試析暖通空調(diào)的控制系統(tǒng)設(shè)計

陽李英

摘要：隨著人們生活水平的提高暖通空調(diào)日益普及，而暖通空調(diào)系統(tǒng)的能量消耗占整個建筑耗電量的50%以上，但目前絕大多數(shù)空調(diào)處在低效運(yùn)行，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。本文主要介紹暖通空調(diào)整體工藝和供水系統(tǒng)，并對暖通空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：暖通空調(diào)；低效運(yùn)行；控制系統(tǒng)

一、引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用越來越普及，中央空調(diào)系統(tǒng)的能最消耗一般占整個建筑耗能的50%以上。但目前實(shí)際情況是，空調(diào)系統(tǒng)是按滿足用戶最大需求而設(shè)計，所有的空調(diào)系統(tǒng)長時間處在低負(fù)荷下運(yùn)行。由于能源十分緊張，同時暖通空調(diào)的能耗在國民經(jīng)濟(jì)總能耗中所占比重越來越大，所以開發(fā)中央空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制技術(shù)，使中央空調(diào)系統(tǒng)在不同負(fù)荷下、不同工況條件下，都能以最佳效率運(yùn)行，并且達(dá)到最好的控制效果，是非常迫切的并且具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

二、暖通空調(diào)系統(tǒng)

暖通空調(diào)工作原理

暖通空調(diào)工作原理就是制冷劑在制冷機(jī)組的蒸發(fā)器中與冷凍水進(jìn)行熱量的交換而汽化，從而使冷凍水的溫度降低，然后，被汽化的制冷劑在壓縮機(jī)作用下，變成高溫高壓氣體，流經(jīng)制冷機(jī)組的冷凝器時被來自冷卻塔的冷卻水冷卻，又從氣體變成了低溫低壓的液體，同時被降溫的冷凍水經(jīng)冷凍水水泵送到空氣處理單元的熱交換器中，與混風(fēng)進(jìn)行冷熱交換形成冷風(fēng)源，通過送風(fēng)管道送入被調(diào)房間。如此循環(huán)，在夏季，房間的熱量就被冷卻水所帶走，在流經(jīng)冷卻塔時釋放到空氣中。本文主要研究控制暖通空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理部分，主要涉及供水系統(tǒng)和空氣處理單元。

（二）暖通空調(diào)供水系統(tǒng)

常用的冷凍水（水為載冷劑）系統(tǒng)的冷凍水管道均為循環(huán)式系統(tǒng)，根據(jù)用戶的需求情況的不同，按水壓特性劃分，可分為閉式系統(tǒng)和開式系統(tǒng)兩種：按冷、熱水管道的設(shè)置方式劃分，可分為雙管制系統(tǒng)、三管制系統(tǒng)、四管制系統(tǒng)：按各末端設(shè)備的水流程劃分，可分為同程式和異程式系統(tǒng)：按水量劃分，可分為定水量和變水量系統(tǒng)。變流量系統(tǒng)中的原則足的供、回水溫度保持不變，建筑物負(fù)荷變化時，通過改變供、回水的流量來適應(yīng)，該水系統(tǒng)輸送的水流量要與建筑物需求相適宜。

隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，自動控制設(shè)備的造價不斷的下降，變流量系統(tǒng)可以使系統(tǒng)全年以定溫差、變流量的方式運(yùn)行，盡量節(jié)約冷凍水泵的能耗，使得其得以越來越廣泛的應(yīng)用。目前，通常所說的變流量系統(tǒng)是指在水路系統(tǒng)的空調(diào)末端使用二通閥的系統(tǒng)，是與水路系統(tǒng)的空調(diào)末端使用三通閥的定流量系統(tǒng)相對而言的，所謂變流量與定流量均是指送冷凍水的水路系統(tǒng)的流量，而不是通過末端的流量，通過末端的流量變流量與定流量均是變化的。變流量系統(tǒng)的目的是要冷源輸出的流量所載的冷量與經(jīng)常變化的末端所需的冷量相匹配，從而節(jié)約冷量的輸送動力和冷源的運(yùn)行費(fèi)用。由于目前大多數(shù)冷水機(jī)組的水流量要求恒定，所以變流量系統(tǒng)實(shí)際上是供冷（水）量與需冷（水）量相對匹配的。即供冷（水）量只能隨冷水機(jī)組的運(yùn)行臺數(shù)的不同產(chǎn)生變化。由于空調(diào)系統(tǒng)大部分時間都處于設(shè)計負(fù)荷的60%以下運(yùn)行，且負(fù)荷隨著時問在不斷地變化，為了使冷水所載的冷量與經(jīng)常變化的負(fù)荷相匹配，從而節(jié)約冷量輸送動力和冷源的運(yùn)行費(fèi)用，采用變冷水流量控制便成了理所當(dāng)然的做法。

（三）暖通空凋空氣處理單元

在暖通空調(diào)空氣處理單元中，首先是新風(fēng)與部分回風(fēng)混合，形成混風(fēng)，混風(fēng)經(jīng)過熱交換器與冷凍水進(jìn)行熱交換形成送風(fēng)，在冬天，混風(fēng)吸收能量溫度提高，在夏天，混風(fēng)溫度降低，送風(fēng)在風(fēng)機(jī)的作用下經(jīng)過送風(fēng)管道進(jìn)入房間，與房間內(nèi)的空氣進(jìn)行熱量的傳遞，最終調(diào)節(jié)房問的溫度到達(dá)所需要的設(shè)定點(diǎn)。房間內(nèi)的氣體在排風(fēng)機(jī)的作用下被排出，形成回風(fēng)。部分的回風(fēng)排出室外，部分回風(fēng)與新風(fēng)混合重復(fù)上述過程。

