医疗建筑空调自控系统设计与应用

赵强 侯丽云　 2014-03-11

一、引言

在科技日益发达的今天，医疗建筑中对空气环境质量有严格规定的场合越来越多，要求也越来越高。譬如，医疗建筑中的手术室、ICU、CCU等科室都对空气洁净度、温度、湿度有严格限制。对于精确的控制参数，普通的定风量空调系统存在反应缓慢、控制误差大的缺点，很难满足使用要求。而变风量系统，应用变频器对风机进行调速，通过改变送风量调节室温，具有灵敏度高、反应快、控制准确的优点。为了保证医疗卫生建筑重要场所空调系统工作的可靠性，通常辅以自动化程度较高的DDC等工控设备进行控制管理，使其系统运行优化，达到节能降耗的目的。

二、变风量空调系统形式及流程

图1  空调系统流程图

系统主要有送风机、回风机、粗效过滤器、加湿器、加热器、表冷器及一定数量的电动阀门、风管组成。室内空气经由回风机，将室内空气吸入空调机组，排出部分空气后与室外新风混合先后送入粗效过滤器、表冷器（夏季用）、加热器（冬季用）、加湿器（冬季用）进行处理，再经送风机、中效过滤器送入室内（见图1）。

三、变风量空调系统工作原理

由空气调节原理可知，某一空间内的温度若要发生改变，必须施加外界影响因素使空间内的空气热流量产生变化。降低室内温度需送入的冷气量为：

            Q ＝C · P · L （ｔｎ－ｔｓ）

        式中C：空气比热容 ［ｋｊ／（ｋｇ·℃）］

Ｐ：空气密度（ｋｇ／ｍ３）

L：送风量（ｍ３）

ｔｎ：室内温度（℃）

ｔｓ：送风温度（℃）

Ｑ：吸收室内的热流量（ｋｗ）

四、变风量空调系统自动控制要求

变风量系统主要有6部分控制内容。

（一）系统风量的自动控制

本系统为单区系统,取末端70％～100％管道静压作控制主参数,根据参数变化调节风机转速。当房间内热负荷需要增加或减少时，管道静压传感器将风压变化测出，反馈回变频器输入环节，变频器控制单元根据反馈信号调整风机转速，增加或减少风量。当室内热负荷逐渐到达设定值时，管道静压传感器恢复常态，系统取得新的平衡。

（二）回风机的自动控制

回风机正常情况下与送风机联锁随动，并且其回风量要小于送风量。风机采用风量追踪·控制，取送、回风机进出口压差信号作控制参数，当压差超出设定值时，调整回风机转速维持送、回风机固定压差。

（三）相对湿度的自动控制

控制方式为二位式调节，通过改变送风含湿量来调节室内相对湿度。通常取回风相对湿度作控制参数来决定加湿器的启停。

（四）新风阀、回风阀、排风阀的自动控制

为了保证室内空气清新度，送风应包含一定数量的新风，回风量中有７０％要排出系统，新风只利用总量30％，所以按比例调整风道电动阀的开度，就可以满足送风质量要求。

（五）系统运行参数的检测

变风量系统为完成自控要求，需要实时检测各项性能参数，内容主要包括：

（六）DDC控制器必须完成主要功能

五、模糊控制理论基础

模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型计算机控制方法。它是一种非线性控制，属于智能控制的范畴，而且已成为目前实现智能控制的一种重要而又有效的形式。模糊控制是在总结人的控制行为，遵循反馈及反馈控制的基础上，把人的控制行为规律用模糊语言固化为模糊控制规则从而进行控制的一种控制方式。在传统模糊控制基础上引入了控制领域中广泛应用的PID控制与模糊控制器进行协调控制，克服了单纯采用模糊控制精度低、消除稳态误差能力差的缺点，能够提高空调系统的运行效率，达到高效节能的效果。

由于模糊控制不是基于被控系统的精确数学模型基础之上的，因此，对那些用经典控制方式不能取得很好效果的具有非线性、时变性、强耦合等特点的系统，往往能收到令人满意的效果。

（一）模糊控制系统的基本组成

 图2   模糊控制系统方框图

（二）模糊控制器的结构

从功能上划分，它主要由4个部分组成，即模糊化接口、知识库、推理机以及解模糊接口。

 六、空调自控系统硬件设计

空气处理机组采用ATMEL公司的89C52单片机为核心的直接数字控制器来实现对空调系统中温湿度、压力等数据的采集、处理和控制。该控制器由89C52单片机、数据存储器2816（RAM）及DMC16230型液晶显示器LCD等组成一个现场的单片机数字控制系统。其硬件原理图如图3所示。

图3     硬件原理图

七、空调自控系统软件设计

DDC控制器的应用软件应采用模块化方法：首先，把软件设计任务按功能划分为若干模块，如数据采集模块、数据处理模块、报警模块、控制模块和故障诊断模块等；接着依据测控时序和模块之间的关系给出应用软件的功能流程图；然后对每一功能模块再进行编程和调试工作。

八、系统仿真分析

1.为了说明复合模糊参数控制器的良好控制性能，对冬季当室温为-7℃ 度，设定值为 23℃ 时和夏季当室温为 36℃，设定值为 28℃时的极限情况作仿真实验，并与预定参数下的常规 PID 控制方式做了比较。不管在夏季进行调节还是在冬季进行调节, 复合模糊控制均取得了比常规 PID 控制更高的快速性和稳定性，超调小、振荡轻、过渡过程时间快,控制性能显著提高等优势。

2.当系统达到稳态后加入干扰，进行鲁棒性分析。串级控制系统扰动可分为外环扰动和 内环扰动。外环扰动为被控房间存在的诸多干扰因素，如：门、窗突然打开，室内人员流动等，这些因素等效为房间温度的阶跃干扰。内环扰动为管路压力偶然增大（或减小）引起阀门开度未变而风量改变，从而影响室温，该因素等效为风量的阶跃扰动。加入内、外扰动后，扰动使复合模糊控制系统偏离稳态值的幅度很小、系统无振荡且又能较快达到稳态。而同样扰动使常规 PID 控制偏离稳态值的幅度大，产生小振荡，达到稳态的时间较长。

3．当房间热惯性时间常数由于某原因变化时，模糊控制超调的增加相对很多，且其过渡时间基本未变，无振荡产生。相对常规 PID 控制优势较大。

九、节能比较

有资料显示，变风量空调系统的节能效果十分明显。当系统运行于50％风量时，变频器仅使用了15％左右的最大功耗，而定风量系统大部分运行于50％～90％最大功耗，相对而言节能范围高达25％～85％，节能功效十分显著，可大大加快投资回收时间。

十、结束语

综上所述，空调控制是医疗建筑中的一个重要部分，运用新技术来提高空调节能效果和控制能源损耗有着很重大的现实意义。空调自控系统的设计方法在具体应用中还要参考现场实际情况及控制要求做出相应变化、调整。这种方法能够有效的提高空调系统的运行效率和节能效果。相信伴随着科技的不断进步和国民经济的持续发展，空调自控系统将会有更为广阔的应用空间。

参考文献

[1]李景满，李明.浅谈楼宇自控系统的节能问题[J].工程设计CAD及自动化，1997.7

[2]何平,王鸿绪.模糊控制器的设计与应用[M].北京：科学出版社，1998