基于中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)的節(jié)能開發(fā)應(yīng)用

李新 史慶國(guó) 任盤小 高源

摘? 要： 傳統(tǒng)的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)存在能耗大的缺點(diǎn)，為此設(shè)計(jì)基于節(jié)能需求的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)。通過工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和輸出卡、溫度傳感器、溫度變送器、變頻器和控制器完成控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì);通過PID算法對(duì)溫度傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理，將信號(hào)傳輸給變頻器，變頻器通過調(diào)節(jié)頻率從而對(duì)制冷系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，至此完成基于節(jié)能需求的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用提出的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)，其功耗最多可減少225 kW左右，節(jié)能效果明顯。

關(guān)鍵詞： 酒店中央空調(diào); 制冷控制系統(tǒng); 節(jié)能開發(fā); 硬件選型方案; PID控制參數(shù); 能耗對(duì)比

中圖分類號(hào)： TN876?34; TP291? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）05?0097?04

Energy conservation development and application based on

central air?conditioning refrigeration control system

LI Xin1， 2， SHI Qingguo2， REN Panxiao2， GAO Yuan3

（1. Capital University of Economics and Business， Beijing 100070， China;

2. CCCC Electrical and Mechanical Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100088， China;

3. Hebei Information Engineering School， Baoding 071000， China）

Abstract： The traditional hotel central air?conditioning refrigeration control system has the disadvantage of high energy consumption， so a hotel central air?conditioning refrigeration control system in consideration of the requirements of energy conservation is designed. The designed control system hardware includes industrial control computer， data acquisition card and output card， temperature sensor， temperature transmitter， frequency converter and controller. The signal collected with the temperature sensor is processed by PID （proportion?integration?differentiation） algorithm and transmitted to the frequency converter. The rotating speed of each equipment motor in the refrigeration system is adjusted by the frequency converter which adjusts the frequency to realize the software design of the control system， thus completing the design of the hotel central air?conditioning refrigeration control system based on the requirements of energy conservation. The experimental results show that? the proposed hotel central air?conditioning refrigeration control system can reduce the power consumption by around 225 kW， which has significant energy conservation effect.

Keywords： hotel central air?conditioning; refrigeration control system; energy conservation development; hardware selection scheme; PID control parameter; energy consumption comparison

0? 引? 言

近年來，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗問題也日益嚴(yán)重，對(duì)環(huán)境造成了不利影響。隨著現(xiàn)代商用建筑和各種智能大廈的出現(xiàn)，中央空調(diào)廣泛應(yīng)用于其中。中央空調(diào)的應(yīng)用使得人們?cè)趽碛惺孢m的工作環(huán)境的同時(shí)，造成巨大的能源消耗。中央空調(diào)制冷系統(tǒng)作為中央空調(diào)中最主要的耗能來源，其內(nèi)設(shè)備相對(duì)集中，各個(gè)控制點(diǎn)對(duì)整個(gè)制冷系統(tǒng)的影響較大，是一個(gè)多干擾、時(shí)變性的系統(tǒng)[1]。如果不采用節(jié)能技術(shù)減少其耗能，則不利于可持續(xù)發(fā)展以及節(jié)能環(huán)保發(fā)展[2?4]。針對(duì)酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用，使其滿足節(jié)能需求，具有十分重要的意義。為此，人們對(duì)其進(jìn)行大量研究，如采用DCS技術(shù)[5?7]、變頻技術(shù)等[8?11]。然而，這些酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)仍然存在節(jié)能效率低等缺點(diǎn)[12?13]，為此提出基于節(jié)能需求的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用。從硬件和軟件兩方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的基于節(jié)能需求的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)能夠大大提高節(jié)能效率。

1? 基于節(jié)能需求的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)

基于節(jié)能需求，從降低酒店能耗的角度出發(fā)，結(jié)合變頻技術(shù)，采用PID控制對(duì)基于節(jié)能需求的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)酒店中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的最優(yōu)控制及綜合能耗的降低。

