淺論中央空調(diào)的節(jié)能控制

董茴

【摘要】本文首先闡述當(dāng)前空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的節(jié)能措施，其次，詳細(xì)介紹了動(dòng)態(tài)變流量節(jié)能控制系統(tǒng)的控制原理、控制方法及節(jié)能效果。

【關(guān)鍵詞】中央空調(diào)；節(jié)能措施；動(dòng)態(tài)變流量節(jié)能系統(tǒng)

【Abstract】This paper firstly discusses the design of air conditioning system energy saving measures，Secondly， introduces the control principle， dynamic flow changing energy-saving control methods of the control system and the energy saving effects.

【Key words】Central air conditioning；Energy-saving measures；Dynamic variable flow systems

眾所周知，能源是人類生存和社會(huì)發(fā)展必需的物質(zhì)基礎(chǔ)，節(jié)約能源是人類共同使命。自20世紀(jì)70年代發(fā)生全球性“能源危機(jī)”以來(lái)，能源問(wèn)題的嚴(yán)重性已得到世界各國(guó)政府的普遍重視?！肮?jié)約能源”一直是我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策，堅(jiān)持“節(jié)約和開發(fā)并舉，把節(jié)約放在首位”一直是我國(guó)節(jié)能工作的長(zhǎng)期方針。大力推進(jìn)節(jié)能技術(shù)進(jìn)步，大幅度提高能源利用率，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，是我們面臨的促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)向節(jié)能型轉(zhuǎn)變的一項(xiàng)重要任務(wù)。建筑物的能耗約占全國(guó)能耗的1/3，中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗占了我國(guó)建筑物能耗的65%，這是一個(gè)非常驚人的數(shù)字?？照{(diào)系統(tǒng)的節(jié)能對(duì)于降低整幢建筑的能耗是非常關(guān)鍵的。為此，設(shè)計(jì)推廣采用當(dāng)今最先進(jìn)的中央空調(diào)節(jié)能控制產(chǎn)品和技術(shù)是我們每個(gè)設(shè)計(jì)人員義不容辭的責(zé)任和義務(wù)。

1. 當(dāng)前空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的節(jié)能措施

1.1采用樓宇設(shè)備自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)空調(diào)末端裝置進(jìn)行控制。

1.1.1在智能建筑中通常采用樓宇設(shè)備自控系統(tǒng)，對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)末端的新風(fēng)機(jī)、回風(fēng)機(jī)、變風(fēng)量風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管等裝置進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視和使用的“精細(xì)化”控制，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。它通過(guò)DDC（直接數(shù)字控制器）控制器，將檢測(cè)的相關(guān)量值進(jìn)行PID（比例、積分、微分）運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述設(shè)備的PID控制，達(dá)到一定的節(jié)能效果。這種對(duì)空調(diào)末端設(shè)備的控制可節(jié)能10%～15%，因?yàn)椴荒軐?shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)制冷站及空調(diào)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(shù)的典型代表產(chǎn)品和生產(chǎn)廠商有：

（1）美國(guó)霍尼韋爾公司EXCEL 5000樓宇設(shè)備自控系統(tǒng)。

（2）美國(guó)Johnson公司的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。

（3）德國(guó)西門子公司S600頂峰系統(tǒng)等。

1.1.2空調(diào)末端設(shè)備的控制采用樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。 （BAS），這些設(shè)備的主要特性均實(shí)現(xiàn)了對(duì)空調(diào)末端設(shè)備的節(jié)能自動(dòng)控制，并為動(dòng)態(tài)變流量空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的運(yùn)行創(chuàng)造了更為良好的外部條件。

1.2采用通用變頻器對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)中的水泵和風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。 為降低中央空調(diào)系統(tǒng)的能源浪費(fèi)，宜采用通用變頻器來(lái)控制空調(diào)系統(tǒng)的水泵和風(fēng)機(jī)，通過(guò)對(duì)供、回水壓差或溫差的采集，對(duì)水泵和風(fēng)機(jī)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，以達(dá)到節(jié)能效果。這種控制方法通常可以節(jié)約水泵和風(fēng)機(jī)等電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的電能約20%，最高可達(dá)30%。這種節(jié)能控制技術(shù)的生產(chǎn)廠商和典型代表產(chǎn)品有：

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

（2）法國(guó)施耐德電氣（SchneiderElectric）公司，代表產(chǎn)品有Ahivar 38系列異步電動(dòng)機(jī)變頻器。

（3）德國(guó)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(dòng)態(tài)變流量空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)

