空调系统自动控制，提升通风与空气调节效果

空调系统的自动控制是指用专用的仪表和装置组成控制系统，以代替人的手动操作，去调节空调参数，使之维持在给定数值上，或是按给定的规律变化，从而满足空调房间的要求。因而自动控制的任务就是对以空调房间为主要调节对象的空调系统的温度、湿度及其他有关要求保证的参数进行自动的检测、自动的调节，对有关的信号报警和连锁保护控制，以及制冷系统的自动控制和供冷、供热与空调配合的自动控制、测量等，以保证空调系统始终在最佳工况点运行，满足舒适性要求或工艺性要求的环境条件。

空调系统自动化程度也是反映空调技术先进性的一个重要方面。因此，随着自动调节技术和电子技术的发展，空调系统的自动控制必将得到更广泛的应用。

3.1　空调系统自动控制的组成

3.1.1　空调自动控制系统的基本概念

3.1.1.1　空调自动控制系统中常用术语

①调节对象。指自动控制系统中需要进行控制的设备或所需控制的生产过程的一部分或全部。如某空调房间、某空气处理设备、冷水机组、热交换设备及装置等，简称对象。

②调节参数。在空调系统中，为维持各环节的空气温度及湿度恒定在允许范围内变化的参数称作调节参数，或叫被调参数。例如温度、湿度、压力以及水位等参数。

③给定值。对调节参数的给定范围，即需要保持恒定或预先规定的规律随时间而变化的数值叫作给定值。例如空调房间要求温度、湿度值为：24 ℃，50%，即为室内参数的给定值。

④偏差。调节参数实际值与给定值之间的差值称为偏差。它是调节器的输入信号，也是反馈控制系统用于控制的信号。如某空调房间要求室内温度为20 ℃，而经过调节系统调节后的房间温度为2l ℃，则21-20 = 1即为偏差。偏差有动态偏差和静态偏差之分。

⑤扰动。引起调节参数产生偏差的原因称为扰动或干扰。如室温调节产生的偏差可能会由于室外空气参数的变化或由于调节器热煤的温度或流量变化而引起，则室外天气的变化、热煤温度或流量的变化就是干扰。

3.1.1.2　空调自动控制系统的基本构成

空调自动控制系统可以用图14.24的方框图表示。

由于外扰的作用，使调节对象的调节参数发生偏差，经敏感元件测量并传送给调节器，调节器根据调节参数与给定值的偏差，指令执行机构使调节机构动作，使调节对象的调节参数保持在给定值的规定偏差范围内。

图14.24　自动调节系统方框图

（1）敏感元件（传感器）

敏感元件就是感受被调参数的大小，测出被控制量对给定值的偏差，并及时发出信号给调节器。在空调系统中，主要有感温元件、感湿元件、测压元件和水位指示设备等。因此，敏感元件的输入是被调参数，输出是检测信号。如铂电阻温度计、氯化锂湿度计等。

（2）调节器

调节器是一种放大元件，其作用是将敏感元件发来的偏差信号经过放大变为调节器的输出信号，指挥执行机构，对调节对象起调节作用。按被调参数的不同，有温度调节器，湿度调节器、压力调节器等；按调节规律（调节器的输出信号与输入偏差信号之间的关系）不同，有位式调节器，比例调节器和比例积分微分调节器等。

（3）执行机构

执行机构接受调节器的输出信号，驱动调节机构相应的动作，如接触器，电动阀门的电动机，电磁阀的电磁铁，气动薄膜部分等都属于执行机构。

（4）调节机构

调节机构与执行机构紧密相连，有时与执行机构合成一个整体，它随执行机构动作而动作。如电加热器、调节风量的阀门，冷热煤管路上的阀门等。

当执行机构和调节机构组装在一起并成为一个整体时，则称之为执行调节机构。如电磁阀、电动二、三通阀和电动调节风阀等。

3.1.1.3　空调自动控制系统的调节质量

在自动控制系统中，当由于扰量破坏了调节对象平衡时，经调节作用使调节对象过渡到新的平衡状态。如图14.25所示。图中t1为调节时间，在这段时间内。当时间在t0以前，调节调节参数等于给定值，调节对象处于平衡状态。在t0末突然受扰动，平衡被破坏，调节参数开始升高，逐渐达到最大值xmax，由于调节器的调节作用，x开始仅向给定值，但是调节参数不能一下子就平息下来，经过两次反复后，最后达到新的平衡状态。这时调节参数与给定值之差为Δ。

