中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)優(yōu)化控制研究*

蔣紅梅 任慶昌 馮增喜

(1:西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安710055;2:蘭州理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，蘭州730050;3:西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，西安710055)

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，空調(diào)的使用在不斷增加.空調(diào)耗能量的增大，使其對能源的需求量激增，能源供給的緊張狀況顯得日趨嚴(yán)重.要降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，對空調(diào)水系統(tǒng)能耗的節(jié)約是十分必要的.

室內(nèi)人員流動、室外溫度的變化、室內(nèi)熱源的變化等一系列因素，都將使空調(diào)房間的負(fù)荷偏離設(shè)計工況下的負(fù)荷.因此，空調(diào)應(yīng)是能夠隨負(fù)荷狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)時跟蹤負(fù)荷變化，不僅僅是送風(fēng)量可調(diào)的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，冷凍水也可以實(shí)現(xiàn)變流量調(diào)節(jié).

1 變水量空調(diào)系統(tǒng)及變壓差控制

通過改變風(fēng)流量或水流量方式以適應(yīng)負(fù)荷變化的空調(diào)系統(tǒng)稱為變流量空調(diào)系統(tǒng).變水量(Variable Water Volume，簡稱VWV)系統(tǒng)是指冷水機(jī)組供、回水溫差保持不變，當(dāng)空調(diào)負(fù)荷變化時，通過改變機(jī)組負(fù)荷側(cè)的水流量來適應(yīng)空調(diào)末端負(fù)荷的變化，其水流量跟隨負(fù)荷的變化而改變.當(dāng)末端負(fù)荷減少時，水系統(tǒng)的水流量隨之減少，使系統(tǒng)輸送給負(fù)荷的冷量減少，以適應(yīng)負(fù)荷減少的要求.因?yàn)樗髁康臏p少能夠大幅度降低水系統(tǒng)的輸送能耗，因而具有顯著地節(jié)能效果［1］.

變水量技術(shù)的主要環(huán)節(jié)是根據(jù)實(shí)際負(fù)荷變化情況來調(diào)節(jié)冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)冷凍水流量的控制.通常選用壓差反映系統(tǒng)的負(fù)荷變化，即根據(jù)壓差的變化來調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速.如果選取的壓差設(shè)定值過大，將不能充分地挖掘水泵在部分負(fù)荷下的節(jié)能潛力;如果選取的壓差設(shè)定值過小，可能無法滿足各用戶在一些工況下的用能需求.因此，如何兼顧負(fù)荷需求與水泵節(jié)能效果，進(jìn)行壓差設(shè)定值的優(yōu)化設(shè)置，是變流量技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問題［2-4］.

變壓差控制的原理是當(dāng)空調(diào)房間的溫度降低時，室溫控制器使冷凍水調(diào)節(jié)閥關(guān)小，進(jìn)入房間的冷量減少以適應(yīng)室溫的變化;閥門開度的變化又被閥門控制系統(tǒng)的閥門檢測器檢測到，通過與閥門設(shè)定值(最大值)比較，再通過變頻控制器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速以減少進(jìn)入室內(nèi)的冷量，使得室溫上升;室溫控制器檢測到室溫上升就會開大調(diào)節(jié)閥的開度.因此，不僅滿足空調(diào)用戶負(fù)荷變化的需要，而且使調(diào)節(jié)閥始終處于最大開度，降低了揚(yáng)程在調(diào)節(jié)閥上的阻力損耗，節(jié)省了水泵的輸送能耗.

變壓差控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示.變壓差控制系統(tǒng)是通過一定的控制算法，按照一定的規(guī)律改變壓差設(shè)定值，在保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能和穩(wěn)定性能的前提下，盡量使支路的調(diào)節(jié)閥的最大開度處于全開的位置，從而最大限度地減小調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失，因而可以取得最大的節(jié)能效果.因?yàn)殚y門開度的變化在一定程度上反映了負(fù)荷變化的大小，因此可以將其作為調(diào)節(jié)參數(shù).

綜合考慮壓差設(shè)定值和閥門的開度，把設(shè)定值考慮成一個可變量.但在實(shí)際控制系統(tǒng)中，由于閥門的調(diào)整頻率較高，為保證水泵控制的穩(wěn)定性，壓差設(shè)定值的調(diào)整不宜過于頻繁，如圖1所示的控制方式，具體做法如下:①任何時候所有的閥門開啟度都小于70 %，這種狀態(tài)連續(xù)保持30 min，把壓差的設(shè)定值減少10 %;②至少有一個末端的閥位處于70 %～90 %之間，則壓差設(shè)定值不變;③任何時候有閥門開啟度大于90 %，這種狀態(tài)連續(xù)保持30 min，把壓差設(shè)定值增加10 %.

圖1 變壓差控制系統(tǒng)原理圖

由于不同支路上調(diào)節(jié)閥的選型也不同，因而各支路對調(diào)節(jié)閥全開的定義亦不同，如:有的調(diào)節(jié)閥開度達(dá)到75 %以上時，就認(rèn)為此閥全開了.因此，變壓差控制不但要檢測各支路的閥門開度，還要對閥門開度值進(jìn)行邏輯判斷，并根據(jù)要求的保證率采取一定的控制算法來控制壓差設(shè)定值的變化［5-7］.

