中央空調節(jié)能控制的設計應用

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　摘要：文章主要介紹了采用樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）實現(xiàn)對空調末端設備的節(jié)能自動控制。當空調負荷發(fā)生變化時，通過采集一組參數(shù)值，經(jīng)模糊運算，改變冷水機組工作 狀態(tài)、冷凍（溫）水和冷卻水流量和冷卻塔風機的風量，確保冷水機組始終工作在效率最佳狀態(tài)，使主機始終處于高轉換效率的最佳運行工況。

　　關鍵詞：樓宇自動化 節(jié)約能源 空調末端裝置

　　1、當前空調系統(tǒng)設計中的節(jié)能措施

　　1.1 采用樓宇設備自動控制技術對空調末端裝置進行控制

　　在智能建筑中通常采用樓宇設備自控系統(tǒng)，對中央空調系統(tǒng)末端的新風機、回風機、變風量風機、風機盤管等裝置進行狀態(tài)監(jiān)視和使用的“精細化”控制，以實現(xiàn)節(jié)能的目的。它通過DDC（直接數(shù)字控制器）控制器，將檢測的相關量值進行PID（比例、積分、微分）運算，實現(xiàn)對上述設備的PID控制，達到一定的節(jié)能效果。這種對空調末端設備的控制可節(jié)能10％-15％，因為不能實現(xiàn)對空調制冷站及空調水系統(tǒng)的智能控制，因此，節(jié)能效果不顯著。這種節(jié)能控制技術的典型代表產(chǎn)品和生產(chǎn)廠商有：

　?。?）美國霍尼韋爾公司EXCEL5000樓宇設備自控系統(tǒng)；

　?。?）美國Johnson公司的樓宇自動化系統(tǒng)；

　　（3）德國西門子公司S600頂峰系統(tǒng)等。

　　空調末端設備的控制采用樓宇自動化系統(tǒng)（BAS），這些設備的主要特性均實現(xiàn)了對空調末端設備的節(jié)能自動控制，并為動態(tài)變流量空調節(jié)能控制系統(tǒng)的運行創(chuàng)造了更為良好的外部條件。

　　1.2 采用通用變頻器對中央空調系統(tǒng)中的水泵和風機進行控制

　　為降低中央空調系統(tǒng)的能源浪費，宜采用通用變頻器來控制空調系統(tǒng)的水泵和風機，通過對供、回水壓差或溫差的采集，對水泵和風機進行PID調節(jié)，以達到節(jié)能效果。這種控制方法通?？梢怨?jié)約水泵和風機等電機拖動系統(tǒng)的電能約20％，最高可達30％。這種節(jié)能控制技術的生產(chǎn)廠商和典型代表產(chǎn)品有：

　?。?）美國AB（Allen Bradley）公司，代表產(chǎn)品有通用變頻器1336PLUSII系列產(chǎn)品；

　?。?）法國施耐德電氣（SchneiderElectric）公司，代表產(chǎn)品有Ahivar38系列異步電動機變頻器；

　　（3）德國西門子（SIEMENS）公司，代表產(chǎn)品有通用變頻器MICROMASTER440系列產(chǎn)品。

　　2、動態(tài)變流量空調節(jié)能控制系統(tǒng)

　　2.1 動態(tài)變流量控制原理

　　當空調負荷發(fā)生變化時，通過采集一組參數(shù)值經(jīng)模糊運算，及時調節(jié)冷水機組、各水泵和冷卻塔風機的運行工作參數(shù)，從而改變冷水機組工作狀態(tài)、冷凍（溫）水和冷卻水流量，改變冷卻塔風機的風量，確保冷水機組始終工作在效率最佳狀態(tài)，使供回水溫度始終處于設定值，從而使主機始終處于高轉換效率的最佳運行工況。

