基于DDC自动控制对空调系统节能的方法

摘要：空调的用量愈大，消耗电力也愈多，直接造成城市供电不足和夏季限电问题的出现。所以实有必要发展一种有效的空调系统节能方法。本文整合了DDC自动控制系统，提出了利用DDC对建筑物空调系统自动控制的思路，既可以让空调系统更有效率的运转，又可以提供舒适的环境和达到节能的目的。

1．引言
节能可以说是楼字自动控制系统的出发点和归宿。众所周知，在智能建筑中，HVAC(采暖、通风和空调)系统所耗费的能量要占到大楼消耗的总能量的极大部分比例，大致在50％~60％左右。特别是冷：东机组、冷却塔、循环水泵和空调机组、新风机组，都是耗能大户。所以实有必要发展一种有效的空调系统节能方法，尤其用是在改善现有大楼空调系统自动化上方面。DDC(Directdigitalcontr01)直接数字化控制，是一项构造简单操作容易的控制设备，它可借由接口转接设备随负荷变化作系统控制，如空调冷水循环系统、空调箱变频自动风量调整及冷却水塔散热风扇的变频操控等，可以让空调系统更有效率的运转，这样，不仅为物业管理带来很大的经济效益，而且还可使系统在较佳的工况下运行，从而延长设备的使用寿命以及达到提供舒适的空调环境和节能之目的。

2.DDC自动控制系统介绍
DDC直接数字化控制是一种简易的微电脑设备，它须与其它组件，如变频器、温度湿度传感器、焓差控制器、两通阀等组件整合搭配才能发挥功效。这些组件的输入输出以模拟信号DC0~10V或低电流4-20mA作信号传送，送至DDC控制器。经DDC内置软件作判别后反向输出信号来控制阀部件或变频器来调节空调。DDC自动控制系统各周边设备及控制功能。

2．1直接数字控制(DDC)
系指一台数字电脑直接操作一个状态，或者一套程序予以自动控制的作业。所配用的数字电脑，可以采用小型微处理机，亦可配用于中央型的微电脑上去连线作业。空调系统常用的控制元件，例如风闸开关、阀开关、阶动继电器等的操作，不论其原为气动式还是电动式的，亦不论其作用原为调整大小的动作或仅为开或关的动作，均可改用DDC方式作自动的操作。

DDC系统利用硬件和软件来调整控制变数或依据操作人员的需要来控制制造程序。其中控制变数包括温度、压力、相对湿度、流量等。控制程序和设定点可利用软件输入电脑内，并能够在操作人员的键盘上进行修正，如此可以取代过去对硬件控制器的校正。DDC系统亦可将检测到的温度、压力等控制变数，与预先储存在电脑内的希望数值相比较，如果测试的数值小于或大于所希望的数值，系统将会送出一系列的数字脉冲，这些脉冲则借助电动对气动的转换器 (electrtC-to-pneUmatiCtransducer)或电动对电动的转换器(electric-to- electrlctransducer)转变成控制装置的调整信号，然后通过电脑的调整，其所输出的信号，再操作其转换器，使原来系气动或电动的组件按指示信号操作。若空调的控制器件，原系气动式，则需要另加一套将气动动作变为电器信号的装置，将电器信号输入电脑操作。原系电动操作元件者亦相同。至于输入 DDC系统后，则不需另加任何硬件设备，即可作任何性能控制的操作。

2．2变频器
变频器驱动电动机是利用二极管等整流器件将电源予以整流后，再经由电容器等平滑，使之由交流转换成直流。利用PowerTransister、 SCR(Thynstor)等将直流换成任一频率，然后以交流电方式输出。用变频器驱动感应电动机，除可避免电动机磁气饱和外，同时亦可压制起动电流，且由于驱动电动机而产生必要的扭力矩，故必须控制变频器的输出电压，好呼应频率的变化。变频器可分为电压形变频器和电流形变频器。电压形变频器利用SCR或二极管整流后，可再用平滑电容器使其成为电压源。另一方面，电流形变频器利用SCR整流后，打开电抗器，便可因SCR而具有电流源的作用。其控制方式有电压控制和电流控制两种。

2．3焓差控制器
焓差控制是指在送风系统中，当室外的温度低于室内温度时，利用室外的低温空气调节室内温度。焓差控制器是由控制器比较室外温度及回风温度高低而将各风门关大、关小或全开、全关的。风量控制，可采取自动和手动双重方式，由温(湿)度的感测，经过风门和变频双重调节，以达到室内设定的温度和湿度。

2．4冷却水塔散热风扇温控器
冷却水塔风扇在不同的冷却负载下其耗电维持在一定值，造成电力的浪费。故在冷却水塔风扇使用变频马达，并利用冷却水出口温度控制风扇马达起停及高低转速，不但主机能在较低的冷却水进水温度下做高效率的运转，并且可有效的减少冷却水塔风扇的耗电。