所以，对自动控制系统的基本要求是能在较短的时间内，使调节参数能够达到新的平衡。

此外，还有以下调节质量指标。

①静差Δ，即自动调节系统消除扰量后，从原来的平衡状态过渡到新的平衡状态时，调节参数的新稳定值与原来给定值之偏差。静差愈小愈好，其大小由调节器决定。

图14.25　调节过程的品质指标

②动态偏差xmax，即在过渡过程中，调节参数对新的稳定值的最大偏差值。常指第一次出现的超调，xmax愈小愈好。

③调节时间：调节系统从原来的平衡状态过渡到另一个新的平衡状态所经历的时间，叫作调节时间，显然调节时间短好。

以上三项指标根据要求不同而定。对于一般精度恒温室的自动调节系统，要求动差和静差不超过恒湿精度。例如室温要求23±1℃。那么它们一定要小于1℃，而且过渡过程要短。对于高精度恒温调节系统，要求比较严格。

3.1.1.4　调节器种类及调节特性

在空调自动调节系统中，调节器的种类很多。空调中多采用位式调节器、比例调节器和比例积分微分调节器。简述如下。

（1）两位式调节器

两位式调节器的动作特点是；当调节参数产生偏差时，输出信号使执行机构通或断，从而带动调节机构全开或全关，调节参数经常在上下两个极限之间波动。一般常用于允许有一定波动、反应时间长、滞后时间小、负荷变动不频繁的场合，如用于是室温调节。

为了改善两位式调节的品质，空调中还采用三位式调节器，实际就是两个双位调节环节组成上下限定值，进行三位调节。它比两位式偏差小。

（2）比例调节器

比例调节在各种连续调节作用中，是一种基本的调节方式。它的特点是，当调节参数与给定值发生偏差时，调节器按偏差的大小和方向，发出与偏差成比例的信号，不同的偏差相应有不同的调节机构位置。调节机构的动作仅仅与偏差大小有关，而与调节参数的变化速度和偏差存在的时间没有关系。比例调节器的调节速度快、稳定性好，一般不发生“振荡过程”，调节参数能稳定下来，但调节稳定后存在静差。

（3）比例积分微分调节器（PID调节器）

比例积分微分调节器是比例、积分、微分三种调节的组合体。

积分调节特点是：调节机构的移动速度与调节参数的偏差成比例。偏差越大，调节机构的移动就越快。只要有偏差存在，调节机构就继续移动，直到偏差消除为止。调节信号是偏差信号按时间酌叠加（积分），因此称为积分作用。积分调节的最大特点是不存在静差，但稳定性差。

微分调节的特点是：只受偏差变化的影响。微分作用只阻止调节参数的一切变化。当的调节参数在较大扰动下发生突然而又剧烈的变化时，微分元件会立即产生一个较大的校正动作，有一种预先调节的作用。微分作用可以缩短过渡过程和减小动差。但因为它不能消除偏差，所以不能单独使用，而是同比例积分等组成联合动作的调节器。

用上述不同调节规律的元件，即可组成各种调节器。比如比例积分调节器（PI调节器）、比例积分微分调节器（PID调节器）等。PID调节器是用积分调节消除静差，用微分调节来缩短过渡过程利减小动差。是动作比较完整的调节器。

