恒溫恒濕空調智能控制策略論文

　　恒溫恒濕空調智能控制策略論文

　　【摘要】精密儀器實(shí)驗室、紡織車(chē)間和卷煙廠(chǎng)等場(chǎng)所對環(huán)境溫濕度控制精度的要求非常高，一般要求溫度控制精度達到±0.2℃，濕度控制精度達到±2%，而傳統的恒溫恒濕空調控制方式很難達到這些要求。論文提出一種新型的高精度恒溫恒濕空調智能控制方式，以滿(mǎn)足這些場(chǎng)所對建筑環(huán)境溫濕度的高精度需求。

　　【關(guān)鍵詞】智能控制；高精度；恒溫恒濕

　　1傳統恒溫恒濕空調控制現狀

　　傳統恒溫恒濕空調通常由以下器件組成：定頻壓縮機、多級電加熱、電極式加濕器、除濕電磁閥、熱力膨脹閥、AC風(fēng)機和低精度溫濕度傳感器，器件均采用啟?？刂频姆绞?，其控制的溫濕度波動(dòng)較大，通常溫度控制精度為±2℃，濕度控制精度為±5%，其控制策略如下：

　　1）制冷當室內環(huán)境溫度高于設定溫度時(shí)，開(kāi)啟定頻壓縮機制冷對環(huán)境進(jìn)行降溫；當室內環(huán)境溫度達到設定溫度時(shí)，壓縮機關(guān)閉。

　　2）加熱當室內環(huán)境溫度低于設定溫度時(shí)，開(kāi)啟電加熱制熱；當室內環(huán)境溫度達到設定溫度時(shí)，電加熱關(guān)閉。電加熱采用分級控制的方式，電加熱匹配量為制冷量的60%。

　　3）除濕當室內環(huán)境濕度高于設定濕度時(shí)，壓縮機運行，并開(kāi)啟除濕電磁閥除濕；當室內環(huán)境濕度達到設定濕度時(shí)，除濕電磁閥關(guān)閉。當室內環(huán)境濕度高于設定濕度，且室內環(huán)境溫度低于設定溫度時(shí)，壓縮機持續運行對環(huán)境進(jìn)行制冷除濕，同時(shí)電加熱分級投入，保證環(huán)境溫度不會(huì )降至太低。

　　4）加濕當室內環(huán)境濕度低于設定濕度時(shí)，開(kāi)啟電極式加濕器加濕；當室內環(huán)境濕度達到設定濕度時(shí)，電極式加濕器關(guān)閉。加濕器采用啟?？刂?，濕度控制參數采用相對濕度控制。

　　2傳統恒溫恒濕空調控制的缺點(diǎn)

　　1）壓縮機、電加熱和加濕器均采用啟?？刂?，導致控制精度低。對于所有啟?？刂频钠骷?，在開(kāi)啟和停止時(shí)，其輸出均具有滯后的慣性。例如，給定一個(gè)持續散熱的環(huán)境，空調設定溫度為24℃，當環(huán)境溫度為25℃時(shí)，壓縮機開(kāi)啟到系統運行穩定需要5～10min，在壓縮機開(kāi)啟過(guò)程中，環(huán)境溫度持續升高至26℃左右，此時(shí)，制冷系統輸出最大制冷量，環(huán)境溫度開(kāi)始持續降低[1]。當環(huán)境溫度達到23℃時(shí)，壓縮機關(guān)閉，由于制冷系統的冷量慣性，環(huán)境溫度持續降低，最小低至22℃，溫度控制精度為±2℃。不能通過(guò)降低開(kāi)啟溫度和提高停止溫度來(lái)達到提高空調設備的控制精度是因為頻繁啟停會(huì )嚴重影響壓縮機壽命，一般要求壓縮機最小運行時(shí)間為3min，最小停機時(shí)間為5min，因此，空調的啟停溫差控制在2℃已經(jīng)是極限。同樣的問(wèn)題出現在電加熱和加濕器啟?？刂粕?，加熱器和加濕器從關(guān)閉到開(kāi)啟狀態(tài)需要預熱；加熱器和加濕器關(guān)閉后，會(huì )慣性輸出一定的熱量和濕量，而通過(guò)縮短啟停時(shí)間來(lái)實(shí)現控制精度的提高，將導致器件壽命嚴重縮短。因此，在啟?？刂撇呗韵?，環(huán)境溫濕度波動(dòng)較大，通常溫度控制精度為±2℃，濕度控制精度為±5%。