2 基于迭代算法的變壓差控制

為防止系統(tǒng)的強(qiáng)烈震蕩甚至失穩(wěn)，要求每次求出的設(shè)定值要逐步加到壓差控制系統(tǒng)上，使壓差控制過程從一個穩(wěn)態(tài)按事先給定的目標(biāo)軌跡運(yùn)行到另一個穩(wěn)態(tài).

對于壓差優(yōu)化控制過程，由于壓差設(shè)定算法產(chǎn)生的控制器設(shè)定值是幅值不等的階躍序列，因此，壓差設(shè)定值的理想軌跡的幅值應(yīng)隨控制器設(shè)定值的幅值變化而變化.與此同時，壓差設(shè)定值的理想軌跡應(yīng)保證達(dá)到良好的動態(tài)品質(zhì)，如:很少或沒有超調(diào)、響應(yīng)速度快、過渡時間短等良好特性.因此可采用基于迭代算法的變壓差控制［8］，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 迭代控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 壓差理想軌跡的選取

壓差優(yōu)化算法產(chǎn)生壓差設(shè)定值序列p1，p2，pk…，pk+1，為防止系統(tǒng)的強(qiáng)烈震蕩甚至失穩(wěn)，要求每次求出的設(shè)定值要逐步加到壓差控制系統(tǒng)上.

對于壓差優(yōu)化控制過程，由于壓差設(shè)定算法產(chǎn)生的控制器設(shè)定值是幅值不等的階躍序列，因此，壓差理想軌跡的幅值應(yīng)隨控制器設(shè)定值的幅值變化而變化.與此同時，壓差理想軌跡應(yīng)具有良好的動態(tài)品質(zhì)，如很少或沒有超調(diào)、響應(yīng)速度快、過渡時間短等良好特性.

則壓差理想軌跡的選取方法可為:若對應(yīng)于設(shè)定點(diǎn)p1的壓差理想軌線選定為yd1(t)，則對應(yīng)于設(shè)定點(diǎn)pk的理想軌線為:

2.2 迭代學(xué)習(xí)控制單元

由壓差設(shè)定算法產(chǎn)生控制器設(shè)定點(diǎn)序列p1，p2，…，pk，pk+1，迭代學(xué)習(xí)控制單元根據(jù)控制器設(shè)定值pk+1，壓差控制回路輸出實(shí)際壓差值yk(t)和給定的壓差理想軌線ydk(t)，以及上次迭代時的控制輸入xk(t)產(chǎn)生當(dāng)前控制系統(tǒng)的輸入xk+1(t)，為了提高迭代學(xué)習(xí)控制效率，可采用加權(quán)閉環(huán)PID型迭代學(xué)習(xí)控制算法:

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)

以西安建筑科技大學(xué)變風(fēng)量空調(diào)控制實(shí)驗(yàn)室為研究對象.利用M序列辨識出二次泵頻率與壓差模型并對壓差與冷水流量進(jìn)行擬合，得出壓差與流量的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)夏季某日8∶00～20∶00，由于室外溫度的變化及室內(nèi)負(fù)荷的變化引起空調(diào)區(qū)域的熱負(fù)荷變換，由室外氣象條件和室內(nèi)負(fù)荷來計算冷凍水初始流量和初始頻率，并根據(jù)各末端的負(fù)荷變化檢測到各冷凍水閥開度的變化，利用壓差設(shè)定算法得到壓差設(shè)定值序列為{17，17，19，19，21，23，26，29，32，36，40，45，50，55，55，50，45，40，40，45，40，36，32，29，26}.對壓差進(jìn)行迭代學(xué)習(xí)控制，控制效果如圖3所示.

如不采用迭代學(xué)習(xí)控制，則其與采用迭代學(xué)習(xí)控制的控制效果比較如圖4所示.從圖4可看出，對系統(tǒng)進(jìn)行變壓差控制時，施行迭代學(xué)習(xí)控制時上升時間加快，震蕩減少，過渡時間縮短，系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)得到顯著改善.

圖3 迭代學(xué)習(xí)控制效果圖

圖4 迭代學(xué)習(xí)控制比較圖

3 能耗分析

由于壓差與二次泵的頻率和能耗有關(guān)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測得二次泵頻率與壓差、能耗及冷水流量關(guān)系.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對壓差與二次泵功率進(jìn)行擬合分析，可得到壓差與功率的關(guān)系，并由此得出二次泵功率的變化曲線如圖5所示.

圖5 二次泵功率變化曲線圖

從圖5可得出，采用變壓差控制二次泵耗能9 486.112(W.h)，如采用定壓差二次泵耗能11 200(W.h)，采用變壓差控制二次泵可節(jié)能15.303 %.

4 結(jié)論

中央空調(diào)系統(tǒng)中，基于迭代算法的變壓差控制能夠依據(jù)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的變化自動調(diào)整壓差設(shè)定值，在滿足滿足空調(diào)用戶的負(fù)荷要求的前提下，始終使閥門盡量開度最大，降低了揚(yáng)程阻力的損耗，節(jié)省了水泵的輸送能耗，較之常規(guī)的定壓差法有效地減少了二次泵能耗.

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