摘   要：本文介紹了一種新型中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)基于變預(yù)技術(shù)，結(jié)合最優(yōu)化控制、模糊控制以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有負(fù)荷隨動(dòng)跟蹤特性。結(jié)合專用管理專家系統(tǒng)軟件，成為中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。 
       關(guān)鍵詞：中央空調(diào)；節(jié)能；變頻；負(fù)荷隨動(dòng) 
        1  引言 
        隨著電能緊缺問題的日益嚴(yán)重，節(jié)能技術(shù)已被政府部門、各行各業(yè)所重視并推崇。現(xiàn)代高層建筑及智能大廈的飛速發(fā)展，中央空調(diào)由于其高能耗性已成為令人最為關(guān)注的難題之一，其節(jié)能技術(shù)的研究日益加強(qiáng)川。 
        根據(jù)節(jié)能技術(shù)原理以及適用情況不同，目前一般有幾種不同的節(jié)能方案：(1)熱交換型（余熱利用），是通過平隔板完成空調(diào)回風(fēng)和新風(fēng)透過型全熱交換的，缺點(diǎn)是節(jié)能幅度低；(2)水（冰）蓄冷型的原理是夜間將空調(diào)冷凍水制冷并儲(chǔ)存，白夭不開空調(diào)主機(jī)僅使用水系統(tǒng)循環(huán)制冷，特點(diǎn)是避峰但不節(jié)電；(3)通用變頻器型是利用通用變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的PID控制，局限性在于一旦選定了比例常數(shù)Kp、積分時(shí)間常數(shù)TI和微分時(shí)間常數(shù)TD之后，控制方式就已經(jīng)確定，不可能跟隨受控量值的變化而自動(dòng)調(diào)整，也就是不可能達(dá)到最佳的節(jié)能效果。 
        新型中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)要求能夠隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)變換負(fù)荷量，調(diào)節(jié)系統(tǒng)中各能耗設(shè)備功率輸出以適應(yīng)空調(diào)負(fù)荷的變化，并保證主機(jī)系統(tǒng)始終處于優(yōu)化的最佳工作點(diǎn)上，使空調(diào)系統(tǒng)的效率（COP值）始終保持最大值。這就要求系統(tǒng)必須在采用一般變頻節(jié)能技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用最優(yōu)化控制原理、模糊控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，最后成為一種具有負(fù)荷隨動(dòng)跟蹤節(jié)能控制功能的新型中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)。 
        2  中央空調(diào)變頻節(jié)能技術(shù)原理 
        2.1中央空調(diào)及電控系統(tǒng)基本組成
大、中型中央空調(diào)由三部分組成：制冷／制熱站、空調(diào)水管網(wǎng)系統(tǒng)、空調(diào)末端裝置（空調(diào)機(jī)組，風(fēng)機(jī)盤管和新風(fēng)機(jī)組等）。中央空調(diào)系統(tǒng)的耗能拖動(dòng)設(shè)備主要有：冷水機(jī)組拖動(dòng)系統(tǒng)（中央空調(diào)主機(jī)）；冷凍泵拖動(dòng)系統(tǒng)（由若干臺(tái)水泵組成）；冷卻泵拖動(dòng)系統(tǒng)（由若干臺(tái)水泵組成）；風(fēng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)（包括若干室內(nèi)風(fēng)機(jī)和若干冷卻塔風(fēng)機(jī)）。 中央空調(diào)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制依據(jù)是：中央空調(diào)系統(tǒng)的外部熱交換由兩個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)來完成。循環(huán)水系統(tǒng)的回水與進(jìn)（出）水溫度之差，反映了需要進(jìn)行熱交換的熱量。因此，根據(jù)回水與進(jìn)（出）水溫度之差來控制循環(huán)水的流動(dòng)速度，從而控制熱交換的速度，是比較合理的控制方法。同時(shí)，循環(huán)水進(jìn)出口壓差也可以作為控制的一種參數(shù)。
        中央空調(diào)電控系統(tǒng)由主機(jī)系統(tǒng)、冷凍水子系統(tǒng)、冷卻水子系統(tǒng)等組成。其中冷凍水子系統(tǒng)、冷卻水子系統(tǒng)的節(jié)能潛力非常大。由于客流量和晝夜氣溫變化很大，每一時(shí)刻所需的冷（熱）量的變化也很大。由于電機(jī)不能調(diào)速，外界的氣溫和客流量的變化不受人為的控制，為了滿足最大客流量的要求，冷凍水泵（熱泵）、冷卻水泵、冷卻風(fēng)機(jī)都必須長(zhǎng)期運(yùn)行在滿載荷狀態(tài)。這樣造成泵機(jī)的電能和壓縮機(jī)組的冷量浪費(fèi)非常巨大^[2]。
        2.2中央空調(diào)變頻節(jié)能技米基本原理 
        選用冷凍泵變頻子系統(tǒng)、冷卻泵變頻子系統(tǒng)、冷卻風(fēng)機(jī)變頻子系統(tǒng)，自動(dòng)檢測(cè)冷凍水、冷卻水溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷凍水泵（熱泵）、冷卻水泵、冷卻風(fēng)機(jī)，使其處于最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)可減少冷（熱）量在管道循環(huán)中的浪費(fèi)。 
        以冷凍泵變頻子系統(tǒng)為例，其控制方案如圖1所示仁“〕。它的水溫取決于蒸發(fā)器的設(shè)定值，回水溫度取決于蒸發(fā)器接收的熱量，中央空調(diào)冷凍水出水的溫度與冷凍水的回水溫度設(shè)計(jì)最大溫差為5C（出水為8C，回水為13C )。現(xiàn)采用在蒸發(fā)器的出水管和回水管上裝有檢測(cè)溫度的變送器。再與PID溫度調(diào)節(jié)器、控制器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過冷凍水的溫差來控制，使冷凍水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于熱負(fù)載的變化而變化，當(dāng)?shù)?臺(tái)電機(jī)已達(dá)到工頻但達(dá)不到要求時(shí)就可啟動(dòng)第2臺(tái)電機(jī)，工頻運(yùn)行，然后調(diào)控第1臺(tái)電機(jī)。這樣不斷調(diào)整控制，使其達(dá)到最佳的效果。

