采暖、空调的末端控制的探讨

采暖、空调的末端控制是暖通空调水系统中的重要一环，传统的作法：采暖末端没用任何管控设备，空调的末端采用电动二通阀来控制。已经不能满足当前形势下的流量根据需要调控的需要，本文中对末端控制的几种形式进行了简单的分析，并提出了末端需要精细化控制，也就是控制端的能耗一定要量化，才能真正做到对系统控制的进一步分析和管理。

一、末端控制环路的分析

在采暖和空调系统中，控制环路为了对我们希望控制的物理量（温度、湿度等）所在的系统产生作用，通常会去影响温度或流量。

控制效率取决于下图中构成环路的六个相互作用要素的组合。

（1）传感器检测受控对象，例如室内温度或供水温度。

（2）控制器将测量值和设定值进行比较。根据这两个值之间的差异，控制器按其控制动作特性（开/关，PID-比例积分微分等）作出反应，并控制电动阀门上的电机动作。

（3）执行器根据来自控制器的控制信号驱动阀门。

（4）二通或三通调节阀控制着输送到系统的冷热量以补偿扰动。

（5）末端设备把所需冷热量输送到房间。

（6）例如，受控系统是传感器所在的一个房间。

本例只局限室内温度。对配有温控阀的散热器，每组散热器都是其自身控制环路的末端装置，温控阀则起到了传感器、控制器、执行器的作用。

由于控制的目标是要获得一个舒适的环境，因此测量一个表示舒适度的物理量就很重要。现实中的困难在于舒适的感觉取决于很多因素，且在不同的区域之间也存在着差异。

如果仅局限于主要部分—温度，那么它的两个影响因素是空气温度和来自墙壁、地面和吊顶的辐射。有些传感器考虑了建筑围护结构内积聚的热量或冷量，对得到干球温度作出反应。显而易见，辐射对热敏元件的影响与同一房间内每个人体验到的影响是不同的。不过，这与常规传感器相比，是一大改进。此外，反应速度有了明显提高，扰动可以被迅速地纠正，从而提高了瞬变条件下的控制精度。

二、人体舒适度

人体舒适度指数是从气象角度评价在不同的气候条件下人的舒适感，根据人的机体与大气环境之间的热交换而制定的生物气象指标。人体的热平衡机能、体温调节、内分泌系统、消化器官、等人体的生理功能受到多种气象因素的综合影响，如气温、相对湿度、风速、气压、光照等。例如：在舒适温度22-26℃条件下，湿度对人的生理及主观反应并不明显，相对湿度在30%-85%变动，几乎察觉不出。但在温度高于26℃后，湿度对人体的影响将逐渐明显，如果能够适当调高空气流速，则人的生理和主观感觉反应就舒适的多。所以在选择空调气候环境参数时，应该把环境因素对人体反应的综合影响予以考虑。

将舒适度的感念引入到对中央空调的控制中，选用的三个参数为温度，相对湿度和风速。人体舒适度指数在国际上并没有一个统一的标准，一般是各个地区根据当地的气候条件，利用长期的统计数据总结的经验公式， 如式 =1：

（1）

式中， F为舒适度指数； t为温度； rh为相对湿度； v为风速；一般舒适环境的F值在51-78之间，最佳舒适度值在60左右。

在影响舒适度的温度、相对湿度和风速三个参数中，最重要的是温度，其次是湿度，最后是风速。一般在室内开启空调时的风速为1m/s-2m/s,因此我们在此取均值1.5m/s，得简化后的式2：

（2）

以中央空调为例，中央空调节能控制系统网络结构共分为三层：(1)管理中心层：负责人机互动，管理人员通过上位机可以实时监控整个节能控制系统；(2)能量管理服务层：该层由能量管理服务器SD(Service Device, SD)构成，SD主要负责检测控制层与管理中心层PC之间的数据通信；(3)检测控制层：该层由传感器和控制器构成，控制器包括控制房间风机盘管的控制器CD(Control Device, CD)和控制楼层新风机组的控制器PCD,主要对中央空调系统末端设备进行实时数据采集和控制。系统结构如图1所示。

风机盘管控制器CD连接温度传感器和红外移动传感器，用于检测房间内的人流量及温度值；新风机组控制器PCD连接温度和湿度传感器，用于检测楼层的温度和相对湿度（在这里需要说明一下，温度和湿度传感器的位置会直接影响到控制效果，最好是选用有代表性的位置）。检测控制层与能量管理服务层之间的通讯方式为485通讯，而能量管理服务层与管理中心层之间的通讯方式则是以太网通讯。检测控制层的控制器将温度值、人流量以及设备运行状态、系统工作模式等参数上传给管理中心层的上位机。上位机负责处理接收的参数，并把相关命令下传给监测控制层的控制器，如：统一关机、系统工作模式调整以及阈值设定等。

图1 系统结构图

对于计算舒适度的各个参数是这样获取的，房间末端控制器CD通过温度传感器采集房间内的温度值，湿度值由楼层组合空调器控制器PCD来测量并上传给能量管理层SD,再由SD回传给房间末端控制器CD。控制系统以舒适度为控制参数，可将舒适度的目标值设定在理论最佳舒适度值 设为60。根据式（2），利用相对湿度及风速值计算出达到目标舒适度值对应的温度值。计算该温度值和实际温度值之间的差值，用以控制空调的输出，使舒适度达到设定的目标值[5,6]。 由于人的舒适感是因人而异的，比如夏季，身材比较胖的人可能要在比较低的温度才能感觉的舒适，而身材瘦一些的人可能在更高的温度时已经感觉到很舒服了，温度低了反而不舒服。对此控制模式分成自动模式和手动模式：自动模式下，空调的输出是按默认的舒适度计算出来的；手动模式则是由用户设定适合自己需求的舒适度，空调的输出则是根据用户设定的舒适度进行控制的。

图2 CD控制程序流程图

对空调的控制过程如下：控制器开机上电之后，根据红外传感器采样的数据判断房间内是否有人，如果无人则不开启空调；如果有人则再根据温度、相对湿度，风速等参数计算此时的舒适度，用以判断此时是否需要开启空调及开启哪个的档位。传感器连续对温度、湿度进行采样，控制器通过计算舒适度值实时控制空调的输出，并将这些参数值及空调的工作状态等值上传给能量管理服务器SD，SD在将这些信息上传给能量管理服务中心即上位机PC。同时上位机也可以根据这些上传的数据做出控制命令下传给控制器CD。

针对传统的以温度作为中央空调系统调节参数难以很好的满足人们对舒适性要求的问题，以舒适度作为空调调节参数的方法。通过分析影响人的舒适度的各个气象因素，并将温度、相对湿度及风速等参数引入到中央空调节能控制系统中，设计了一套舒适度的节能控制系统。通过该节能系统对空调的实际控制效果分析，舒适度的节能控制系统比温度的节能控制系统在节能和满足人的舒适感方面效果更好，实现了在满足人体舒适度指数的前提下节能的目的。

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