基于PMV的暖通空調智能監控系統設計

□□ 郭燕飛,張亞南 (.山西經貿職業學院,山西 太原 030000;.山西新唐工程設計股份有限公司,山西 太原 030000)

引言

暖通空調(HVAC)即供暖、通風及空氣調節,是為滿足生產和生活要求,改善勞動衛生條件,通過人工調節使得房間或局部空間的空氣溫度、相對濕度、潔凈度和氣流速度等參數達到技術要求,以創造良好的環境熱舒適性滿足人們工作和生活需求的技術。PMV為預測平均值投票模型,是目前評價環境熱舒適度最權威的方法之一。PMV主要考慮了空氣溫度、空氣相對濕度、空氣流速、空間內圍護結構的輻射溫度、人體新陳代謝水平和衣物熱阻六個因素,設置七個分值,分別是-3、-2、-1、0、1、2和3,表示環境內人員的冷熱平均感覺,-3表示最冷,3表示最熱,PMV=0表示空氣熱環境最舒適。由于PMV模型是根據人的反饋在實驗室環境下建立的,而且在該模型建立過程中假設所有參與試驗人員各方面一樣,忽略著裝情況和活動程度不同,模型不存在個體差異,因而由PMV按照ASHRAE標準推導出的標準熱環境參數可以在大部分情況下獲得絕大多數人滿意的舒適度,但由于存在室外氣溫和輻射程度等干擾因素使得標準熱環境參數產生瞬態變化,而且空氣熱環境存在調節滯后性,這就需要暖通空調系統能夠自動調節,并可通過人機交互進行智能監控的暖通空調系統?，F以中央空調全空氣系統根據冷(熱)負荷變化的智能控制為例構建中央空調智能控制系統,可滿足MPV=0的空氣熱環境參數設置,并能實現對中央空調系統內主要設備、調節機構的監視和自動控制。

1 初始環境參數確定

丹麥的Fanger P O于1970年基于人體熱平衡和大量試驗獲得的數學模型,表征著裝人體穩定能量平衡時的熱舒適性方程見式(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——試驗人員不同活動量,W·m-2;

W——試驗人員對外做功,W·m-2;

pa——環境中水蒸氣分壓,kPa;

ta——環境溫度,℃;

tsk——平均皮膚溫度,℃;

tcl——服裝外表面積溫度,℃;

Icl——服裝熱阻,m2·℃·W-1;

fcl——服裝面積系數;

ha——人體對流換熱系數,W·m-2·℃-1;

根據文獻[1],考慮服裝表面溫度和體溫調節性出汗對PMV造成的偏差,暖通空調制冷工況時智能監控系統的初始設置參數見表1。依據使用者的反饋,對環境溫濕度設定值進行修正。

表1 不同活動強度下PMV=0時對應環境參數值

2 暖通空調智能監控系統

2.1 系統組成

暖通空調智能監控系統按照用戶對系統監控的不同程度采用分級控制,有現場級、控制級和管理級。典型的中央空調自動監控系統架構如圖1所示。

圖1 中央空調自動監控系統結構

現場級包括被控設備和安裝在末端空調房間內采集環境參數的各類傳感器和通過控制器的輸出模塊自動調節的各類執行機構。其中被控設備有空調主機、冷凍水循環泵、冷卻水循環泵、空調機組和冷卻塔等設備及現場電氣控制柜(箱)。

控制級安裝在被控設備附近,為數字控制器。主要由核心部件CPU(微處理器)、ROM(程序存儲器)、RAM(數據存儲器)、I/O接口電路、運算單元、通信單元、顯示單元等部分組成?，F場控制器可以實現監測數據的采集、按照設定程序運算、控制輸出、利用通信接口按照通信協議與上機位連接并接收上位機控制等功能。

系統管理級由管理計算機和軟件組成?？梢詫崿F優化運行計算;控制并修改下位機中任何一臺現場控制器的參數設定值;對現場控制器中的數據進行存儲和記錄,并隨時查看;對下位機可實現遠程操控等功能。

2.2 現場控制器模塊設計

暖通空調系統尤其是半集中式中央空調系統,空調設備多且分散,適合采用分散控制系統,在制冷機房、空調機房、換熱機房和鍋爐房等機房使用直接數字控制系統(DDC控制器),DDC控制器再利用通信網絡連接到上位機。DDC控制器的組成如圖2所示。

圖2 DDC控制器的組成

微處理器(CPU)作為控制器的核心,具有接收用戶程序和數據、接收數字量和模擬量的輸入并根據運算規則進行運算、輸出控制信號等功能。存儲器有兩種:一種是控制器廠家編寫,存儲在ROM內,只讀不可操作;另一種是可讀可操作的RAM,可存儲用戶程序和輸入輸出數據。輸入輸出單元(I/O)功能是由輸入單元接收被控對象參數數據傳給控制器,再通過輸出單元將執行參數輸送給被控對象。通信接口根據國標通信協議與上位機實現通信連接?？刂破鞑捎秒p電源供電,為內部電路供電,同時也為外部傳感器供電,主電源由建筑物照明動力用電提供,備用電源由不間斷電源供電。