圖I 冷凍泵變頻子系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖 
      

        3  新型中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng) 
        3.1新型中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)概述 
        新型中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)是在變頻控制的基礎(chǔ)上，運(yùn)用最優(yōu)化控制原理、模糊控制等現(xiàn)代控制理論技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)以及機(jī)電一體化技術(shù)集成的一個(gè)智能化控制系統(tǒng)。它可根據(jù)空調(diào)末端負(fù)荷的變化和空調(diào)主機(jī)的運(yùn)行工況，自動(dòng)對(duì)中央空調(diào)水系統(tǒng)參數(shù)（溫度、壓力、流量等）進(jìn)行完整的采樣和控制，使系統(tǒng)冷媒流量跟隨負(fù)荷的變化而同步變化，同時(shí)優(yōu)化主機(jī)運(yùn)行環(huán)境，從而達(dá)到大幅度降低能源消耗的目的。
具體地說，就是對(duì)中央空調(diào)能源運(yùn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和閉環(huán)控制，最佳控制、模糊控制等現(xiàn)代控制理論技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，將空調(diào)主機(jī)的定流量運(yùn)行改為變流量運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)空調(diào)主機(jī)冷媒流量跟隨末端負(fù)荷需求而同步變化，在空調(diào)系統(tǒng)的任何負(fù)荷條件下，都能既確保中央空調(diào)系統(tǒng)的舒適性，又實(shí)現(xiàn)最大的節(jié)能。

        3.2負(fù)荷隨動(dòng)跟蹤節(jié)能控制技術(shù)對(duì)中央空調(diào)各部分進(jìn)行全面控制，而且通過系統(tǒng)集成技術(shù)將各個(gè)控制子系統(tǒng)在物理上、邏輯上和功能上相互連在一起，實(shí)現(xiàn)它們之間的信息綜合、資源共享，在一個(gè)計(jì)算機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行集中控制和統(tǒng)一管理。根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行工況及制冷工作參數(shù)的變化，通過模糊控制器動(dòng)態(tài)調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，確保空調(diào)主機(jī)始終處于優(yōu)化的最佳工作點(diǎn)上，使主機(jī)始終保持具有高的熱轉(zhuǎn)換效率。如圖2所示。 
        中央空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷變化造成空調(diào)主機(jī)及其水系統(tǒng)偏離最佳工況時(shí)，模糊控制器根據(jù)數(shù)據(jù)采集得到各種運(yùn)行參數(shù)值，如系統(tǒng)供回水溫度、供回水壓差、流量及環(huán)境溫度等，經(jīng)推理運(yùn)算后輸出優(yōu)化的控制參數(shù)值，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保主機(jī)在任何負(fù)荷條件下，都有一個(gè)優(yōu)化的運(yùn)行環(huán)境，始終處于最佳運(yùn)行工況。 
        3.3中央空調(diào)管理專家系統(tǒng) 
        新型中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)是一個(gè)集成的大系統(tǒng)， 根據(jù)其規(guī)模的大小對(duì)應(yīng)配置同等規(guī)模的成套設(shè)備進(jìn)行控制。為了便于用戶的實(shí)時(shí)系統(tǒng)狀況監(jiān)控，根據(jù)
不同用戶靈活配置系統(tǒng)、運(yùn)行策略選擇、數(shù)據(jù)分析及系統(tǒng)管理，還必須有一套強(qiáng)大的系統(tǒng)管理軟件。

