模糊控制在中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)中的應用

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1 概述

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源是人類賴以生存和發(fā)展的基本條件。當前，能源供應的緊張對我國的經(jīng)濟發(fā)展和社會生活產(chǎn)生的巨大沖擊，人們逐漸認識到了節(jié)約能源的重要性，因此節(jié)能減排是一項重大舉措?？照{(diào)已經(jīng)成為大型建筑和辦公環(huán)境的必備項目，但是空調(diào)的耗能也是十分驚人的?？照{(diào)的節(jié)能潛力是很大，關(guān)鍵是如何挖掘。因此，如何減少空調(diào)的耗能問題，應用更多的節(jié)能措施以降低耗能，成為設(shè)計人員必須要思考的問題。

2 分析中央空調(diào)應用節(jié)能控制的重要性

通過分析相關(guān)資料得知，通常中央空調(diào)在整體建筑結(jié)構(gòu)中占據(jù)大概50%的能耗，綜合大樓以及商場則有著更高的耗能。現(xiàn)今，我國大部分的建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)中均出現(xiàn)沒有正確的計算空調(diào)負荷等問題，造成冷熱源機組有著較大的容量選擇，產(chǎn)生“大馬拉小車”的現(xiàn)象。中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計自控節(jié)能控制時沒有考慮實際情況，有著缺少細膩的設(shè)計；在設(shè)計水泵運行的定流量時，倘若沒有正確的管理系統(tǒng)，則會導致出現(xiàn)嚴重浪費能源的情況。通常情況下，大部分間接式類型的中央空調(diào)主要包含末端循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)等方面，與廣地域、多調(diào)節(jié)、過工況、多設(shè)備的冷卻劑以及載冷劑、制冷劑等復合系統(tǒng)有著較大的關(guān)系。一般中央空調(diào)系統(tǒng)中的實際運行情況、設(shè)備負荷等對系統(tǒng)運行的效率起到?jīng)Q定性的作用。因為中央空調(diào)系統(tǒng)所采用的設(shè)備主要是通過不相同的供應商進行生產(chǎn)，系統(tǒng)控制主要重視控制方法、制冷主機控制器等方面的內(nèi)容，主機的冷卻水系統(tǒng)控制、工況參數(shù)控制、主機負荷等均是給予重視，對于中央空調(diào)系統(tǒng)在運行中冷凍循環(huán)水的具體參數(shù)、末端風系統(tǒng)運行情況、冷循環(huán)水系統(tǒng)運行情況則較少考慮，造成中央空調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)備工作工況無法在最好的狀態(tài)下運行，導致在一定程度上浪費能源。

3 中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)中模糊控制的運用

現(xiàn)今，國內(nèi)主要是通過壓差控制的PID算法模型以及PID算法模型等兩種節(jié)能控制算法。因為中央空調(diào)系統(tǒng)屬于復雜程度較強的系統(tǒng)，其具有參量間較強耦合、較多參量、非線性、時變、時滯等基本特征，該過程要素中的強耦合關(guān)系、大滯后、非線性等情況相對嚴重，完成設(shè)計空調(diào)系統(tǒng)的工作中，水系統(tǒng)的運行方式一般以末端變流量的方式進行。因為空調(diào)負荷參數(shù)出現(xiàn)改變，水泵的設(shè)計工作點、實際工作地點會出現(xiàn)偏移等情況，導致浪費運行的流量。不管是通過PID算法或者PID控制，控制工作的得不到較好的效果。

3.1 模糊控制基本理論

模糊控制屬于計算機智能控制類型，其主要是以推理模糊邏輯、模糊語言變量、模糊集合論等為前提，特別適用于控制變性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、復雜性系統(tǒng)的工作。現(xiàn)今，模糊控制具有一定的可行性，有著較好的節(jié)能效果。

空調(diào)系統(tǒng)實施的監(jiān)測控制工作主要是通過模糊預算法進行的，一旦空調(diào)末端負荷、環(huán)境溫度等出現(xiàn)改變時，各方面的流量、壓差、溫差、回水溫度均會出現(xiàn)改變的情況，模糊控制器則會接到到檢測溫度傳感器、壓差傳感器、流量計等獲得的參數(shù)，模糊控制器通過分析歷史運行數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)的實際情況，對末端空調(diào)負荷運行時供冷量的需求量進行實時預測，同時采用模糊算法做好調(diào)節(jié)的功工作，采用0-10V直流電壓輸出的操作將變頻器輸出的頻率有效調(diào)解，對冷凍水泵運行過程的轉(zhuǎn)速進行控制，確保流量得到改變，通過模糊控制器計算流量運行、壓差、溫差、供回水溫度的最佳參數(shù)。

模糊控制器通過動態(tài)的方式對冷凍水系統(tǒng)能量輸出進行控制，確?？照{(diào)主機冷媒流量能夠滿足末端負荷的具體需求，讓空調(diào)系統(tǒng)在不同類型負荷運行的基礎(chǔ)上，都能夠給末端用戶自身的舒適性提供保障，同時能夠在較大程度對系統(tǒng)消耗的能量起到節(jié)省作用。

通常情況下，模糊控制器通過系統(tǒng)模糊優(yōu)化的方式對主機系統(tǒng)、中央空調(diào)冷卻水等系統(tǒng)進行同時控制，一旦空調(diào)末端負荷、環(huán)境溫度等出現(xiàn)改變時，中央空調(diào)主機會隨之改變自身的負荷率，同時在一定程度上改變紫銅轉(zhuǎn)換的最佳效率。迷糊控制器對冷媒循環(huán)進行動態(tài)預測控制的基礎(chǔ)上，通過對中央空調(diào)系統(tǒng)歷史運行數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)等進行采集，將出冷卻水出口溫度以及進口溫度進行計算，同時相互對比實際溫度，確保系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率在負荷狀態(tài)不同的情況下呈現(xiàn)最佳效率，給中央空調(diào)系統(tǒng)在不同類型的負荷條件下運行提供保障，從根本上促進降低中央空調(diào)系統(tǒng)運行能耗得到實現(xiàn)。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

