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【摘要】阀位的控制以及变流量控制实验平台的设计是该文章的主要研究方向。该控制法之所以被认为是一种节能性能好，切易于实现广泛化的主要原因是将其与其他方法进行了对比分析，。
【关键词】空调水系统，变流量，节能控制，实验研究
中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：
一.前言
为了能够降低空调在运行过程中的能量消耗，提高对于能量的利用率，因此对空调进行变流量控制是必不可少的。这一课题已经成为了全球性的课题，推广出节能性能优越的新型方法一直是众多专业人士的最终目标。
二、控制策略分析
通过不断的实验研究发现：要达到理想的三次幂效果，需要管网阻力系数S不发生改变，这个时候节能效果也是最佳的。例如在温差控制下末端如果不增设调节阀的情况下，节能效果会较好。在一定范围内阻力系数S与节能效果呈现出负相关的关系。调节阀是引发中央空调系统中阻力变化因素的主要因素，调节阀开度减小時，系统阻力系数S值增大；反之亦然。因而只有保证调节阀的整体开度增大，才能使负荷时的系统阻力系数达到最小。我们也可以认为调节阀的开度是影响变流量控制的主要因素。
阀位控制法顾名思义就是通过阀位的控制来达到预期的效果，该种方法是通过降低空调水系统阻力系数，以寻求最大程度上节能 。
如果想了解下这种控制方法，我们可以来看看下面的简化空调水系统。假设存在某一中央空调系统 (见图1)，含有n个空调用户 ，每个用户支路设置电动调节阀。
用户按实际需要设定期望温度 t 后，将该期望值与室内实际温度 t比较 ，得出它们之间的温差△t。由温差 △t与电动调节阀开度变化△v之间的关系△v =f(△t)得到电动调节阀的开度变化△v，并由电动调节阀上一时刻的开度值v0，最终得到电动调节阀的当前开度v=v0+△v。管内介质流量会随着电动调节阀开度的变化而变化，从而可以将系统给予用户的冷热量进行优化调整，最终得到我们预期的温度。在这个时候我们也可以得到电动调节阀反馈的阀位信息。
综上所述，我们了解到电动调节阀的开度是该控制方法的一个目标参数，控制的最终目的是使得开度达到允许的最大值。
专家们认为对电动调节阀进行单独控制是不现实的，主要原因是空调系统是一个多变量并且相互耦合的系统。“大者极大”是该种方法的控制思想，所谓 “大者极大”就是识别出所有用户中开度最大的一个用户，进而进行控制，使其开度达到设定的极大值(如90％)。接着由于耦合性的特点，其他的电动调节阀也会随之增大，从而达到整体的效果。
如图1所示，假设n#用户在调节前的最大开度为70％；其余用户均低于此数，则这个数值就为控制数。此时，按一定规律降低水泵电机频率，流经n#用户的流量和冷热量减少，该用户的温度接近预期温度，电动调节阀开度增大。在用户的电动调节阀达到临界值，水泵电机频率便不再降低。水泵电机频率降低时，与 n#用户类似，最终实现节能的目的。
由上面提到的相关知识可知阀位控制主要是两个部分组成的。
一开始，控制器获得设定的温度和实际温度的差值，进而调整调节阀的开度，促使水系统供给的冷热量与实际负荷两者匹配，从而使室内温度和设定温度相似。紧接着控制器通过分析开度数值的大小，按照“大者极大”的原则调节水泵变频器的输出频率 ，让循环水泵的转速保持在允许的最低限度之内 ，从根本上降低输送能耗，达到最大程度上节能的目的。
应用阀位控制时 ，需要有△v～△ t，△f ～△v这两组关系的准确数据。但是精确的数学模型无法表达这两组数据的精确，因此只能使用模糊控制算法来计算。模糊控制器主要有两类(温度控制器 A 、频率控制器 B)，具体模糊控制器设计略。综合上述提到的，我们可以画出阀位控制的流程图。
三、实验方法
1.实验装置
二次泵系统是此次的模拟系统 ，一级泵主要是负责将水从集水器往热泵输送到分水器中，二级泵主要是负责为支路内的水循环提供动力；一级泵的运转采用定频方式，而二级泵则采用变频方式(见图3)。该模拟系统主要由风冷热泵、风机盘管、循环泵、电动调节阀等几个部分组成。该系统的主要特色是设置了多种传感器，通过各种传感器可以测试得到各种特性参数如：温度、压力、流量等。
2.开度极限值的确定
