中央空調(diào)電氣節(jié)能智能控制研究

劉金瑤

（沈陽萬宸建筑規(guī)劃設(shè)計有限公司，遼寧 沈陽 110000）

在全球氣候變暖和城市熱島效應(yīng)的影響下，城市溫度不斷升高。為了滿足基本的生活和辦公需求，城市居民小區(qū)和商業(yè)辦公區(qū)大都會選擇中央空調(diào)，以降低夏季的高溫影響[1]。但從另一個角度看，中央空調(diào)的使用會加劇電能的消耗，進(jìn)而引起各種形式的能源消耗。為了有效降低中央空調(diào)的能源消耗，必須采取有效的節(jié)能控制措施，使中央空調(diào)在滿足人們使用需求的前提下，盡可能消耗更少的能源[2]。目前，對中央空調(diào)進(jìn)行節(jié)能控制一般可以從硬件和軟件2個維度進(jìn)行。在硬件維度上，主要針對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計，在保證控制和運(yùn)行功能的前提下，盡可能降低能源消耗。在軟件維度上，主要通過采用各種算法提高能量利用率，降低無效能耗[3]。該文將從電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計和智能算法設(shè)計2個方面入手，對中央空調(diào)進(jìn)行節(jié)能控制并加以試驗驗證。

1 中央空調(diào)的各部分構(gòu)成和節(jié)能思路

中央空調(diào)的組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 中央空調(diào)的組成結(jié)構(gòu)

根據(jù)循環(huán)物質(zhì)類型的劃分，中央空調(diào)可以劃分為2該文單元組，即水物質(zhì)單元組和風(fēng)物質(zhì)單元組。其中，水物質(zhì)單元組主要負(fù)責(zé)水物質(zhì)的處理和傳送，包括制冷機(jī)組模塊、冷凍模塊和冷卻模塊。風(fēng)物質(zhì)單元組主要負(fù)責(zé)風(fēng)的產(chǎn)生和傳送。

在中央空調(diào)的整體結(jié)構(gòu)中，制冷機(jī)組模塊是核心部分，負(fù)責(zé)制冷并產(chǎn)生冷氣向外傳送。從制冷機(jī)組模塊的構(gòu)成看，它又包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、風(fēng)機(jī)及其盤管組件，負(fù)責(zé)將制冷的空氣和室內(nèi)進(jìn)行交換，真正達(dá)到調(diào)節(jié)室溫的目的。

水物質(zhì)單元完成相應(yīng)的工作，需要通過制冷機(jī)組模塊、冷卻塔模塊、循環(huán)泵模塊等協(xié)同配合，其整體能源消耗也與每個模塊的能源消耗有關(guān)。為了達(dá)到節(jié)能的目的，就需要在這些設(shè)備中對相應(yīng)的控制電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，其中主要調(diào)整的參數(shù)就是頻率。水物質(zhì)單元中關(guān)鍵模塊的電機(jī)運(yùn)行規(guī)律如公式（1）所示。

式中：n為水物質(zhì)單元關(guān)鍵模塊的電機(jī)轉(zhuǎn)速大?。籪為水物質(zhì)單元模塊的電機(jī)定子頻率；p為水物質(zhì)單元關(guān)鍵模塊的電機(jī)磁極對數(shù)。

進(jìn)一步可知，作為關(guān)鍵模塊之一，水物質(zhì)處理單元中水泵的功率消耗與其控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，與相應(yīng)的頻率也呈線性關(guān)系，據(jù)此可以得到公式（2）和公式（3）。

式中：G1為水物質(zhì)處理單元中水泵模塊的額定流量；G為水物質(zhì)處理單元中水泵模塊的工作流量；n1為水物質(zhì)處理單元中水泵模塊控制電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；n為水物質(zhì)處理單元中水泵模塊控制電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速。

式中：P1為水物質(zhì)處理單元中水泵模塊的額定功率；P為水物質(zhì)處理單元中水泵模塊的工作功率；n1為水物質(zhì)處理單元中水泵模塊控制電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；n為水物質(zhì)處理單元中水泵模塊控制電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速。

從上述關(guān)系可知，在滿足用戶制冷需求的情況下，如果能有效控制電機(jī)的頻率、降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以減少電機(jī)功率的浪費(fèi)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