空调中用的XCT-192、TA-192（092）等调节器就是连续PID调节器。它用于负荷变化又大又快和滞后很大的对象。一般用于高恒温精度的空调自动调节系统中。

由于调节器的调节规律不同，因此必须与所服务调节对象的特性相适应，这样才会得到好的调节效果。上述各种调节器适用情况及调节特点见表14.1。

空调房间要求的参数不论是温度还是湿度都允许有一个波动范围。为满足要求，对于自动控制系统调节器给定值的确定，就必须合适。

表14.1　调节器适用情况及调节特点

在空调自动调节系统中，两位式调节，只有一个给定值；三位式调节，有上下限两个给定值；比例积分微分调节和比例调节，也只有—个给定值。仪表定值的原则是，对于只有一个给定值的自动调节系统，给定值应定值在调节参救的基数上；对于三位式调节，其上下给定值之差值应小于调节参数的波动值。如果上下限之差值太小，易出现系统稳定不下来，而过大会出现较大误差。

3.1.2　空调系统自控的基本内容

根据空调房间要求的室内参数情况及精度，空调的运行调节系统既有简单的回路自动控制系统，又有采用多回路、多功能的节能自动控制系统。在自动调节装置方面，既有采用简易、廉价的调节器，也有采用专用、多功能、系列化的调节器控制系统，更有采用可编程序控制器及微型计算机作为空调控制系统中数据处理、监督和控制的系统。

不论采用什么样的控制系统，什么样的调节器，其目的都是实现空调系统的自动控制，以保证空调系统的正常运行。主要包含以下内容。

① 空调房间的温度、湿度的检测与调节。

② 新风干、湿球温度的检测与报警。

③ 一、二次混合风温度的检测与调节。

④ 送、回风温、湿度的检测与调节。

⑤ 表面冷却器出口空气温度的检测。

⑥ 喷水室“露点”温度的检测与调节。

⑦ 喷水室或表面冷却器输水出口冷水温度、压力的检测和自动调节。

⑧ 不同运行工况的自动转换。

⑨ 空调设备工作时的自动连锁与保护。

⑩ 空调房间内要求的正（负）静压的检测与控制。(www.xing528.com)

⑪变风量空调系统风管静压的检测与调节。

⑫ 空气过滤器进出口静压差的检测、显示与报警。

⑬制冷系统中各部分温度、压力、流量的检测、调节、报警、连锁与保护。

3.2　空调系统自动控制的方法

室温控制是空调自动控制系统中的一个重要环节。它是用室内干球温度敏感元件来控制相应的调节机构，使送风温度随扰量的变化而变化。

调节送风温度的方法有：调节加热器的加热量和调节新、回风混合比或一、二次回风比（通过控制风量调节阀的开度，调节通过加热器通路与旁通的风量比例）等。调节热煤为热水或蒸汽的空气加热器的加热量来控制室温，主要用于一般工艺性空调系统；而对温度精度要求高的系统，则需使用电加热器对室温进行微调。室温控制方式可以有双位，三位，比例及比例积分微分控制方式等几种。应根据室内参数的精度要求以及房间围护结构和扰量的情况，选用合理的室温控制方式。

（1）热水加热器的调节

为了使加热器后的空气温度恒定，就要调节加热器的进出口上的阀门，不断的改变热煤的流量，或者调节冷热煤的温度，如图14.26所示。当双通阀4改变热水流量的同时，将使供水干管的总流量发生变化，导致供水干管的静压也发生变化，对整个系统的压力分布和流量分布产生影响，其他设备的工作就会不稳定，这是双通阀调节的不足之处。当使用三通阀来调节时，就克服了上述缺点，使一部分热水通过加热器，另一部分热水通过旁通管。要适应负荷的变化，就可以用调节这两部分水量的比例来达到。这种方法的优点是供水干管的静压稳定，但水泵的流量不变，水泵耗电量大，对节能不利。这种调节方式室内的空气温度升降变化较快，送风温度波动较大，适宜在冬季刚开车时或需加热量较大变化时使用。应避免频繁开启，以防送风温度波动较大。

