淺論中央空調的節能控制

董茴

【摘要】本文首先闡述當前空調系統設計中的節能措施，其次，詳細介紹了動態變流量節能控制系統的控制原理、控制方法及節能效果。

【關鍵詞】中央空調；節能措施；動態變流量節能系統

【Abstract】This paper firstly discusses the design of air conditioning system energy saving measures，Secondly， introduces the control principle， dynamic flow changing energy-saving control methods of the control system and the energy saving effects.

【Key words】Central air conditioning；Energy-saving measures；Dynamic variable flow systems

眾所周知，能源是人類生存和社會發展必需的物質基礎，節約能源是人類共同使命。自20世紀70年代發生全球性“能源危機”以來，能源問題的嚴重性已得到世界各國政府的普遍重視。“節約能源”一直是我國的一項基本國策，堅持“節約和開發并舉，把節約放在首位”一直是我國節能工作的長期方針。大力推進節能技術進步，大幅度提高能源利用率，提高社會經濟效益，是我們面臨的促進國民經濟向節能型轉變的一項重要任務。建筑物的能耗約占全國能耗的1/3，中央空調系統的能耗占了我國建筑物能耗的65%，這是一個非常驚人的數字。空調系統的節能對于降低整幢建筑的能耗是非常關鍵的。為此，設計推廣采用當今最先進的中央空調節能控制產品和技術是我們每個設計人員義不容辭的責任和義務。

1. 當前空調系統設計中的節能措施

1.1采用樓宇設備自動控制技術對空調末端裝置進行控制。

1.1.1在智能建筑中通常采用樓宇設備自控系統，對中央空調系統末端的新風機、回風機、變風量風機、風機盤管等裝置進行狀態監視和使用的“精細化”控制，以實現節能的目的。它通過DDC（直接數字控制器）控制器，將檢測的相關量值進行PID（比例、積分、微分）運算，實現對上述設備的PID控制，達到一定的節能效果。這種對空調末端設備的控制可節能10%～15%，因為不能實現對空調制冷站及空調水系統的智能控制，因此，節能效果不顯著。這種節能控制技術的典型代表產品和生產廠商有：

（1）美國霍尼韋爾公司EXCEL 5000樓宇設備自控系統。

（2）美國Johnson公司的樓宇自動化系統。

（3）德國西門子公司S600頂峰系統等。

1.1.2空調末端設備的控制采用樓宇自動化系統。 （BAS），這些設備的主要特性均實現了對空調末端設備的節能自動控制，并為動態變流量空調節能控制系統的運行創造了更為良好的外部條件。

1.2采用通用變頻器對中央空調系統中的水泵和風機進行控制。 為降低中央空調系統的能源浪費，宜采用通用變頻器來控制空調系統的水泵和風機，通過對供、回水壓差或溫差的采集，對水泵和風機進行PID調節，以達到節能效果。這種控制方法通?？梢怨澕s水泵和風機等電機拖動系統的電能約20%，最高可達30%。這種節能控制技術的生產廠商和典型代表產品有：

（1）美國AB（Allen Bradley）公司，代表產品有通用變頻器1336PLUSII系列產品。

（2）法國施耐德電氣（SchneiderElectric）公司，代表產品有Ahivar 38系列異步電動機變頻器。

（3）德國西門子（SIEMENS）公司，代表產品有通用變頻器MICROMASTER440系列產品。

2. 動態變流量空調節能控制系統

2.1動態變流量控制原理。

（1）當空調負荷發生變化時，通過采集一組參數值經模糊運算，及時調節冷水機組、各水泵和冷卻塔風機的運行工作參數，從而改變冷水機組工作狀態、冷凍 （溫）水和冷卻水流量，改變冷卻塔風機的風量，確保冷水機組始終工作在效率最佳狀態，使供回水溫度始終處于設定值，從而使主機始終處于高轉換效率的最佳運行工況。

（2）動態變流量控制的核心是變流量控制器，在控制器中建立了知識庫、模糊控制模型和模糊運算規則，形成智能模糊控制。通過采集影響冷水機組運行的各種參數，經模糊運算，得出相應的控制參數，這些控制參數被送到冷水機組、冷凍（溫）水控制子系統、冷卻水控制子系統、冷卻塔風機控制子系統。這些子系統根據控制參數的變化，利用現代變頻控制技術，改變空調系統循環水的流量和溫度，以保證整個系統在滿負荷和部分負荷情況下，均處于最佳工作狀態，從而最終達到綜合節能的目的。

2.2動態變流量節能控制方法。

2.2.1變流量冷卻水泵系統。 當末端空調負荷減少時，反映到冷水機組將出現冷卻水出水溫度降低的現向，溫度傳感器檢測出這種變化趨勢后，模糊控制系統將自動降低冷卻水泵的工作頻率，降低冷卻水進水流量，提高冷卻水出水溫度，并使進、出水溫差控制在最佳設定值上，維持冷水機組的高效率運行。

2.2.2一次泵變流量系統。 當末端空調負荷變小時，末端空調設備前的兩通閥將會關閉或減小，負荷側回路管路的阻力增大，冷凍水供、回水溫差將出現減小，供回水管的壓差將出現增高的趨勢。水溫傳感器及水流壓差器檢測出這種趨勢后，模糊控制系統將自動降低冷凍水泵的工作頻率，減少冷凍水流量，并使供回水溫差及供回水壓差控制在最佳設定值上，維持冷水機組的高效率運行。

