一种基于运行曲线的变风量空调系统总风量控制方法与流程

本发明涉及一种中央空调变风量控制方法，特别涉及一种变风量(vav)空调系统的总风量控制策略。

背景技术

中央空调变风量系统是指空调系统根据区域负荷变化和要求自动调整送风量的一种空调系统，变风量系统能克服定风量空调系统仅用一个送风参数，无法满足不同房间或不同区域的不同室内空气环境要求的问题，也可避免风机盘管系统常附带的令人不能容忍的室内吊顶冷凝水、霉菌污染的问题，同时变风量系统具有良好的节能效果，对占建筑能耗比重较大的空调系统来说，能有效节省运行费用。

系统风量调节方式主要有三种：一是调节出风口风阀开启度，二是调节风机入口导叶的角度，三是调节风机的转速。变风量系统的节能原理可以通过风机特性曲线和管路系统阻力特性曲线之间的关系来说明。然而，现有技术中的风量控制法不可避免的要使用压力检测装置，或者末端装置的阀位信号和风量值，从而面临静压测定经常会遇到的压力波动和风管内湍流的问题，和调节滞后问题，在控制形式上比较复杂，而且具有一些近似的假设，并且属于反馈控制和压力控制，调节速度慢且不够平稳，控制的精度不高。

因此，需要新的中央空调风量控制方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于运行曲线的变风量空调系统(vav)总风量控制方法，该总风量控制法既避免使用压力检测装置，也不需要变静压控制时的末端阀位信号，这就回避了静压测定经常会遇到的压力波动和风管内湍流等问题。依据运行曲线的总风量控制法，完全依据风机的特性曲线和系统的实际运行曲线，在控制形式上具有比静压控制简单，具有某种程度上的前馈控制含义，而不同于静压控制中典型的反馈控制。并且由于不采用压力控制，调节较迅速且平稳。相比其他方法，没有任何近似的假设，因而是最合理、最精确的控制方法。

本发明的目的在于提供一种基于运行曲线的变风量空调系统(vav)总风量控制方法，包括如下步骤：

步骤1：获得管路系统阻力特性曲线a，其数学表达式为：p＝sa·q²，式中p表示管路阻力，单位为pa；sa表示管路阻力系数；q表示风量，单位为m³/h；

步骤2：获得各转速下风机特性曲线，包括p-q曲线以及ng′-q曲线，其中p表示风机压头，单位为pa，q表示风量，单位为m³/h，ng′为电机在各种转速下的输入功率；

步骤3：求解风机的运行曲线c；

步骤4：确定ng′-f曲线，其中ng′为电机在各种转速下的输入功率，f表示风机运行频率；

步骤5：根据风机的运行曲线c实施总风量调节控制。

优选的，通过测试得出风机各转速下p-q曲线，并求出回归方程p＝aq²+bq+c，其中q表示风量，单位为m³/h，a，b，c分别为回归方程的三个系数，通过测试得出各转速下ng′-q曲线，ng′为电机在各种转速下的输入功率，p-q曲线上的任意一点在ng′-q曲线都有对应的工况点。

优选的，所述获得对应工况点的方法包括：在转速为一定的情况下，找到对应风机p-q曲线上某一点，过该点做垂直线与ng′-q曲线相交于另一点，从而该另一点为所获得的ng′-q曲线上对应的工况点；反之，已知ng′-q曲线上一点的，逆向操作获得p-q曲线的对应的工况点。

优选的，所述步骤3为在系统初调时，确定系统最大风量qmax时的工况点a和系统最小风量qmin时的工况点e，通过a、e两点的二次曲线就是风机的运行曲线c，具体包括如下步骤：

步骤3-1，确定系统最大风量qmax时的工况点a：通过现场调试来确定，将系统的各个变风量末端设在最大风量，手动逐渐调低风机运行频率，直到出现一个变风量末端的实测风量小于最大风量的设定值时，此时风机运行频率的特性曲线与过最大风量qmax垂直线的交点，就是系统最大风量qmax时的工况点a，a点的参数(qmax，pa)；

步骤3-2，确定系统最小风量qmin时的工况点e：通过现场调试来确定，将系统的各个变风量末端设在最小风量，手动逐渐调低风机运行频率，直到出现一个变风量末端的实测风量小于最小风量的设定值时，此时风机运行频率的特性曲线与过最小风量qmin垂直线的交点，就是系统最小风量qmin时的工况点e，由此便知道了e点的参数(qmin，pe)；