很多人错误的认为电动调节阀的极限开度为100％，其实在实验中极限开度是为90%。极限值不设 100％的主要原因有两个，一个是可以规避系统供冷(热) 能力不足这种现象。如果某个电动调节阀的开度已经达到了系统预设的最大值，但是开度却还在增加，这说明了该开度无法满足用户的需求。这个时候我们就必须通过增加水泵电机频率，使系统供冷 (热)量与需求值一致。另一个原因是极限开度的取值与所用电动调节阀的特性存在一定的关系。图4中Sf+ Sv 是指末端设备与电动调节阀的阻力系数， S代表电动调节阀阻力的变化值。从图4 当中我们可以很清楚的看到，在90％ ～100％这个开度区间里 ，阻力系数变化范围小，因此对节能影响力不大。
四、实验结果与分析
系统满负荷定频运行及100％、80％ 、60％三种负荷率下变频运行情况是本文的研究对象 ，表1的实验数据中，△p 为最末端用户的压力差 ，△T 为供回水干管的温差 ，N为水泵的有效功率。从表可得在满负荷定频运行时的末端压差为1．35 ×lO5 Pa；在满负荷定频运行时的供回水干管温差为 9．2℃。
经过实验的分析和总结，我们得出了在空调水系统变量运行时，压差设定越小，节能性能越优越；节能性能还与供回水干管成负相关。接下去将结合实验得到的数据以及理论推算数据，针对系统的节能能力进行剖析。
（1）压差分析
阀位控制、压差控制、温差控制三种控制方式下的最末端用户的压差值在图5我们可以清晰的看到。其中，阀位控制的压差数据为实验数据，剩下的则是理论的推论值。
压差控制主要是使系统在运行时保证最末端用户压差值在范围内。因此它是一水平线 。温差控制是指在理论上控制中使得供回水干管温差 △t为恒定。根据式(1)，在温差为常数时 ，负荷与流量呈一次正比，即Q=f( m )。又由式(2)，压差与流量呈二次正比，故压差与负荷率呈二次正比，即△p = f(Q )。图 5 中，温差控制的最末端用户压差数就是这样产生的。
图5可以看出在压差值这个数值上阀位控制较低，且负荷率越低差距越大越节能。总体上阀位控制的△p比较大，说明阀位控制的节能潜力较温差控制的差。从温差分析发现一个特殊点：S不变，也就是阻力系数不变，系统阀门没有动作。从而某些部位的能耗不会增加，节能也会比较好。缺点在于根据该理论控制的控制思想，系统阀门不动作，则负荷率不一致时，当控制无法正确分配流量时候就会失败。值得说明的是：在 100％ 负荷时，阀位控制的△p 较压差控制满负荷的小。这是因为阀位控制的核心算法采用模糊算法编制 ，即使在满负荷时，循环泵电机的输入频率是接近50Hz左右 ，故与理论值有所偏差。在后文中，在大负荷率时，阀位控制的输送功率小于理论控制的计算值，亦是同理。
（2）温差分析
图 6 从供回水干管温差的角度体现了节能优势。从图中可以看出，系统变流量运行时，系统的供回水干管温差均大于满负荷定频时的设计温差。尤其在 80％负荷率时 ，温差值更是达到l0．25℃，比预期高 12％。而在不同负荷率时 ，温差差别很大 ，说明模糊控制器需要优化，它的节能能力还有提升的空间。
（3）功率分析
图 7 显示了阀位控制与某理论控制的功率值，有以下特性：当阻力系数为S不变的时候 ，负荷与流量呈一次正比(即 Q =f(m ))。因为S值不变 ，该系统满足相似定律，即式(3) 成立。可得它们呈3次正比关系，即Q=f(m3 )。且系统负荷可与流量呈一次正比，则循环泵输送功率N与系统负荷呈3次正比，即N=f(Q3 )。图7中，理论控制的功率值即由此计算。
式中N----循环泵输送功率
n----循环泵转速
图7中是从输送功率角度，阀位控制在负荷率小于80％时，能耗高于理论控制；反之亦然。由此可以看出，阀位控制的节能潜力已经接近某些理论控制的程度。而在大负荷率时，阀位控制的输送功率小于理论控制的计算值的原因也已说明。
（4）分析小结
本文通过多角度对阀位控制进行了分析。阀位控制的最末端用户压差远小于压差控制、供回水感官温差大于设计值。侧面说明了它的优越节能性；从功率的分析，看出了它的节能能力已接近“三次幂”的理论控制水平 。
五、结语
本文重点介绍并详细分析了新型变流量控制方法——阀位控制法 ，通过模拟实现了此方法。通过分析认为具有优异的节能能力是该方法的一大特点，可有效降低输送能耗 ，进而提高系统的能效 ，从而推动系统应用。
参考文献：
[1]何湘勇空调水系统变流量节能控制分析[期刊论文]《暖通空调》 —2007年1期
[2]孙一坚空调水系统变流量节能控制[期刊论文]《暖通空调》 —2007年6期
[3]刘大伟 龚延风 水环热泵空调水系统变流量节能控制探讨 [期刊论文]《暖通空调》—2009年7期
