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

李天平

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)管理處，江蘇 徐州 221116)

空調(diào)已成為人們生活中不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)備，可以調(diào)節(jié)室溫，提升生活空間的舒適度。夏季，空調(diào)使用相對(duì)頻繁，其能耗相對(duì)較大，特別是暖通空調(diào)使用量逐漸增大，其制冷系統(tǒng)的年耗量占建筑總能耗的50%左右。該系統(tǒng)是暖通空調(diào)的核心元件，也是耗量最大的設(shè)備，因此必須控制并優(yōu)化制冷系統(tǒng)，降低能耗，提高該系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

1 暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的工作原理

暖通空調(diào)運(yùn)行過(guò)程中，制冷效果主要是通過(guò)熱量交換實(shí)現(xiàn)的。空調(diào)中的制冷劑會(huì)在冷凝器、壓縮機(jī)、節(jié)流閥及蒸發(fā)器這些設(shè)備中進(jìn)行重復(fù)循環(huán)，使制冷劑的狀態(tài)發(fā)生改變，在變化過(guò)程中吸收和釋放熱量。其主要過(guò)程是蒸發(fā)器吸收大量熱量，制冷劑狀態(tài)發(fā)生變化，由液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。此時(shí)氣體低溫低壓，進(jìn)入到壓縮機(jī)中，壓縮機(jī)發(fā)揮作用，將低溫低壓的氣體轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，傳輸?shù)嚼淠髦?，將自身熱量傳遞給水和空氣，再轉(zhuǎn)變?yōu)轶w液，重復(fù)循環(huán)，通過(guò)交換熱量來(lái)降溫。除了制冷劑循環(huán)之外，冷凍水、冷卻水及室內(nèi)空氣循環(huán)在壓縮機(jī)的作用下，制冷劑被壓縮成液體，進(jìn)入高蒸發(fā)器中，此時(shí)的液體可以與冷凍水交換熱量，再經(jīng)過(guò)冷凍泵，冷凍水會(huì)傳輸?shù)斤L(fēng)機(jī)封口的冷卻盤(pán)管內(nèi)，受到吹送作用的影響，實(shí)現(xiàn)降溫效果。蒸發(fā)后的制冷劑經(jīng)冷凝器變?yōu)闅怏w，通過(guò)傳輸，經(jīng)過(guò)冷卻泵，冷卻水被傳送到冷卻塔，此時(shí)水塔風(fēng)機(jī)可以進(jìn)行噴淋，實(shí)現(xiàn)冷卻降溫效果，與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱量交換，釋放熱量。這個(gè)過(guò)程中，制冷劑進(jìn)行熱量交換，通過(guò)循環(huán)過(guò)程實(shí)現(xiàn)制冷效果，降低室內(nèi)溫度，保證室內(nèi)環(huán)境的舒適度。由其工作原理可以看出，空調(diào)運(yùn)行過(guò)程中，制冷系統(tǒng)十分重要，它是制冷核心，也是消耗能量的主要部分，如果想控制暖通空調(diào)能耗，需要優(yōu)化控制制冷系統(tǒng)，令系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)降耗目的。