冷卻塔也是中央空調(diào)制冷過程中的重要組件，其完成熱量交換的數(shù)學(xué)描述如公式（4）所示。

式中：Q為冷卻塔工作過程中完成的換熱量；M為冷卻塔工作過程中的換熱風(fēng)量；H1為冷卻塔工作過程中出風(fēng)口的空氣焓值；H2為冷卻塔工作過程中進(jìn)風(fēng)口的空氣焓值。

作為中央空調(diào)制冷效果實現(xiàn)的重要單元，某個時間段內(nèi)風(fēng)機(jī)組件的總送風(fēng)量如公式（5）所示。

式中：F為某個時間段內(nèi)風(fēng)機(jī)組件的總送風(fēng)量；PF為為了完成送風(fēng)量，F(xiàn)風(fēng)機(jī)需要做出的功率；tN為統(tǒng)計時間段的終止時間；t0為統(tǒng)計時間段的起始時間。

2 中央空調(diào)的電氣節(jié)能結(jié)構(gòu)與智能算法設(shè)計

完成中央空調(diào)制冷任務(wù)的過程相當(dāng)于一個集散系統(tǒng)的控制執(zhí)行過程。集散系統(tǒng)要實現(xiàn)最小的功率消耗，就需要將總體任務(wù)合理分配到每個終端上，使各個終端均衡工作，避免能量的過度消耗。對中央空調(diào)系統(tǒng)而言，也是同樣的道理。如果能將全部用戶形成的制冷負(fù)荷合理地分配到每個終端制冷通風(fēng)單元上，就可以有效降低能源消耗，達(dá)到節(jié)能的控制目標(biāo)。中央空調(diào)節(jié)能控制電氣結(jié)構(gòu)總體框圖如圖2所示。

圖2 中央空調(diào)節(jié)能控制電氣結(jié)構(gòu)總體框圖

圖2中，中央空調(diào)負(fù)責(zé)為多個用戶進(jìn)行制冷氣體輸送，包括用戶1、用戶2、用戶3、用戶4、用戶5等多個用戶。將這些用戶的制冷需求統(tǒng)一納入控制器上的制冷負(fù)荷模塊參與計算。在該過程中，電氣控制系統(tǒng)通過各種傳感器完成數(shù)據(jù)采集工作，并進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和整理，將相應(yīng)結(jié)果納入一個優(yōu)化算法。再由優(yōu)化算法結(jié)合制冷負(fù)荷需求和數(shù)據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行功率優(yōu)化，從而達(dá)到整體節(jié)能的目的。

其中，優(yōu)化算法是一個非常關(guān)鍵的核心部分。也可以采用比較傳統(tǒng)的PID一類的控制算法，但為了達(dá)成更好的功率優(yōu)化效果，該文采用粒子群控制算法。該算法是一種智能控制算法，對于重要空調(diào)的控制任務(wù)，也具有更好的對應(yīng)性，其執(zhí)行過程如圖3所示。

圖3 中央空調(diào)節(jié)能控制的粒子群算法

比較圖2和圖3可知，粒子群優(yōu)化控制算法和中央空調(diào)的節(jié)能控制具有非常好的對應(yīng)性。粒子群算法的總體優(yōu)化目標(biāo)對應(yīng)中央空調(diào)的總體節(jié)能控制目標(biāo)，如果中央空調(diào)負(fù)責(zé)多個用戶的制冷控制，那么粒子群算法就對應(yīng)設(shè)置多個粒子，每個粒子對應(yīng)一個用戶的制冷節(jié)能控制任務(wù)。中央空調(diào)節(jié)能控制的負(fù)荷計算就對應(yīng)于粒子群優(yōu)化算法中的適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計和適應(yīng)度計算。而各個用戶節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)整理分析可以對應(yīng)于粒子群算法中每個粒子的位置計算和速度計算，最終將這些位置計算、速度計算的結(jié)果納入適應(yīng)度函數(shù)中參與進(jìn)一步的適應(yīng)度優(yōu)化，從而實現(xiàn)粒子對應(yīng)位置和速度的更新。當(dāng)整個粒子群達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)時，將確定的粒子位置和粒子速度反饋給各個粒子，就完成了粒子群的優(yōu)化。當(dāng)粒子群優(yōu)化完成時，中央空調(diào)各個用戶終端的制冷功率、相應(yīng)的電機(jī)頻率和轉(zhuǎn)速也都確定下來，至此即完成中央空調(diào)的節(jié)能控制優(yōu)化。