2.1動(dòng)態(tài)變流量控制原理。

（1）當(dāng)空調(diào)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)采集一組參數(shù)值經(jīng)模糊運(yùn)算，及時(shí)調(diào)節(jié)冷水機(jī)組、各水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工作參數(shù)，從而改變冷水機(jī)組工作狀態(tài)、冷凍 （溫）水和冷卻水流量，改變冷卻塔風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，確保冷水機(jī)組始終工作在效率最佳狀態(tài)，使供回水溫度始終處于設(shè)定值，從而使主機(jī)始終處于高轉(zhuǎn)換效率的最佳運(yùn)行工況。

（2）動(dòng)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(shí)庫(kù)、模糊控制模型和模糊運(yùn)算規(guī)則，形成智能模糊控制。通過(guò)采集影響冷水機(jī)組運(yùn)行的各種參數(shù)，經(jīng)模糊運(yùn)算，得出相應(yīng)的控制參數(shù)，這些控制參數(shù)被送到冷水機(jī)組、冷凍（溫）水控制子系統(tǒng)、冷卻水控制子系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)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(shù)，改變空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水的流量和溫度，以保證整個(gè)系統(tǒng)在滿負(fù)荷和部分負(fù)荷情況下，均處于最佳工作狀態(tài)，從而最終達(dá)到綜合節(jié)能的目的。

2.2動(dòng)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(dāng)末端空調(diào)負(fù)荷減少時(shí)，反映到冷水機(jī)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(cè)出這種變化趨勢(shì)后，模糊控制系統(tǒng)將自動(dòng)降低冷卻水泵的工作頻率，降低冷卻水進(jìn)水流量，提高冷卻水出水溫度，并使進(jìn)、出水溫差控制在最佳設(shè)定值上，維持冷水機(jī)組的高效率運(yùn)行。

2.2.2一次泵變流量系統(tǒng)。 當(dāng)末端空調(diào)負(fù)荷變小時(shí)，末端空調(diào)設(shè)備前的兩通閥將會(huì)關(guān)閉或減小，負(fù)荷側(cè)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(shì)。水溫傳感器及水流壓差器檢測(cè)出這種趨勢(shì)后，模糊控制系統(tǒng)將自動(dòng)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(shè)定值上，維持冷水機(jī)組的高效率運(yùn)行。

2.2.3二次泵變流量設(shè)計(jì)。 二次泵變流量系統(tǒng)分為一級(jí)泵變流量系統(tǒng)和二級(jí)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(jí)泵系統(tǒng)負(fù)責(zé)確保冷水機(jī)組的安全運(yùn)行，一級(jí)泵系統(tǒng)的旁通管路一般設(shè)計(jì)為直通管，管徑按一臺(tái)冷水機(jī)組額定流量設(shè)計(jì)。一次泵變流量系統(tǒng)跟蹤二級(jí)泵環(huán)路的流量變化，并保證一級(jí)泵環(huán)路的流量大于二級(jí)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(dāng)旁通管的流量超出設(shè)定值的范圍時(shí)，變流量控制器將模糊PID調(diào)節(jié)一級(jí)泵的工作頻率，使旁通管的流量返回設(shè)定值。endprint

3. 動(dòng)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。

（1）通用變頻器控制是采用通用變頻器對(duì)受控的水泵電機(jī)、風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)的控制。當(dāng)其控制系統(tǒng)檢測(cè)到某一受控量值時(shí)，就按這個(gè)量值與給定值之間的誤差進(jìn)行比例（P）、積分（1）和微分（D）之間的線性組合進(jìn)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(duì)單一控制對(duì)象實(shí)施控制。

（2）動(dòng)態(tài)變流量節(jié)能控制系統(tǒng)是采用模糊控制技術(shù)與變頻技術(shù)相結(jié)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(gè)系統(tǒng)控制過(guò)程中，以語(yǔ)言描述人類知識(shí)，并把它表示成模糊規(guī)則或關(guān)系，通過(guò)推理、利用知識(shí)庫(kù)，把某些知識(shí)與過(guò)程狀態(tài)結(jié)合起來(lái)的控制行為。它并不具有明顯的PID結(jié)構(gòu)，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(hào)和誤差的微分或差分來(lái)決定控制器的參數(shù)，尤其適合非線性和時(shí)變性的被控對(duì)象。