2 暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

空調(diào)運(yùn)行過(guò)程中，通常是由制冷劑進(jìn)行循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，為人們提供舒適的生活環(huán)境與工作環(huán)境。我國(guó)制冷劑領(lǐng)域發(fā)展迅速，最常見(jiàn)的制冷劑是氟利昂，該制冷劑是一種無(wú)毒物質(zhì)，其化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，具有熱力學(xué)性能，屬于不可燃化合物。氟利昂具有較好的制冷效果，制冷效率較高，因此被廣泛應(yīng)用于各種制冷設(shè)備。但是，該制冷劑的應(yīng)用存在著不足，如果該制冷劑長(zhǎng)期存在于大氣，其中一小部分會(huì)進(jìn)入到平流層，受到紫外線的作用，氟利昂分子會(huì)分解出氯原子，與發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致許多臭氧分子受到破壞，進(jìn)而損壞臭氧層，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懼参锷L(zhǎng)，導(dǎo)致部分海洋生物死亡，增加人們患皮膚病的概率。近些年，在南極出現(xiàn)了臭氧空洞，可見(jiàn)，氟利昂濃度的持續(xù)上升會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇，令海平面上升，影響沿海城市和國(guó)家的日常生活。氟利昂的應(yīng)用雖然為人們的生活提供了便利，但是其會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，容易造成環(huán)境污染。應(yīng)積極探索研究不同的制冷劑，保護(hù)生態(tài)環(huán)境?，F(xiàn)階段，R410A制冷劑備受關(guān)注，該制冷劑無(wú)毒，性能相對(duì)穩(wěn)定，其由碳元素、氫元素及氟元素組成，較為清潔，應(yīng)用該制冷劑不會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇，也不會(huì)造成臭氧空洞，應(yīng)加大研究力度，發(fā)揮其積極作用。

3 制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

建立制冷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可以提高研究的可靠性，可應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行有效驗(yàn)證。制冷系統(tǒng)具有時(shí)變、多變量和非線性等特點(diǎn)，因此，建立數(shù)學(xué)模型具有一定的難度。通?？蓪?duì)實(shí)際條件進(jìn)行合理假設(shè)，保證該系統(tǒng)在理想條件下運(yùn)行。但是一些假設(shè)是不合理的，為了保證系統(tǒng)研究的可靠性，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，必須要應(yīng)用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.1 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)

空調(diào)系統(tǒng)工作復(fù)雜，主要可分為4個(gè)循環(huán)過(guò)程：其一，制冷循環(huán)過(guò)程是要制取一定的冷量，循環(huán)過(guò)程包括壓縮機(jī)、節(jié)流裝置等器件。其二，冷卻水循環(huán)過(guò)程具有降溫作用。當(dāng)?shù)蜏氐睦鋮s水流過(guò)冷凝器時(shí)，可與制冷劑進(jìn)行熱交換，發(fā)揮冷卻和降溫的效能。在此作用下，冷卻水溫度逐漸升高，流回到冷卻塔。在此處受到噴淋及風(fēng)扇吹動(dòng)，冷卻水溫度再次發(fā)生變化，回到低溫狀態(tài)，接著返回到冷凝器。其三，冷凍水循環(huán)過(guò)程是在蒸發(fā)器內(nèi)，冷凍水與制冷劑進(jìn)行熱交換，其溫度再次降低，流經(jīng)空氣處理器，在此處與空氣進(jìn)行熱交換，冷凍水的溫度逐漸升高，流向蒸發(fā)器。其四，風(fēng)循環(huán)過(guò)程發(fā)生在空氣處理單元，此處空氣被冷卻，可形成供風(fēng)，被傳送到供風(fēng)管道，管道與房間相互連接，可結(jié)合每個(gè)房間的風(fēng)閥驅(qū)動(dòng)器，獲得合適的冷量。為了保證研究具有實(shí)際意義，可設(shè)計(jì)暖通系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3.1.1 制冷劑循環(huán)設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)在外界能源作用下，可以將制冷劑進(jìn)行壓縮，使其轉(zhuǎn)化為高溫高壓的氣體。在制冷機(jī)中，這是消耗能源的主要部分。壓縮機(jī)的性能與制冷量息息相關(guān)，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，需要制冷量達(dá)到1.5t以上，因此，實(shí)驗(yàn)需要重視壓縮機(jī)的選型，保證其額定工作頻率及排氣量等。在制冷機(jī)中，節(jié)流裝置十分重要，可以控制制冷劑的質(zhì)量和流量，還可以對(duì)機(jī)械能進(jìn)行節(jié)流降壓處理。工程中大多應(yīng)用熱力膨脹閥，尤其是電子膨脹閥得到了廣泛應(yīng)用，其反應(yīng)速度較快，準(zhǔn)確性高。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以設(shè)計(jì)兩個(gè)回路：一是制冷劑在流經(jīng)冷凝器，流出之后經(jīng)過(guò)熱力膨脹閥，流向蒸發(fā)器。二是經(jīng)過(guò)冷凝器之后走向電子膨脹閥。這兩種方式可以通過(guò)四通閥進(jìn)行切換。結(jié)合實(shí)驗(yàn)需求，可以多設(shè)立幾個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，設(shè)立4個(gè)制冷劑溫度傳感器，設(shè)立4個(gè)水溫度傳感器。此外，可以設(shè)立多個(gè)壓力檢測(cè)點(diǎn)。

