地板辐射供冷系统的控制方法的探讨

作者简介： 韩钊（ 1985 － ） ，男，助理工程师，硕士，天津市房屋鉴定勘 测设计院，主要从事民用建筑暖通空调及给排水设计研究。
3 传统 PID 控制地板辐射供冷系统中的应用
PID 控制是迄今为止最经典的控制方法，各种 DCS、智
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能调节器等均采用该方法来控制，至今在全世界过程控制 中 84% 仍采用纯 PID 调节器。PID 控制结构简单，对模型 误差具有鲁棒性，易于操作反应速度快，控制方便，被广 泛应用于包括暖通空调在内的各个领域。
1991 年，S. B. Leigh 建立了两个埋管地板辐射供暖的实 验小室，分别采用流量控制和供回水温度与室外温度曲线 偏移联合控制，结果表明两种控制方式对于埋管地板辐射 室温控制效果相当，但前者反应较快。
1994 年 D. R. Gibbs 利用集总热容法建立埋管地板辐射 模型，利用该模型分别研究了基于室温的间歇开启分区控 制，基于室外温度和室内温度反馈的单区控制，基于室外 温度和室内温度的分区控制三种控制效果。
糊控制
中图分类号： TU831. 7
文献标识码： B
文章编号： 1672 － 4011 （ 2012） 02 － 0248 － 02
变系统。
图 1 冷媒与室内换热过程图
由以上对比可见，辐射空调与传统空调系统从制冷原 理到传热过程都有很大差异，因此，针对地板辐射供冷系 统的控制方法也应有很大差异。
2 控制策略的研究回顾
传统中央空调控制系统中，主要通过控制送风温度或 送风量等 参 数 实 现 对 室 内 温 度 的 控 制。这 种 控 制 系 统 中， 控制参数少，传热过程相对简单，易于建立数学模型，当 改变送风温度或送风量时房间温度会在相对较短时间内发 生变化，响应时间快。
辐射空调的传热过程可分为冷媒与管壁的传热，管壁 向辐射面的传热和辐射面表面向室内的传热三个过程，这 三个传热过程是同时进行的。如图 1 所示。由于传热过程 复杂，地面惯性大，当改变水温或水量后，要经历很长时 间才能反映在房间温度的变化上。显然这是大滞后、慢时
［2］ 王子介． 低温辐射供暖与辐射供冷［M］． 北京： 机械工业出版 社，2004．
［3］ 陈 磊． 采用 LabVIEW 技术的辐射空调实验台自动控制系统 的研究［D］． 天津： 天津大学，2010．
［4］ 安大伟，王江江，娄承芝． 神经网络 PID 控制器在高大空间恒温 空调系统中的应用［J］． 天津大学学报，2005，（ 3） ．
天津大学于燕玲，宗杰等人对地板辐射供暖房间的温 度调节方法中指出采用室内温度、地板表面温度，及两者 综合为控制参数，通过实验与分析得出单纯采用室内温度 或地板表面温度作为控制参数，都存在着不足之处，双参 数控制较为稳妥。
天津大学凌继红提出分阶段量调节和分阶段质调节相 结合的方 式，并 拟 合 了 供 水 温 度 与 室 外 温 度 之 间 的 关 系， 指出地板辐射供暖系统的调节应充分考虑热惰性。
人工神经网络，顾名思义就是利用模仿人的神经网络 工作原理的计算机程序，来实现一系列的控制、辨识等操 作以使被控制系统更好的达到人们的要求。神经网络是由 大量人工神经元 （ 处理单元） 广泛互联而成的网络，它是 现代神经生物学和认识科学对人类信息处理研究的基础上
［1］ 陈 启，马一 太． 辐 射 顶 板 空 调 系 统 的 优 势［J］． 节 能 技 术， 2005，（ 1） ．
5结语
对地板辐射供冷系统的控制系统的研究还处于渐趋完
善的阶段。笔者已将加入采样控制的 PID 控制器应用于实
际工程，并获得了预期效果。神经网络控制及模糊控制更
适合于这种大滞后、慢时变、非线性、传热过程复杂的系
统，是未来工程应用的趋势。
［ID： 7315］
参 考 文 献：
随着控制对象越来越复杂，控制精度越来越高，控制 理论由经典控制理论发展到了智能控制理论阶段。本文主 要探讨神经网络控制和模糊控制在地板辐射供冷的应用。
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地板辐射供冷系统的控制方法的探讨
韩 钊1，呼志强2，陈 磊3
（ 1. 天津市房屋鉴定勘测设计院，天津 300072； 2. 天津市建筑设计院，天津 300074； 3． 中国建筑上海设计研究院有限公司，上海 200063）
摘 要： 地板辐射供冷系统属于辐射空调的一种形式，
该系统因其节能、舒适的特点，成为了近些年暖通空调领
线圈匝数，v 为逆变电路 3 的输出电压值） ，所以，隔离变压 器 T1 的次级线圈两端的电压即电源输出端 Uo 的输出电压 为 220V，适用于通用照明电器。
电源，保证了救灾现场电源的可靠性。 隔离变压器 T1 的次级线圈的输出端与地之间还连接有
绝缘监测报警电路 4。当输出回路对地绝缘小于 50 kΩ 时发
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人也就不会触电，没有危险； 当相线与地接触时也不会形
点 2KM3 断 开，第 二 交 流 接 触 器 2KM 第 一 常 开 主 触 点 成电气回路，保护开关不会动作，保证了供电的持续性。
域研究的热点。由于该系统传热过程复杂，数学模型难以
建立，影响室温波动的因素多，大滞后、慢时变，非线性，
使得应用于地板辐射供冷的控制系统与传统空调存在很大
差异。本文通过分析地板辐射供冷的特点，回顾以前提出
