暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的優(yōu)化與控制技術(shù)分析

廖志偉

摘 要： 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，暖通空調(diào)在日常的建筑中越來越多的被使用，并且已經(jīng)成為了建筑當(dāng)中不可缺少的一部分，但是在建筑中暖通空調(diào)通常占據(jù)了建筑能源消耗的百分之二十，造成了巨大的能源損耗，其中制冷系統(tǒng)占據(jù)了暖通空調(diào)能源消耗的大部分。所以對(duì)于暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的優(yōu)化控制有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值。本文通過對(duì)暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的原理介紹，找出適合優(yōu)化暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的一些方法，并且介紹這些方法的作用及其原理，最后通過對(duì)這幾種方法的研究，得出最佳的優(yōu)化方案組合，希望能夠?qū)ε照{(diào)制冷系統(tǒng)的優(yōu)化控制提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 暖通空調(diào)；制冷系統(tǒng)；優(yōu)化控制分析；現(xiàn)代建筑

隨著我國社會(huì)的不斷進(jìn)步，人民的經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷發(fā)展，人們都在追求高質(zhì)量的物質(zhì)生活，所以暖通空調(diào)成為了大多數(shù)建筑中都會(huì)有的設(shè)施。但是，暖通空調(diào)本身具有高能耗的特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，我們必須得對(duì)這種高消耗設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果，也可以幫助使用者節(jié)省開銷，能夠使人們的生活在經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的基礎(chǔ)上變得更加舒適。

一、暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的基本運(yùn)行方式

暖通空調(diào)的制冷系統(tǒng)中存在著制冷劑，通過制冷劑的作用從而使熱量進(jìn)行交換，在壓縮機(jī)、冷凝器等四個(gè)元件中，制冷劑不斷的在其中進(jìn)行循環(huán)，這時(shí)候制冷劑會(huì)發(fā)生狀態(tài)變化，這樣就會(huì)吸熱或者放熱，從而達(dá)到了制冷的效果。它包括壓縮、制冷、節(jié)流和蒸發(fā)4個(gè)熱力過程。基本的運(yùn)行原理是：制冷劑在通過蒸發(fā)皿的時(shí)候，在蒸發(fā)皿中吸收熱，這時(shí)候本身為液體狀的制冷劑由于吸收了熱量從而變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w，然后通過流動(dòng)，氣態(tài)的制冷劑將會(huì)被壓縮機(jī)接收，壓縮機(jī)由于其本身的特性，將會(huì)把氣態(tài)制冷劑的壓力和溫度升高，變?yōu)楦邷馗邏旱臓顟B(tài)，高溫高壓的氣態(tài)制冷劑最后在室外側(cè)的冷凝器中冷凝成液體放出熱量。下圖中毛細(xì)管一般為小型空調(diào)器節(jié)流裝置所采用，大、中型空調(diào)器的節(jié)流裝置一般采用膨脹閥。

二、暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的優(yōu)化控制基本思路及控制模型

制冷系統(tǒng)的優(yōu)化主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

一方面，集中對(duì)制冷系統(tǒng)能耗進(jìn)行分析，找出能耗浪費(fèi)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并對(duì)運(yùn)行過程中的能耗進(jìn)行有效控制，盡可能縮短調(diào)節(jié)系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，避免無用功的產(chǎn)生；另一方面，加強(qiáng)對(duì)溫度控制系統(tǒng)的控制策略優(yōu)化，提高溫控精度和反應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)動(dòng)作靈敏度，給使用者帶來更加人性化的智能控制體驗(yàn)。

從上面對(duì)于暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的介紹來看，暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的冷卻效果跟冷卻物質(zhì)密切相關(guān)，外界環(huán)境溫度高，系統(tǒng)處于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下，進(jìn)而使得環(huán)境溫度下降，當(dāng)環(huán)境溫度降低到一個(gè)合適的值或者人為干預(yù)對(duì)目標(biāo)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，由于實(shí)際的被控對(duì)象存在著傳遞滯后，冷卻系統(tǒng)往往還在延續(xù)著高負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)而不能做出有效及時(shí)的反饋和控制。這種情況使得制冷系統(tǒng)經(jīng)常處于一個(gè)高能耗的狀態(tài)，不可避免地造成了能源的浪費(fèi)。

暖通空調(diào)一般用冷卻水來進(jìn)行熱量交換，所以我們可以通過對(duì)于冷卻水溫度的分析，找出冷卻水的溫度變化對(duì)于暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)工作效率影響。冷卻水與冷卻系統(tǒng)各個(gè)部件之間的工作效率是存在特定關(guān)系的。

各個(gè)部件的能耗情況與冷卻水的溫度有關(guān)，隨著冷卻水溫度的變化，不同位置部件的功率是發(fā)生變化的，單獨(dú)一個(gè)部分的最優(yōu)點(diǎn)不是整個(gè)制冷系統(tǒng)的最優(yōu)點(diǎn)，所以我們要結(jié)合整體的情況，利用不同的系統(tǒng)進(jìn)行最大限度的優(yōu)化，使得暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行達(dá)到最節(jié)能的情況。

為達(dá)到節(jié)能（提高效率）和提高靈敏度、精確度兩個(gè)目的，首先我們根據(jù)上述分析，針對(duì)暖通空調(diào)的運(yùn)行建立系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)框圖如上所示。