3 中央空調(diào)的節(jié)能控制試驗

在上述研究工作中，針對中央空調(diào)所發(fā)揮的作用、其組成結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理以及電氣控制下各組成成分的節(jié)能過程進(jìn)行了詳細(xì)分析和數(shù)學(xué)形式推導(dǎo)。并在該基礎(chǔ)上給出了中央空調(diào)電氣控制節(jié)能優(yōu)化的系統(tǒng)框圖。然后選擇粒子群算法作為智能優(yōu)化算法的代表，對應(yīng)中央空調(diào)電氣控制節(jié)能的具體結(jié)構(gòu)，設(shè)計了基于粒子群算法的節(jié)能優(yōu)化控制方案。

在接下來的工作中，該文將通過具體的試驗工作，對粒子群優(yōu)化算法取得的節(jié)能效果進(jìn)行分析和檢驗，以確定其在中央空調(diào)制冷過程中節(jié)能控制的有效性。試驗分別針對中央空調(diào)中的水處理單元和風(fēng)處理單元，觀察上述2個單元在優(yōu)化節(jié)能前、后的功率滿載率的情況。

首先來觀察中央空調(diào)水處理單元。在執(zhí)行粒子群優(yōu)化算法前、后，其功率滿載率的變化情況如圖4所示。

圖4 中央空調(diào)水處理單元功率滿載率變化

在圖4中，橫坐標(biāo)代表不同的用戶，中央空調(diào)控制下的用戶一共包括5戶，分別是用戶1、用戶2、用戶3、用戶4和用戶5?？v坐標(biāo)代表中央空調(diào)水處理單元功率滿載率變化，單位是%。白色矩形代表優(yōu)化前中央空調(diào)水處理單元功率滿載，帶剖面線的矩形代表執(zhí)行粒子群優(yōu)化后中央空調(diào)水處理單元功率滿載。

從圖4可以看出，在優(yōu)化前用戶1的水處理單元功率滿載率接近90%，經(jīng)過粒子群優(yōu)化后，水處理單元功率滿載率降至70%以下。在優(yōu)化前用戶2的水處理單元功率滿載率超過90%，經(jīng)過粒子群優(yōu)化后，水處理單元功率滿載率降至70%。其中，降低幅度最明顯的是用戶5，優(yōu)化前水處理單元功率滿載率為90%，經(jīng)過粒子群優(yōu)化后，水處理單元功率滿載率降至60%。

其次來觀察中央空調(diào)風(fēng)處理單元。在執(zhí)行粒子群優(yōu)化算法前、后，其功率滿載率的變化情況如圖5所示。

圖5 中央空調(diào)風(fēng)處理單元功率滿載率變化

從圖5可以看出，在優(yōu)化前用戶1的風(fēng)處理單元功率滿載率超過90%，經(jīng)過粒子群優(yōu)化后，風(fēng)處理單元功率滿載率降至65%左右。在優(yōu)化前的風(fēng)處理單元功率滿載率接近95%，經(jīng)過粒子群優(yōu)化后，風(fēng)處理單元功率滿載率降至68%。其中，降低幅度最明顯的是用戶4，優(yōu)化前風(fēng)處理單元功率滿載率為88%，經(jīng)過粒子群優(yōu)化后，風(fēng)處理單元功率滿載率降至63%。

4 結(jié)論

空調(diào)是夏季降溫消暑調(diào)節(jié)室溫的重要工具，是人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡闹匾O(shè)備。通常負(fù)荷分配不合理會導(dǎo)致很多用戶（包括商業(yè)用戶）使用的中央空調(diào)產(chǎn)生更多的能源消耗。對此，該文進(jìn)行了中央空調(diào)的節(jié)能控制研究。首先，對中央空調(diào)進(jìn)行了組成結(jié)構(gòu)分析和節(jié)能途徑分析。其次，在電氣控制結(jié)構(gòu)的框架下，以粒子群算法為智能優(yōu)化算法對中央空調(diào)進(jìn)行節(jié)能控制。試驗結(jié)果表明，在粒子群算法的優(yōu)化控制下，各用戶終端的負(fù)荷得到了合理分配，中央空調(diào)的功率被有效利用，取得了較好的節(jié)能效果。