　　動態(tài)變流量控制的核心是變流量控制器，在控制器中建立了知識庫、模糊控制模型和模糊運算規(guī)則，形成智能模糊控制。通過采集影響冷水機組運行的各種參數(shù)，經(jīng)模糊運算，得出相應的控制參數(shù)，這些控制參數(shù)被送到冷水機組、冷凍（溫）水控制子系統(tǒng)、冷卻水控制子系統(tǒng)、冷卻塔風機控制子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)根據(jù)控制參數(shù)的 變化，利用現(xiàn)代變頻控制技術，改變空調系統(tǒng)循環(huán)水的流量和溫度，以保證整個系統(tǒng)在滿負荷和部分負荷情況下，均處于最佳工作狀態(tài)，從而最終達到綜合節(jié)能的目的。

　　2.2 動態(tài)變流量節(jié)能控制方法

　　2.2.1 變流量冷卻水泵系統(tǒng)

　　當末端空調負荷減少時，反映到冷水機組將出現(xiàn)冷卻水出水溫度降低的現(xiàn)向，溫度傳感器檢測出這種變化趨勢后，模糊控制系統(tǒng)將自動降低冷卻水泵的工作頻率，降低冷卻水進水流量，提高冷卻水出水溫度，并使進、出水溫差控制在最佳設定值上，維持冷水機組的高效率運行。

　　2.2.2 一次泵變流量系統(tǒng)

　　當末端空調負荷變小時，末端空調設備前的兩通閥將會關閉或減小，負荷側回路管路的阻力增大，冷凍水供、回水溫差將出現(xiàn)減小，供回水管的壓差將出現(xiàn)增高的趨勢。水溫傳感器及水流壓差器檢測出這種趨勢后，模糊控制系統(tǒng)將自動降低冷凍水泵的工作頻率，減少冷凍水流量，并使供回水溫差及供回水壓差控制在最佳設定值 上，維持冷水機組的高效率運行。

　　2.2.3 二次泵變流量設計

　　二次泵變流量系統(tǒng)分為一級泵變流量系統(tǒng)和二級泵變流量系統(tǒng)。其控制原理及效果與一次泵變流量大致相同（在這里不再一一贅述）。而一級泵系統(tǒng)負責確保冷水機組的安全運行，一級泵系統(tǒng)的旁通管路一般設計為直通管，管徑按一臺冷水機組額定流量設計。一次泵變流量系統(tǒng)跟蹤二級泵環(huán)路的流量變化，并保證一級泵環(huán)路的流量大于二級泵環(huán)路的流量，使旁通冷凍水管保持從供水管流向回水總管。當旁通管的流量超出設定值的范圍時，變流量控制器將模糊PID調節(jié)一級泵的工作頻率，使旁通管的流量返回設定值。

　　3、動態(tài)變流量節(jié)能控制系統(tǒng)與目前通用變頻器控制系統(tǒng)的區(qū)別

　　3.1 控制原理不同

　　通用變頻器控制是采用通用變頻器對受控的水泵電機、風機電機進行單獨的控制。當其控制系統(tǒng)檢測到某一受控量值時，就按這個量值與給定值之間的誤差進行比例（P）、積分（1）和微分（D）之間的線性組合進行控制，即PID控制。這種控制方法只適合于線性系統(tǒng)中，并對單一控制對象實施控制。

　　動態(tài)變流量節(jié)能控制系統(tǒng)是采用模糊控制技術與變頻技術相結合的控制原理，雖然也使用了通用變頻器（VVVF），但它不是采用PID控制方式，而是采用模糊控制方法。也就是在整個系統(tǒng)控制過程中，以語言描述人類知識，并把它表示成模糊規(guī)則或關系，通過推理、利用知識庫，把某些知識與過程狀態(tài)結合起來的控制行為。它并不具有明顯的PID結構，但也可以稱為非線性PID控制器，它是根據(jù)系統(tǒng)的誤差信號和誤差的微分或差分來決定控制器的參數(shù)，尤其適合非線性和時變性的被控對象。

　　3.2 控制方法的不同

　　中央空調系統(tǒng)的受控參數(shù)受季節(jié)變化、環(huán)境變化、使用時間、人流量等多種因素的綜合影響，是一個隨機變量，而不是一個線性系統(tǒng)，只是一個非線性系統(tǒng)。因此，決定中央空調系統(tǒng)冷凍（溫）水流量和溫度、冷卻水流量和溫度的需求量也是一個隨機變量。