在此模型中：給定溫度是輸入，通常由人為設(shè)定。熱水溫度為被控對(duì)象。其控制偏差由溫度傳感器采集到出水孔溫度值并反饋到溫度控制器后計(jì)算得出，偏差值是溫度控制器進(jìn)行控制的依據(jù)，也是整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)關(guān)鍵一環(huán)。

三、優(yōu)化策略

（1）PID控制

PID控制是基于經(jīng)典控制理論的控制器，也是目前應(yīng)用最為廣泛的控制方法，具有原理簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定度好的優(yōu)點(diǎn)。利用該方法對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，關(guān)鍵步驟是對(duì)PID控制器中比例、積分、微分環(huán)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行整定，參數(shù)設(shè)置的科學(xué)性直接決定著控制系統(tǒng)的優(yōu)化效果。其步驟如下：

第一步：針對(duì)暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)模型，在預(yù)先設(shè)定的采樣周期內(nèi)輸入一個(gè)階躍激勵(lì)，讓系統(tǒng)從啟動(dòng)到結(jié)束，完成一個(gè)完整的工作過程；

第二步：控制參數(shù)的工程整定，方法主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。以臨界比例法為例，加入比例控制環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)參數(shù)直到系統(tǒng)階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，確定制冷系統(tǒng)的比例系數(shù)和臨界振蕩周期；

第三步：對(duì)通過整定得到PID控制器的參數(shù)進(jìn)行整體調(diào)節(jié)，以冷凝器出水溫度與設(shè)定值的穩(wěn)態(tài)誤差、溫度調(diào)節(jié)周期等指標(biāo)驗(yàn)證優(yōu)化效果。

PID控制完成上述步驟，即意味著在制冷系統(tǒng)的能耗管理和控制反應(yīng)靈敏特性的優(yōu)化已經(jīng)完成。

（2）自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)

自適應(yīng)模糊控制是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高效控制系統(tǒng)。它對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部變量要求不高，因而廣泛適用于非線性、多變量的復(fù)雜系統(tǒng)。在控制制冷系統(tǒng)出水孔溫度時(shí)可以根據(jù)控制器程序設(shè)定的數(shù)據(jù)來進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整學(xué)習(xí)，然后自身的進(jìn)行參數(shù)的改變。將自適應(yīng)模糊控制使用到暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)中后可以有以下幾點(diǎn)優(yōu)化：①提高整體的控制效果。自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)是一個(gè)整體，它可以調(diào)控全局的變化。避免了調(diào)節(jié)過程中顧此失彼的問題；②能夠自己尋找最佳狀態(tài)。自適應(yīng)模糊控制最優(yōu)點(diǎn)就在于此，它可以自己尋找最優(yōu)的控制點(diǎn)，然后去改變參數(shù)從而達(dá)到最優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于制冷系統(tǒng)的能效管理而言，這一點(diǎn)至關(guān)重要；③很強(qiáng)自我調(diào)節(jié)性能。自適應(yīng)模糊控制具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和調(diào)節(jié)能力，所以當(dāng)系統(tǒng)控制目標(biāo)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)依然能夠保持快速響應(yīng)的狀態(tài)，避免了中間的遲滯過程。

將自適應(yīng)模糊控制應(yīng)用于制冷系統(tǒng)的優(yōu)化，不需要過多關(guān)注系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)，如蒸發(fā)器的工作效率、毛細(xì)管的流量、壓縮機(jī)和熱交換器的工作特性。但是對(duì)系統(tǒng)控制策略和數(shù)據(jù)處理本身要求極高，整個(gè)控制程序的魯棒性要求很高。

目前有團(tuán)隊(duì)研發(fā)針對(duì)暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)建立一個(gè)專門的數(shù)據(jù)庫和故障集，并將其集成在制冷控制模塊里，無論各種參數(shù)如何變化，系統(tǒng)CPU始終都可以從數(shù)據(jù)庫調(diào)取數(shù)據(jù)資源，為下一步的決策提供依據(jù)。如此設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將更多依賴空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)。

四、總結(jié)

暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)雖然不難，但是其存在的結(jié)構(gòu)較多，所以在進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候還需要全面考慮。PID控制和自適應(yīng)模糊控制是優(yōu)化系統(tǒng)特性的重要策略。通過對(duì)調(diào)節(jié)參數(shù)的科學(xué)設(shè)置以及廣泛的數(shù)據(jù)庫、故障集的建立，暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗可以得到有效的降低，其控制精度和靈敏度也會(huì)大大提高。

相信隨著科技的不斷進(jìn)步，暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)也會(huì)變得越來越先進(jìn)，智能化控制方案會(huì)越來越多地服務(wù)于大眾。本文通過對(duì)暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的優(yōu)化控制研究，希望能夠?qū)ε照{(diào)系統(tǒng)的改進(jìn)優(yōu)化有所借鑒。■

參考文獻(xiàn)

[1]劉雪峰.中央空調(diào)冷源系統(tǒng)變負(fù)荷運(yùn)行控制機(jī)理與應(yīng)用研究[D].華南理工大學(xué)，2012.

[2]畢崇寧.暖通空調(diào)水系統(tǒng)效率優(yōu)化策略研究[D].山東大學(xué)，2008.

[3]夏毓，孫罡.暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的優(yōu)化控制研究[J].民營(yíng)科技，2016，（5）.