混風(fēng)和冷凍水的熱交換是在空氣處理單元的熱交換器中進(jìn)行的，熱交換器是暖通空調(diào)系統(tǒng)空氣處理單元中的重要部分，熱交換器的工況處于部分負(fù)荷下時，并非與設(shè)計工況相同，而實(shí)際使用過程中，熱交換器絕大多數(shù)時間是在非設(shè)計工況。

三、暖通空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計

對房間溫度進(jìn)行了合理的設(shè)定，然后建立合理的暖通空調(diào)控制器，使暖通空調(diào)控制系統(tǒng)能快速準(zhǔn)確的調(diào)解房間溫度到達(dá)設(shè)定的房間最佳溫度值，并有效的抑制房間內(nèi)部和外部的干擾對房間內(nèi)溫度的影響，同時節(jié)省暖通空調(diào)系統(tǒng)能量的消耗。由于暖通空調(diào)具有時滯和大慣性，當(dāng)前的控制信號要等到很長時間才能在系統(tǒng)的輸出中反映，而廣義預(yù)測控制可以利用現(xiàn)在時刻的控制變量使未來時刻系統(tǒng)的輸出快速準(zhǔn)確的跟蹤期望的輸出。同時暖通空調(diào)的工況環(huán)境不斷變化且有干擾作用，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)學(xué)習(xí)能力使暖通空調(diào)控制系統(tǒng)有效的抑制工況變化和干擾帶來的對控制效果不利的影響。本文把廣義預(yù)測控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合對暖通空調(diào)進(jìn)行控制。

（一）暖通空調(diào)廣義預(yù)測控制結(jié)構(gòu)

這里選取的基于RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)暖通空調(diào)廣義預(yù)測控制系統(tǒng)，如前面所描述暖通空調(diào)系統(tǒng)具有非線性，時變性、大滯后和大慣性等特點(diǎn)，還受到許多的干擾。所示干擾包括：一是冷熱水干擾，主要有盤管中冷/熱水流量、壓力變化，這些干擾折合成冷/熱水溫度變化就會對系統(tǒng)造成一定的影響。二是外界干擾，主要有日照、室外氣溫、外部空氣侵入以及新風(fēng)溫度變化和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化，這些干擾可以看成空調(diào)的送風(fēng)風(fēng)量變化。三是房間內(nèi)部干擾，主要有人員的頻繁進(jìn)出、房間內(nèi)部各種耗能發(fā)熱設(shè)備的使用。

以上可以看出，基于RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的暖通空調(diào)廣義預(yù)測控制主要由三個方面構(gòu)成。要實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)的廣義預(yù)測控制，要有準(zhǔn)確的暖通空調(diào)輸出預(yù)測，在提供暖通空調(diào)預(yù)測輸出的基礎(chǔ)上，建立準(zhǔn)確快速的在線優(yōu)化策略和有效的反饋校正。即通過所得到的未來溫度輸出和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，利用梯度下降法對實(shí)現(xiàn)滾動優(yōu)化控制功能的RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)進(jìn)行修正，從而得到最佳的控制規(guī)律。此RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)的輸入是實(shí)際房間溫度和設(shè)定房間溫度的差值和差值變化率，輸出是暖通空調(diào)調(diào)節(jié)閥電壓。

（二）暖通空調(diào)控制器在線滾動優(yōu)化

暖通空調(diào)廣義預(yù)測控制的在線滾動優(yōu)化是利用模型辨識部分提供的預(yù)測輸出信息，根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)及選定的優(yōu)化方法進(jìn)行在線的滾動優(yōu)化，從而得到合理的控制規(guī)律，考慮在線優(yōu)化的計算量，這里用RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成廣義預(yù)測控制的在線滾動優(yōu)化。按性能指標(biāo)，利用優(yōu)化方法獲得未來控制長度內(nèi)的冷凍水調(diào)節(jié)閥電壓，并取其首分量作為當(dāng)前時刻的冷凍水調(diào)節(jié)閥電壓?？紤]降低在線計算的復(fù)雜性，采用了較常用的梯度下降法作為主要的優(yōu)化算法。優(yōu)化過程的關(guān)鍵是計算性能指標(biāo)對RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器參數(shù)的導(dǎo)數(shù)。

通過RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)和修正方法，利用暖通空調(diào)預(yù)測模型提供的信息來完成給定目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化，進(jìn)而準(zhǔn)確的提供冷凍水調(diào)節(jié)閥電壓，從而實(shí)現(xiàn)廣義預(yù)測控制的在線滾動優(yōu)化來得到暖通空調(diào)的合理控制規(guī)律。

暖通空調(diào)廣義預(yù)測控制反饋校正

預(yù)測控制算法在進(jìn)行滾動優(yōu)化時，優(yōu)化的基點(diǎn)應(yīng)與系統(tǒng)實(shí)際一致。由于暖通空調(diào)系統(tǒng)受諸多干擾的影響，有可能導(dǎo)致辨識模型的失配。既基于不變RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)模型的預(yù)測不可能和實(shí)際空氣處理單元完全相符。這就需要用附加的預(yù)測手段補(bǔ)充模型預(yù)測的不足，或者對基礎(chǔ)模型進(jìn)行在線修正。況且滾動優(yōu)只有建立在反饋校正的基礎(chǔ)上，才能體現(xiàn)出其優(yōu)越性。

對RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各隱單元的“是心”和“寬度”和隱層到輸出層的權(quán)值采用梯度下降法進(jìn)行調(diào)整，在控制的每一步，都實(shí)時檢測被控對象的實(shí)際輸出與RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器輸出之間的誤差，若此誤差大于預(yù)先設(shè)定的允許誤差，則利用上述修正方法修正暖通空調(diào)預(yù)測模型的RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：否則，維持原有的RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。

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