步骤3-3，风机出口至第一个变风量末端(vav-1)之间的管路特性曲线为一条有背压的二次曲线，风机变风量运行时其管路曲线的综合阻力系数s是不变的，其数学表达为:p＝sq²+δp，其中q表示风量，单位为m³/h，s表示这一段管路综合阻力系数，p表示管路阻力，单位为pa，δp表示管路的背压，单位为pa，将a，e两点的风量和压头代入二次曲线p＝sq²+δp，便可求出s，δp，由此求解获得风机的运行曲线c。

优选的，步骤5的调节控制方法包括：

步骤5-1，求新的工况点：当风机以一定转速n1在工况点a运行时，空调负荷减少，各个变风量末端装置关小，管路曲线由a变为了a′，a′与风机特性曲线相交于点m，此时功率表检测到风机的输入功率变为ng′m，ng′m对应的m点的风量qm为已知参数，qm为系统新的需求流量，过点m作等风量线与控制曲线相交于点t，该点就是变频风机的运行工况点，qt＝qm，代入控制曲线公式，求得其中pt表示t点的压头，单位为pa，qt表示t点的流量，δp表示管路的背压，单位为pa；

步骤5-2，求新工况点的转速：作过点t的管路特性曲线b，与风机特性曲线相交于f，或将qt、pt代入管路系统阻力曲线公式p＝sbq²，求得管路曲线b的sb值，其中p表示管路阻力，单位为pa，sb表示管路阻力系数；

依据管路系统阻力特性曲线p＝sbq²；

及风机特性曲线方程：p＝aq²+bq+c；

求出交点f的风量qf及压头pf；

f点与t点为相似点，则有：求得：

其中，qt表示工况点t的风量，n1表示工况点f的转速，nt表示工况点t的转速；

步骤5-3，设定频率并校核输入功率：控制器根据新的转速nt重新设定变频器的频率，在新的运行频率下，功率检测表检测新的输入功率，并依据输入功率-频率ng′-f曲线校核，至此，调节过程结束。

优选的，步骤5的调节控制方法还可以为：

步骤5-1’,采用matlab求解风机的特性曲线：通过测试得出风机在额定转速下的各工况点，这些工况点在matlab软件中拟合得出p-q曲线方程p＝aq²+bq+c，及ng′-q曲线方程其中n′g表示电机在各种转速下的输入功率，当风机转速由n1变为n2时，令变速比：则变速后的p-q曲线为：p＝aq²+b·k·q+c·k²；则变速后的ng′-q曲线为：输入不同的k值，将得到两组对应的曲线；

步骤5-2’，采用matlab求解运行曲线及输入功率-频率ng′-f曲线。在matlab求得运行曲线c具体求解方法是：风机出口至第一个变风量末端(vav-1)之间的管路特性曲线为一条有背压的二次曲线，由于管段上没有调节阀，在风机变风量运行时其管路曲线的综合阻力系数s是不变的，其数学表达为：p＝sq²+δp，在系统初调时，首先要确定系统的最大风量qmax工况点a和系统的最小风量qmin时的工况点e，通过a、e两点的二次曲线就是风机的运行曲线c，包括：

(1)最大风量工况点a的确定：由于存在着系统阻力设计计算的误差，不能直接在风机的选型曲线上依据设计风量和设计压头确定工况点a，通过现场调试来确定，将系统的各个变风量末端设在最大风量，手动逐渐调低风机运行频率，直到出现一个变风量末端的实测风量小于最大风量的设定值时，此时风机运行频率的特性曲线与过最大风量qmax垂直线的交点，就是系统最大风量qmax时的工况点a，由此，便知道了a点的参数(qmax，pa)；

(2)系统最小风量qmin时的工况点e的确定：将系统的各个变风量末端设在最小风量，手动逐渐调低风机运行频率，直到出现一个变风量末端的实测风量小于最小风量的设定值时，此时风机运行频率的特性曲线与过最小风量qmin垂直线的交点，就是系统最小风量qmin时的工况点e，由此便知道了e点的参数(qmin，pe)；

(3)将a、e两点的风量和压头带入二次曲线p＝sq²+δp，便可求出s、δp，由此风机的运行曲线c便为已知，过该曲线与不同转速下的p-q曲线的交点做垂直线与对应的ng′-q曲线相交，这些交点在在matlab中拟合成运行曲线对应的风机的输入功率-频率ng′-f曲线方程ⅳ′g＝f(f)；

步骤5-3’，实施调节过程：当风机以转速n1在工况点a运行时，空调负荷减少，空调机组电动阀关小，管路曲线由a变为了a′，a′与风机的特性曲线n1相交于点m，此时功率表检测发现风机的输入功率变为n′gm，由前面讲到的对应关系，在转速为n1时，n′gm对应的m点的风量qm，qm便为已知参数，qm为系统新的需求风量，在matlab中，过点m作等风量线与控制曲线相交于点k，与ng′-f曲线交于k′，k点就是变频风机的节能运行工况点；

