高精度恒温恒湿空调智能控制策略研究赵鑫

高精度恒温恒湿空调智能控制策略研究赵鑫

赵鑫

阿克苏地区纤维检测所新疆阿克苏843000

摘要：伴随我国城市化进程的快速推进，我国的建筑工程也逐渐向高层化发展，高层建筑内空气流通速度相比普通建筑较为缓慢，室内温度较高，对恒温恒湿空调有更高的要求，需要根据用户实际需求，维持室内温度平衡，同时通过加湿系统，维持室内温度的舒适性，尤其是在博物馆、图书馆、精密仪器仓库等建筑，为了更高的保护书籍及藏品对空气湿度的控制及恒定有更高的要求，所以，高精度恒温恒湿空调系统得到了广泛应用。文章首先分析了恒温恒湿空调系统存在的问题，然后对高精度恒温恒湿空调的智能控制策略进行了研究，以供参考。

关键词：高精度；恒温恒湿空调；智能控制

1恒温恒湿空调存在的问题

1.1节能效果较差

目前恒温恒湿空调的控制系统中依然有些问题存在优化提升的空间，比如在实际的系统控制中，节能效果较差，而且在温控、湿控和节能控制之间，还无法做到良好的平衡，使得不能较好控制温湿度，常遇到的问题有室内温度和相对湿度偏高，或者室内温度控制符合要求，而相对湿度却比恒定湿度偏高；反之，还会出现室内温度控制精准后相对湿度又走低的情况；还会出现温湿度达标后制冷机停机频繁的状况，这些都将是会对恒空调使用产生不好影响的问题，直接降低节能的良好效用。

1.2检测反馈不合理

建筑中大多数空调都内置着可以对温度湿度数据进行获取的传感器，根据用户的需求及传感器获取的相关数据来保证室内温度及湿度的平衡，但是智能建筑空调需要覆盖的面积通常较大，传感器在对温度及湿度数据的获取以及传输都需要较长的时间，在空调中控系统没有接收到全新的温度及湿度数据时，会保持原有工作设备，容易造成室内温度过冷或过热及较高的能源损失。同时也会导致室内温度一直处于波动状态，无法做到真正的恒温控制。

1.3定风量运行造成资源浪费

现如今，很多家庭或公共场所内的空调系统都采用的是传统的温控模式，空调的运行模式多为固定风量控制为主，空调的温控系统过于单一，仅仅有打开和关闭两种控制功能，无法根据室内实际温度及湿度进行温度调控。同时无法适应不同季节对室内温度的实际控制。在导致出现室内温度过高或过低的不良现象。同时也存在严重的资源浪费。

2高精度恒温恒湿空调智能控制策略

针对传统恒温恒湿空调控制的缺点，提出一种新型的高精度恒温恒湿空调智能控制策略，其主要器件组成如下：直流变频压缩机、SCR电加热、SCR加湿器、除湿电磁阀、电子膨胀阀、EC风机和高精度温湿度传感器。温湿度的控制不再单纯采用偏差算法，而是采用精确的百分比需求和PID控制相结合的算法，其控制的温湿度范围波动非常小，通常温度控制精度可达±0.2℃，湿度控制精度可达±2%，控制策略如下：

（1）温湿度目标需求算法

需求=[(检测值-设定值)/精度]×100%。

（2）带限值的PID算法

利用温湿度检测值与设定值偏差的比例积分微分进行反馈控制，通过P(比例)算法控制温湿度偏差，I(积分)算法控制温湿度变化时间长度，D(微分)算法控制温湿度变化的速率，表达式如下：

式中，u(k)为第k次采样时刻的温度(湿度)控制输出(带限值)；uP(k)为第k次采样时刻的P作用(带限值)；uI(k)为第k次采样时刻的I作用(带限值)；uD(k)为第k次采样时刻的D作用(带限值)；e(k)为第k次采样时刻的温度(湿度)偏差；T为采样周期；Ti为温度(湿度)积分参数；e(j)为第1次到第k次采样时刻的温度(湿度)偏差；TD为温度(湿度)微分参数；e(k-1)为第k-1次采样时刻的温度(湿度)偏差。