1.1? 酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)總體框架

基于節(jié)能需求，針對(duì)中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的不同子系統(tǒng)（冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管），采用變頻技術(shù)和PID控制技術(shù)對(duì)其進(jìn)行定溫差控制。通過RS 485總線構(gòu)成中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的控制網(wǎng)線，通過變頻器對(duì)整個(gè)制冷系統(tǒng)進(jìn)行變頻調(diào)速。中央空調(diào)制冷系統(tǒng)控制系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

如圖1所示，中央空調(diào)制冷系統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要功能部分為控制器和變頻器，從而對(duì)中央空調(diào)制冷系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制。

1.2? 酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于節(jié)能需求的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，中央空調(diào)制冷系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)輸出卡和溫度變送器、控制器等構(gòu)成。下面對(duì)主要硬件設(shè)施進(jìn)行介紹。

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)：作為控制系統(tǒng)的核心硬件，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著核心控制作用，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、記錄、存儲(chǔ)和監(jiān)測(cè)，進(jìn)而通過軟件對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行控制。

溫度傳感器：安裝在能夠準(zhǔn)確反映制冷系統(tǒng)中介質(zhì)溫度的位置，安裝個(gè)數(shù)總共為10個(gè)，在制冷系統(tǒng)中的冷凍水和冷卻水的進(jìn)水口和出水口各2個(gè)，風(fēng)機(jī)盤管的回風(fēng)口2個(gè)。

變頻器：將變頻器設(shè)置為手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，通過對(duì)冷凍水泵、冷卻水泵等設(shè)備的承載負(fù)荷量進(jìn)行變速控制，從而調(diào)整制冷系統(tǒng)的整體運(yùn)行速度。在保證中央空調(diào)正常運(yùn)行的條件下，對(duì)設(shè)備做相應(yīng)的調(diào)整，讓設(shè)備電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，從而使電機(jī)減少電量損耗，既可以實(shí)現(xiàn)制冷作用，又可以節(jié)約能耗。共設(shè)置4臺(tái)變頻器，分別對(duì)冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行控制。

PID控制器：通過對(duì)制冷系統(tǒng)中的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)盤管等組成的制冷系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制，從而實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的制冷作用。

基于節(jié)能需求的酒店中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的控制系統(tǒng)中硬件的選型方案如表1所示。

綜上所述，酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)通過RS 485總線進(jìn)行制冷系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸，將安裝在制冷系統(tǒng)中不同位置的溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸至PID控制器，PID控制器得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦I(yè)控制計(jì)算機(jī)上，然后通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而控制變頻器的頻率和制冷系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的開關(guān)。

1.3? 基于節(jié)能需求的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

要使酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)有效地對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行控制，即對(duì)制冷系統(tǒng)的溫度進(jìn)行控制，采用PID算法對(duì)其進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。制冷系統(tǒng)的控制回路總體框圖如圖3所示。從圖3可知，對(duì)制冷系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)的溫度控制如下：利用溫度傳感器分別測(cè)量冷卻塔出水溫度、冷卻泵進(jìn)水溫度、冷凍泵進(jìn)出水溫度差和風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)中的冷風(fēng)柜進(jìn)風(fēng)溫度，與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度（差）進(jìn)行對(duì)比，通過PID控制器處理后，將頻率信號(hào)傳輸給變頻器，從而對(duì)冷卻塔散熱電動(dòng)機(jī)、冷卻水泵電動(dòng)機(jī)、冷凍水泵電動(dòng)機(jī)和風(fēng)柜送風(fēng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，增加或者減少制冷系統(tǒng)的供水量，將冷卻塔的出水溫度和進(jìn)水溫度、冷凍進(jìn)出水溫度差和冷風(fēng)柜回風(fēng)溫度控制在一定范圍內(nèi)。

1） 通過數(shù)字化的PID算法（比例積分微積分控制）對(duì)制冷系統(tǒng)的溫度偏差值進(jìn)行處理，PID算法的具體過程如下：

[y=Kpe+1Tiedt+Tddedt] （1）

式中：[y]代表控制器的輸出信號(hào);[Kp]代表放大倍數(shù);[e]代表測(cè)量信號(hào)和設(shè)定信號(hào)進(jìn)行對(duì)比后得到的偏差信號(hào);[Ti]為積分時(shí)間常數(shù)（其值越小，則積分作用越強(qiáng)）;[Td]為微分時(shí)間常數(shù)（其值越大，微分作用越強(qiáng)）。