的各种控制策略，分别探讨了传统 PID 控制、神经网络控
制及模糊控制在地板辐射供冷系统中的应用。
关键词： 地板辐射供冷； PID 控制； 神经网络控制； 模
自上世纪 50 年代，欧美国家已经开始了辐射供暖 / 供 冷控制策略的相关研究：
1949 年，Adlam 提出辐射供暖的控制方式可分为供水 温度控制和流量控制方式。
1989 年，Bourne 的研究认为辐射空调根据室外温度的 变化补偿供水温度的方式是最理想的室内温度控制方式。
1991 年，MacCluer 研究表明： 将控制方式分为室内温 度控制法、室外温度补偿法及室外温度补偿控制 + 流量控 制，并新推出流量比例调节控制方式。
PID 调节是三种作用的合成，分别为 P （ 比例调节） ，I （ 积分调节） ，D（ 微分调节） 。比例调节依据偏差的大小来动 作，其输出与输入偏差的大小成正比。比例调节及时、有 力，但有余差； 积分调节依据偏差是否存在来动作，它的 输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差消失时，积 分作用才会停止。积分的作用是消除余差，但积分作用使 最大动偏差增大，延长了调节时间； 微分调节依据偏差变 化速度来 动 作。它 的 输 出 与 输 入 偏 差 变 化 的 速 度 成 比 例， 其作用是 阻 止 被 调 参 数 的 一 切 变 化，有 超 前 调 节 的 作 用， 对滞后大的对象有很好的效果。它可以克服调节对象的惯 性滞后 τ、容量滞后 τc ，但不能克服调节对象的纯滞后 τ0 。
模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑 推理为基础的一种计算机数字控制技术。其基本思想是利 用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表 达的具有相当模糊性的控制规则。由于模糊控制直接采用 语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相 关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学 模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简 单，便于应用。
哈尔滨工程大学孙刚，刘涛在关于地板辐射采暖控制 方式中指出回水与供水用三通阀连接，根据室内的温度的 变化来调节混合比，并指出调节过程中根据外网水压图来 进行。
T. Y. Chen 将广义预测控制的改进算法应用于地板辐射 供暖，并对 GPC、on—off 和 PI 控制方式进行了实验比较， 发现在响应速度、室内温度最小偏差和开关循环频率等方 面都优于传统控制方式。
3结语
出声光报警，提醒值班人员及时排除故障，保证安全供电。 ［ID： 7386］
由于隔离变压器 T1 的次级线圈的中性点不接地，所以 只有在用电端的相线（ 即火线） 与中性线（ 即零线） 构成连接
参 考 文 献：
4 智能控制应用于地板辐射供冷系统的探索
提出来的，具有很强的自适应性和学习能力、非线性映射 能力、鲁棒性和容错能力。
神经网络控制系统的学习能力和非线性特点可以加快 地板辐射 供 冷 系 统 的 收 敛 速 度，有 效 解 决 其 滞 后 时 间 长、 受室内外热扰影响大的问题； 神经网络控制系统不需要精 确的数学模型，可以解决由于传热过程复杂，辐射空调难 于建立精确数学模型导致的控制精度低的问题。天津大学 安大伟教授等人，将神经网络与传统 PID 控制相结合，组 成带自整定功能的神经网络 PID 控制器，用于同样滞后时 间较长的高大空间恒温空调系统。从仿真结果和实际运行 效果看，响应时间和精确度都明显优于常规 PID 控制［4］。
地板辐射供冷属于辐射空调的一种形式，起源于欧洲， 目前在北欧的一些国家如瑞典、德国等已有许多应用，它 可以创造舒适的室内环境。其节能与热舒适性得到了一致 的好评，正越来越得到广泛地应用。被许多空调专家称为 “未来的空调系统”［2］。地板辐射供冷系统中，冷水盘管敷 设于地面面层内，通过冷却地面，使地面成为辐射面，以 辐射换热 的 形 式 降 低 人 体、家 具 及 围 护 结 构 表 面 的 温 度， 以对流换热的形式降低室内空气的温度，其中，辐射换热 承担大部分余热。并且为防止辐射面结露，辐射面表面温 度应高于露点温度。
针对大滞后、非线性系统，一些工程技术人员基于模 糊控制理论，建立模糊 － smith 控制器。其原理是预先估计 出过程在基本扰动下的动态特性，由模糊 － smith 控制器进 行补偿，使调节器提前动作，从而明显减小超调量和加速 调节过程。国内将模糊 － smith 控制应用于大时滞系统的成 功案例已有不少。
1 地板辐射供冷系统与传统全空气系统的异同
传统的空调系统通过向房间送风，以对流换热的形式 来消除室内的热、湿和污染物。由于空调房间的风量较大， 使得房间内 垂 直 温 度 梯 度 过 高， 有 较 大 的“吹 风 感 ”问 题， 再加上回风的利用使室内空气粉尘浓度得不到降低，引起 空气品质下降，最终引起 “空调病”，不能满足人们对室内 环境舒适性的要求。并且这种空调系统的风机及制冷设备 还消耗了大量的能源，以设备完善的办公楼为例，其中空 调能耗约占其总能耗的 47% 左右［1］。并且空调送风系统， 特别是采用全新风的空调系统风管截面积大、占用建筑空 间大，难于布置。