步骤5-4’，设定频率并校核输入功率：将k′点的频率作为新风量下的节能运行频率，调整变频器的输出频率，采用此时k′点输入功率来校核功率表的实测功率，调节过程结束。

该控制方法完全依据风机的特性曲线和系统的实际运行曲线，在控制形式上比静压控制简单，属于部分前馈控制，调节较迅速且平稳，没有近似的假设，合理精确。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据本发明实施例的基于运行曲线的总风量控制方法原理示意图；

附图2为根据本发明实施例的基于运行曲线的总风量控制的第一种方法示意图；

附图3为根据本发明实施例的基于运行曲线的总风量控制的第二种方法示意图。

具体实施方式

参见图1根据本发明实施例的基于运行曲线的总风量控制方法原理示意图，其中整个控制系统包括新风和回风输入端1，送风机2，电源输入3，变频器4，ahuddc控制器5，风机功耗检测单元6，风机转速检测单元7以及多个vav单元。

该基于运行曲线的变风量空调系统(vav)总风量控制方法，包括如下步骤：

步骤1：获得管路系统阻力特性曲线a，其数学表达式为：p＝sa·q²；式中

p--管路阻力，pa；

sa-管路阻力系数；

q-风量，m³/h；

步骤2：获得各种转速下风机特性曲线，包括p-q曲线以及ng′-q曲线，其中p表示风机压头，单位为pa，q表示风量，单位为m³/h，ng′为电机在各种转速下的输入功率，包括：通过测试得出风机p-q曲线，并求出回归方程p＝aq²+bq+c，其中q表示风量，单位为m³/h，a，b，c分别为回归方程的三个系数，通过测试得出ng′-q曲线，ng′为电机在各种转速下的输入功率，p-q曲线上的任意一点在ng′-q曲线都有对应的工况点，所述获得对应工况点的方法包括：在转速为一定的情况下，找到对应风机p-q曲线上某一点，过该点做垂直线与ng′-q曲线相交于另一点，从而该另一点为所获得的ng′-q曲线上对应的工况点；反之，已知ng′-q曲线上一点的，逆向操作获得p-q曲线的对应的工况点；

本实施例中：在转速为n1时，已知风机p-q曲线上一点a(qa，pa)，(过点a做垂直线与ng′-q相交于a′点)，便可知ng′-q曲线上a′(qa，ng′a)；反过来，已知ng′-q曲线上一点的a′(qa，ng′a)同样便可知p-q曲线的a(qa，pa)。

当改变风机转速后，便得到一组对应的曲线。

步骤3：求解风机的运行曲线c，在系统初调时，确定系统最大风量qmax时的工况点a和系统最小风量qmin时的工况点e，通过a、e两点的二次曲线就是风机的运行曲线c，具体包括如下步骤：

步骤3-1，确定系统最大风量qmax时的工况点a：通过现场调试来确定，将系统的各个变风量末端设在最大风量，手动逐渐调低风机运行频率，直到出现一个变风量末端的实测风量小于最大风量的设定值时，此时风机运行频率的特性曲线与过最大风量qmax垂直线的交点，就是系统最大风量qmax时的工况点a，a点的参数(qmax，pa)；

步骤3-2，确定系统最小风量qmin时的工况点e：通过现场调试来确定，将系统的各个变风量末端设在最小风量，手动逐渐调低风机运行频率，直到出现一个变风量末端的实测风量小于最小风量的设定值时，此时风机运行频率的特性曲线与过最小风量qmin垂直线的交点，就是系统最小风量qmin时的工况点e，由此便知道了e点的参数(qmin，pe)；

步骤3-3，风机出口至第一个变风量末端(vav-1)之间的管路特性曲线为一条有背压的二次曲线，风机变风量运行时其管路曲线的综合阻力系数s是不变的，其数学表达为：p＝sq²+ip，其中q表示风量，单位为m³/h，s表示综合阻力系数，p表示管道阻力，单位为pa，δp表示背压，单位为pa，将a、e两点的风量和压头代入二次曲线p＝sq²+δp，便可求出s、δp，由此求解获得风机的运行曲线c；

步骤4：确定ng′-f曲线，其中ng＇为电机在各种转速下的输入功率，f表示风机的运行频率；

步骤5：根据风机的运行曲线c实施总风量调节控制。

参见附图2基于运行曲线的总风量控制的第一种方法示意图，包括：

步骤5-1，求新的工况点：当风机以一定转速n1在工况点a运行时，空调负荷减少，各个变风量末端装置关小，管路曲线由a变为了a′，a′与风机特性曲线相交于点m，此时功率表检测到风机的输入功率变为n′gm，n′gm对应的m点的风量qm为已知参数，qm为系统新的需求流量，过点m作等风量线与控制曲线相交于点t，该点就是变频风机的运行工况点，qt＝qm，代入控制曲线公式，求得其中pt表示工况点t的压头，单位为pa；qt表示工况点t的流量，单位为m³/h；δp表示背压，单位为pa；

