楼宇自动化实现对空调节能控制的设计应用

　　 摘要：文章主要介绍了采用楼宇自动化系统（BAS）实现对空调末端设备的节能自动控制。当空调负荷发生变化时，通过采集一组参数值，经模糊运算，改变冷水机组工作 状态、冷冻（温）水和冷却水流量和冷却塔风机的风量，确保冷水机组始终工作在效率最佳状态，使主机始终处于高转换效率的最佳运行工况。
　　 关键词：楼宇设备自动控制技术 节约能源 空调末端装置


　 　1、当前空调系统设计中的节能措施
　　1.1 采用楼宇设备自动控制技术对空调末端装置进行控制
　　在智能建筑中通常采用楼宇设备自控系统，对中央空调系统末端的新风机、回风机、变风量风机、风机盘管等装置进行状态监视和使用的“精细化”控制，以实现节能的目的。它通过DDC（直接数字控制器）控制器，将检测的相关量值进行PID（比例、积分、微分）运算，实现对上述设备的PID控制，达到一定的节能效果。这种对空调末端设备的控制可节能10％-15％，因为不能实现对空调制冷站及空调水系统的智能控制，因此，节能效果不显著。这种节能控制技术的典型代表产品和生产厂商有：
　　（1）美国霍尼韦尔公司EXCEL5000楼宇设备自控系统；
　　（2）美国Johnson公司的楼宇自动化系统；
　　（3）德国西门子公司S600顶峰系统等。
　　空调末端设备的控制采用楼宇自动化系统（BAS），这些设备的主要特性均实现了对空调末端设备的节能自动控制，并为动态变流量空调节能控制系统的运行创造了更为良好的外部条件。


　　1.2 采用通用变频器对中央空调系统中的水泵和风机进行控制

　　为降低中央空调系统的能源浪费，宜采用通用变频器来控制空调系统的水泵和风机，通过对供、回水压差或温差的采集，对水泵和风机进行PID调节，以达到节能效果。这种控制方法通常可以节约水泵和风机等电机拖动系统的电能约20％，最高可达30％。这种节能控制技术的生产厂商和典型代表产品有：
　　（1）美国AB（Allen Bradley）公司，代表产品有通用变频器1336PLUSII系列产品；
　　（2）法国施耐德电气（SchneiderElectric）公司，代表产品有Ahivar38系列异步电动机变频器；
　　（3）德国西门子（SIEMENS）公司，代表产品有通用变频器MICROMASTER440系列产品。


　　 2、动态变流量空调节能控制系统
　　2.1 动态变流量控制原理
　　当空调负荷发生变化时，通过采集一组参数值经模糊运算，及时调节冷水机组、各水泵和冷却塔风机的运行工作参数，从而改变冷水机组工作状态、冷冻（温）水和冷却水流量，改变冷却塔风机的风量，确保冷水机组始终工作在效率最佳状态，使供回水温度始终处于设定值，从而使主机始终处于高转换效率的最佳运行工况。
　　动态变流量控制的核心是变流量控制器，在控制器中建立了知识库、模糊控制模型和模糊运算规则，形成智能模糊控制。通过采集影响冷水机组运行的各种参数，经模糊运算，得出相应的控制参数，这些控制参数被送到冷水机组、冷冻（温）水控制子系统、冷却水控制子系统、冷却塔风机控制子系统。这些子系统根据控制参数的 变化，利用现代变频控制技术，改变空调系统循环水的流量和温度，以保证整个系统在满负荷和部分负荷情况下，均处于最佳工作状态，从而最终达到综合节能的目的。


　　2.2 动态变流量节能控制方法
　　2.2.1 变流量冷却水泵系统
　　当末端空调负荷减少时，反映到冷水机组将出现冷却水出水温度降低的现向，温度传感器检测出这种变化趋势后，模糊控制系统将自动降低冷却水泵的工作频率，降低冷却水进水流量，提高冷却水出水温度，并使进、出水温差控制在最佳设定值上，维持冷水机组的高效率运行。
　　2.2.2 一次泵变流量系统
　　当末端空调负荷变小时，末端空调设备前的两通阀将会关闭或减小，负荷侧回路管路的阻力增大，冷冻水供、回水温差将出现减小，供回水管的压差将出现增高的趋势。水温传感器及水流压差器检测出这种趋势后，模糊控制系统将自动降低冷冻水泵的工作频率，减少冷冻水流量，并使供回水温差及供回水压差控制在最佳设定值 上，维持冷水机组的高效率运行。
　　2.2.3 二次泵变流量设计
　　二次泵变流量系统分为一级泵变流量系统和二级泵变流量系统。其控制原理及效果与一次泵变流量大致相同（在这里不再一一赘述）。而一级泵系统负责确保冷水机组的安全运行，一级泵系统的旁通管路一般设计为直通管，管径按一台冷水机组额定流量设计。一次泵变流量系统跟踪二级泵环路的流量变化，并保证一级泵环路的流量大于二级泵环路的流量，使旁通冷冻水管保持从供水管流向回水总管。当旁通管的流量超出设定值的范围时，变流量控制器将模糊PID调节一级泵的工作频率，使旁通管的流量返回设定值。


