暖通空調(diào)控制系統(tǒng)

李敬

摘要：空調(diào)系統(tǒng)是按滿足用戶最大需求而設(shè)計(jì)，所有的空調(diào)系統(tǒng)長時(shí)間處在低負(fù)荷下運(yùn)行。本文主要分析了暖通空調(diào)整體工藝和供水系統(tǒng)，并對(duì)暖通空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。隨著暖通空調(diào)日益普及，暖通空調(diào)系統(tǒng)的能量消耗占整個(gè)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。

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

一、 暖通空調(diào)系統(tǒng)分析研究

1.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(shí)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(shí)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(shí)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。

2.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)中的原則是的供、回水溫度保持不變，建筑物負(fù)荷變化時(shí)，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(dòng)控制設(shè)備的造價(jià)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(duì)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(dòng)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(duì)匹配的。即供冷（水）量只能隨冷水機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)的不同產(chǎn)生變化。由于空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間都處于設(shè)計(jì)負(fù)荷的60%以下運(yùn)行，且負(fù)荷隨著時(shí)間在不斷地變化，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(dòng)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。

3.暖通空調(diào)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)房間的溫度到達(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?；祜L(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(shí)，并非與設(shè)計(jì)工況相同，而實(shí)際使用過程中，熱交換器絕大多數(shù)時(shí)間是在非設(shè)計(jì)工況。

二、暖通空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析研究

對(duì)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(duì)房間內(nèi)溫度的影響，同時(shí)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(shí)滯和大慣性，當(dāng)前的控制信號(hào)要等到很長時(shí)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(shí)刻的控制變量使未來時(shí)刻系統(tǒng)的輸出快速準(zhǔn)確的跟蹤期望的輸出。同時(shí)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(duì)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(duì)暖通空調(diào)進(jìn)行控制。

1.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)結(jié)構(gòu)。如前面所描述暖通空調(diào)系統(tǒng)具有非線性，時(shí)變性、大滯后和大慣性等特點(diǎn)，還受到許多的干擾。干擾1為冷熱水干擾，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(huì)對(duì)系統(tǒng)造成一定的影響。干擾2為外界干擾，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，這些千擾可以看成空調(diào)的送風(fēng)風(fēng)量變化。干擾3為房間內(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。基于RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的暖通空調(diào)廣義預(yù)測控制主要由三部分構(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(duì)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)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。

2.暖通空調(diào)控制器在線滾動(dòng)優(yōu)化

暖通空調(diào)廣義預(yù)測控制的在線滾動(dòng)優(yōu)化是利用模型辨識(shí)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(dòng)優(yōu)化，從而得到合理的控制規(guī)律，考慮在線優(yōu)化的計(jì)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(dòng)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(shí)刻的冷凍水調(diào)節(jié)閥電壓。考慮降低在線計(jì)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(jì)算性能指標(biāo)對(duì)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(dòng)優(yōu)化來得到暖通空調(diào)的合理控制規(guī)律。

3.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(dòng)優(yōu)化時(shí)，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(shí)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(duì)基礎(chǔ)模型進(jìn)行在線修正。況且滾動(dòng)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。

三、結(jié)束語

由于能源十分緊張，同時(shí)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏東，潘興華，張明廉.舒適性指標(biāo)PMV在暖通空調(diào)控制中的作用‘北京建筑工程學(xué)學(xué)報(bào)，2004.