新型中央空調節能控制系統研究

   摘   要：本文介紹了一種新型中央空調節能控制系統。系統基于變預技術，結合最優化控制、模糊控制以及計算機技術，具有負荷隨動跟蹤特性。結合專用管理專家系統軟件，成為中央空調系統節能控制領域的發展趨勢。 
       關鍵詞：中央空調；節能；變頻；負荷隨動 
        1  引言 
        隨著電能緊缺問題的日益嚴重，節能技術已被政府部門、各行各業所重視并推崇。現代高層建筑及智能大廈的飛速發展，中央空調由于其高能耗性已成為令人最為關注的難題之一，其節能技術的研究日益加強川。 
        根據節能技術原理以及適用情況不同，目前一般有幾種不同的節能方案：(1)熱交換型（余熱利用），是通過平隔板完成空調回風和新風透過型全熱交換的，缺點是節能幅度低；(2)水（冰）蓄冷型的原理是夜間將空調冷凍水制冷并儲存，白夭不開空調主機僅使用水系統循環制冷，特點是避峰但不節電；(3)通用變頻器型是利用通用變頻器實現對風機和水泵運轉的PID控制，局限性在于一旦選定了比例常數Kp、積分時間常數TI和微分時間常數TD之后，控制方式就已經確定，不可能跟隨受控量值的變化而自動調整，也就是不可能達到最佳的節能效果。 
        新型中央空調節能控制系統要求能夠隨動跟蹤系統實時變換負荷量，調節系統中各能耗設備功率輸出以適應空調負荷的變化，并保證主機系統始終處于優化的最佳工作點上，使空調系統的效率（COP值）始終保持最大值。這就要求系統必須在采用一般變頻節能技術的基礎上，綜合運用最優化控制原理、模糊控制技術、計算機技術，最后成為一種具有負荷隨動跟蹤節能控制功能的新型中央空調節能控制系統。 
        2  中央空調變頻節能技術原理 
        2.1中央空調及電控系統基本組成
大、中型中央空調由三部分組成：制冷／制熱站、空調水管網系統、空調末端裝置（空調機組，風機盤管和新風機組等）。中央空調系統的耗能拖動設備主要有：冷水機組拖動系統（中央空調主機）；冷凍泵拖動系統（由若干臺水泵組成）；冷卻泵拖動系統（由若干臺水泵組成）；風機拖動系統（包括若干室內風機和若干冷卻塔風機）。 中央空調變頻調速系統的控制依據是：中央空調系統的外部熱交換由兩個循環水系統來完成。循環水系統的回水與進（出）水溫度之差，反映了需要進行熱交換的熱量。因此，根據回水與進（出）水溫度之差來控制循環水的流動速度，從而控制熱交換的速度，是比較合理的控制方法。同時，循環水進出口壓差也可以作為控制的一種參數。
        中央空調電控系統由主機系統、冷凍水子系統、冷卻水子系統等組成。其中冷凍水子系統、冷卻水子系統的節能潛力非常大。由于客流量和晝夜氣溫變化很大，每一時刻所需的冷（熱）量的變化也很大。由于電機不能調速，外界的氣溫和客流量的變化不受人為的控制，為了滿足最大客流量的要求，冷凍水泵（熱泵）、冷卻水泵、冷卻風機都必須長期運行在滿載荷狀態。這樣造成泵機的電能和壓縮機組的冷量浪費非常巨大^[2]。
        2.2中央空調變頻節能技米基本原理 
        選用冷凍泵變頻子系統、冷卻泵變頻子系統、冷卻風機變頻子系統，自動檢測冷凍水、冷卻水溫度，自動調節冷凍水泵（熱泵）、冷卻水泵、冷卻風機，使其處于最佳經濟運行狀態，同時可減少冷（熱）量在管道循環中的浪費。 
        以冷凍泵變頻子系統為例，其控制方案如圖1所示仁“〕。它的水溫取決于蒸發器的設定值，回水溫度取決于蒸發器接收的熱量，中央空調冷凍水出水的溫度與冷凍水的回水溫度設計最大溫差為5C（出水為8C，回水為13C )。現采用在蒸發器的出水管和回水管上裝有檢測溫度的變送器。再與PID溫度調節器、控制器和變頻器組成閉環控制系統，通過冷凍水的溫差來控制，使冷凍水泵機組的轉速相應于熱負載的變化而變化，當第1臺電機已達到工頻但達不到要求時就可啟動第2臺電機，工頻運行，然后調控第1臺電機。這樣不斷調整控制，使其達到最佳的效果。