　 　3、动态变流量节能控制系统与目前通用变频器控制系统的区别
　　3.1 控制原理不同
　　通用变频器控制是采用通用变频器对受控的水泵电机、风机电机进行单独的控制。当其控制系统检测到某一受控量值时，就按这个量值与给定值之间的误差进行比例（P）、积分（1）和微分（D）之间的线性组合进行控制，即PID控制。这种控制方法只适合于线性系统中，并对单一控制对象实施控制。
　　动态变流量节能控制系统是采用模糊控制技术与变频技术相结合的控制原理，虽然也使用了通用变频器（VVVF），但它不是采用PID控制方式，而是采用模糊控制方法。也就是在整个系统控制过程中，以语言描述人类知识，并把它表示成模糊规则或关系，通过推理、利用知识库，把某些知识与过程状态结合起来的控制行为。它并不具有明显的PID结构，但也可以称为非线性PID控制器，它是根据系统的误差信号和误差的微分或差分来决定控制器的参数，尤其适合非线性和时变性的被控对象。


　　3.2 控制方法的不同
　　中央空调系统的受控参数受季节变化、环境变化、使用时间、人流量等多种因素的综合影响，是一个随机变量，而不是一个线性系统，只是一个非线性系统。因此，决定中央空调系统冷冻（温）水流量和温度、冷却水流量和温度的需求量也是一个随机变量。
　　通用变频器所采用的最重要的控制参数，如比例系数K、积分时间常数T1和微分时间常数Td都是使用经验数据或试验数据确定的，一旦选定就不能自动调节。因此，PID控制系统只适合于线性系统，对于非线性系统不可能达到最佳控制，即选用比例系数和时间常数后，采用同一种控制方法对付各种不同的负荷状态，效果当然是不理想的。
　　模糊控制系统本来就不要求准确掌握受控量的数值，但是它已经考虑了受控量的各种可能性，跟踪受控参数的变化，始终使被控系统处于最佳运行状态，对于各种非线性系统和时变性系统都能提供最佳的决策。


　　3.3 控制效果的不同
　　通用变频器用PID控制方法，控制非线性系统时，很容易引起中央空调系统的强烈振荡，使控制范围在较大范围内波动，增加了系统的能耗，也很容易使系统长时间都不能达到给定值的稳定状态，控制效果不理想，对于主机所配套的冷冻水泵和冷却水泵以及冷却塔风机等设备的节能最多在20％-30％之间。因其采取了保障冷水机组工作状态的措施，不可能节约燃料和主机电能。当然，也不能实现资源共享和无人值守管理。
　　而动态变流量节能控制系统由于建立了优化模糊控制模型，对于中央空调系统可能出现的问题都给出充分的估计，因此，在计算中存储的总决策表能提供最佳的控制方案，系统稳定性好，极少出现振荡现象，系统很快就能达到稳态。可采用准确调节流量的方法去实现节能，水泵以及冷却塔等平均节能达60％-80％。由于采取了特殊措施保障中央空调主机的高转换效率，机组COP值始终处于最佳值，因此对于吸收式溴化锂机组可节约燃料20％-40％，对于电制冷主机可节电10％-30％。
　　动态变流量控制器具有强大的节能功能，在系统设计时就进行了系统集成，实现了各子系统的联动和互操作，达到了资源的共享的目的。由于自动功能非常强大，从而实现了无人值守管理和联网管理等，节省了人力、物力。这些都是通用变频控制系统无法实现的。


　　 4、在工程中应用的节能效果动
　　态变流量空调节能控制系统分别在贵州华城大酒店、贵州日报社、上海新锦江大酒店和成都国际会展中心等实际运行考核，验证了动态变流量空调节能控制系统的节能效果。实践证明：变流量中央空调系统与定流量中央空调系统相比较，水泵以及冷却塔等平均节能达60％－80％；对于吸收式溴化锂机组可节约燃料20％－40％；对于电制冷主机可节电10％－30％。基于动态变流量空调节能控制系统的节能效果，笔者在重庆市第二人民医院住院综合大楼（建筑面积29000m2，采用电制冷主机）和第三军医大学图书综合楼（建筑面积36000m2，采用吸收式溴化锂机组）设计中采用了动态变流量空调节能控制系统，预计每项工程每年节约中央空调总运行费用达50-80万元。


　　 5、结束语
　　中央空调系统节能的潜力巨大，动态变流量空调节能控制系统给空调水系统的控制带来一场革命，同时，给空调系统节能带来前所未有的效果，具有广阔的应用前景，值得大力推广。


　　 参考文献
　　1 华东建筑设计研究院。《智能建筑设计技术》同济大学出版社，1996；306-313
　　2 李文然。《建筑电器智能技术》中国建材工业出版社，2001；1-5
　　3 郭维钧。贺智修。施鉴诺。《建筑智能化技术基础》2001；61—65