然而，式（1）不能直接進(jìn)行使用，需要對(duì)其進(jìn)行離散化處理，即：將[K]作為傳感器的采樣信號(hào)，將[T]作為傳感器的采樣周期，則與時(shí)間[t]相對(duì)應(yīng)的是離散采樣時(shí)間[Kt]，分別用求和和增量的形式代替積分和微分，變換如式（2）所示：

[t≈KT，K=0，1，2，3，…0te（t）dt≈Tj=0ke（jT）=Tj=0kejde（t）dt≈e（KT）-e（k-1）TT=ek-ek-1T] （2）

式中，為了方便，將[e（KT）]簡(jiǎn)化為[ek]的形式，則得到離散的PID算法的表達(dá)式為：

[uk=Kpek+TT1j=0kej+TdT（ek-ek-1）+u0]? ?（3）

式中：[k]代表采樣序號(hào)（[k=0，1，2，…]）;[uk]代表第[k]次采樣時(shí)傳感器的輸出值;[ek]代表第[k]次采樣時(shí)輸入控制器的偏差值;[ek-1]代表第[k-1]次采樣時(shí)輸入控制器的偏差值;[TT1]也可以用[K1]表示（代表積分系數(shù)）;[TdT]也可以用[Kd]表示（代表微分系數(shù)）;[u0]代表控制器進(jìn)行控制時(shí)的初始值。通過式（3）對(duì)制冷系統(tǒng)中的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行控制，其算法流程圖如圖4所示。從圖4可知，通過PID算法對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而使制冷系統(tǒng)的溫度恒定在一定值，保證制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2） 將PID控制器處理過的信號(hào)傳輸給變頻器，變頻器接收到處理過的信號(hào)，通過頻率調(diào)節(jié)，對(duì)制冷系統(tǒng)中的設(shè)備電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)供水量，從而對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

綜合前述過程，利用基于節(jié)能需求的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行控制的過程如下：在程序中提前設(shè)定溫度標(biāo)準(zhǔn)差，通過溫度傳感器對(duì)制冷系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的溫度進(jìn)行采集，將采集到的溫度與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，通過PID算法將處理過的信號(hào)傳輸給變頻器，通過調(diào)節(jié)頻率對(duì)制冷系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，以實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)功能。

2? 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1? 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

將提出的基于節(jié)能需求的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證提出的控制系統(tǒng)是否既能滿足節(jié)能需求、又能有效控制制冷系統(tǒng)。以冷卻水泵為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，首先，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定PID控制參數(shù)，設(shè)定的PID控制參數(shù)如表2所示。在確定表2中PID參數(shù)的基礎(chǔ)上，與傳統(tǒng)的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)制冷系統(tǒng)中的能耗進(jìn)行測(cè)試。

2.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

分別采用兩個(gè)酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)，其制冷系統(tǒng)的能耗對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，隨著水泵流量的增加，采用傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)對(duì)酒店中央空調(diào)制冷系統(tǒng)進(jìn)行控制，其功率隨之增加;而采用提出的控制系統(tǒng)，通過變頻器對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)冷卻水泵的供水量，其功率也隨著水泵流量的增加而增加。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，在水泵流量為50%時(shí)，其能量節(jié)約值達(dá)到最大（節(jié)約225 kW）。通過綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，提出的控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，其節(jié)能效果明顯。

3? 結(jié)? 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)存在能耗高的缺點(diǎn)，提出基于節(jié)能需求的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用。通過對(duì)其進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，完成基于節(jié)能需求的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用提出的基于節(jié)能需求的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以使制冷系統(tǒng)的能耗大大降低。提出的基于節(jié)能需求的酒店中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)不僅可以保證制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還可以節(jié)約能耗，滿足了節(jié)能需求，希望其可以得到廣泛應(yīng)用。

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