圖I 冷凍泵變頻子系統控制結構圖 
      

        3  新型中央空調節能系統 
        3.1新型中央空調節能系統概述 
        新型中央空調節能系統是在變頻控制的基礎上，運用最優化控制原理、模糊控制等現代控制理論技術，結合現代計算機技術以及機電一體化技術集成的一個智能化控制系統。它可根據空調末端負荷的變化和空調主機的運行工況，自動對中央空調水系統參數（溫度、壓力、流量等）進行完整的采樣和控制，使系統冷媒流量跟隨負荷的變化而同步變化，同時優化主機運行環境，從而達到大幅度降低能源消耗的目的。
具體地說，就是對中央空調能源運行系統的動態監測和閉環控制，最佳控制、模糊控制等現代控制理論技術，結合現代計算機技術，將空調主機的定流量運行改為變流量運行，實現空調主機冷媒流量跟隨末端負荷需求而同步變化，在空調系統的任何負荷條件下，都能既確保中央空調系統的舒適性，又實現最大的節能。

        3.2負荷隨動跟蹤節能控制技術對中央空調各部分進行全面控制，而且通過系統集成技術將各個控制子系統在物理上、邏輯上和功能上相互連在一起，實現它們之間的信息綜合、資源共享，在一個計算機平臺上進行集中控制和統一管理。根據系統的運行工況及制冷工作參數的變化，通過模糊控制器動態調整空調系統運行參數，確保空調主機始終處于優化的最佳工作點上，使主機始終保持具有高的熱轉換效率。如圖2所示。 
        中央空調系統負荷變化造成空調主機及其水系統偏離最佳工況時，模糊控制器根據數據采集得到各種運行參數值，如系統供回水溫度、供回水壓差、流量及環境溫度等，經推理運算后輸出優化的控制參數值，對系統運行參數進行動態調整，確保主機在任何負荷條件下，都有一個優化的運行環境，始終處于最佳運行工況。 
        3.3中央空調管理專家系統 
        新型中央空調節能系統是一個集成的大系統， 根據其規模的大小對應配置同等規模的成套設備進行控制。為了便于用戶的實時系統狀況監控，根據
不同用戶靈活配置系統、運行策略選擇、數據分析及系統管理，還必須有一套強大的系統管理軟件。

圖2系統控制結構圖 
       

        基于系統集成技術和組態軟件技術的中央空調管理專家系統可以勝任此項工作。中央空調管理專家系統一般可由下面幾個子系統組成： 
        (1)系統組態：根據用戶不同規模、需求靈活配置系統的控制對象規模及連接方式。 
        (2）運行策略：根據用戶特點及不同需求靈活選擇最佳運行策略，包括系統控制模式、聯動控制對象、服務質量控制等。 
        (3)狀態監控：通過全面的運行參數采集，利用圖形化的組態軟件全面、形象、動態、實時地提供系統運行狀態的監視與控制，包括主機系統、一次冷溫水系統、二次冷溫水系統、冷卻水系統、冷卻塔系統、閥門系統、器件系統等。 
        (4)數據分析：記錄系統運行的主要參數，并進行統計和分析，提供用戶決策判斷的依據，包括能耗曲線、主機效率曲線、電耗累計值、操作記錄、故障記錄等。 
        (5)系統管理：主要給系統及企業管理者提供信息平臺及管理平臺。
安裝中央空調管理專家系統后，不但操作人員能夠在計算機上實時監控冷水機組、冷凍水泵機組、冷卻水泵機組、冷卻水塔、樓層風柜、新風機、送風機、排風機工作狀態，以及樓宇內外環境溫度、濕度、樓層溫度、空氣品質、冷凍、冷卻水供回水溫度、壓力、主要設備消耗功率等上百個工藝參數，降低設備運行的盲目性，而且大廈各級管理人員也可以隨時通過計算機網絡對整個中央空調系統運行狀況進行監視，提高樓宇管理水平。 
        中央空調管理專家系統能夠將整個中央空調系統設備運行狀態、工藝參數、故障報警無限期保存并打印，供管理人員隨時查閱。自動記錄空調設備累計運行時間，為設備檢修提供依據。中央空調管理專家系統對系統操作進行了權限設定，包括管理級、工程師級、操作員級，從而保證了系統運行的可靠性和安全性。 
        4  結  論 
        中央空調節能技術的推廣給企業帶來的社會效益和經濟效益是顯而易見的，而且符合環保節能的理念，因此近幾年得到了大力發展。大部分已實施的中央空調節能項目都是采用了如引言中所述的前三種技術（以通用變頻器節能最廣泛），也取得了一定效果。但是，它們的共同缺陷是沒有從整個系統出發，綜合利用所有的系統參量和工況信息，在負荷隨動的情況下，能根據科學的控制方法，使主機系統始終處于優化的最佳工作點上，使空調系統的效率(COP值）始終保持最大值。另外，一套科學的系統專家管理軟件對于大系統而言，也是非常必要的。這些都是中央空調系統節能控制領域的發展趨勢。