基于LonWorks技术的变风量空调系统的设计

摘要：本文详细描述了一组变风量空调系统平台的设计，介绍了LonWorks技术在该系统中应用，设计了一种典型的控制策略，并对系统性能进行了测试分析，结果表明该装置性能良好，为进一步的变风量空调控制研究搭建了有利的平台。
关键词：变风量空调 LonWorks 除湿 控制策略

1 引言
       随着社会的发展，人们对空调技术的控制性能、经济性等方面提出了更高的要求。变风量( variable air volume简称VAV)空调系统根据空调负荷的变化，自动调节送风量，达到最小送风量时亦能调节送风温湿度，较好地满足了空调的舒适和节能要求，与传统的定风量空调系统相比，具有良好的可调性和节能效果。
       要使VAV空调系统充分发挥其舒适、节能的特点，需要从方案设计到设备选择、施工调试等各方面对变风量空调系统都有深刻了解。为此，研华科技依托高校的技术力量，搭建了一套基于LonWorks技术的VAV空调系统实验平台装置。

2  实验装置系统设计
(1)空调系统的总体构成
       本系统采用单风管、全空气式的中央空调系统。利用组合式空调箱，依次对室内回风和新风进行一次混合、过滤、除湿、冷却(加热)等处理。经处理后的空气由变频风机输送入空调房间，调节室内各空气参数。出于研究需要，现阶段只针对单个空调区域内的环境参数为对象进行监测控制，所以末端只预留一个普通送风口，未设其它末端装置。根据负荷变化，通过改变送风机频率来调整送风量，从而满足室内人员的舒适性及其它要求。
       空调水系统为两管制。采用两台4kW的户式中央空调室外主机作为冷热源，可为空调箱的表冷(加热)器提供7℃冷水（或60℃热水）。当风机达到最小送风量时，可通过调节冷（热）水阀门开度来改变送风温度。本系统不同于传统VAV空调的除湿方法，它借鉴了冷凝除湿机的原理，利用压缩制冷循环实现独立除湿。 除湿段在表冷器之前，由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀组成，当新风和回风经过混合过滤后，首先到达蒸发器，与蒸发器发生热交换，空气温度下降至露点以下，一部分水蒸气冷凝出。之后，干空气再经过冷凝器升温，从而达到除湿效果。这样做的好处是能充分利用湿空气本身的能量对其进行再加热，比末端电加热方式节省了能耗。为解决干空气比除湿前温度升高的问题，我们在室外再并联一个冷凝器，这样在压缩过程中，高压制冷剂蒸汽会分流至2个冷凝器，由室外的冷凝器把由潜热转化的那部分能量排放。图1为本空调系统的结构示意图。

 
图1 空调系统结构示意图

(2)传感器与执行器的配置
       本系统选用8套单元组合式温湿度传感器，分别装设在室内两侧、回风口、室外以及组合式空调箱内各个位置（如图1中所示），每组监测信号既能通过现场仪表显示，又能送入控制器供控制算法使用。此外，该系统还增设了太阳能辐射传感器、二氧化碳传感器、空气质量传感器等，可提供关于空调房间的丰富参数信息，也为进一步研究打下基础。执行机构主要包括送风机（由变频器控制）、冷水电动阀门、除湿用压缩机（由变频器控制）。

3 典型控制策略设计
       空调系统运行能否达到预期的效果，仅有设计良好的空调系统是不够的，还需要有完善的控制系统。本文设计一组典型的控制策略，主要包括以下几个方面：
(1)送风量控制
       由式n = 60f/p可知，风机频率和转速之间是近似线性的关系，可以根据空调负荷变化，通过改变送风机频率来调整送风量，从而满足室内人员的舒适性及其它要求。我们选用回风口温度和设定温度的偏差作为控制信号，设计增量式PID控制器，来控制送风量的大小。如图2-a所示。
(2)送风温度控制
       当空调负荷降到一定程度时，送风量的减少将引起送风口的气流速度不够，不能产生空气射流贴附效应，不利于室内气流组织，房间内的有效温度差值变大，空调质量下降。所以，若系统内不同的区域有较大的负荷变动存在，有就必须确定最小送风量，小于该值就必须调节送风温度。除了保证最小送风量外，送风温度控制还有其它用途，若空调系统强调换气次数，就要尽量提高送风温度；若空调系统强调低温送风，则要求降低送风温度来减少送风量。通过PID控制器调节表冷器（加热器）供应冷（热）水阀门开度来改变送风温度。如图2-b所示。
(3)送风湿度控制
       本系统采用的是压缩制冷的方式对空气进行冷凝除湿，所以可以通过改变压缩机的频率（进而改变功率）来控制除湿量的大小。虽然压缩机频率与除湿量之间没有显著的线性关系，但我们仍然可以设计PID控制器对其进行有效控制，被控参数为回风口的湿度。如图2-c所示。
(4)节能控制
       本系统采用时间表自动排程的功能，针对办公室实验区域的有效工作时间自动实现温湿度控制策略的运行与停止，同时根据室内外温度和光照度的大小，自动开启各个物理位置的照明设备，根据各区域位置的作用自动将各区域照度控制在设定的范围内，实现了有效节能的目的。