（3）变容量制冷

为解决压缩机启停带来的温湿度惯性，压缩机初始以20%的频率运行，当室内环境制冷量需求变化时，根据目标需求和PID控制算法，压缩机升频或降频至计算频率，同时改变EC风机转速，线性调节风量，压缩机和风机配合输出精确的冷量。

（4）无级调节加热

为解决电加热启停带来的温湿度惯性，SCR电加热初始以30%的热量输出。当室内环境制热量需求变化时，根据PID控制算法，SCR可控硅电加热无级调节输出精确的加热量。

（5）无级调节加湿

为解决加湿器启停带来的温湿度惯性，加湿器保持预热状态。当室内环境湿度需求变化时，根据PID控制算法，SCR可控硅加湿器无级调节输出精确的加热量。

（6）Fuzzy-PID除湿

除湿控制采用Fuzzy-PID复合控制算法，即将模糊控制与PID控制算法相结合，在湿度偏差较大时采用模糊控制算法，即室内环境湿度远高于设定湿度时，压缩机保持当前频率运行，开启除湿电磁阀除湿；在湿度偏差较小时采用PID控制算法，通过电子膨胀阀调节蒸发温度，进而调节除湿量。

3高精度恒温恒湿空调智能控制方式的优势

（1）变频压缩机和无级调节的电加热、加湿器可有效消除温湿度控制的惯性。例如，给定一个持续散热的环境，空调设定温度为24℃，环境温度为25℃，此时，变频压缩机以50Hz的频率运行对环境进行降温，当环境温度变为24.5℃时，压缩机频率降低为35Hz，当环境温度变为24.0℃时，压缩机频率降至最低频率20Hz。此时，SCR电加热输出30%，SCR电加热量与制冷量基本持平，环境维持在恒定的24.0℃。若热负荷变大，则压缩机升频，从而输出更大的制冷量，配合SCR电加热，环境温度可长期维持在恒定的24.0℃。若热负荷变小，则压缩机维持20Hz频率，SCR电加热加大热量的输出，环境温度也可长期维持在恒定的24.0℃。当温度变化0.1℃时，变频压缩机频率随即发生变化，其响应速度及精度远高于定频压缩机。通常温度控制精度可达±0.2℃，同理，对于湿度控制，SCR加湿器配合除湿电磁阀工作，湿度变化0.5%时，加湿器输出量和除湿电磁阀随即发生动作，可把湿度精度稳定地控制在±2%。

（2）在无热源的低温高湿环境，除湿迅速。除湿和加热同时运行可大大缩短环境稳定的时间。例如，在无热源的低温高湿环境下(江南地区梅雨季节)，环境温湿度为20℃、RH70%，设定温湿度为24℃、RH50%，为达到设定的温湿度，变频压缩机按照除湿频率恒定输出60Hz，同时除湿电磁阀打开，电加热输出70%，电加热输出热量大于60Hz压缩机运行时的制冷量。在除湿的同时，室内温度稳步上升，达到设定值。

（3）湿度控制参数采用绝对含湿量控制，避免了过度加湿和除湿。温湿度控制对比曲线如图1所示。

图1温湿度控制对比曲线

结语

综上所述，高精度恒温恒湿智能空调系统的主要器件有直流变频压缩机、SCR电加热、SCR加湿器、除湿电磁阀、电子膨胀阀、EC风机和高精度温湿度传感器。高精度恒温恒湿空调智能控制策略有目标需求算法和PID计算制冷量输出、PID计算加热量输出、PID计算加湿量输出、Fuzzy-PID计算除湿量以及湿度参数采用绝对含湿量控制。

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