[4] 周洪煜，徐春霞，陈晓锋，王驹集中空调水系统的变流量节能改造
《重庆大学学报》 —2006年12期
【关键词】空调水系统，变流量，节能控制，实验研究
中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：
一.前言
为了能够降低空调在运行过程中的能量消耗，提高对于能量的利用率，因此对空调进行变流量控制是必不可少的。这一课题已经成为了全球性的课题，推广出节能性能优越的新型方法一直是众多专业人士的最终目标。
二、控制策略分析
通过不断的实验研究发现：要达到理想的三次幂效果，需要管网阻力系数S不发生改变，这个时候节能效果也是最佳的。例如在温差控制下末端如果不增设调节阀的情况下，节能效果会较好。在一定范围内阻力系数S与节能效果呈现出负相关的关系。调节阀是引发中央空调系统中阻力变化因素的主要因素，调节阀开度减小時，系统阻力系数S值增大；反之亦然。因而只有保证调节阀的整体开度增大，才能使负荷时的系统阻力系数达到最小。我们也可以认为调节阀的开度是影响变流量控制的主要因素。
阀位控制法顾名思义就是通过阀位的控制来达到预期的效果，该种方法是通过降低空调水系统阻力系数，以寻求最大程度上节能 。
如果想了解下这种控制方法，我们可以来看看下面的简化空调水系统。假设存在某一中央空调系统 (见图1)，含有n个空调用户 ，每个用户支路设置电动调节阀。
用户按实际需要设定期望温度 t 后，将该期望值与室内实际温度 t比较 ，得出它们之间的温差△t。由温差 △t与电动调节阀开度变化△v之间的关系△v =f(△t)得到电动调节阀的开度变化△v，并由电动调节阀上一时刻的开度值v0，最终得到电动调节阀的当前开度v=v0+△v。管内介质流量会随着电动调节阀开度的变化而变化，从而可以将系统给予用户的冷热量进行优化调整，最终得到我们预期的温度。在这个时候我们也可以得到电动调节阀反馈的阀位信息。
综上所述，我们了解到电动调节阀的开度是该控制方法的一个目标参数，控制的最终目的是使得开度达到允许的最大值。
专家们认为对电动调节阀进行单独控制是不现实的，主要原因是空调系统是一个多变量并且相互耦合的系统。“大者极大”是该种方法的控制思想，所谓 “大者极大”就是识别出所有用户中开度最大的一个用户，进而进行控制，使其开度达到设定的极大值(如90％)。接着由于耦合性的特点，其他的电动调节阀也会随之增大，从而达到整体的效果。
如图1所示，假设n#用户在调节前的最大开度为70％；其余用户均低于此数，则这个数值就为控制数。此时，按一定规律降低水泵电机频率，流经n#用户的流量和冷热量减少，该用户的温度接近预期温度，电动调节阀开度增大。在用户的电动调节阀达到临界值，水泵电机频率便不再降低。水泵电机频率降低时，与 n#用户类似，最终实现节能的目的。
由上面提到的相关知识可知阀位控制主要是两个部分组成的。
一开始，控制器获得设定的温度和实际温度的差值，进而调整调节阀的开度，促使水系统供给的冷热量与实际负荷两者匹配，从而使室内温度和设定温度相似。紧接着控制器通过分析开度数值的大小，按照“大者极大”的原则调节水泵变频器的输出频率 ，让循环水泵的转速保持在允许的最低限度之内 ，从根本上降低输送能耗，达到最大程度上节能的目的。
应用阀位控制时 ，需要有△v～△ t，△f ～△v这两组关系的准确数据。但是精确的数学模型无法表达这两组数据的精确，因此只能使用模糊控制算法来计算。模糊控制器主要有两类(温度控制器 A 、频率控制器 B)，具体模糊控制器设计略。综合上述提到的，我们可以画出阀位控制的流程图。
三、实验方法
1.实验装置
二次泵系统是此次的模拟系统 ，一级泵主要是负责将水从集水器往热泵输送到分水器中，二级泵主要是负责为支路内的水循环提供动力；一级泵的运转采用定频方式，而二级泵则采用变频方式(见图3)。该模拟系统主要由风冷热泵、风机盘管、循环泵、电动调节阀等几个部分组成。该系统的主要特色是设置了多种传感器，通过各种传感器可以测试得到各种特性参数如：温度、压力、流量等。
2.开度极限值的确定