3．大楼空调系统的架构
一般大楼常用的空调系统有CAV、VAV、VWV等，各有不同操控方式，都可以用DDC控制。如图1。

3．1定风量系统(ConstantAirVolume，简称CAV)。
定风量系统为空调机吹出的风量一定，以提供空调区域所需要的冷(暖)气。当空调区域负荷变动时，则以改变送风温度应付室内负荷，并达到维持室内温度于舒适区的要求。常用的中央空调系统为AHU(空调机)与冷水管系统(FCU系统)。这两者一般均以定风量(CAV)来供应空调区，为了应付室内部分负荷的变动，在AHU定风量系统以空调机的变温送风来处理，在一般FCU系统则以冷水阀ON／OFF控制来调节送风温度。

3．2变风量系统(VAV)
变风量系统(VarlableAirVolume，简称VAV)即是空调机(AHU或FCU)可以调变风量。常用的中央空调系统为AHU(空调机)与冷水管系统FCU系统。这两者一般均以定风量(CAV)来供应空调区，为了应付室内部分负荷的变动，在AHU定风量系统以空调机的变温送风来处理，在一般FCU系统则以冷水阀ON／OFF控制来调节送风温度。然而这两者在送风系统上浪费了大量能源。因为在长期低负荷时送风机亦均执行全风量运转而耗电，这不但不易维持稳定的室内温湿条件，也浪费大量的送风运转能源。变风量系统就是针对送风系统耗电缺点的节能对策。变风量系统可分为两种：一种为AHU 风管系统中的空调机变风量系统(AHU—VAV系统)；一种为FCU系统中的室内风机变风量系统(FCU-VAV系统)。AHU-VAV系统是在全风管系统中将送风温度固定，而以调节送风机送风量的方式来应付室内空调负荷的变动。FCU-VAV系统则是将冷水供应量固定，而在室内FCU加装无段变功率控制器改变送风量，亦即改变FCU的热交换率来调节室内负荷变动。这两种方式透过风量的调整来减少送风机的耗电量，同时也可增加热源机器的运转效率而节约热源耗电，因此可在送风及热源两方面同时获得节能效果。

3．3变流量系统(VWV)
所谓变流量系统(VariableWaterVolume，简称VWV)，是以一定的水温供应空调机以提高热源机器的效率，而以特殊的水泵来改变送水量，顺便达成节约水泵用电的功效。变水量系统对水泵系统的节能效率依水泵的控制方式和VWV使用比例而异，一般VWV的控制方式有无段变速(SP)与双向阀控制方式。以上三种空调系统是目前大楼空调最常被设计的系统。中央空调控制也就是把管路、管件、阀体或阀门集中设定控制流体提供冷气。所以有效组合中央空调控制即能有效控制耗能，设计合乎节能的空调系统。

4．不同自调设备方式运用DDC的方法
DDC设备在市面上的产品，各厂家的型号、套件都有所不同，但系统大同小异。只要将类比讯号经数位化处理输入电脑，就能作控制与设定。当这些数位控制运用在空调设备时，整合方式有下列几种：

4．1FCU用在定风量系统(CAV)区域空调
因为是定风量系统，所以我们控制冷水系统上的两通阀。当室温升高，室内感温器送出信号给控制器，控制器接到信号与设定的温度比较，输出信号给冷水管上的两通阀。控制两通阀打开，使循环风变冷送入室内。如室内温度下降过多，盘管风机作卸载。室内温度感温器送信号至控制器为模拟输入，控制器与设定温度比较，输出模拟信号至冷水管上的两通阀关闭。两通阀也有比例式型式，这种比例式两通阀控制冷水大小进入冷排使空调更有弹性控制，维持室温在设定值上下。见图2所示。


4．2AHU用在变风量系统(VAV)区域空调
大楼常用的空调系统，以出风温度及预设定的比值为控制方式。靠着送、回风及外气温度SENSOR来控制马达转速。控制程序如下：
(1)出风温度感应到感温器(设定在12℃)，DDC控制两通阀打开。
(2)送冷气时，冷水感温器测得冷水离开冷排温度，调整出风温度状况，陆续利用DDC控制AHU变频器改变马达转速送出理想出风温度。
(3)当冷水阀门关小至12℃，DDC控制器打开外气及回风风门，综合送风温度，直到外气风门关至最小开度以维持12℃送风风温，可兼外气空调利用。
(4)低温限制感应混合温度控制以保护冷排不结冰。

4．3做冷水主机开关机及状况记录
一般大楼空调系统每天的冷水主机开关机，大都靠人工来操控。最主要开机加载的程序由人来监视比较有弹性。所以操作人员很重要，但人要休息会轮班，也因此冷水主机的操作没有一套有效管理。DDC可以设定所有开关机程序并且标准一致，不怠班。主机控制系统加装模拟信号适配卡转换传讯，再加一台列表机，就能把一天中所有运转情形显示出来。遇有跳机又能即时通知技术人员前往查看。

5．结束语
利用DDCSystem来控制空调系统，最主要是把不理想的控制方式作改善。这些年来国产空调主机设备，在业者依政府所订的高EER或COP标准加以改良后已经有不错的产品。目前所需要的配套措施就是整合DDC自动控制系统，利用其随负荷快速有效调整风机马达转速达到节能的目标。