圖2系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖 
       

        基于系統(tǒng)集成技術(shù)和組態(tài)軟件技術(shù)的中央空調(diào)管理專家系統(tǒng)可以勝任此項(xiàng)工作。中央空調(diào)管理專家系統(tǒng)一般可由下面幾個(gè)子系統(tǒng)組成： 
        (1)系統(tǒng)組態(tài)：根據(jù)用戶不同規(guī)模、需求靈活配置系統(tǒng)的控制對(duì)象規(guī)模及連接方式。 
        (2）運(yùn)行策略：根據(jù)用戶特點(diǎn)及不同需求靈活選擇最佳運(yùn)行策略，包括系統(tǒng)控制模式、聯(lián)動(dòng)控制對(duì)象、服務(wù)質(zhì)量控制等。 
        (3)狀態(tài)監(jiān)控：通過全面的運(yùn)行參數(shù)采集，利用圖形化的組態(tài)軟件全面、形象、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地提供系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視與控制，包括主機(jī)系統(tǒng)、一次冷溫水系統(tǒng)、二次冷溫水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷卻塔系統(tǒng)、閥門系統(tǒng)、器件系統(tǒng)等。 
        (4)數(shù)據(jù)分析：記錄系統(tǒng)運(yùn)行的主要參數(shù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，提供用戶決策判斷的依據(jù)，包括能耗曲線、主機(jī)效率曲線、電耗累計(jì)值、操作記錄、故障記錄等。 
        (5)系統(tǒng)管理：主要給系統(tǒng)及企業(yè)管理者提供信息平臺(tái)及管理平臺(tái)。
安裝中央空調(diào)管理專家系統(tǒng)后，不但操作人員能夠在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)控冷水機(jī)組、冷凍水泵機(jī)組、冷卻水泵機(jī)組、冷卻水塔、樓層風(fēng)柜、新風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)，以及樓宇內(nèi)外環(huán)境溫度、濕度、樓層溫度、空氣品質(zhì)、冷凍、冷卻水供回水溫度、壓力、主要設(shè)備消耗功率等上百個(gè)工藝參數(shù)，降低設(shè)備運(yùn)行的盲目性，而且大廈各級(jí)管理人員也可以隨時(shí)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視，提高樓宇管理水平。 
        中央空調(diào)管理專家系統(tǒng)能夠?qū)⒄麄€(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù)、故障報(bào)警無限期保存并打印，供管理人員隨時(shí)查閱。自動(dòng)記錄空調(diào)設(shè)備累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，為設(shè)備檢修提供依據(jù)。中央空調(diào)管理專家系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)操作進(jìn)行了權(quán)限設(shè)定，包括管理級(jí)、工程師級(jí)、操作員級(jí)，從而保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性。 
        4  結(jié)  論 
        中央空調(diào)節(jié)能技術(shù)的推廣給企業(yè)帶來的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的，而且符合環(huán)保節(jié)能的理念，因此近幾年得到了大力發(fā)展。大部分已實(shí)施的中央空調(diào)節(jié)能項(xiàng)目都是采用了如引言中所述的前三種技術(shù)（以通用變頻器節(jié)能最廣泛），也取得了一定效果。但是，它們的共同缺陷是沒有從整個(gè)系統(tǒng)出發(fā)，綜合利用所有的系統(tǒng)參量和工況信息，在負(fù)荷隨動(dòng)的情況下，能根據(jù)科學(xué)的控制方法，使主機(jī)系統(tǒng)始終處于優(yōu)化的最佳工作點(diǎn)上，使空調(diào)系統(tǒng)的效率(COP值）始終保持最大值。另外，一套科學(xué)的系統(tǒng)專家管理軟件對(duì)于大系統(tǒng)而言，也是非常必要的。這些都是中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。