一种定风量空调系统室温控制装置及其控制方法与流程

本发明涉及建筑节能及空调通风控制技术领域，具体涉及一种定风量空调系统室温控制装置及其控制方法。

背景技术：

在中央空调系统中，定风量系统因系统设计简单，且成本较低，在实际工程当中被广泛采用，尤其是一些恒温恒湿的洁净室，对送风量有特殊要求，通常采用定风量系统。

在定风量空调系统中，室内温度通常不控制或直接通过水阀开度调节进行控制，即比例积分(pi)控制器根据回风温度(室温)直接对水阀开度进行调节。采用该控制方法时，pi控制参数整定困难，且因室内空气的热惰性大，阀门开度响应较慢，整个控制过程存在很大的滞后性，反应慢，也容易出现超调，导致室内温度实际控制效果较差。目前，针对定风量空调系统尚未有一种行之有效的控制方法可以提高室内温度的控制精度和鲁棒性，进而提高室内人员的热舒适性。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种定风量空调系统室温控制装置及其控制方法，即根据送风量及送/回风温度传感器测量的送/回风温度估算实时的负荷情况，并结合可编程控制器，利用送风温度预测模型将负荷的变化和室内温度的变化直接传递至送风温度上，进一步根据送风温度的变化，通过先进的控制逻辑方法，控制水阀开度，进而实现室内温度的鲁棒控制。利用本发明的控制装置及方法通过对室内温度进行精确和鲁棒地控制，能够避免采用传统控制方法时系统响应慢、滞后性大等问题，可以有效地解决定风量空调系统在实际应用中室内温度控制效果差的问题，大大提高室内工作人员的热舒适性。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种定风量空调系统室温控制方法，依次包括以下步骤：

a.预设期望回风温度值、系统送风量、空调房间体积vz和温度值采样周期；

b.采集回风温度值tz，通过回风温度值与期望回风温度值tz,set计算出室内温度追踪误差；

c.利用回风温度值tz、送风温度值ts、系统送风量vs，结合空气的比热与空气密度计算出瞬时显热负荷；

d.使用温度值采样周期、空调房间体积vz，结合空气比热与空气密度建立模型参数，通过室内温度追踪误差、期望回风温度值、瞬时显热负荷、系统送风量、模型参数及松弛因子γ计算出系统需要的送风温度值tr，γ设置范围为(0,1)；

e.根据测量的实时送风温度值与系统需要的送风温度值的比较结果，计算水阀开度大小，通过调节水阀开度大小，从而控制送风温度。

优选地，所述步骤c中，考虑到测量工具的动态过程，采用遗忘因子λ对估算的瞬时显热负荷进行处理，计算得出房间显热负荷，λ设置范围为(0,1)。

优选地，步骤d中所述的系统需要的送风温度值的计算方法具体为：

qz＝caρavs(tz-ts)(2)

ζz,k＝λζz,k-1+(1-λ)qz(3)

其中，cɑ、ρɑ分别为空气的比热与密度，α1、α2为模型参数，ez为室内温度追踪误差，ez＝tz-tz,set，γ为松弛因子，设置范围为(0,1)，h为采样周期，ζz为计算的房间显热负荷，qz为估算的瞬时显热负荷，采用遗忘因子λ对式(2)估算的负荷值进行处理，λ设置范围为(0,1)；式(3)，k表示当前采样时刻，k-1表示上个采样时刻。

优选地，所述步骤e中，水阀开度控制算法为增量式pi算法，即采用pi算法通过调节水阀开度追踪系统需要的送风温度值。

优选地，一种定风量空调系统室温控制装置，包括空调机组，还包括：

室温控制器用于预设期望回风温度值、系统送风量、空调房间体积vz和温度值采样周期；

回风温度传感器作为所述室温控制器的输入与所述室温控制器一个输入端电连接，用于采集定风量空调系统回风温度；

送风温度传感器作为所述室温控制器的输入与所述室温控制器另一个输入端电连接，用于采集定风量空调系统送风温度；

电动调节水阀用于调节水量大小；

电动调节水阀执行器作为所述室温控制器的输出与所述室温控制器输出端电连接，设于所述电动调节水阀上，用于执行电动调节水阀的开度调节；

所述室温控制器还用于根据回风温度和实时负荷计算系统需要的送风温度，并结合实时送风温度，对电动调节水阀的开度进行控制。

优选地，所述室温控制器上设有显示屏与参数设定面板，所述显示屏与所述参数设定面板电连接；所述参数设定面板用于预设期望回风温度值tz,set、系统送风量vs、空调房间体积vz和温度值采样周期h；所述显示屏用于显示所述室温控制器各参数。