　　通用變頻器所采用的最重要的控制參數(shù)，如比例系數(shù)K、積分時間常數(shù)T1和微分時間常數(shù)Td都是使用經(jīng)驗數(shù)據(jù)或試驗數(shù)據(jù)確定的，一旦選定就不能自動調節(jié)。因此，PID控制系統(tǒng)只適合于線性系統(tǒng)，對于非線性系統(tǒng)不可能達到最佳控制，即選用比例系數(shù)和時間常數(shù)后，采用同一種控制方法對付各種不同的負荷狀態(tài)，效果當然是不理想的。

　　模糊控制系統(tǒng)本來就不要求準確掌握受控量的數(shù)值，但是它已經(jīng)考慮了受控量的各種可能性，跟蹤受控參數(shù)的變化，始終使被控系統(tǒng)處于最佳運行狀態(tài)，對于各種非線性系統(tǒng)和時變性系統(tǒng)都能提供最佳的決策。

　　3.3 控制效果的不同

　　通用變頻器用PID控制方法，控制非線性系統(tǒng)時，很容易引起中央空調系統(tǒng)的強烈振蕩，使控制范圍在較大范圍內波動，增加了系統(tǒng)的能耗，也很容易使系統(tǒng)長時間都不能達到給定值的穩(wěn)定狀態(tài)，控制效果不理想，對于主機所配套的冷凍水泵和冷卻水泵以及冷卻塔風機等設備的節(jié)能最多在20％-30％之間。因其采取了保障冷水機組工作狀態(tài)的措施，不可能節(jié)約燃料和主機電能。當然，也不能實現(xiàn)資源共享和無人值守管理。

　　而動態(tài)變流量節(jié)能控制系統(tǒng)由于建立了優(yōu)化模糊控制模型，對于中央空調系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題都給出充分的估計，因此，在計算中存儲的總決策表能提供最佳的控制方案，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，極少出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，系統(tǒng)很快就能達到穩(wěn)態(tài)?？刹捎脺蚀_調節(jié)流量的方法去實現(xiàn)節(jié)能，水泵以及冷卻塔等平均節(jié)能達60％-80％。由于采取了特殊措施保障中央空調主機的高轉換效率，機組COP值始終處于最佳值，因此對于吸收式溴化鋰機組可節(jié)約燃料20％-40％，對于電制冷主機可節(jié)電10％-30％。

　　動態(tài)變流量控制器具有強大的節(jié)能功能，在系統(tǒng)設計時就進行了系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了各子系統(tǒng)的聯(lián)動和互操作，達到了資源的共享的目的。由于自動功能非常強大，從而實現(xiàn)了無人值守管理和聯(lián)網(wǎng)管理等，節(jié)省了人力、物力。這些都是通用變頻控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的。

　　4、在工程中應用的節(jié)能效果動

　　態(tài)變流量空調節(jié)能控制系統(tǒng)分別在貴州華城大酒店、貴州日報社、上海新錦江大酒店和成都國際會展中心等實際運行考核，驗證了動態(tài)變流量空調節(jié)能控制系統(tǒng)的節(jié)能效果。實踐證明：變流量中央空調系統(tǒng)與定流量中央空調系統(tǒng)相比較，水泵以及冷卻塔等平均節(jié)能達60％－80％；對于吸收式溴化鋰機組可節(jié)約燃料20％－40％；對于電制冷主機可節(jié)電10％－30％?；趧討B(tài)變流量空調節(jié)能控制系統(tǒng)的節(jié)能效果，筆者在重慶市第二人民醫(yī)院住院綜合大樓（建筑面積29000m²，采用電制冷主機）和第三軍醫(yī)大學圖書綜合樓（建筑面積36000m²，采用吸收式溴化鋰機組）設計中采用了動態(tài)變流量空調節(jié)能控制系統(tǒng)，預計每項工程每年節(jié)約中央空調總運行費用達50-80萬元。

　　5、結束語

　　中央空調系統(tǒng)節(jié)能的潛力巨大，動態(tài)變流量空調節(jié)能控制系統(tǒng)給空調水系統(tǒng)的控制帶來一場革命，同時，給空調系統(tǒng)節(jié)能帶來前所未有的效果，具有廣闊的應用前景，值得大力推廣。