基于PMV的暖通空调智能监控系统设计

□□ 郭燕飞,张亚南 (.山西经贸职业学院,山西 太原 030000;.山西新唐工程设计股份有限公司,山西 太原 030000)

暖通空调(HVAC)即供暖、通风及空气调节,是为满足生产和生活要求,改善劳动卫生条件,通过人工调节使得房间或局部空间的空气温度、相对湿度、洁净度和气流速度等参数达到技术要求,以创造良好的环境热舒适性满足人们工作和生活需求的技术。PMV为预测平均值投票模型,是目前评价环境热舒适度最权威的方法之一。PMV主要考虑了空气温度、空气相对湿度、空气流速、空间内围护结构的辐射温度、人体新陈代谢水平和衣物热阻六个因素,设置七个分值,分别是-3、-2、-1、0、1、2和3,表示环境内人员的冷热平均感觉,-3表示最冷,3表示最热,PMV=0表示空气热环境最舒适。由于PMV模型是根据人的反馈在实验室环境下建立的,而且在该模型建立过程中假设所有参与试验人员各方面一样,忽略着装情况和活动程度不同,模型不存在个体差异,因而由PMV按照ASHRAE标准推导出的标准热环境参数可以在大部分情况下获得绝大多数人满意的舒适度,但由于存在室外气温和辐射程度等干扰因素使得标准热环境参数产生瞬态变化,而且空气热环境存在调节滞后性,这就需要暖通空调系统能够自动调节,并可通过人机交互进行智能监控的暖通空调系统。现以中央空调全空气系统根据冷(热)负荷变化的智能控制为例构建中央空调智能控制系统,可满足MPV=0的空气热环境参数设置,并能实现对中央空调系统内主要设备、调节机构的监视和自动控制。

丹麦的Fanger P O于1970年基于人体热平衡和大量试验获得的数学模型,表征着装人体稳定能量平衡时的热舒适性方程见式(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——试验人员不同活动量,W·m-2;

W——试验人员对外做功,W·m-2;

pa——环境中水蒸气分压,kPa;

ta——环境温度,℃;

tsk——平均皮肤温度,℃;

tcl——服装外表面积温度,℃;

Icl——服装热阻,m2·℃·W-1;

fcl——服装面积系数;

ha——人体对流换热系数,W·m-2·℃-1;

根据文献[1],考虑服装表面温度和体温调节性出汗对PMV造成的偏差,暖通空调制冷工况时智能监控系统的初始设置参数见表1。依据使用者的反馈,对环境温湿度设定值进行修正。

表1 不同活动强度下PMV=0时对应环境参数值

2.1 系统组成

暖通空调智能监控系统按照用户对系统监控的不同程度采用分级控制,有现场级、控制级和管理级。典型的中央空调自动监控系统架构如图1所示。

图1 中央空调自动监控系统结构

现场级包括被控设备和安装在末端空调房间内采集环境参数的各类传感器和通过控制器的输出模块自动调节的各类执行机构。其中被控设备有空调主机、冷冻水循环泵、冷却水循环泵、空调机组和冷却塔等设备及现场电气控制柜(箱)。

控制级安装在被控设备附近,为数字控制器。主要由核心部件CPU(微处理器)、ROM(程序存储器)、RAM(数据存储器)、I/O接口电路、运算单元、通信单元、显示单元等部分组成。现场控制器可以实现监测数据的采集、按照设定程序运算、控制输出、利用通信接口按照通信协议与上机位连接并接收上位机控制等功能。

系统管理级由管理计算机和软件组成。可以实现优化运行计算;控制并修改下位机中任何一台现场控制器的参数设定值;对现场控制器中的数据进行存储和记录,并随时查看;对下位机可实现远程操控等功能。

2.2 现场控制器模块设计

暖通空调系统尤其是半集中式中央空调系统,空调设备多且分散,适合采用分散控制系统,在制冷机房、空调机房、换热机房和锅炉房等机房使用直接数字控制系统(DDC控制器),DDC控制器再利用通信网络连接到上位机。DDC控制器的组成如图2所示。

图2 DDC控制器的组成

微处理器(CPU)作为控制器的核心,具有接收用户程序和数据、接收数字量和模拟量的输入并根据运算规则进行运算、输出控制信号等功能。存储器有两种:一种是控制器厂家编写,存储在ROM内,只读不可操作;另一种是可读可操作的RAM,可存储用户程序和输入输出数据。输入输出单元(I/O)功能是由输入单元接收被控对象参数数据传给控制器,再通过输出单元将执行参数输送给被控对象。通信接口根据国标通信协议与上位机实现通信连接。控制器采用双电源供电,为内部电路供电,同时也为外部传感器供电,主电源由建筑物照明动力用电提供,备用电源由不间断电源供电。