优选地，所述室温控制器内嵌送风温度预测模块和水阀开度控制模块，所述送风温度预测模块作为所述水阀开度控制模块的输入、并与所述水阀开度控制模块电连接；所述参数设定面板与所述显示屏、所述送风温度传感器、所述回风温度传感器分别与所述送风温度预测模块电连接，所述送风温度预测模块接收期望回风温度值tz,set、测量的回风温度值tz与送风温度值ts，估算室内负荷，并据此计算出系统需要的送风温度tr，并以此作为送风温度设定值输出至水阀开度控制模块。

优选地，所述送风温度tr，其计算公式为：

qz＝caρavs(tz-ts)(2)

ζz,k＝λζz,k-1+(1-λ)qz(3)

其中，cɑ、ρɑ分别为空气的比热与密度，α1、α2为模型参数，ez为室内温度追踪误差，ez＝tz-tz,set，γ为松弛因子，设置范围为(0,1)，h为采样周期，ζz为计算的房间显热负荷，qz为估算的瞬时显热负荷，采用遗忘因子λ对式(2)估算的负荷值进行处理，λ设置范围为(0,1)；式(3)，k表示当前采样时刻，k-1表示上个采样时刻。

优选地，所述电动调节水阀执行器作为所述水阀开度控制模块的输出并与所述水阀开度控制模块电连接，所述水阀开度控制模块根据测量的实时送风温度ts与送风温度设定值tr的比较结果，计算所述电动调节水阀的开度大小，并将所述电动调节水阀的开度信号输出至所述电动调节水阀执行器，由所述电动调节水阀执行器完成所述电动调节水阀开度的调节。

优选地，所述水阀开度控制模块采用的水阀开度控制算法为增量式pi算法，即采用pi算法通过调节电动调节水阀的开度追踪送风温度设定值。

本发明的有益效果是：

(1)相比于常规的定风量空调系统室温控制方法，本发明的一种定风量空调系统室温控制方法将室内负荷的变化和室内温度的变化直接通过送风温度预测模型传递到送风温度的变化中，然后通过电动调节水阀开度调节直接追踪送风温度，该方法热滞后性小，控制响应快，可以显著地提高定风量空调系统在实际应用中室内温度的控制效果，房间舒适度更高。

(2)本发明的一种定风量空调系统室温控制方法根据室内负荷变化和室内温度变比，进行智能按需水量供应，当室内负荷较低时，避免了室内温度过低，有效地减少了水量的供应，进而减少空调系统(冷机和水泵)的运行能耗。

(3)相比于常规的定风量空调系统室温控制装置，本发明的一种定风量空调系统室温控制装置构造简单，操作方便，且生产成本低，可安装于空调房间的墙壁上，施工简单。另外，本发明的一种定风量空调系统室温控制装置设有通讯接口，可连接上位机进行数据交互，有利于整个空调控制系统的集成。

附图说明

图1为本发明提供的一种定风量空调系统室温控制系统的控制原理图；

图2为本发明提供的一种定风量空调系统室温控制方法的控制流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、空调机组，2、表冷器，3、风机，4、送风管，5、回风管，6、新风管，7、表冷器进水管，8、电动调节水阀，9、电动调节水阀执行器，10、表冷器出水管，11、回风温度传感器，12、送风温度传感器，13、室温控制器，14、显示屏，15、参数设定面板，16、送风温度预测模块，17、水阀开度控制模块，18、上位机，19、空调区域，20、干扰负荷。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1～2所示，一种定风量空调系统室温控制方法，依次包括以下步骤：

a.预设期望回风温度值、系统送风量、空调房间体积vz和温度值采样周期；

b.采集回风温度值tz，通过回风温度值与期望回风温度值tz,set计算出室内温度追踪误差；

c.利用回风温度值tz、送风温度值ts、系统送风量vs，结合空气的比热与空气密度计算出瞬时显热负荷；

d.使用温度值采样周期、空调房间体积vz，结合空气比热与空气密度建立模型参数，通过室内温度追踪误差、期望回风温度值、瞬时显热负荷、系统送风量、模型参数及松弛因子γ计算出系统需要的送风温度值tr，γ设置范围为(0,1)；

e.根据测量的实时送风温度值与系统需要的送风温度值的比较结果，计算水阀开度大小，通过调节水阀开度大小，从而控制送风温度。

本实施例中，所述步骤c中，考虑到测量工具的动态过程，采用遗忘因子λ对估算的瞬时显热负荷进行处理，计算得出房间显热负荷，λ设置范围为(0,1)。

本实施例中，步骤d中所述的系统需要的送风温度值的计算方法具体为：

qz＝caρavs(tz-ts)(2)

