末端控制设备原理

1、采暖、空调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、（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。控制环路六个要素间的相互作用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

3、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一温度，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

4、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 22-26C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26C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

5、式，如式1:F=1.8t-0.55(1.8t-26)()l-r3.2 V 32()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:F=1.8t-0.55(1.8t-26)(1-r h ) 28.08(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；(

6、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；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

7、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

8、标值设定在 理论最佳舒适度值F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

9、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

10、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。三、末端的控制机理通常说道末端控制， 大家就会联想到控制面板或控制器， 在这里 所说的末端控制就是末端控制的整个控制单元。 其中包括控制面板及 控制水量的水阀， 就是供应末端完成制冷或供热的一整套控制设备的 性能。可实现自动，制冷，制热通风，新风，定时等功能。同时通过 RS485 联网将所有空调的使

11、用点纳入监控软件范围， 实现双向控制。控制器是控制环路中的“头脑” ，它具有自身的特性，当被选用 在也同样具有自身特性的系统中时，应能呈现稳定的“匹配”某些数字控制器具有自适应功能， 能随先前所得结果的变化纠正 控制策略。由此， 它们可以生成一个该系统的简化数学模型，以优化 系统启停时间。区域控制器主要用于末端装置， 它们常配有与中央管理装置相连 接的数据传输系统。控制器可分为两种类型：非连续型和连续型控制器。 开/关型控制器是非连续型控制器中的一种，目前仍用于控制末 端装置。3.1 开/关控制 顾名思义，开关型控制器是脉冲式的。 供热时，如果房间太热，控制阀门就会全关，太冷时则全开。从 一种

12、状态变到另一种状态所必需的室内温度变化值就称之为热动差。 对于一个性能良好的房间温控器，该动差值约为 0.5K。不关阀门开启还是关闭，提供给房间的热量总是会太多或太少， 受控值无法达到稳定的状态，它不断在某个最大值和最小值之间动 荡。当房间过冷，供热阀门开启时，热能达到房间需要一定时间，对 房间加热也需要时间。可以发现，室温的震荡要比热动差大很多。空 调时，用一个避开送风的房间温度计测得这些震荡值约为 2K 。然 而，房间内的工作人员并不一定位于这些比较好的位置， 他或她也许 感受到送风的直接侵袭。 夏季或冬季空调送风温度的震荡值可能高达 10K尽管温度显示的室内温度波动值只有 2K ，但我们

13、感觉却有 3K 或更高些。有些人对这种送风特别敏感， 难以忍受一股冷风吹在他们颈部或 脸上。他们试图找到一个可躲避的区域，但多数时间是一无所获。在 宾馆房间内，你常常会逃进浴室，或可能时关掉空调。否则。最后一 个办法就是用电话簿或者手边其它任何物件堵住通风口。 这绝不是讽 刺，会真正地感觉到不舒服， 还可能受凉而感冒， 直到变得适应为止。 因此，这不是在营造舒适，而是简单地让环境变热或变冷。3.2 比例控制“ P”比例控制器按受控值和设定值之间的偏差成比例地开启或关闭 控制阀。控制阀是要找到相应于能量平衡的稳定工况， 送风温度和室 温因而得到稳定，极大改善舒适性。图中表示一个采用比例控制器的液

14、位控制环路。 液位 H 通常须通 过输入流量 Y 的作用，对扰量 Z 进行补偿来保持恒定。当水平面 H 下降时，浮子 B 下降，并成比例地打开控制阀 V 。 当 Y 和 Z 相等时，系统找到平衡状态。当Z=0时，水面上升，直到达到水平面 Ho,使得Y=0.当Z=max时，达到稳定的平衡点，此时浮子位于 Hm,当控制阀 完全打开时,得到这种结果。比例区因此，在极限Ho和Hm之间得到稳定值。控制值的Ho Hm范围称之为比例带。这决定了阀在关闭位置和 完全打开位置的设置。平衡点水平面总是位于这个带宽内， 这与扰动 范围Z有关。向水平臂旋转点移动浮子将减少比例带宽。这个过程中，能够完 全打开阀门的水平

15、面变化范围减小了， 但是，很小的水平差别可产生 流量Y的大的变化范围，它是比扰动更强的反应。这产生了更大的 逆扰动，该环变得不稳定，并工作在开一一关状态，控制性能很差。上图中的系统和室温控制系统相似。即：Z=供热损失/增益丫二盘管散热H=室温在这种情况下，比例带等价于控制阀从关闭位置到打开位置的所 需要的变化范围。在供冷中，设置值为23C和比例带宽4C时，则在全负载时，室 温为25C。而在无负载时，室温为 21 C室温（p）负荷（】室温BS负荷而变化（比例带为49）比例带减小，比例控制器的控制精度就会提高，但以这种方式减 小比例带，会受控制功能不稳定风险的限制。最小比例带取决于下列正（+ ）、