主要是通過控制算法決定控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且還應該對控制系統(tǒng)的經(jīng)濟性、適時性、可靠性、通用性、可操作性等進行考慮。通過分析空調(diào)工藝、硬件設(shè)計等方面的需求，該中央空調(diào)系統(tǒng)主要是通過傳感器與執(zhí)行器、現(xiàn)場單元控制柜、PLC模糊控制柜、工控機等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

管理層使用的硬件主要是以研華工控機為主，采用組態(tài)軟件WINCC對工作界面組成形態(tài)進行管理。通過分析用戶的具體要求，確保中央空調(diào)系統(tǒng)工作界面的開發(fā)能夠符合用戶的需求。運行方式主要是以人機界面為主，有利于管理人員分級管理的工作，使顯示趨勢圖、輸出報警、監(jiān)控狀態(tài)、輸出數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)、顯示工藝流程圖、編輯工藝參數(shù)、選擇工作模式等功能得到實現(xiàn)，同時處理控制層指令的工作。

控制層采用的模糊控制柜是以SIEMENS公司核心生產(chǎn)的S7-314AFPLC控制器為主。中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)中模擬控制柜是相對重要的單元，其能夠?qū)⒐ば蚺判?。人工智能控制、模糊算法等工作全面實現(xiàn)，將上位機發(fā)出的制度進行接收，將接收的指令采用運算方式當成模擬信號、開關(guān)等方式處理，采用通信總線往現(xiàn)場控制柜進行執(zhí)行發(fā)送，現(xiàn)場控制柜一旦接收到信號，則應該做好加工處理的工作，通過分析需求往上位機反饋。

執(zhí)行層的控制柜具體是采用SIEMENS公司核心生產(chǎn)的S7-300PLC控制器為主，其具體是處理現(xiàn)場單元的系統(tǒng)以及設(shè)備，并不是處理整個系統(tǒng)。將本單元的調(diào)節(jié)、指示、設(shè)備控制、信號反饋、數(shù)據(jù)采集、算法處理等功能全面完成，并且采用模糊控制柜與總柜將信息交換等工作實現(xiàn)。

物理層具體包含控制的設(shè)備、反饋的信號、采集實現(xiàn)數(shù)據(jù)、執(zhí)行器、傳感器、現(xiàn)場儀表、現(xiàn)場設(shè)備等方面。

3.3 中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的實際應用

某中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的配置主要有12臺冷卻塔風機、2臺30kW的溫水泵、2臺55kW的冷卻水泵、2臺90kW的冷卻水泵、90kW冷凍水泵與特靈電制冷主機各3臺等，中央空調(diào)主要以定流量運行的設(shè)計方式為主，此類型的控制措施主要是在額定設(shè)計的基礎(chǔ)上全面運行空調(diào)，系統(tǒng)能耗處于最大值設(shè)計的狀態(tài)。該中央空調(diào)系統(tǒng)每年需要損耗198.47萬kWh的電量，需要支出218.3萬元的電費。

通過模糊控制方案改造該項目，模糊控制系統(tǒng)的重點控制器主要是以PLC為主，構(gòu)成項目的內(nèi)容主要是系統(tǒng)軟件、各種傳感器、一套現(xiàn)場模糊控制箱、一套冷卻風機智能控制柜、一套冷卻水智能控制柜、一套冷溫水智能控制柜、一套主系統(tǒng)模糊控制柜等。

（1）節(jié)能測試結(jié)果

構(gòu)成該項目后通過相關(guān)部門現(xiàn)場監(jiān)測節(jié)能效果，證明了這套節(jié)能設(shè)備能夠可靠穩(wěn)定的運行，有著相對直觀的操作系統(tǒng)，有著較高的自動化程度。系統(tǒng)在實際的運行過程中對于空調(diào)末端的符合能夠準確、及時地自動跟蹤，有著較為明顯的節(jié)能效果，控制系統(tǒng)有著高于35%的綜合節(jié)電率。

（2）分析節(jié)能效果

中央空調(diào)系統(tǒng)在進行節(jié)能改造之前，項目每年有著198.47萬kWh的耗電量，需要支出218.3萬元的電費。該項目在實施節(jié)能改造后，通過檢測中心進行測試，平均每年能夠節(jié)約大概57.7萬kWh的電量，每年能夠節(jié)約大概63.47萬元的電費。

結(jié)語

當前，仍有不少空調(diào)系統(tǒng)未進行過任何形式的節(jié)能控制，普遍具有很好的節(jié)能挖掘潛力空間，實現(xiàn)空調(diào)的節(jié)能是勢在必行的。而經(jīng)過模糊控制改造后，中央空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)計算機管理，運行管理的自動化程度得到大大提高，為管理者提供大量空調(diào)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)信息，減輕操作人員的勞動強度。因此，在中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)中大力推廣與實施應用模糊控制技術(shù)，將會取得較好的節(jié)能效益。

[1]涂慧華，張華圣.基于能源優(yōu)化的中央空調(diào)控制策略[J].機械工程與自動化，2009（01）.

[2]李新雨.模糊控制系統(tǒng)原理及應用淺析[J].科技信息，2010（09）.