很多人错误的认为电动调节阀的极限开度为100％，其实在实验中极限开度是为90%。极限值不设 100％的主要原因有两个，一个是可以规避系统供冷(热) 能力不足这种现象。如果某个电动调节阀的开度已经达到了系统预设的最大值，但是开度却还在增加，这说明了该开度无法满足用户的需求。这个时候我们就必须通过增加水泵电机频率，使系统供冷 (热)量与需求值一致。另一个原因是极限开度的取值与所用电动调节阀的特性存在一定的关系。图4中Sf+ Sv 是指末端设备与电动调节阀的阻力系数， S代表电动调节阀阻力的变化值。从图4 当中我们可以很清楚的看到，在90％ ～100％这个开度区间里 ，阻力系数变化范围小，因此对节能影响力不大。
四、实验结果与分析
系统满负荷定频运行及100％、80％ 、60％三种负荷率下变频运行情况是本文的研究对象 ，表1的实验数据中，△p 为最末端用户的压力差 ，△T 为供回水干管的温差 ，N为水泵的有效功率。从表可得在满负荷定频运行时的末端压差为1．35 ×lO5 Pa；在满负荷定频运行时的供回水干管温差为 9．2℃。
经过实验的分析和总结，我们得出了在空调水系统变量运行时，压差设定越小，节能性能越优越；节能性能还与供回水干管成负相关。接下去将结合实验得到的数据以及理论推算数据，针对系统的节能能力进行剖析。
（1）压差分析
阀位控制、压差控制、温差控制三种控制方式下的最末端用户的压差值在图5我们可以清晰的看到。其中，阀位控制的压差数据为实验数据，剩下的则是理论的推论值。
压差控制主要是使系统在运行时保证最末端用户压差值在范围内。因此它是一水平线 。温差控制是指在理论上控制中使得供回水干管温差 △t为恒定。根据式(1)，在温差为常数时 ，负荷与流量呈一次正比，即Q=f( m )。又由式(2)，压差与流量呈二次正比，故压差与负荷率呈二次正比，即△p = f(Q )。图 5 中，温差控制的最末端用户压差数就是这样产生的。
图5可以看出在压差值这个数值上阀位控制较低，且负荷率越低差距越大越节能。总体上阀位控制的△p比较大，说明阀位控制的节能潜力较温差控制的差。从温差分析发现一个特殊点：S不变，也就是阻力系数不变，系统阀门没有动作。从而某些部位的能耗不会增加，节能也会比较好。缺点在于根据该理论控制的控制思想，系统阀门不动作，则负荷率不一致时，当控制无法正确分配流量时候就会失败。值得说明的是：在 100％ 负荷时，阀位控制的△p 较压差控制满负荷的小。这是因为阀位控制的核心算法采用模糊算法编制 ，即使在满负荷时，循环泵电机的输入频率是接近50Hz左右 ，故与理论值有所偏差。在后文中，在大负荷率时，阀位控制的输送功率小于理论控制的计算值，亦是同理。
（2）温差分析
图 6 从供回水干管温差的角度体现了节能优势。从图中可以看出，系统变流量运行时，系统的供回水干管温差均大于满负荷定频时的设计温差。尤其在 80％负荷率时 ，温差值更是达到l0．25℃，比预期高 12％。而在不同负荷率时 ，温差差别很大 ，说明模糊控制器需要优化，它的节能能力还有提升的空间。
（3）功率分析
图 7 显示了阀位控制与某理论控制的功率值，有以下特性：当阻力系数为S不变的时候 ，负荷与流量呈一次正比(即 Q =f(m ))。因为S值不变 ，该系统满足相似定律，即式(3) 成立。可得它们呈3次正比关系，即Q=f(m3 )。且系统负荷可与流量呈一次正比，则循环泵输送功率N与系统负荷呈3次正比，即N=f(Q3 )。图7中，理论控制的功率值即由此计算。
式中N----循环泵输送功率
n----循环泵转速
图7中是从输送功率角度，阀位控制在负荷率小于80％时，能耗高于理论控制；反之亦然。由此可以看出，阀位控制的节能潜力已经接近某些理论控制的程度。而在大负荷率时，阀位控制的输送功率小于理论控制的计算值的原因也已说明。
（4）分析小结
本文通过多角度对阀位控制进行了分析。阀位控制的最末端用户压差远小于压差控制、供回水感官温差大于设计值。侧面说明了它的优越节能性；从功率的分析，看出了它的节能能力已接近“三次幂”的理论控制水平 。
五、结语
本文重点介绍并详细分析了新型变流量控制方法——阀位控制法 ，通过模拟实现了此方法。通过分析认为具有优异的节能能力是该方法的一大特点，可有效降低输送能耗 ，进而提高系统的能效 ，从而推动系统应用。
参考文献：
[1]何湘勇空调水系统变流量节能控制分析[期刊论文]《暖通空调》 —2007年1期
[2]孙一坚空调水系统变流量节能控制[期刊论文]《暖通空调》 —2007年6期
[3]刘大伟 龚延风 水环热泵空调水系统变流量节能控制探讨 [期刊论文]《暖通空调》—2009年7期
[4] 周洪煜，徐春霞，陈晓锋，王驹集中空调水系统的变流量节能改造
《重庆大学学报》 —2006年12期