ζz,k＝λζz,k-1+(1-λ)qz(3)

其中，cɑ、ρɑ分别为空气的比热与密度，α1、α2为模型参数，ez为室内温度追踪误差，ez＝tz-tz,set，γ为松弛因子，设置范围为(0,1)，h为采样周期，ζz为计算的房间显热负荷，qz为估算的瞬时显热负荷，采用遗忘因子λ对式(2)估算的负荷值进行处理，λ设置范围为(0,1)；式(3)，k表示当前采样时刻，k-1表示上个采样时刻。

本实施例中，所述步骤e中，水阀开度控制算法为增量式pi算法，即采用pi算法通过调节水阀开度追踪系统需要的送风温度值。

如图1～2所示，一种定风量空调系统室温控制装置，包括空调机组1，以及顺序设置的回风管5、表冷器2、风机3、送风管4，回风管5与送风管4分别设于空调机组1两端、并与空调机组1接通，表冷器2与风机3设于空调机组1内，风机3进风端通向表冷器2，风机3出风端通向送风管4，表冷器2上设有表冷器出水管10与表冷器进水管7；控制装置还包括室温控制器13，室温控制器13设于空调机组1外，室温控制器13设有两个输入端与一个输出端；回风管5上设有回风温度传感器11，回风温度传感器11作为室温控制器13的其中一个输入端与室温控制器13电连接；送风管4上设有送风温度传感器12，送风温度传感器12作为室温控制器13的另一个输入端与室温控制器13电连接；表冷器进水管7上设有电动调节水阀8，电动调节水阀8上还设有电动调节水阀执行器9，电动调节水阀执行器9作为室温控制器13的输出端与室温控制器13电连接。其中：

室温控制器13用于预设期望回风温度值、系统送风量、空调房间体积vz和温度值采样周期；

回风温度传感器11作为所述室温控制器13的输入与所述室温控制器13一个输入端电连接，用于采集定风量空调系统回风温度；

送风温度传感器12作为所述室温控制器13的输入与所述室温控制器13另一个输入端电连接，用于采集定风量空调系统送风温度；

电动调节水阀8的开度大小决定水量大小，用于控制表冷器进水管7的冷冻水进水量，从而达到调节表冷器的热交换效果的目的；

电动调节水阀执行器9作为所述室温控制器13的输出与所述室温控制器13输出端电连接，设于所述电动调节水阀8上，用于执行电动调节水阀8的开度调节；

所述室温控制器13可设置于定风量空调系统控制柜中或空调房间的墙壁上，还用于根据回风温度和实时负荷计算系统需要的送风温度，并结合实时送风温度，对电动调节水阀8的开度进行控制。

本实施例中，所述室温控制器13上设有显示屏14与参数设定面板15，所述显示屏14与所述参数设定面板15电连接；所述参数设定面板15用于预设期望回风温度值tz,set、系统送风量vs、空调房间体积vz和温度值采样周期h；所述显示屏14用于显示所述室温控制器13各参数和查看系统运行状态。

本实施例中，所述室温控制器13内嵌送风温度预测模块16和水阀开度控制模块17，所述送风温度预测模块16作为所述水阀开度控制模块17的输入、并与所述水阀开度控制模块17电连接；所述参数设定面板15与所述显示屏14、所述送风温度传感器12、所述回风温度传感器11分别与所述送风温度预测模块16电连接，所述送风温度预测模块16接收期望回风温度值tz,set、测量的回风温度值tz与送风温度值ts，估算室内负荷，并据此计算出系统需要的送风温度tr，并以此作为送风温度设定值输出至水阀开度控制模块17。

本实施例中，所述送风温度tr，其计算公式为：

qz＝caρavs(tz-ts)(2)

