《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：A distributed cooperative control method for hydraulic balance of central air conditioning based on dynamic compensation
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空调水系统作为中央空调系统中冷热量输送与调节的关键介质，其末端水流量直接影响室内温度。然而，对于空调水系统而言，传统方法难以实现多末端的有效水力平衡与协调控制，从而导致水力失调，影响室内舒适度并增加能耗。因此，借鉴通风系统中使用的分布式协同控制（DCC）方法并
空调水系统作为中央空调系统中冷热量输送与调节的关键介质，其末端水流量直接影响室内温度。然而，对于空调水系统而言，传统方法难以实现多末端的有效水力平衡与协调控制，从而导致水力失调，影响室内舒适度并增加能耗。因此，借鉴通风系统中使用的分布式协同控制（DCC）方法并考虑水的流体特性，研究人员提出了一种针对多末端需求下中央空调系统的新型水力平衡（DCC-HB）方法。基于图论，复杂的管网被抽象为邻接矩阵。随后，提出了一种基于实时参数反馈的动态流量调节机制。利用邻接矩阵表示网络拓扑，建立了一种适用于水力系统非稳态波动特性的动态 DCC 方法。多种工况下的实验验证表明，DCC-HB 方法能够快速、准确地实现多末端间的水力平衡和按需流量分配。在收敛迭代次数、阀门全开时间、最终流量误差、振荡幅度及节能性能方面观察到明显优势。此外，该方法能有效响应末端需求的突变，为空调水系统的水力平衡提供了新方案，在确保室内舒适度的同时降低了能耗。
随着人们对室内环境舒适度要求的不断提高，中央空调系统在调节室内温度方面发挥着至关重要的作用。在中央空调系统中，空调水系统是连接冷水机组、水泵和末端设备的枢纽，其基本任务是通过循环水向各末端设备输送满足冷/热负荷需求的能量。水流量是调节室温和空调送温度的关键，因此，稳定且平衡的温度控制取决于实现空调水系统的动态水力平衡，即确保每个末端单元获得所需的流量。通过按需准确分配流量，可有效减少因末端流量过大造成的能源浪费，从而实现节能降耗。
然而，鉴于水作为介质具有低压缩性和滞后行为等固有流体特性，加之空调水管路配置错综复杂，末端单元实际获得的流量往往与目标要求存在偏差。这种不一致性引发了终端用户间的温度差异，不仅降低了室内舒适度，还增加了系统不必要的能耗。这种系统性低效在技术上被称为水力失调。本研究主要关注办公室或中小型住宅等终端数量相对较少的空调水系统。此类系统在实际工程应用中广泛采用，具有一定的可调节性和灵活性。尽管这些系统规模相对较小且终端设备数量有限，但仍面临水力平衡的挑战。因此，研究空调水系统的水力平衡对于提升用户体验、降低能耗及提高系统运行效率具有重要意义。
现有研究主要集中在解决水力失衡以提高系统运行效率和节能性能上。虽然部分研究通过添加物理装置（如水阀）或建立数据驱动模型、物理机制模型来优化水力平衡，但这些方法在灵活性和适应性方面仍存在局限，难以满足多区域协调控制的需求。数据驱动方法需要大量数据作为训练集，数据不足或不准确会导致模型性能下降；而物理模型驱动方法虽能实现管网各终端的流量调节，却难以同时处理多终端需求。此外，中央空调水系统具有时变、非线性及高度耦合的多变量特征，运行参数随管网水力特性动态变化。现有的分布式控制研究多集中于并联水泵的最优运行或风道系统的空气平衡，尚未见针对水力系统中多终端动态流量需求的分布式控制研究。由于水与空气在压缩性上的显著差异，水流调节对动态响应提出了更高要求，亟需开发一种适用于多终端水力系统的新型分布式协同控制方法。
基于此，研究人员旨在解决非稳态工况下空调水系统多末端难以实现水力平衡和精确流量分配的难题。通过借鉴空气平衡的分布式协同控制方法，开发了一种针对多末端需求的新型水力平衡方法。该研究的主要贡献在于：分析了 DCC 方法应用于水系统调节的适用性及所需改进，建立了适用于空调水系统水力平衡的分布式协同控制方法（DCC-HB）；提出了基于实时参数反馈的动态流量调节机制，引入涉及流量和阀门开度的补偿项以实现水力平衡的动态补偿；并通过多重对比实验验证了该方法的可行性。
在技术方法层面，研究人员构建了包含混合被动热虹吸梁（HPTB）、热泵、变频水泵、缓冲水箱、电动水阀、测温仪器及涡街流量计的实验平台。研究基于图论将复杂管网抽象为邻接矩阵以表征网络拓扑结构。核心在于提出了一种动态流量调节机制，该机制利用实时参数反馈，结合水的流体特性和系统动态调节需求，引入包含流量和阀门开度的补偿项进行动态补偿。这种方法建立了一种适用于水力系统非稳态波动特性的动态分布式协同控制（DCC）策略，并通过实验平台在不同工况下进行了验证。
研究结果主要包含以下几个方面：首先，在不同目标流量工况下，将直接采用的空气平衡方法作为基线对照组，从五个维度评估了 DCC-HB 方法的适用性。实验结果表明，在收敛迭代次数方面，DCC-HB 方法显著减少了达到平衡所需的迭代步数；在阀门全开时间上，该方法缩短了系统响应时间；在最终流量误差方面，实现了更精准的流量控制，误差极小；在振荡幅度上，有效抑制了流量调节过程中的波动；在节能性能上，表现出明显的优势。其次，该方法展示了应对多区域流量需求的能力，能够解决多末端水力平衡问题。最后，系统对末端负荷变化表现出快速响应能力，有效应对了突发性的需求变更。
讨论与结论部分指出，针对空调水系统多末端水力平衡和精确流量分配的难题，本研究提出的 DCC-HB 方法通过实验验证了其有效性。研究结论表明，该方法不仅适用于空调水系统的动态水力平衡调节，还能在多区域流量需求下解决水力失衡问题，并快速响应终端负荷变化。通过引入动态补偿机制，显著提高了系统的收敛效率，为实现水系统的最优控制提供了新方向。该方法在确保室内舒适度的前提下，有效降低了能耗，具有重要的工程应用价值。