2.3 傳感器設計與選型

暖通空調系統中的傳感器是將被控房間為空氣參數通過敏感元件和轉化元件,按照規律轉換為電信號的裝置。在暖通空調系統中常用傳感器有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器和氣體成分傳感器等。傳感器的選型應考慮測量參數類型、使用場合、測量范圍、量程、測量精度、響應時間、經濟性和運行維護等因素。

溫度傳感器分為接觸式和非接觸式兩大類,每類中又有若干種選擇,每種傳感器的測量范圍和適用場合各有不同,根據被控對象溫度的測量和控制任務選擇適當的傳感器。舒適性暖通空調系統室內熱環境由于常年處于常溫區,溫度測溫區范圍窄,傳感器轉換的電信號從室內被控環境到控制器的距離極可能過長,同時還要求測量精度高且測量誤差小,宜選用熱敏電阻型集成半導體溫度傳感器。

濕度傳感器感測量的是被控環境的空氣相對濕度,通過測量空氣中的干球溫度和濕球溫度兩個狀態參數獲得,暖通空調系統選用電容式相對濕度傳感器。

暖通空調系統中壓力傳感器包括風管壓力傳感器和水管壓力傳感器兩種,其將被測對象的不同部位引入敏感元件的高壓端和低壓端,敏感元件在流體的壓力下產生變形,壓力傳感器將變形量轉換成電信號輸出即可測量被控對象的壓差。暖通空調系統可根據被測流體種類和壓力測量范圍選擇壓力傳感器。

暖通空調系統中流量傳感器包括風量傳感器和水量傳感器兩種。流量控制有兩種:一種是啟閉控制;另一種是調節控制。根據使用場合、被測流體種類、工作可靠性、運維管理便捷性等可選擇壓差式、渦輪式、電磁式和超聲波式等。

3 工程案例

山西省汾陽市某商務中心共8層,每層設置一套帶熱回收的組合式空調機組,可夏季制冷和冬季供熱,采用中央空調分級自動控制,整個系統共安裝8套現場控制器,每套現場控制器控制一臺組合式空調機組,每臺空調機組的監控原理如圖3所示。

圖3 組合式空調機組(帶熱回收)的監控原理圖

現場控制器采用DDC控制器,控制器主電源為220 V交流電,備用電源采用UPS電源,對每臺空調機組進行監測和控制,并進行系統調試和運行軟件的組態和調整,完成各項內容報表。監測和自控功能要求見表2。

表2 組合式空調機組監測和自控要求

系統以PMV=0的計算數值為初始設定值,使空調機組穩定運行。自動控制邏輯如下:

(1)送風溫度自動控制:空調房間負荷發生變化后,通過控制器中的PID控制模塊優化設定值,對室內溫度的實測值與設定值進行比較,控制表冷器或加熱盤管電動調節閥的開度,調整送風溫度,滿足室溫要求。

(2)送風濕度自動控制:通過實測回風濕度與設定值對比,控制加濕段噴淋量,調整送風濕度,滿足室內濕度要求。

(3)空氣質量自動控制:通過實測回風CO2/VOC濃度與設定值對比,控制新風電動調節閥開度,調節新回風比,保證室內空氣質量。

(4)其他自動控制:監視低溫防凍,并進行報警,防止加熱盤管凍裂;監視空氣過濾器兩側壓差,判斷是否需要清理;監視風機兩側壓差,判斷風機工況是否正常;新風和排風電動調節閥與風機連鎖,保護加熱盤管安全。

該智能監控系統經過驗收后投入使用,按照夏季制冷工況設計控制邏輯,設置空調機組的初始參數。該商務中心按表1中使用人群的活動量級坐至低級考慮,輸入機組的設定溫度值為25 ℃,相對濕度為50%。根據用戶反饋對初始設定值進行調整,然后根據實測回風溫濕度數值與設定值之間的偏差,按照PID控制算法通過調整表冷器管路上的調節閥開度來控制送風溫度;通過調整噴淋管路上的調節閥開度來控制送風濕度;通過調整新回風管段上的調節閥開度來控制房間空氣質量。

4 結語

通過分析暖通空調智能監控系統組成及各部分功能作用和選型設計,構建暖通空調的智能控制系統。通過分析預測熱舒適度平均值投票指數(PMV)數值的影響因素,選擇適宜的計算模型,選取PMV=0的空氣參數作為中央空調智能監控系統初始設定值。以帶熱回收空調機組的智能控制系統為例,分析系統監測參數和控制對象,分析空調房間室內溫、濕度的控制過程。通過設計暖通空調智能監控系統,可實現建筑暖通空調系統溫濕度監測和控制,為暖通空調節能設計與改造提供依據,對降低建筑能耗有很大意義。