ζz,k＝λζz,k-1+(1-λ)qz(3)

其中，cɑ、ρɑ分别为空气的比热与密度，α1、α2为模型参数，ez为室内温度追踪误差，ez＝tz-tz,set，γ为松弛因子，设置范围为(0,1)，h为采样周期，ζz为计算的房间显热负荷，qz为估算的瞬时显热负荷，采用遗忘因子λ对式(2)估算的负荷值进行处理，λ设置范围为(0,1)；式(3)，k表示当前采样时刻，k-1表示上个采样时刻。

本实施例中，所述电动调节水阀执行器9作为所述水阀开度控制模块17的输出并与所述水阀开度控制模块17电连接，所述水阀开度控制模块17根据测量的实时送风温度ts与送风温度设定值tr的比较结果，计算所述电动调节水阀8的开度大小，并将所述电动调节水阀8的开度信号输出至所述电动调节水阀执行器9，由所述电动调节水阀执行器9完成所述电动调节水阀8开度的调节。

本实施例中，所述水阀开度控制模块17采用的水阀开度控制算法为增量式pi算法，即采用pi算法通过调节电动调节水阀8的开度追踪送风温度设定值。

室温控制器13还设有rs485通讯接口，室温控制器13通过所述rs485通讯接口与上位机18电连接，可与上位机18进行数据交互，有利于整个空调控制系统的集成。

空调机组1还设有新风管6，新风管6位于空调机组1上近回风管5一端。新风管6进行进风补偿，补偿风在控制系统作为干扰负荷20存在。

工作流程：

如图1所示，风机3运转，室内空气通过回风管5吸入空调机组1内，经过表冷器2进行温度交换后，再通过风机3从送风管4排出，空气形成循环流动；回风管5上的回风温度传感器11将检测到的回风温度信号输送给室温控制器13，送风管4上的送风温度传感器12将检测到的实时送风温度信号输送给室温控制器13；送风温度预测模块16接收回风温度传感器11检测到的回风温度tz与送风温度传感器12检测到的送风温度ts，估算室内负荷，并据此计算出系统需要的送风温度tr，并以此作为送风温度设定值输出至水阀开度控制模块17；水阀开度控制模块17则根据测量的实时送风温度ts与送风温度设定值tr的比较结果，计算电动调节水阀8的开度大小，并将电动调节水阀8的开度信号经室温控制器13的输出端口输出至电动调节水阀执行器9，由电动调节水阀执行器9完成电动调节水阀8开度的调节，进而控制表冷器2进水量。

如图2所示，此为一种定风量空调系统室温控制方法的控制流程图。空调区域19在受到干扰负荷20的干扰下，室内温度tz将发生变化，此时，回风温度传感器11测量回风温度(代指室内温度)，送风温度传感器12测量送风温度，并分别传输至送风温度预测模块16，送风温度预测模块16结合室内温度设定值tz,set计算得到系统需要的送风温度设定值tr，并输出至水阀开度控制模块17；水阀开度控制模块17根据tr与送风温度传感器12测量送风温度的比较结果，计算得到电动调节水阀8的开度大小，并由电动调节水阀执行器对电动调节水阀8的开度进行调节；电动调节水阀8的开度调节最终改变了表冷器2中的水流量，进而实现送风温度的控制；处理后的送风进入空调区域19，消除干扰负荷20的影响，实现室内温度的控制。

相比于常规的定风量空调系统室温控制方法，本发明的一种定风量空调系统室温控制方法将室内负荷的变化和室内温度的变化直接通过送风温度预测模型传递到送风温度的变化中，然后通过电动调节水阀开度调节直接追踪送风温度，该方法热滞后性小，控制响应快，可以显著地提高定风量空调系统在实际应用中室内温度的控制效果，房间舒适度更高。

本发明的一种定风量空调系统室温控制方法根据室内负荷变化和室内温度变比，进行智能按需水量供应，当室内负荷较低时，避免了室内温度过低，有效地减少了水量的供应，进而减少空调系统(冷机和水泵)的运行能耗。

相比于常规的定风量空调系统室温控制装置，本发明的一种定风量空调系统室温控制装置构造简单，操作方便，且生产成本低，可安装于空调房间的墙壁上，施工简单。另外，本发明的一种定风量空调系统室温控制装置设有通讯接口，可连接上位机进行数据交互，有利于整个空调控制系统的集成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。