暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的優(yōu)化控制方法研究

摘要：暖通空調(diào)是現(xiàn)代建筑中必不可少的一部分，但是它增加了能源的消耗。在我國(guó)的建筑中，暖通空調(diào)的能源消耗占到了整個(gè)建筑的20%以上，而暖通空調(diào)的能源消耗中有一半以上是因?yàn)橹评湎到y(tǒng)。文章從暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的工作原理入手，首先分析了暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的優(yōu)化控制方法，然后研究了暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的最優(yōu)控制組合。

關(guān)鍵詞：暖通空調(diào)；制冷系統(tǒng)；優(yōu)化控制方法；現(xiàn)代建筑；能源消耗 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU96 文章編號(hào)：1009-2374（2017）03-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.012

1 暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的工作原理

暖通空調(diào)的制冷系統(tǒng)是通過制冷劑實(shí)現(xiàn)熱量的交換，制冷劑在壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥四個(gè)元件中不斷循環(huán)，自身的狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)吸收熱量與釋放熱量。制冷劑在蒸發(fā)皿中吸收熱量，這時(shí)的制冷劑由液體變?yōu)榱说蛪旱蜏氐臍怏w。氣化的冷卻劑被壓縮機(jī)吸入，進(jìn)而壓縮成高溫高壓的氣體，這些氣體在冷凝器中將自身的熱量傳遞給空氣或者水，變?yōu)樽畛醯囊后w狀態(tài)。這就是一個(gè)基本的循環(huán)，多次進(jìn)行這個(gè)循環(huán)就可以實(shí)現(xiàn)熱量的交換，達(dá)到降溫的目的。

除了制冷劑循環(huán)外，暖通空調(diào)還有冷卻水循環(huán)、冷凍水循環(huán)和室內(nèi)空氣循環(huán)。這三種循環(huán)都直接或者間接與冷卻劑發(fā)生熱量交換，幫助把室內(nèi)空氣的溫度降低，實(shí)現(xiàn)制冷的效果。從暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的工作原理來看，制冷系統(tǒng)是能源消耗最大的部分，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化控制可以最大限度地降低能量損耗。

2 暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的優(yōu)化控制方法

暖通空調(diào)的制冷系統(tǒng)受室外氣象和室內(nèi)狀態(tài)的影響較大，所以為了保證制冷的效果，制冷系統(tǒng)會(huì)全部運(yùn)作，這就導(dǎo)致了制冷系統(tǒng)只有部分處于負(fù)荷狀態(tài)，增大了其能耗?；诖?，可以從暖通空調(diào)部分負(fù)荷的狀態(tài)入手，研究制冷機(jī)最佳吸氣壓力的狀態(tài)，進(jìn)而分析其能源節(jié)約的問題。

2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層反饋的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以解決多層網(wǎng)絡(luò)的隱藏單元連接問題。而且BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在解決非線性的映射問題時(shí)，有著不可替代的作用。根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特性，它主要用在以下三個(gè)方面：（1）模式的識(shí)別與分類。在計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)中，可以將信息分為文字、圖片和語(yǔ)言等類型，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)不同數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行識(shí)別，然后把信息針對(duì)性的歸類，有助于加快信息的處理；（2）函數(shù)系統(tǒng)控制。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以利用其自身非線性的特點(diǎn)進(jìn)行函數(shù)建模，建模后的系統(tǒng)就可以廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制中，如機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡控制等；（3）壓縮數(shù)據(jù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，減少數(shù)據(jù)所占據(jù)的內(nèi)存空間。另外，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還可以對(duì)數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行抽取，方便數(shù)據(jù)的分析。

根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的上述特征，可以將這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在暖通空調(diào)的制冷系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)中制冷機(jī)吸氣壓力的模擬。因?yàn)榕照{(diào)制冷機(jī)的能耗有很強(qiáng)的非線性特點(diǎn)，所以在收集其能耗狀態(tài)時(shí)很難保證精確性。基于此，可以發(fā)揮BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)的模擬。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以模擬任意的連續(xù)非線性函數(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來逼近實(shí)際值。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在暖通空調(diào)中可以實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，方便后續(xù)的調(diào)整和控制。

2.2 Matlab語(yǔ)言在暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

Matlab語(yǔ)言是一種很強(qiáng)大的工程語(yǔ)言，它可以處理大量的數(shù)據(jù)，而且處理的效率很高。所以，在控制系統(tǒng)、圖像處理和系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用較為廣泛。在隨后的發(fā)展中，Matlab語(yǔ)言更為完善，各個(gè)領(lǐng)域的專家根據(jù)自身的需求推出了Matlab工具箱，里面有各種訓(xùn)練與設(shè)計(jì)的子程序，當(dāng)人們需要的時(shí)候就可以直接調(diào)取，進(jìn)而解放了自己的編程。從這方面來講，Matlab語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了模塊化的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)的控制過程。所以，即使不了解算法的本質(zhì)，人們也可以直接利用函數(shù)模塊來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的，方便了建模的過程。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是算法的基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)作的模擬，而Matlab語(yǔ)言是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的模塊，在一定程度上可以看作是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的子系統(tǒng)。如果把BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在暖通空調(diào)的制冷系統(tǒng)中，那么就可以用Matlab語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)模塊的設(shè)定。這種結(jié)合的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：（1）簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)定。暖通空調(diào)的制冷系統(tǒng)受外界環(huán)境和室內(nèi)環(huán)境的影響較大，所以其運(yùn)行會(huì)經(jīng)常性的發(fā)生改變，要收集其運(yùn)行狀態(tài)的各種參數(shù)較為復(fù)雜。但是將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Matlab語(yǔ)言結(jié)合后，就能夠根據(jù)模塊的特性快速設(shè)定程序，簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作；（2）反饋?zhàn)罱咏鼘?shí)際情況的數(shù)據(jù)。為了降低暖通空調(diào)制冷機(jī)的能耗，需要確定其最佳吸氣壓力的狀態(tài)。制冷劑的狀態(tài)變化有著明顯的非線性關(guān)系，尋常的采集方法很難起到較好的效果。但是，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠模擬非線性的映射，而Matlab語(yǔ)言能夠快速的處理數(shù)據(jù)，這就形成了較好的循環(huán)，能夠最快速地把暖通空調(diào)制冷劑的運(yùn)作狀態(tài)反饋給系統(tǒng)，方便了調(diào)整和控制。