16、负（一）因素：（1）传感器时间常数（）；（2）房间的时间常数（+ ）;（3）从开启控制阀到导致室温开始之间的滞后时间（一）；（4）控制阀的特性和它运行的工况（士）。总的来说，若系统运行特性良好，比例带取 24 C时，可以获得稳定的室温的室温值由于比例带设置过窄而造成控制不稳定时，室温会产生正弦震 荡，此震荡的周期称为临界期 Pc。控制环路中信息传输的延时与房间时间常数之比称之为难度系 数。它增大了比例带的最小允许值，故尽可能减小延时很重要。为了“赢得时间”，有可能采用线性外插值法来预测未来可能的 变化。我们可以测量偏差及其变化速率（求它的导数）来估算未来的 偏差。这种求导型比例控制器人为的减少

17、了延时， 因而能减小比例带， 也相应地提高了调节精度。 由于外插值是线性的， 它只有在偏差随时 间基本呈线性变化的时段内才有意义，因此预测周期（导出时间）限 制在约为0.2 X临界期巳。3.3 比例积分控制“ PI” 当采用比例控制器时， 无法避免会存在一个取决于负荷的恒定偏 差（如上图所示）。对于供冷工况，当75%负荷时，设定值为24 C而 实际室温为25C。这个问题很容易解决：只需将设定值改为 23C，就可以得到所 要求的24 C室温。但对于每一次很大的负荷变动，都应重新调整该 设定值，而且调整的方法也很重要。让我们重新讨论上述示例。室温为25C,而不是所要求的24C, 因此把设定值降低1

18、C。过一些时间后，室温仍为25C，于是将设定 值再降低一些， 这样下去直至降到最小设定值为止， 但情况什么也没 变化，至少还没有开始变化。毫无疑问，此时供冷阀门已经全部打开，后来温度终于开始下降 并达到所要求的24C，但是它仍会继续下降，这样便迫使我们去提 高设定值。反应进行的过程同上，但方向相反。于是，很快就达到了最大控 制值，房间出现过热。这样的反应过程实际上产生了很大的室温变动。造成的误差令人 心烦意乱。为了得到稳定的精确控制的调节，我们不得不在两次调节之间等 待足够长的时间，让系统有时间来寻找新的平衡状态。这种设定值纠正过程可以自动实现，即采用二级控制器缓慢地调 整比例控制器的设定值，

19、直至受控变量达到正确值，其逻辑关系如下 图所示。修正比例控制器的设定值注，具育机分功能的趙tUI修正了出优桂券的險定值，时为止.当偏差为零时，对设定值的纠正作用必须停止，这意味着纠正系 数的速率与偏差成正比。该比例系数取决于参数“ Ti=积分时间”，其 值大约为一个临界期，于是，可得公式：ds2 x 1 ljLxdtdiTiTi对于反应时间短的系统，比如送风温度控制，积分时间宜取1-6min。当调节室温时，反应时间较长，通常采用的积分时间为30min。在启动过程中，当控制阀已经全开或全关时，积分功能就被取消， 因为此时改变设定值S2是无意义的。积分功能取消了恒定偏差，但它也常常使系统不稳定，以

20、至于必 须稍增大一点比例带来获得相同的稳定程度。我们可以估算出，未被P （比例）功能补偿的控制偏差，通过I （积分）功能，经过积分时间 后能减少1/3。由于消除这些偏差相当缓慢，故采用尽可能小的比例 带很重要，从水力的角度要有两个强制条件：（1）控制阀应选择最合适的特性（2）确保控制阀在良好的工况下工作。3.4时间比例PI控制调节控制功能的应用意味着释放的冷 （热）量可在Os 100%之间 连续变化，它对控制阀加上了严格的条件。对于一个变流量的盘管， 低负荷时仍然要冒震荡的风险。流量低于此限值时不再呈紊流状态Vc =1.6m / s,di =10mm,q =452L / h = 0.126L

21、/ sJ1111 maxtsc=6 Ctsc=90 C Tv (m/s)q(%)q(L/h)q(L/s)P(%) Tv (m/s)q(%)q(L/h)q(L/s)P(%)60.61381720.04870200.138360.0127对于较大的盘管，例如管道内径为19mm,流速为1.6m/s,则供冷的下限流速为0.32m/s,供热的下限流速为0.08m/s。这只是供大家的 一个参考值。因此，对那些仅由房间温控器控制的小型末端装置， 常常采用开 /关型控制阀，阀门处于开关位置的时间是按给定的时段调节好的。例如，在 10min 的时间内， 30%负荷情况下，控制阀开 3min， 关7min。该负荷