步骤5-2，求新工况点的转速：作过点t的管路特性曲线b，与风机特性曲线相交于f，或将qt、pt代入管路系统阻力曲线公式p＝sbq²，求得管路曲线b的sb值，其中p表示管路的阻力，sb表示管路的综合阻力系数；

依据管路系统阻力特性曲线p＝sbq²；

及风机特性曲线方程：p＝aq²+bq+c；

求出交点f的风量qf及压头pf；

f点与t点为相似点，则有：求得：

其中，qt表示工况点t的风量，n1表示工况点f的转速，nt表示工况点t的转速；

步骤5-3，设定频率并校核输入功率：控制器根据新的转速nt重新设定变频器的频率，在新的运行频率下，功率检测表检测新的输入功率，并依据输入功率-频率ng′-f曲线校核，至此，调节过程结束。

参见附图3基于运行曲线的总风量控制的另一种方法示意图，包括：

步骤5-1’，采用matlab求解风机的特性曲线：通过测试得出风机在额定转速下的各工况点，这些工况点在matlab软件中拟合得出p-q曲线方程p＝aq²+bq+c，及ng′-q曲线方程其中n′g表示电机在各种转速下的输入功率，当风机转速由n1变为n2时，令变速比：则变速后的p-q曲线为：p＝aq²+b·k·q+c·k²；则变速后的ng′-q曲线为：输入不同的k值，将得到两组对应的曲线；

步骤5-2’，采用matlab求解求运行曲线及输入功率-频率ng′-f曲线：在matlab中求得运行曲线，具体求解方法是：风机出口至第一个变风量末端(vav-1)之间的管路特性曲线为一条有背压的二次曲线，由于管段上没有调节阀，在风机变风量运行时其管路曲线的综合阻力系数s是不变的，其数学表达为：p＝sq²+δp，在系统初调时，首先要确定系统的最大风量qmax工况点a和系统的最小风量qmin时的工况点e，通过a、e两点的二次曲线就是风机的运行曲线c，包括：

(1)最大风量工况点a的确定：由于存在着系统阻力设计计算的误差，不能直接在风机的选型曲线上依据设计风量和设计压头确定工况点a，通过现场调试来确定，将系统的各个变风量末端设在最大风量，手动逐渐调低风机运行频率，直到出现一个变风量末端的实测风量小于最大风量的设定值时，此时风机运行频率的特性曲线与过最大风量qmax垂直线的交点，就是系统最大风量qmax时的工况点a，由此，便知道了a点的参数(qmax，pa)；

(2)系统最小风量qmin时的工况点e的确定：将系统的各个变风量末端设在最小风量，手动逐渐调低风机运行频率，直到出现一个变风量末端的实测风量小于最小风量的设定值时，此时风机运行频率的特性曲线与过最小风量qmin垂直线的交点，就是系统最小风量qmin时的工况点e，由此便知道了e点的参数(qmin，pe)；

(3)将a、e两点的风量和压头带入二次曲线p＝sq²+δp，便可求出s、δp，由此风机的运行曲线c便为已知，过该曲线与不同转速下的p-q曲线的交点做垂直线与对应的ng′-q曲线相交，这些交点在matlab中拟合成运行曲线对应的风机的输入功率-频率ng′-f曲线方程n′g＝f(f)；

步骤5-3’，实施调节过程：当风机以转速n1在工况点a运行时，空调负荷减少，空调机组电动阀关小，管路曲线由a变为了a′，a′与风机的特性曲线n1相交于点m，此时功率表检测发现风机的输入功率变为n′gm，由前面讲到的对应关系，在转速为n1时，n′gm对应的m点的风量qm便为已知参数，qm为系统新的需求风量，在matlab中，过点m作等风量线与控制曲线相交于点k，与ng′-f曲线交于k′，k点就是变频风机的节能运行工况点；

步骤5-4’，设定频率并校核输入功率：将k′点的频率作为新风量下的节能运行频率，调整变频器的输出频率，采用此时k′点输入功率来校核功率表的实测功率，调节过程结束。

采用本实施例的控制方法，其完全依据风机的特性曲线和系统的实际运行曲线，在控制形式上比静压控制简单，具有一定程度的前馈控制含义，调节较迅速且平稳，没有近似的假设，是比现有技术更合理精确的控制方法。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。