　　2）對于無(wú)熱源的低溫高濕環(huán)境，傳統恒溫恒濕空調穩定周期更長(cháng)且除濕效果差。傳統恒溫恒濕空調在無(wú)熱源的環(huán)境中將面臨更大的挑戰，例如，在無(wú)熱源的低溫高濕環(huán)境下（江南地區梅雨季節氣候條件下），環(huán)境溫濕度為20℃、RH70%，設定溫濕度為24℃、RH50%，要達到設定溫濕度，空調機組需要制冷除濕，并利用輔助電加熱給環(huán)境補償熱。而傳統恒溫恒濕空調的電加熱匹配量為壓縮機制冷量的60%，低溫壓縮機停止溫度為18℃，在實(shí)際運行過(guò)程中，空調的運行狀態(tài)為電加熱開(kāi)啟，壓縮機運行，并進(jìn)行除濕加熱。由于電加熱量小于制冷量，環(huán)境溫度會(huì )迅速降低至壓縮機停止溫度點(diǎn)。此時(shí)，壓縮機停止運行，電加熱補償熱量。當環(huán)境溫度升高至20℃時(shí)，壓縮機再次開(kāi)啟。如此反復循環(huán)，直至濕度達到設定要求后，再由電加熱補償到設定溫度點(diǎn)。環(huán)境溫濕度穩定的周期非常長(cháng)，且溫濕度精度比常規環(huán)境更差。

　　3）濕度控制參數采用相對濕度控制，導致耗能。對于密閉的環(huán)境，隨著(zhù)溫度的變化，相對濕度將不斷變化，但空氣中水蒸氣的含量不變，即空氣含濕量不變。例如，環(huán)境溫濕度為23℃、RH45%，其絕對含濕量為10.47g/kg，設定溫濕度為24℃、RH50%，其絕對含濕量為9.41g/kg。若采用相對濕度控制，則控制邏輯應為制熱加濕；若采用絕對濕度控制，則控制邏輯應為制熱除濕。這種情況下，采用相對濕度控制將會(huì )導致過(guò)度加濕。

　　3高精度恒溫恒濕空調智能控制策略

　　針對傳統恒溫恒濕空調控制的缺點(diǎn)，提出一種新型的高精度恒溫恒濕空調智能控制策略，其主要器件組成如下：直流變頻壓縮機、SCR電加熱、SCR加濕器、除濕電磁閥、電子膨脹閥、EC風(fēng)機和高精度溫濕度傳感器[2]。溫濕度的控制不再單純采用偏差算法，而是采用精確的百分比需求和PID控制相結合的算法，其控制的溫濕度范圍波動(dòng)非常小，通常溫度控制精度可達±0.2℃，濕度控制精度可達±2%，控制策略如下：

　　1）溫濕度目標需求算法需求＝[(檢測值－設定值)/精度]×100%。

　　2）帶限值的.PID算法利用溫濕度檢測值與設定值偏差的比例積分微分進(jìn)行反饋控制，通過(guò)P（比例）算法控制溫濕度偏差，I（積分）算法控制溫濕度變化時(shí)間長(cháng)度，D（微分）算法控制溫濕度變化的速率，表達式如下：式中，u(k)為第k次采樣時(shí)刻的溫度（濕度）控制輸出（帶限值）；uP(k)為第k次采樣時(shí)刻的P作用（帶限值）；uI(k)為第k次采樣時(shí)刻的I作用（帶限值）；uD(k)為第k次采樣時(shí)刻的D作用（帶限值）；e(k)為第k次采樣時(shí)刻的溫度（濕度）偏差；T為采樣周期；Ti為溫度（濕度）積分參數；e(j)為第1次到第k次采樣時(shí)刻的溫度（濕度）偏差；TD為溫度（濕度）微分參數；e(k-1)為第k-1次采樣時(shí)刻的溫度（濕度）偏差。

　　3）變容量制冷為解決壓縮機啟停帶來(lái)的溫濕度慣性，壓縮機初始以20%的頻率運行，當室內環(huán)境制冷量需求變化時(shí)，根據目標需求和PID控制算法，壓縮機升頻或降頻至計算頻率，同時(shí)改變EC風(fēng)機轉速，線(xiàn)性調節風(fēng)量，壓縮機和風(fēng)機配合輸出精確的冷量。

　　4）無(wú)級調節加熱為解決電加熱啟停帶來(lái)的溫濕度慣性，SCR電加熱初始以30%的熱量輸出。當室內環(huán)境制熱量需求變化時(shí)，根據PID控制算法，SCR可控硅電加熱無(wú)級調節輸出精確的加熱量。

　　5）無(wú)級調節加濕為解決加濕器啟停帶來(lái)的溫濕度慣性，加濕器保持預熱狀態(tài)。當室內環(huán)境濕度需求變化時(shí)，根據PID控制算法，SCR可控硅加濕器無(wú)級調節輸出精確的加熱量。

