2018暖通空调系统的优化控制

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　　【摘要】随着我国经济和生活水平的提高，暖通空调的应用已得到普及。然而如何才能有效的控制暖通空调能源损耗，就成为我国目前亟待解决的问题。我国实际上暖通空调系统的能量消耗一般占整个建筑耗电量的50％以上，而且绝大多数空调处在低效下运行，能源浪费十分严重。造成这种现象的主要原因是由于空调系统一般都按最大负荷计算，同时对暖通空调时变性、大滞后、非线性、大惯性系统采用定工作点和定控制器参数设计。
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　　【关键词】暖通空调优化控制
　　
　　分类号：TU96+2文献标识码：A-E文章编号：2095-2104（2011）12-050―01
　　
　　前言
　　 20世纪90年代以来，我国的节能工作取得了长足的进展，但是与世界发达国家相比，还存在相当大的差距。由于能源十分紧张，同时暖通空调的能耗在国民经济总能耗中所占比重越来越大，所以开发中央空调系统的优化控制技术，使中央空调系统在不同工况条件下、不同负荷下，都能在最佳的效率下运行，并且达到最好的控制效果，这是非常迫切的并且具有非常广阔的应用前景。
　　一、暖通空调控制技术发展现状
　　 暖通空调的能耗在智能建筑中占有很大的比重，无论是利用定送风量、定温度和定压力的CAV系统，还是变风量VAV系统，在变负荷条件下暖通空调控制效果都不是很理想，导致消耗大量的能量。由于暖通空调所存在的强非线性、时变性、大惯性、大滞后、强干扰等特性，要对其准确控制，获得好的控制效果，从而达到调节舒适房间温度，节省能量的目的是很困难的任务。结合暖通空调模型的复杂、诸多外界干扰及工况环境的不断变化等特点，把智能控制应用于暖通空调的控制系统中成为了人们研究的热点。由于模糊控制对被控对象模型要求不高，而神经网络的强学习性则能适应外界的强干扰及工况环境的不断变化，所以未来的暖通空调控制必将向着智能控制的方向发展。
　　 随着计算机的普及应用，计算机系统逐步取代了常规仪表对暖通空调进行智能化监测、控制和管理。大量空调、供热系统开始使用计算机监测、控制系统。在暖通空调系统的控制管理中应用计算机技术，可以有效地改善系统运行品质，节省运行能耗，提高管理水平，并减小运行管理劳动强度，取得良好的经济效益和社会效益。总之，能量管理系统体现在设备组合优化、工作时序优化以及各种能量指标统计、计量、考核实现管理节能。
　　二、暖通空调整体工艺
　　 暖通空调工作原理就是制冷剂在制冷机组的蒸发器中与冷冻水进行热量的交换而汽化，从而使冷冻水的温度降低，然后，被汽化的制冷剂在压缩机作用下，变成高温高压气体，流经制冷机组的冷凝器时被来自冷却塔的冷却水冷却，又从气体变成了低温低压的液体，同时被降温的冷冻水经冷冻水水泵送到空气处理单元的热交换器中，与混风进行冷热交换形成冷风源，通过送风管道送入被调房间。如此循环，在夏季，房间的热量就被冷却水所带走，在流经冷却塔时释放到空气中。
　　三、暖通空调空气处理单元
　　 在暖通空调空气处理单元中，首先是部分回风与新风混合，形成混风，混风经过热变换器与冷冻水进行热交换形成送风，在冬天，混风吸收能量温度提高，在夏天，混风温度降低，送风在风机的作用下经过送风管道进入房间，与房间内的空气进行热量的传递，最终调节房间的温度到达所需要的设定点。房间内的气体在排风机的作用下被排出，形成回风。
　　 混风和冷冻水的热交换是在空气处理单元的热交换器中进行的，热交换器是暖通空调系统空气处理单元中的重要部分，热交换器的工况处于部分负荷下时，并非与设计工况相同，而实际使用过程中，热交换器绝大多数时问是在非设计工况。因此，应了解热交换器的特点。
　　四、暖通空调供水系统
　　 常用的冷冻水系统的冷冻水管道均为循环式系统，按冷、热水管道的设置方式划分，可分为双管制系统、三管制系统、四管制系统；根据用户的需求情况的不同，按水压特性划分，可分为开式系统和闭式系统两种；按各末端设备的水流程划分，可分为同程式和异程式系统；按水量划分，可分为定水量和变水量系统。变流量系统中的原则是的供、回水温度保持不变，建筑物负荷变化时，通过改变供、回水的流量来适应，该水系统输送的水流量要与建筑物需求相适宜。