2.3 自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的應(yīng)用

無論是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還是Matlab語(yǔ)言，其本質(zhì)上都是整個(gè)制冷系統(tǒng)中的一部分，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和反饋，但是缺少控制系統(tǒng)。因此，為了提升暖通空調(diào)的智能化程度，同時(shí)降低制冷機(jī)的能耗，還可以引入自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)。自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)能夠根據(jù)反饋數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行適應(yīng)性學(xué)習(xí)，然后利用邏輯系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整。將自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用在暖通空調(diào)中，其主要的作用如下：（1）整體優(yōu)化系統(tǒng)的性能。暖通空調(diào)的制冷系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的，它們是一個(gè)有機(jī)的整體，若單純地從某個(gè)元件進(jìn)行優(yōu)化，就會(huì)存在協(xié)調(diào)的問題。但是自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)是將整個(gè)制冷機(jī)作為系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制的，所以能夠?qū)⒛芎慕档阶畹停M(jìn)而實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的優(yōu)化；（2）能夠控制制冷機(jī)的消耗功率。自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)可以根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理，進(jìn)而尋找到最佳的冷卻水溫度，可以實(shí)現(xiàn)冷卻水系統(tǒng)與環(huán)境條件之間的協(xié)調(diào)。所以，在制冷機(jī)運(yùn)行的過程中，其熱傳遞是以最低能耗的形式運(yùn)行的，方便了整個(gè)暖通空調(diào)系統(tǒng)對(duì)制冷機(jī)消耗功率的控制；（3）有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)功能。自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)有極強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和調(diào)節(jié)能力，在制冷機(jī)運(yùn)行的過程中，若參數(shù)發(fā)生了較明顯的變化，自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)就可以自主調(diào)整，把模塊的運(yùn)行進(jìn)行完善和改進(jìn)，這就保證了控制過程的準(zhǔn)確與有效。

上述三種方法在某種程度上是一個(gè)整體，它們的配合才能夠最大程度降低制冷機(jī)的能耗。當(dāng)然，在一些暖通空調(diào)的制冷系統(tǒng)控制中，采用了其他的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和算法來替代，也能夠起到相應(yīng)的效果。但是從本質(zhì)而言，對(duì)暖通空調(diào)制冷機(jī)能耗的控制都是從實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)入手的，然后把收集的數(shù)據(jù)反饋到控制系統(tǒng)，之后再進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到降低能耗的目的。

3 暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)降耗的具體方案

暖通空調(diào)的系統(tǒng)并不復(fù)雜，但是子系統(tǒng)較多，在數(shù)據(jù)反饋時(shí)存在延后的特性。所以，要降低整個(gè)暖通空調(diào)的制冷能耗，需要建立半智能化的控制網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Matlab語(yǔ)言和自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)可以在半智能化的系統(tǒng)中承擔(dān)不同的職責(zé)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的及時(shí)反饋。

在具體的使用中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)控制系統(tǒng)的骨架，Matlab語(yǔ)言模塊為數(shù)據(jù)的收集裝置，自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)是中央處理器，三者形成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。只有把三者有機(jī)的結(jié)合起來才能協(xié)調(diào)好制冷機(jī)的運(yùn)作狀態(tài)，在滿足使用需求的前提下降低其能耗。要根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)建立輸入量，在暖通空調(diào)的制冷系統(tǒng)中，輸入量為壓縮機(jī)入口的制冷劑溫度和壓縮機(jī)出口的制冷劑溫度，而最佳吸氣壓力為輸出的變量。建立好這樣的輸入與輸出模型后，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就可以利用Matlab的語(yǔ)言模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總，之后將信息傳遞給自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)。自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)能夠以壓縮機(jī)的最佳吸氣壓力為變量，以此調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的工作頻率，當(dāng)制冷系統(tǒng)的制冷量和負(fù)荷量達(dá)到平衡時(shí)，制冷機(jī)的工作能耗為

最低。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高，暖通空調(diào)已經(jīng)成為建筑物中不可缺少的一部分。但是由于暖通空調(diào)的制冷劑運(yùn)作問題，其能耗一直較高，進(jìn)一步惡化了我國(guó)能源的供求關(guān)系，不滿足可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。而暖通空調(diào)中能耗最大的就是制冷系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化的控制有著重要意義。本文以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Matlab語(yǔ)言和自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)三方面為主，分析現(xiàn)代化技術(shù)在暖通空調(diào)制冷機(jī)控制中的應(yīng)用，希望可以給相關(guān)的研究提供一定的參考意見。

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作者簡(jiǎn)介：張媛（1974-），女，天津人，中國(guó)天辰工程有限公司高級(jí)工程師，研究方向：化工廠暖通。

（責(zé)任編輯：蔣建華）