3.1.2 水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)均屬于水系統(tǒng)，應(yīng)重視每個(gè)電機(jī)的變頻器連接，使其可以控制水流量。同時(shí)，需要控制流量傳感器的密封性和抗干擾性。

3.1.3 風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人們應(yīng)用空調(diào)主要是為了調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，保證環(huán)境舒適度。因此，房間的溫度和濕度測(cè)量必不可少，可以在系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)立多個(gè)溫度、濕度傳感器。

3.2 控制回路硬件的設(shè)計(jì)

暖通空調(diào)系統(tǒng)中，其連線工作均在端子柜中進(jìn)行，端子柜內(nèi)含有眾多接線端子排，可以令電器線路遵循一定順序，將其接入端子排。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，被控制的器件眾多，包括壓縮機(jī)變頻器、冷卻水調(diào)節(jié)閥及風(fēng)閥驅(qū)動(dòng)器等，要重視接線，設(shè)計(jì)連接順序分類(lèi)，保證接線的合理性和簡(jiǎn)潔性。

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

應(yīng)用暖通空調(diào)時(shí)，設(shè)備容易受到室內(nèi)外環(huán)境的影響，若想保證空調(diào)制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和制冷效果，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，分析優(yōu)化和控制技術(shù)，制定行之有效的方案，控制能源消耗。

4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

在空調(diào)制冷系統(tǒng)中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比較常見(jiàn)，具有一定的優(yōu)勢(shì)，該種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以對(duì)多層進(jìn)行有效反饋，有效解決隱藏問(wèn)題，緩解非線性映射問(wèn)題。應(yīng)用該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以有效提高信息處理能力，識(shí)別文字和圖片等具體數(shù)據(jù)信息，能夠自主進(jìn)行分類(lèi)，這種處理可以有效緩解工作人員的壓力，保證數(shù)據(jù)信息分類(lèi)的合理性和可靠性。BP神經(jīng)系統(tǒng)可以應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)非線性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)函數(shù)模型，對(duì)函數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行合理控制。在工業(yè)化控制系統(tǒng)中應(yīng)用函數(shù)模型，可以合理控制機(jī)械的運(yùn)行方式。如果將此系統(tǒng)應(yīng)用到暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)中，可以對(duì)吸氣壓力進(jìn)行合理模擬?？梢越Y(jié)合制冷機(jī)能耗的非線性，深入研究其能耗的實(shí)際情況所造成的阻力。在制冷系統(tǒng)中應(yīng)用該技術(shù)，可以獲得真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，為技術(shù)人員提供有力的數(shù)據(jù)支持。應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)風(fēng)險(xiǎn)性函數(shù)進(jìn)行模擬，建立符合實(shí)際情況的網(wǎng)絡(luò)模型，呈現(xiàn)其具體特點(diǎn)，為優(yōu)化控制方案提供參考依據(jù)。

4.2 Matlab語(yǔ)言的應(yīng)用

這是一種程序語(yǔ)言，可以高效處理一些龐雜的數(shù)據(jù)，在處理過(guò)程中可以保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。該語(yǔ)言應(yīng)用相對(duì)廣泛，可應(yīng)用于控制系統(tǒng)及仿真系統(tǒng)。目前，已經(jīng)研制出Matlab語(yǔ)言工具箱，其發(fā)揮了積極效能，可以為調(diào)取子程序提供有力支持，即模塊化應(yīng)用，有效提高使用的便利性，優(yōu)化操作流程。在制冷系統(tǒng)中，可以同時(shí)應(yīng)用Matlab語(yǔ)言及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，高效實(shí)現(xiàn)模塊化控制，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和便捷性，大幅度提高空調(diào)運(yùn)行效率。