2.2.3二次泵變流量設計。 二次泵變流量系統分為一級泵變流量系統和二級泵變流量系統。其控制原理及效果與一次泵變流量大致相同（在這里不再一一贅述）。而一級泵系統負責確保冷水機組的安全運行，一級泵系統的旁通管路一般設計為直通管，管徑按一臺冷水機組額定流量設計。一次泵變流量系統跟蹤二級泵環路的流量變化，并保證一級泵環路的流量大于二級泵環路的流量，使旁通冷凍水管保持從供水管流向回水總管。當旁通管的流量超出設定值的范圍時，變流量控制器將模糊PID調節一級泵的工作頻率，使旁通管的流量返回設定值。endprint

3. 動態變流量節能控制系統與目前通用變頻器控制系統的區別

3.1控制原理不同。

（1）通用變頻器控制是采用通用變頻器對受控的水泵電機、風機電機進行單獨的控制。當其控制系統檢測到某一受控量值時，就按這個量值與給定值之間的誤差進行比例（P）、積分（1）和微分（D）之間的線性組合進行控制，即PID控制。這種控制方法只適合于線性系統中，并對單一控制對象實施控制。

（2）動態變流量節能控制系統是采用模糊控制技術與變頻技術相結合的控制原理，雖然也使用了通用變頻器（VVVF），但它不是采用PID控制方式，而是采用模糊控制方法。也就是在整個系統控制過程中，以語言描述人類知識，并把它表示成模糊規則或關系，通過推理、利用知識庫，把某些知識與過程狀態結合起來的控制行為。它并不具有明顯的PID結構，但也可以稱為非線性PID控制器，它是根據系統的誤差信號和誤差的微分或差分來決定控制器的參數，尤其適合非線性和時變性的被控對象。

3.2控制方法的不同。

（1）中央空調系統的受控參數受季節變化、環境變化、使用時間、人流量等多種因素的綜合影響，是一個隨機變量，而不是一個線性系統，只是一個非線性系統。因此，決定中央空調系統冷凍（溫）水流量和溫度、冷卻水流量和溫度的需求量也是一個隨機變量。

（2）通用變頻器所采用的最重要的控制參數，如比例系數K、積分時間常數T1和微分時間常數Td都是使用經驗數據或試驗數據確定的，一旦選定就不能自動調節。因此，PID控制系統只適合于線性系統，對于非線性系統不可能達到最佳控制，即選用比例系數和時間常數后，采用同一種控制方法對付各種不同的負荷狀態，效果當然是不理想的。

（3）模糊控制系統本來就不要求準確掌握受控量的數值，但是它已經考慮了受控量的各種可能性，跟蹤受控參數的變化，始終使被控系統處于最佳運行狀態，對于各種非線性系統和時變性系統都能提供最佳的決策。

3.3控制效果的不同。

（1）通用變頻器用PID控制方法，控制非線性系統時，很容易引起中央空調系統的強烈振蕩，使控制范圍在較大范圍內波動，增加了系統的能耗，也很容易使系統長時間都不能達到給定值的穩定狀態，控制效果不理想，對于主機所配套的冷凍水泵和冷卻水泵以及冷卻塔風機等設備的節能最多在20%～30%之間。因其采取了保障冷水機組工作狀態的措施，不可能節約燃料和主機電能。當然，也不能實現資源共享和無人值守管理。

（2）而動態變流量節能控制系統由于建立了優化模糊控制模型，對于中央空調系統可能出現的問題都給出充分的估計，因此，在計算中存儲的總決策表能提供最佳的控制方案，系統穩定性好，極少出現振蕩現象，系統很快就能達到穩態。可采用準確調節流量的方法去實現節能，水泵以及冷卻塔等平均節能達60%～80%。由于采取了特殊措施保障中央空調主機的高轉換效率，機組COP值始終處于最佳值，因此對于吸收式溴化鋰機組可節約燃料20%～40%，對于電制冷主機可節電10%～30%。

（3）動態變流量控制器具有強大的節能功能，在系統設計時就進行了系統集成，實現了各子系統的聯動和互操作，達到了資源的共享的目的。由于自動功能非常強大，從而實現了無人值守管理和聯網管理等，節省了人力、物力。這些都是通用變頻控制系統無法實現的。

4. 在工程中應用的節能效果

動態變流量空調節能控制系統分別在貴州華城大酒店、貴州日報社、上海新錦江大酒店和成都國際會展中心等實際運行考核，驗證了動態變流量空調節能控制系統的節能效果。實踐證明：變流量中央空調系統與定流量中央空調系統相比較，水泵以及冷卻塔等平均節能達60%～80%；對于吸收式溴化鋰機組可節約燃料20%～40%；對于電制冷主機可節電10%～30%?；趧討B變流量空調節能控制系統的節能效果，筆者在重慶市第二人民醫院住院綜合大樓（建筑面積29000m2，采用電制冷主機）和第三軍醫大學圖書綜合樓（建筑面積36000m2，采用吸收式溴化鋰機組）設計中采用了動態變流量空調節能控制系統，預計每項工程每年節約中央空調總運行費用達50～80萬元。

5. 結束語

中央空調系統節能的潛力巨大，動態變流量空調節能控制系統給空調水系統的控制帶來一場革命，同時，給空調系統節能帶來前所未有的效果，具有廣闊的應用前景，值得大力推廣。

[文章編號]1619-2737（2014）04-28-340endprint