22、的大小是由房间控制器根据检测出的温差值来确定 的，并受到比例和积分作用的控制。这类控制作用不能稳定送风温度， 而空气分布必须依据这样的实 际情况进行设计。然而，它得到的室温精度比采用普通开 /关型控制 器好得多，这也是目前市场上常见的一种控制形式。综上所述，房间的舒适度取决于温度、湿度、送风温度等条件， 上面的控制模式都要好于传统的开关型控制模式， 一次顺序为： 开关 型控制模式、时间比例控制模式、 比例控制模式、 比例积分控制模式。 一个比一个控制模式更好， 作为节能降耗的今天， 关键的还是要做到 量化控制才是我们的出路。 我们目前大部分的系统采用的是通断时间 的控制，经过对该方法的相关文献

23、的研读， 我个人认为这种方法只适 用于定流量系统， 当然在变流量系统中， 比简单的安装电动二通阀效 果要好，还是建议大家考虑使用比例积分调节的末端控制， 更便于对 系统的管理和监控。四、水力平衡的重要性 随着人们生活品质要求和节能意识的不断提高以及空调系统的 大型化，变流量水系统在暖通空调工程中占据越来越重要的位置。 使 用过程中如何最大程度地降低成本和减少运行问题是暖通空调界工 程人员一直所追求的， 末端的水力平衡更加直接的反应我们的控制效 果，成为重中之重。热水或冷水由闭式输配系统输送到各用户末端。 水流量应按设计 要求合理地分配至供热或空调末端， 以及每一个控制环路以满足其热 /冷负荷需

24、求，保证理想的供热或空调舒适度。但由于种种原因大部 分输配环路及冷源机组（并联）环路存在水力失调，使得流经用户及 机组的流量与设计流量要求不符。 理论上， 新的控制技术是可以满足 最苛刻的室内气候和运行成本要求的。 但在实践中， 即使最精密的控 制器也不能完全实现所承诺的功能。因此，舒适度就会打折扣，运行 成本也会高于期望值。合理地应用水力平衡阀是提高供热空调系统的舒适性和节约能 耗的有效途径。 没有绝对最佳的水力平衡方案， 而只有最适合特定系 统的解决方式。需要根据业主的需求由厂家和设计咨询单位共同协商 制定。只有结合了投资、 调试和运行成本的水力平衡方案才能带给投 资方最大的投资回报。首先

25、需要说明的是水力平衡不是一个阀门， 而是整个水系统在运 行工况下，完全按着自己的需要，得到相应的水流量。定义水力平衡 是针对水力失调问题而产生的一种调节方法，目的是消除水力失调， 达到节能降耗。 原理由于水力失调分为静态失调和动态失调。 静态失 调是由于某些环路存在剩余压头， 即某些环路的阻力过小时， 这些环 路的实际流量就将超过设计流量， 由于总的流量一定， 则其他部分就达不到设定流量，就会出现冷热不均；在动态系统中，当某些环路的 水量发生变化时，会引起系统的压力分布发生变化，从而干扰到其他 环路，从而使其他环路本不应有的变化产生！ 水力平衡的原理也就是 克服水力失调的原理！重要性及应用系统

26、水力不平衡的现象现在依然 很严重，而水力不平衡是造成供热能耗浪费的主要原因之一，同时， 水力平衡又是保证其他节能措施能够可靠实施的前提，因此，对系统节能而言，首先应该做到水力平衡，而且必须强制要求系统达到水力 平衡。近些年来，大家对静态平衡阀有了一些认识， 但有一点需要大家 清楚，静态平衡阀只能解决定流量运行系统或间歇式供暖的水力平衡 问题，在目前的变流量系统中，解决最大流量限制的问题。那么需要 怎样才能够解决变流量系统的流量分配问题， 是我们需要仔细的分析 系统流量变化的需求，满足用户在不同的环境、不同的消费观等等现 状，使无论在什么状况下，用户都能得到需求的满足，前提是在能耗 最小的情况下

27、。变流量系统的最大难题是系统的压力（流量）变化对 用户压力（流量）的影响，而解决这种状况的唯一办法就是压差控制， 但压差控制只能做到质调节，我们还需要用静态平衡限制其最大流 量，然后通过温控的调节来满足用户的自主调节的需求。 通过这样的 控制方案完全解决了变流量系统的水力平衡问题， 剩下的就是要解决 我们的能耗如何降到最低，当前我们的通讯、计算机、自控系统都很 发到，我们可以借助自控的手段，来达到根据用户的需求，来供应用 户的水量。五、新型末端控制装置的提出经过近几年的摸索和探讨， 提出了末端控制装置的模型。 采用简 捷与方便控制方法。 进出水的球阀我们采用的是带测温功能的过滤球 阀，减少了安装的空间，但功能比