3.2控制方法的不同。

（1）中央空調(diào)系統(tǒng)的受控參數(shù)受季節(jié)變化、環(huán)境變化、使用時(shí)間、人流量等多種因素的綜合影響，是一個(gè)隨機(jī)變量，而不是一個(gè)線性系統(tǒng)，只是一個(gè)非線性系統(tǒng)。因此，決定中央空調(diào)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(gè)隨機(jī)變量。

（2）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(shí)間常數(shù)T1和微分時(shí)間常數(shù)Td都是使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的，一旦選定就不能自動(dòng)調(diào)節(jié)。因此，PID控制系統(tǒng)只適合于線性系統(tǒng)，對(duì)于非線性系統(tǒng)不可能達(dá)到最佳控制，即選用比例系數(shù)和時(shí)間常數(shù)后，采用同一種控制方法對(duì)付各種不同的負(fù)荷狀態(tài)，效果當(dāng)然是不理想的。

（3）模糊控制系統(tǒng)本來(lái)就不要求準(zhǔn)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(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于各種非線性系統(tǒng)和時(shí)變性系統(tǒng)都能提供最佳的決策。

3.3控制效果的不同。

（1）通用變頻器用PID控制方法，控制非線性系統(tǒng)時(shí)，很容易引起中央空調(diào)系統(tǒng)的強(qiáng)烈振蕩，使控制范圍在較大范圍內(nèi)波動(dòng)，增加了系統(tǒng)的能耗，也很容易使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間都不能達(dá)到給定值的穩(wěn)定狀態(tài)，控制效果不理想，對(duì)于主機(jī)所配套的冷凍水泵和冷卻水泵以及冷卻塔風(fēng)機(jī)等設(shè)備的節(jié)能最多在20%～30%之間。因其采取了保障冷水機(jī)組工作狀態(tài)的措施，不可能節(jié)約燃料和主機(jī)電能。當(dāng)然，也不能實(shí)現(xiàn)資源共享和無(wú)人值守管理。

（2）而動(dòng)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(duì)于中央空調(diào)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問(wèn)題都給出充分的估計(jì)，因此，在計(jì)算中存儲(chǔ)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(dá)到穩(wěn)態(tài)。可采用準(zhǔn)確調(diào)節(jié)流量的方法去實(shí)現(xiàn)節(jié)能，水泵以及冷卻塔等平均節(jié)能達(dá)60%～80%。由于采取了特殊措施保障中央空調(diào)主機(jī)的高轉(zhuǎn)換效率，機(jī)組COP值始終處于最佳值，因此對(duì)于吸收式溴化鋰機(jī)組可節(jié)約燃料20%～40%，對(duì)于電制冷主機(jī)可節(jié)電10%～30%。

（3）動(dòng)態(tài)變流量控制器具有強(qiáng)大的節(jié)能功能，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就進(jìn)行了系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)了各子系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)和互操作，達(dá)到了資源的共享的目的。由于自動(dòng)功能非常強(qiáng)大，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

4. 在工程中應(yīng)用的節(jié)能效果

動(dòng)態(tài)變流量空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)分別在貴州華城大酒店、貴州日?qǐng)?bào)社、上海新錦江大酒店和成都國(guó)際會(huì)展中心等實(shí)際運(yùn)行考核，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)變流量空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的節(jié)能效果。實(shí)踐證明：變流量中央空調(diào)系統(tǒng)與定流量中央空調(diào)系統(tǒng)相比較，水泵以及冷卻塔等平均節(jié)能達(dá)60%～80%；對(duì)于吸收式溴化鋰機(jī)組可節(jié)約燃料20%～40%；對(duì)于電制冷主機(jī)可節(jié)電10%～30%?；趧?dòng)態(tài)變流量空調(diào)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(jī)）和第三軍醫(yī)大學(xué)圖書綜合樓（建筑面積36000m2，采用吸收式溴化鋰機(jī)組）設(shè)計(jì)中采用了動(dòng)態(tài)變流量空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)，預(yù)計(jì)每項(xiàng)工程每年節(jié)約中央空調(diào)總運(yùn)行費(fèi)用達(dá)50～80萬(wàn)元。

5. 結(jié)束語(yǔ)

中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的潛力巨大，動(dòng)態(tài)變流量空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)給空調(diào)水系統(tǒng)的控制帶來(lái)一場(chǎng)革命，同時(shí)，給空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能帶來(lái)前所未有的效果，具有廣闊的應(yīng)用前景，值得大力推廣。

[文章編號(hào)]1619-2737（2014）04-28-340endprint