　　6）Fuzzy-PID除濕除濕控制采用Fuzzy-PID復合控制算法，即將模糊控制與PID控制算法相結合，在濕度偏差較大時(shí)采用模糊控制算法，即室內環(huán)境濕度遠高于設定濕度時(shí)，壓縮機保持當前頻率運行，開(kāi)啟除濕電磁閥除濕；在濕度偏差較小時(shí)采用PID控制算法，通過(guò)電子膨脹閥調節蒸發(fā)溫度，進(jìn)而調節除濕量。

　　7）濕度控制濕度控制參數采用絕對含濕量控制。高精度恒溫恒濕空調智能控制策略耦合關(guān)系如圖1所示。

　　4高精度恒溫恒濕空調智能控制方式的優(yōu)勢

　　1）變頻壓縮機和無(wú)級調節的電加熱、加濕器可有效消除溫濕度控制的慣性。例如，給定一個(gè)持續散熱的環(huán)境，空調設定溫度為24℃，環(huán)境溫度為25℃，此時(shí)，變頻壓縮機以50Hz的頻率運行對環(huán)境進(jìn)行降溫，當環(huán)境溫度變?yōu)?4.5℃時(shí)，壓縮機頻率降低為35Hz，當環(huán)境溫度變?yōu)?4.0℃時(shí)，壓縮機頻率降至最低頻率20Hz。此時(shí)，SCR電加熱輸出30%，SCR電加熱量與制冷量基本持平，環(huán)境維持在恒定的24.0℃。若熱負荷變大，則壓縮機升頻，從而輸出更大的制冷量，配合SCR電加熱，環(huán)境溫度可長(cháng)期維持在恒定的24.0℃。若熱負荷變小，則壓縮機維持20Hz頻率，SCR電加熱加大熱量的輸出，環(huán)境溫度也可長(cháng)期維持在恒定的24.0℃。當溫度變化0.1℃時(shí)，變頻壓縮機頻率隨即發(fā)生變化，其響應速度及精度遠高于定頻壓縮機。通常溫度控制精度可達±0.2℃，同理，對于濕度控制，SCR加濕器配合除濕電磁閥工作，濕度變化0.5%時(shí)，加濕器輸出量和除濕電磁閥隨即發(fā)生動(dòng)作，可把濕度精度穩定地控制在±2%。

　　2）在無(wú)熱源的低溫高濕環(huán)境，除濕迅速。除濕和加熱同時(shí)運行可大大縮短環(huán)境穩定的時(shí)間。例如，在無(wú)熱源的低溫高濕環(huán)境下（江南地區梅雨季節），環(huán)境溫濕度為20℃、RH70%，設定溫濕度為24℃、RH50%，為達到設定的溫濕度，變頻壓縮機按照除濕頻率恒定輸出60Hz，同時(shí)除濕電磁閥打開(kāi)，電加熱輸出70%，電加熱輸出熱量大于60Hz壓縮機運行時(shí)的制冷量。在除濕的同時(shí)，室內溫度穩步上升，達到設定值[3]。

　　3）濕度控制參數采用絕對含濕量控制，避免了過(guò)度加濕和除濕。溫濕度控制對比曲線(xiàn)如圖2所示。

　　5應用實(shí)例

　　浙江某精密儀器實(shí)驗室使用普通恒溫恒濕空調，室內溫度始終偏低，濕度始終過(guò)高，無(wú)法達到設定的需求，在引入高精度恒溫恒濕智能空調系統后，通過(guò)調整PID算法參數和溫濕度偏差閾值等，即使室外為陰雨連綿的天氣，室內濕度也可控制在±2%，溫度控制在±0.3℃，建設了長(cháng)期以來(lái)所期望的理想實(shí)驗室環(huán)境。

　　6結語(yǔ)

　　高精度恒溫恒濕智能空調系統的主要器件有直流變頻壓縮機、SCR電加熱、SCR加濕器、除濕電磁閥、電子膨脹閥、EC風(fēng)機和高精度溫濕度傳感器。高精度恒溫恒濕空調智能控制策略有目標需求算法和PID計算制冷量輸出、PID計算加熱量輸出、PID計算加濕量輸出、Fuzzy-PID計算除濕量以及濕度參數采用絕對含濕量控制。

　　參考文獻

　　[1]安大偉.暖通空調系統自動(dòng)化[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

　　[2]邱育群,歐陽(yáng)惕,劉文彬,等.高精度恒溫恒濕空調最佳控制方法研究[J].制冷與空調,2014,14(10):38-40.

　　[3]李舒宏,張小松,蔡亮,等.計量測試用高精度恒溫恒濕空調系統研制與實(shí)現[J].建筑熱能通風(fēng)空調,2007(6):91-94.

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