闭6度，便测量其相应的风量及压力，得到K2-1，K2-2，⋯⋯K2-13。按这个方法继续测量剩下的房间，得到K3-0，K3-1，K3-2，⋯⋯K3-13，⋯⋯，K7-0，K7-1，K7-2，⋯⋯K7-13。系统运行中的控制方法：控制器收集各个房间内的室内控制器送来的所需风量信号Q1，Q2，⋯⋯，Q7（若某一房间没人，则将风量设为0，相应的Q值不再参与运算），根据K1-0，K2-0，⋯⋯，K7-0，△Pi=Ki-0Qi2，计算出△P1，△P2，⋯⋯，△P7，选出其中的最大值△Pmax，此最大值△Pmax所属的管路（最不利环路）的调节阀设为全开，由△Pmax=KQi2计算出其他管路在风量平衡时应具有的Ki值。然后根据系统初始化时得到的各个管路的开度ф=f(K)的关系用插值法得到其他调节阀的应具有的开度（风量为0时就直接关闭）。控制器再将Q1，Q2，⋯⋯，Q7相加，得到总的送风量Qsum，调节送风机的转速，使测量到空调制冷大市即可。上述方案采用新的管路设计方法，绕过了繁琐的管路平衡计算，解决了所提出的两个问题，由于采用了流体力学的运算公式，所以控制系统必须采用具有运算功能的数字控制。因而是面向对价格承受能力较高的中、高端用户。支管系统的数学算法并不复杂，为了考虑其普及应用，可以采用高性能的单片机系统进行开发，在满足需求的同时，可有效的降低控制器的价格。图2支管系统示意图4面向中低端用户的简化解决方案4.1分析解决问题的思路要求1属于各个末端之间的风量平衡问题，传统中央空调在采用静压控制方案时一般通过使用压力无关型的末端来解决。如德国TROX（妥思）公司在其变风量末端产品方面提供VAV阀类末端和可以进行几个档位调节的定风量阀类末端，可以采用静压控制+VAV末端的系统形式，对于低端用户，则采用静压控制+多档位定风量末端的系统形式。压力无关型末端必须装有流量测量装置，造价高昂，单价多在数千元。湖南的怡恒电子有限公司提供采用三速风机的压力相关型的风机箱末端及其房间温度控制器，可以使用三速风机箱+静压控制的简化系统形式，末端价格虽然降了下来，然而家用中央空调风管短，静压控制方式由于误差大而不合适，风机箱为了防止送风量为零时的漏风，要安装一个两位阀，结构仍显复杂。总风机控制与多风机控制跳过了系统压力控制环节，但前者的压力无关型阀类末端和后者的压力无关型无极调速风机箱因其价格而难以让大多数用户接受。空调制冷大市交流电机作为空调系统中的主要动力，随着空调运行工况的变化也需进行调节，目前普遍采用通用变频器对其调速。变频调速在所有调速方法中性能最好。有业内人士指出家用蒸发冷却变风量中央空调系统要想与传统家用空调竞争，价格应控制在8000元左右。这使得变频调速的成本显得过高，需要一种性能价格比更高的调速方式。家用中央空调系统总风量规模小，送风机功率在1000W以内，对调速无十分严格的要求。在其他的调速方式中，调压调速适用于电机功率小和对调速性能要求不高的场合，这正好符合我们的条件。价格方面，对于1ＫＷ以内的电机，通用变频器的价格要在2000元左右，而规格为40A/450V的晶闸管智能调速模块的价格还不到350元，调压调速的价格只是变频调速的1/5左右，具有非常大的成本优势。家用蒸发冷却中央空调系统用在民用舒适型空调，空气处理装置由于利用了蒸发冷却技术而有效降低了系统的造价，我国还是一个发展中国家，大多数用户价格承受能力有限，那么对于控制系统，能否对已有的系统形式化简，做出既能满足基本控制要求又价格低廉的设备呢？从前面的分析可以得出，在家用风管型中央空调中，应跳过使用压力控制环节而采取根据末端的需求直接控制风机的方法，并且使用造价低廉的末端。末端由于流量测量和无级调速等因素而提高了成本。因此现在