图14.26　热水加热器的调节

夏季，为了节省能量，有一段时间可不用二次加热（停止供热煤），用调节二次回风量来满足送风温度要求。一般采用一二次回风阀联动，即开大二次回风阀就同时关小一次回风阀，这样基本可保证回风量不变，自然新风就变化不大。这种方法室内空气温度变化较慢，送风温度波动小，稳定性好。

（2）蒸汽加热器的调节

如图14.27所示，图中（a）是调节阀装在进汽管道上，图中（b）是阀门装在凝结水管道上。前一种调节方法反应灵敏并跟踪较好，后一种方法是通过改变加热器的面积来进行调节的。这种方法疏水器可连续排水，不会产生振荡，但加热器的惯性大，反应不灵敏。对蒸汽加热器的调节也通常采用比例调节和比例积分调节。

图14.27　蒸汽加热器的调节

（3）电加热器的调节

电加热器一般使用在恒温恒湿机组内以及用在集中式空调系统的末端加热，安装简单，起动迅速，对电热器的常采用一开一关的双位控制和控制通过电加热器的电流大小的比例调节。这两种方式，如图14.28所示，（a）图是双位调节，（b）图是PID的比例调节。

图14.28　电加热器的调节

在一些工业与民用建筑中，空调房间不要求全年固定室温，因此可以采用室外空气温度补偿控制和送风温度补偿控制。它与全年固定室温的情况比较起来，不仅能使人体适应室内外气温的差别，感到更为舒适，而且可大大减少空调全年运行费用，夏季可节省冷量，冬季可节省热量。对于一些民用建筑空调，室温是以室外干球温度作为室内温度调节器的主参数按照图14.29进行控制的。这种控制方法是根据室外气温的变化，改变室内温度敏感元件的给定值，故称为室外气温补偿控制法。

图14.29　室内温度给定值随室外温度的变化

室外温度补偿控制原理见图14.30，由于冬、夏季补偿要求不同，调节器M分为冬、夏两个调节器，通过转换开关进行季节切换。

图14.30　室外温度补偿控制

另外，为了提高室温控制精度，克服因室外气温、新风量的变化以及冷、热水温度波动对送风参数产生的影响，在送风管上可增加一个送风温度敏感元件T2（图14.31），根据室内温度敏感元件T1和送风温度敏感元件T2的共同作用，通过调节器对室温进行调节，组成室温复合控制环节，亦称送风温度补偿控制。

图14.31　送风温度补偿控制

3.2.1　室内相对湿度的控制

室内相对湿度控制可以采用以下两种方法。

3.2.1.1　间接控制法（定露点）

对于室内产湿量一定或产湿量波动不大的情况，只要控制机器露点温度就可以控制室内相对湿度。这种通过控制机器露点温度来控制室内相对湿度的方法称为“间接控制法”。

①由机器露点温度控制新风和回风混合阀门（图14.32）。此法用于冬季和过渡季。如果喷水室用循环水喷淋，随着室外空气参数的变化，需保持机器露点温度一定，则可在喷水室挡水板后，设置干球温度敏感元件。根据所需露点温度给定值，通过执行机构比例控制新风、回风和排风联动阀门。

图14.32　机器露点温度控制新风与回风混合阀门

②由机器露点温度控制喷水室喷水温度（图14.33）。此法用于夏季和使用冷冻水的过渡季。在喷水室挡水板后，设置干球温度敏感元件TL。根据所需露点温度给定值，通过比例地控制冷水管路中三通混合阀调节喷水温度，以保持机器露点温度一定。

3.2.1.2　直接控制法（变露点）

对于室内产湿量变化较大或室内相对湿度要求较严格的情况，可以在室内直接设置湿球温度或相对湿度敏感元件，控制相应的调节机构，直接根据室内相对湿度的偏差进行调节，以补偿室内热湿负荷的变化。这种控制室内相对湿度的方法称为直接控制法，也即使相对湿度在控制的送风温度下波动，控制住送风水蒸气分压力。它与间接控制法相比，调节质量更好，目前在国内外广泛使用。