2.3 传感器设计与选型

暖通空调系统中的传感器是将被控房间为空气参数通过敏感元件和转化元件,按照规律转换为电信号的装置。在暖通空调系统中常用传感器有温度传感器、湿度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器和气体成分传感器等。传感器的选型应考虑测量参数类型、使用场合、测量范围、量程、测量精度、响应时间、经济性和运行维护等因素。

温度传感器分为接触式和非接触式两大类,每类中又有若干种选择,每种传感器的测量范围和适用场合各有不同,根据被控对象温度的测量和控制任务选择适当的传感器。舒适性暖通空调系统室内热环境由于常年处于常温区,温度测温区范围窄,传感器转换的电信号从室内被控环境到控制器的距离极可能过长,同时还要求测量精度高且测量误差小,宜选用热敏电阻型集成半导体温度传感器。

湿度传感器感测量的是被控环境的空气相对湿度,通过测量空气中的干球温度和湿球温度两个状态参数获得,暖通空调系统选用电容式相对湿度传感器。

暖通空调系统中压力传感器包括风管压力传感器和水管压力传感器两种,其将被测对象的不同部位引入敏感元件的高压端和低压端,敏感元件在流体的压力下产生变形,压力传感器将变形量转换成电信号输出即可测量被控对象的压差。暖通空调系统可根据被测流体种类和压力测量范围选择压力传感器。

暖通空调系统中流量传感器包括风量传感器和水量传感器两种。流量控制有两种:一种是启闭控制;另一种是调节控制。根据使用场合、被测流体种类、工作可靠性、运维管理便捷性等可选择压差式、涡轮式、电磁式和超声波式等。

山西省汾阳市某商务中心共8层,每层设置一套带热回收的组合式空调机组,可夏季制冷和冬季供热,采用中央空调分级自动控制,整个系统共安装8套现场控制器,每套现场控制器控制一台组合式空调机组,每台空调机组的监控原理如图3所示。

图3 组合式空调机组(带热回收)的监控原理图

现场控制器采用DDC控制器,控制器主电源为220 V交流电,备用电源采用UPS电源,对每台空调机组进行监测和控制,并进行系统调试和运行软件的组态和调整,完成各项内容报表。监测和自控功能要求见表2。

表2 组合式空调机组监测和自控要求

系统以PMV=0的计算数值为初始设定值,使空调机组稳定运行。自动控制逻辑如下:

(1)送风温度自动控制:空调房间负荷发生变化后,通过控制器中的PID控制模块优化设定值,对室内温度的实测值与设定值进行比较,控制表冷器或加热盘管电动调节阀的开度,调整送风温度,满足室温要求。

(2)送风湿度自动控制:通过实测回风湿度与设定值对比,控制加湿段喷淋量,调整送风湿度,满足室内湿度要求。

(3)空气质量自动控制:通过实测回风CO2/VOC浓度与设定值对比,控制新风电动调节阀开度,调节新回风比,保证室内空气质量。

(4)其他自动控制:监视低温防冻,并进行报警,防止加热盘管冻裂;监视空气过滤器两侧压差,判断是否需要清理;监视风机两侧压差,判断风机工况是否正常;新风和排风电动调节阀与风机连锁,保护加热盘管安全。

该智能监控系统经过验收后投入使用,按照夏季制冷工况设计控制逻辑,设置空调机组的初始参数。该商务中心按表1中使用人群的活动量级坐至低级考虑,输入机组的设定温度值为25 ℃,相对湿度为50%。根据用户反馈对初始设定值进行调整,然后根据实测回风温湿度数值与设定值之间的偏差,按照PID控制算法通过调整表冷器管路上的调节阀开度来控制送风温度;通过调整喷淋管路上的调节阀开度来控制送风湿度;通过调整新回风管段上的调节阀开度来控制房间空气质量。

通过分析暖通空调智能监控系统组成及各部分功能作用和选型设计,构建暖通空调的智能控制系统。通过分析预测热舒适度平均值投票指数(PMV)数值的影响因素,选择适宜的计算模型,选取PMV=0的空气参数作为中央空调智能监控系统初始设定值。以带热回收空调机组的智能控制系统为例,分析系统监测参数和控制对象,分析空调房间室内温、湿度的控制过程。通过设计暖通空调智能监控系统,可实现建筑暖通空调系统温湿度监测和控制,为暖通空调节能设计与改造提供依据,对降低建筑能耗有很大意义。

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