4.3 自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的應(yīng)用

自適應(yīng)模糊算法具有高效性，其基于自適應(yīng)模糊控制器、自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力模糊邏輯系統(tǒng)的算法，可對(duì)信息進(jìn)行采集與分析，合理調(diào)整和優(yōu)化邏輯關(guān)系參數(shù)。該系統(tǒng)應(yīng)用了優(yōu)化控制策略，可有效控制空調(diào)的制冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的優(yōu)化?？照{(diào)制冷是系統(tǒng)工程，包含了許多子程序的循環(huán)，如果只對(duì)其中部分元件進(jìn)行控制，可提高運(yùn)動(dòng)能力，但是難以有效控制空調(diào)的運(yùn)行能耗。該系統(tǒng)從整體優(yōu)化角度入手，有效實(shí)現(xiàn)了全局優(yōu)化。該系統(tǒng)能夠合理控制空調(diào)的耗能功率，調(diào)配合適的溫度，保證溫度適應(yīng)冷卻水系統(tǒng)，保證制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性，能夠提高傳熱過(guò)程的平衡性。該系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力及調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，可以進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，有助于優(yōu)化和改善控制模塊，保證調(diào)節(jié)工作的有效性。

5 制冷系統(tǒng)故障解決方法

若想有效優(yōu)化制冷系統(tǒng)，要重視其故障解決方法。常用的故障解決方法如下：其一，回液。引起此類(lèi)問(wèn)題的原因是回液與膨脹閥選型和使用存在問(wèn)題，如膨脹閥選型過(guò)大或元件失靈等，均會(huì)導(dǎo)致回液?jiǎn)栴}。對(duì)于小制冷系統(tǒng)而言，通常會(huì)使用毛細(xì)管，如果加液量過(guò)大，可能會(huì)引起回液?jiǎn)栴}。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，可以安裝氣液分離器，通過(guò)控制大大降低回液危害。其二，帶液?jiǎn)?dòng)。其是在壓縮機(jī)內(nèi)，潤(rùn)滑油出現(xiàn)劇烈起泡現(xiàn)象，引起這種問(wèn)題的主要原因是制冷劑受到壓力影響，出現(xiàn)突然沸騰的情況?？梢园惭b電熱器，有效控制制冷劑的遷移。其三，回油困難。如果壓縮機(jī)的位置較高，要保證回氣管回油彎的合理性，盡量緊湊，減少存油。要保證其間距合理，在回油彎數(shù)量較多時(shí)，應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)充潤(rùn)滑油。如果壓縮機(jī)頻繁啟動(dòng)，會(huì)對(duì)回油造成不良影響。如果連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間過(guò)短，壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，回氣管中還沒(méi)有形成穩(wěn)定的高速氣流，這種情況會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油留在管路中。當(dāng)奔油多于回油時(shí)，壓縮機(jī)就會(huì)缺油。如果運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間較短且系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，其回油問(wèn)題就愈發(fā)明顯。一段時(shí)間缺油，會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑不足，導(dǎo)致缺油的原因并不是壓縮機(jī)奔油問(wèn)題，而是因?yàn)橄到y(tǒng)回油引起的。對(duì)此，可以合理安裝油分離器，保證回油效果和速度，通過(guò)這種方式有效延長(zhǎng)壓縮機(jī)無(wú)回油運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間。

6 結(jié)語(yǔ)

暖通空調(diào)是人們生活中不可或缺的重要組成部分，可以為人們提供良好的生活環(huán)境，但也消耗了大量能源。在暖通空調(diào)系統(tǒng)總能源消耗量中，制冷機(jī)消耗的能源量超過(guò)了50%。若想控制暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行成本，要對(duì)制冷機(jī)進(jìn)行優(yōu)化和控制。應(yīng)優(yōu)化暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)，將其全面落實(shí)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。