图14.33　机器露点温度控制喷水室喷水温度

图14.34是电极式加湿器，常采用通断的双位控制，它不需要外加电源，设备简单。由于直接把蒸汽加入空气中，不影响空气的干球温度。这种方法常用于相对湿度要求不高的场合，一般在成套机组中应用较多。

图14.34　电极式加湿器的调节

3.2.2　集中式空调系统全年运行自动控制举例

图14.35所示为一次回风空调系统自动控制系统示意图。下面对该自动控制系统的调节过程加以说明。

图14.35　一次回风空调自控系统示意图

结合上文空调系统全年运行调节工况，采用变露点“直接控制”室内相对湿度的方法，则控制元件和调节内容如下。

①T、H：室内温、湿度敏感元件。

②T1：室外新风温度补偿敏感元件，根据新风温度的变化可改变室内温度敏感元件。

③送风温度补偿敏感元件。

④T2：室外空气焓或湿球温度敏感元件，可根据预定的调节计划进行调节阶段（季节）的转换。

⑤T3：风机联动装置，在风机停止时，喷水室水泵，新风阀门和排风阀门将关闭，而回风阀门将开启。

⑥M控制台：装有各种控制回路的调节器等设备。

随着室外空气参数变化，对于冬夏季室内参数要求相同的场合，其全年自动控制方案如下。

①第一阶段，新风阀门在最小开度（保持最小新风量），一次回风阀门在最大开度（总风量不变），排风阀门在最小开度。室温控制由敏感元件T和T2发出信号，通过调节器使M1动作，调节再热器的再热量；湿度控制由湿度敏感元件H发出信号，通过调节器使M2动作，调节一次加热器的加热量，直接控制室内相对湿度。

②第二阶段，室温控制仍由敏感元件T和T2调节再热器的再热量；湿度控制由湿度敏感元件H将调节过程从调节一次加热自动转换到新、回风混合阀门的联动调节，通过调节器M3动作，开大新风阀门，关小回风阀门（总风量不变），同时相应开大排风阀门，直接控制室内相对湿度。

③第三阶段，随着室外空气状态继续升高，新风越用越多，一直到新风阀全开，一次回风阀全关时，调节过程进入第三阶段。这时湿度敏感元件自动地从调节新、回风混合阀门转换到调节喷水室三通阀门，开始启用制冷机来对空气进行冷却加湿或冷却减湿处理。这时，通过调节器使M4动作，自动调节冷水和循环水的混合比，以改变喷水温度来满足室内相对湿度的要求。室温控制仍由敏感元件T和T2调节再热器的再热量来实现。

④第四阶段，当室外空气的焓大于室内空气的焓时，继续采用100%的新风已不如采用回风经济，通过调节器使M动作，使新风阀门又回到最小开度，保持最小新风量。湿度敏感元件H仍通过调节器M4使动作，控制喷水室三通阀门，调节喷水温度，以控制室内相对湿度。室温控制仍由敏感元件T和T2调节再热器的再热量来实现。

整个调节阶段如下表所示。

表14.2　一次回风空调系统全年运行自动控制内容

上述一次回风空调系统的全年自控方案中，第四阶段也可以利用二次回风来调节室温（利用一组一、二次回风联动阀门）。也就是说，保持最小新风比，由室温控制敏感元件通过调节器，调节一次回风和二次回风的联动阀门，维持室温一定。这样，可以节省再热量。

空调系统的自动控制技术随着电子技术和控制元件的发展，将得到进一步的改进：一方面将从减少人工操作出发，实现全自动的季节转换；另一方面从更精确地考虑室内热湿负荷和室外气象条件等因素的变化出发，利用电子计算机进行控制，空调系统各参数的控制将越来越精确，越来越方便，一年四季都能在最佳工况下工作，以达到最大限度地节约能量的目的。