图2   PID控制回路结构图

4 采用LonWorks技术实现空调系统的控制
(1)LonWorks技术特点
       LonWorks是由美国Echelon公司推出的一种开放性的现场总线技术，其通信协议叫作LonTalk。网络上的节点采用功能强大的神经元芯片，含有LonTalk协议的固态软件，使其能可靠地通信。节点可完成各种功能，如传感器功能、执行器功能、操作接口、控制功能等。各节点是相互独立的，可以做到任何一个节点发生故障时，不会影响整个网络工作，从而提高了系统的可靠性、可维护性，降低了系统的成本和运行费用。另外，通信协议是完整、安全而有效的，具有开放性。同时还采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，支持多种通信介质和多种拓扑结构。
       变风量系统的控制具有被控设备分散、控制变量之间相互关联性强的特点。这就要求采用的控制设备能够具有智能，同时设备之间还要有通信能力。正是由于LonWorks技术在控制领城具有分散智能控制、控制设备远距离网络化通信的特点，使得基于LonWorks技术的楼宇自动产品在变风量系统控制领域有广阔的应用前景。
(2)控制系统结构
       整个系统由2个LonWorks控制节点和一台上位机组成。一个节点专门用于上述三个控制回路的监控，而另一节点只用于监测其它与控制回路非关联的参数状况。它们之间经双股总线相联，可以通过网络变量实现通信。上位机可对各控制节点进行组态、调节和监视。控制系统结构如图3所示。

 
图3  Lonworks控制系统结构图

(3)软件开发工具
       LonWorks提供了一套强有力的开发工具平台LonBuilder与NodeBuilder，还提供了网络协议分析工具。Neuron C是专门为Neuron芯片设计的程序设计语言，它在标准C的基础上进行了自然扩展，直接支持Neuron芯片的固化软件，提供了一些适用于LonWorks网络开发的功能，增加了网络变量，大大方便了系统的开发。除了编写应用控制程序外，还可以通过LonManager DDE Server 和Visual Basic建立Lonworks网络监控系统，在Windows界面下观察网络变量和显示消息的变化，并且能够改变网络变量的值并发送消息来影响网络变量的操作。

5 性能测试分析
(1)测试条件
       本例是在2006年夏季工况下完成的实际测试。测试的空调房间大约有30m2，有多个窗户朝阳，采光良好。房间湿度40%，温度28℃。设定的控制目标是用PID控制把室内温度稳定在25℃。为避免“结露”，空调的设计为大风量、小焓差，出风温度设计在18-20℃。
(2)测试结果
       图4是按照实测数据画出的送风和回风的温度变化曲线。由图可以看到在没有启动风机的时候送风温度稳定在23℃不变，回风温度也相当于室内的温度稳定在30℃。当系统开始运行后送风温度很快开始下降，而回风温度经过一段平缓区后开始下降，这是因为房间空间较大温度变化有延迟，最后室内温度稳定在25℃附近。

 
图4 送风回风温度的趋势图

6 总结
       本实验装置模拟大型变风量空调系统，配备了足够精度的温湿度等传感器、智能执行器，应用Lonworks系统节点控制模块对空调系统进行实时数据采集、过程监控及控制算法编制，通过LonWorks现场总线与上位机通信，在网络控制器的管理下，实现上位显示和控制。空调系统通过对风机变频器、冷水阀、压缩机等装置的控制，实现室内温度、送风温度、送风湿度三个回路的闭环控制，使空调房间的各种参数控制在要求的范围内。同时使用时间表自动排程功能，对控制器设备启停、空调设备启停、照明设备启停实现自动控制，有效的实现了节约能源的目的。本论文实验成果是在研华文教基金会的赞助下完成的，是研华科技通过研华文教基金会回馈社会、开办校企合作、实现高校研究成果快速转化为产品的典范。同时，本论文实验结果的成功，为研华进一步开辟楼宇自动化市场，实现研华楼宇跻身国内楼宇市场第一品牌奠定了坚实的基础。

参考文献：
1．柳建华，王瑾， 智能控制变风量空调系统试验装置的研制. 制冷技术， 2002(04)
2．李春旺等. 智能控制VAV空调系统试验平台的研制. 建筑热能通风空调， 2004(08)
3．李克欣， 叶大法等， VAV 空调系统初探. 暖通空调， 1997(03)
4．魏东. 基于人工神经网络的变风量空调控制系统. 暖通空调， 2005，(04):112-116
5．张少军. 网络通信与建筑智能化系统[M]. 北京：中国电力出版社，2004

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