　　 随着现代控制技术和电子技术的发展，自动控制设备的造价不断的下降，变流量系统可以使系统全年以定温差、变流量的方式运行，尽量节约冷冻水泵的能耗，使得其得以越来越广泛的应用。目前，通常所说的变流量系统是指在水路系统的空调末端使用二通阀的系统，是与水路系统的空调末端使用三通阀的定流量系统相对而苦的，所谓变流量与定流量均是指送冷冻水的水路系统的流量，而不是通过末端的流量，通过末端的流量变流量与定流量均是变化的。变流量系统的目的是要冷源输出的流量所载的冷量与经常变化的末端所需的冷量相匹配，从而节约冷量的输送动力和冷源的运行费用。由于目前大多数冷水机组的水流量要求固定，所以变流量系统实际上是供冷(水)量与需冷(水)量相对匹配的。即供冷(水)量只能随冷水机组的运行台数的不同产生变化。由于空调系统大部分时间都处于设计负荷的60％以下运行，且负荷随着时间在不断地变化，为了使冷水所载的冷量与经常变化的负荷相匹配，从而节约冷量输送动力和冷源的运行费用，采用变冷水流量控制便成了理所当然的做法。
　　五、暖通空调优化控制模块
　　 该模块根据最小能量消耗优化冷冻机，AHU和泵设备控制回路的设定点。为了使制冷量与用户负荷相匹配，降低能耗，提高HVAC系统的效率，需要优化HVAC控制系统的各回路设定点。根据设备构成及空调运行模式的特性，建立了各主要组成部分的数学模型，包括冷冻机、泵、冷却盘管、冷却塔和风扇。
　　 暖通空调空气调节子系统：典型的全空气处理过程是由送风系统、回风系统、热交换器三部分构成。调节目标温度主要是通过控制电动调节阀来实现。影响控制目标温度的主要因素有新风与回风的混风温度和湿度、冷冻水温度、送风量、房间负荷、露点温度。当混合空气经过热交换器时由于达到露点温度时，特别是当相对湿度较大时，造成热交换系统的严重非线性关系，另一方面热交换过程是存在显热和潜热两部分，温度上升和下降的特性也不同，存在非线性环节。
　　六、暖通空调能量管理模块
　　 当能量消耗数量接近某个设定值时，该模块通过调节开关指定设备以降低能量成本。能量成本的降低有利于公司确定每天能量需求峰值的费用。它主要包括以下四个方面：（1）优化启/停：该模块是通过实际温度范围和设定温度范围的差分来计算HVAC系统中各设备的最优启停时间。（2）时间调度的具体功能：根据用户需求预先设定调度事件；以工作日和调度时间为依据开关设备；定义可以很容易地反映规律性的发生条件的重用事件；定义偶然发生的重用事件；修改调度，用户可以很方便地制定日程安排程序的类型。（3）负载循环：主要是通过在一定的时间周期关闭指定设备来降低能量损耗。（4）能量管理与统计模块：允许用户检验电量和先前的能量消耗量以及使用成本。然后将从数据库中获得的数据生成图表，进一步分析日月年的使用情况。
　　暖通空调自整定模块
　　（1）控制器参数在线校正：在暖通空调系统的过程控制中，控制对象非常复杂，有些控制环节表现出很强的时变、时滞、非线性的特性。外界环境发生变化，特别是在湿度和房间负荷变化较大时，其送风温度和静压力的控制效果差。由于空调控制系统的被控对象是房间的温度场，它与空调进行换热的工况相当复杂，制约因素太多，对这种大滞后、强扰动且被控对象未知或是时变的系统实施常规PID控制往往效果欠佳。
　　（2）控制回路：由于HVAC系统控制回路数量非常多，这么多的控制回路同时在线校正是没有必要的。因此采用分类方法，按空气处理系统中的送风压力调节、温度调节、混风比例调节，制冷子系统可以按冷冻水温度调节回路、冷却水温度调节回路等。
　　（3）控制性能监测：对于众多控制同路的控制效果是采用分组监视的方式，来评价其控制效果，系统只对其中控制效果差的同路首先进行单元控制器的屏蔽，然后通过现场总线把单元控制器中的控制量和被控制量信息读取到过程优化计算中，按照某种校正策略进行在线调节。
　　结束语
　　 对于暖通空调控制，人们希望暖通空调对象的模型尽量简化，整个暖通空调控制系统在不确定因素的影响下能保持良好的性能，且要求控制算法简单，易于实现，以满足实时控制的需要。根据暖通空调的运行方式和系统构成，通过分析HVAC系统可知，需要用于计量、管理和优化控制的变量很多，同时由于系统的多变量动态响应时间和要求的不同，而且还要完成系统的优化算法和控制器参数自整定的任务，使得软件系统的数据类型和数据结构非常复杂。把软件设计分为设定点在线优化，能量管理及控制器参数自校正三部分，再把三大功能模块集成在一起，实现整个HVAC系统的运行最优化。最后达到暖通空调系统优化的最大化。
　　参考文献
　　【1】沈和荣等．中央空调水系统变流量节能控制技术．全国暖通空调制冷学术年会资料集
　　【2】曹秋声．新型中央空调节能控制系统研究【J】．节能，2007(3)：6．
　　【3】田亚雷．暖通空调的模糊控制研究【J】．工程与建设。2007。(5)．