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赛极电气为您解读智能温控器的节能分析与应用

发表时间:【2016-6-28 21:17:33】   字体大小【
长期以来,由于能够灵活控制各区域空调机组的启停与室内温度,并能节省建筑空间和工程造价,风机盘管(FCU)加新风空调系统一直是以客房和商务办法用房出租为主业的宾馆饭店和写字楼等建筑首选的半集中式空调系统型式。房间温度控制器是控制末端装置——风机盘管机组(FCU)供冷/热量,实现分室温度控制和节能运行的关键。

    普通风机盘管温控器基本上是一个独立的闭环温度调节系统,主要由温度传感器、双位控制器、温度设定机构、手动三速开关和冷热切换装置组成。其控制原理是控制器根据温度传感器测得的室温与设定值的比较结果发生双位控制信号,控制冷热水循环管路电动水阀(两通阀或三通阀)的开关,即用切断和打开盘管内水流循环的方式,调节送风温度(供冷量),把室内温度控制在设定值上下某个波动范围(空调精度)之内(如图1所示)。

    第一代温控器主要是电气式产品,温度传感器采用双金属片或气动温包,通过“给定温度盘”调整预紧力来设定温度,风机三速开关和季节转换开关为泼档式机械开关。这类产品普遍存在“温度设定分度值过粗”、“时间常数太大”、“机械开关易损坏”等问题。

    第二代温控器为电子式产品,温度传感器采用热敏电阻或热电阻,部分产品的温度设定和风速开关通过触摸键和液晶显示屏实现人机交互界面,冷热切换自动完成,运算放大电路和开关电路实现双位调节。这类产品改善了人机交互界面,解决了“温度设定分度值过粗”等问题,但仍存在“控制精度不高”、“时间常数大”、“操作较复杂”等问题。

    目前国内外生产厂家正在研究开发第三代智能型室温控制器,应用新型控制模型和数控芯片实现智能控制。现在已有国内厂家生产出了智能型室温控制器,并已应用于实际工程。

    1 新型智能温控器的原理和特点

    风机盘室温控制器在空调系统中的应用“量大面广”,且必不可少,产品质量和节能效果意义重大,产品改型换代又必须考虑成本和造价。北京泛析模糊技术研究所研制开发的FHK-1型智能温控器采用一种全新的控制技术——“模糊开关控制”,在不改动原有控制接线、不增加造价的前提下实现了从简单“双位控制”到“智能模糊控制”的飞跃。

    模糊开关控制技术的设计思想是:利用模糊推理方法实时调节双位控制过程中的上下阀值,即为了减少被控响应上升过冲,提前T1秒停送热风,同理为了防止被控响应下降过冲,提前T2秒送热风(如图2所示)。T1和T2是通过模糊推理方法在实时控制过程获得的,这里的模糊推理机采用了自主产权开发的FC-3模糊推理机。该推理机具有“推理速度快”、“分辨率高”、“抗干扰能力强”和“价格便宜”等特点。(见图2)

    另外,该温控器中有一组专家智能,根据室内人数和门窗状况自动安排高、中、代三档送风,以合理的风速、最快的跟踪速度进行室温调节,避免了误操作,实现节约冷水能耗。

    这种“智能模糊控制”方法仍属于闭环控制系统,其控制原理如图3所示。模糊推理机根据实测温度与设定温度值比较结果进行推理运算并发出开关控制信号,控制电动水阀或风机的开关,若室温“高”则通冷水且开风机(供冷风);若室温材“低”则断冷水且停风机(停冷风)。专家智能系统根据室温变化速率(导数)判断室内人数和门窗等负荷特性,并以此自动控制风机转速。(见图3)

    可以看出整个控制过程只需设定一个温度值,即可实现全自动智能运行,避免了由于手工设定风机转速不合理而可能出现的“室温控制失效”问题。

    2 空调精度、人体舒适性和空调节能

    我们知道空调精度越高,人体感觉舒适性越好,过调能量损失越少。但由于传统控制方法的控制精度越高,自控系统的造价就越高,出于经济性考虑,一般舒适性空调系统对空调精度不做严格要求。这就造成一般舒适性空调系统缺乏有效的室温自动控制手段,只能依靠运行管理或操作人员凭经验手动调节,主观性强,过调冷/热损失大,能源浪费严重的局面。

    “模糊开关控制”智能温控器在风机盘管空调系统中的应用,最重要的意义在于“在不增加造价的前提下大大提高舒适性空调系统的控制精度”。图4和图5对比了普遍开关温控器与智能温控器控制空调室温的过渡过程实验记录,可以看出,后者在“超调查”、“余差”和“回复时间”等品质指标方面具有明显优势。这种智能温控器对于VAV变风量空调系统和普通全空气集中空调系统中的温湿度自动控制同样具有重要意义。

    通过对比实验我们还发现,这种智能温控器在相同的工况条件下维持室内温度恒定需要的供冷/热量比普通温控器要少30%左右。对比分析两种控制系统不同的工作特点可以发现:普通温控器控制的空调系统风量恒定,室内空气始终保持流动状态,室内空气与外墙外窗等得热体保持较大的对流换热系数,围护结构传热得热形成的冷负荷较大;而智能温控器控制的空调系统风量不断变化,且有很大一部分时间系统风量为零,即室内空气基本静止,室内空气与外墙外窗等得热体之间的对流换热系数较小,围护结构传得热形成的冷负荷较小,使得维持相同室温所需的冷/热量减少。

    另外,应用智能温控器的风机盘管空调系统送风量不断变化,平均风速小、平均噪声小、风机耗电量少等都对提高人体舒适性和空调品质、节省运行能耗具有重要意义。

    3 风机盘管空调系统的设计、维护和改造

    综上所述,这种新型智能温控器具有以下明显优点:

    ①控制精度高,速度快,稳定性能好。

    ②自动化程度高,温度和风速全自动控制,操作简单可靠。

    ③对执行器要求低,只需继电器或可控硅执行开关信号即可工作,成本低、效果好。

    ④风机盘管机组变风量自动运行,室内平均风速减小,什么性提高,减小了外围护结构内表面的对流换热系数,节省运行能耗。

    ⑤可以实现风机盘管机组无水阀定流量运行,故障率低、维修量小,初投资省。

    所以我们建议在设计风机盘管加新风空调系统时应尽量取消电动水阀,选用智能温控器,通过调节风机转速控制室温。这时就需要对风机盘管水系统做认真的水力平衡计算,必要时也可使用流量平衡阀,确保最大负荷时各房间均能达到设计温度。同时请注意温控器的安装位置问题。因为温度传感器设于温控器内,所以务必将温控器设置在气流稳定的回流区内,尽量不要安装在气流死角或扰流太多的门口附近,避免控制震荡或失灵。

    已经投入运行的半集中式空调系统,普遍存在电动水阀“堵”、“漏”、“失灵”等问题,检修工作量较大。建议在系统改造时可以考虑拆掉或废掉原电磁阀,安装智能温控器(无须改动FCU内部结构和电路),这样可以利用较少的投资取得较好的改造效果。尤其是节能效果显著,资金回收期短。


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