模糊控制在中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)中的應(yīng)用

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1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的基本條件。當(dāng)前，能源供應(yīng)的緊張對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)生活產(chǎn)生的巨大沖擊，人們逐漸認(rèn)識(shí)到了節(jié)約能源的重要性，因此節(jié)能減排是一項(xiàng)重大舉措。空調(diào)已經(jīng)成為大型建筑和辦公環(huán)境的必備項(xiàng)目，但是空調(diào)的耗能也是十分驚人的?？照{(diào)的節(jié)能潛力是很大，關(guān)鍵是如何挖掘。因此，如何減少空調(diào)的耗能問(wèn)題，應(yīng)用更多的節(jié)能措施以降低耗能，成為設(shè)計(jì)人員必須要思考的問(wèn)題。

2 分析中央空調(diào)應(yīng)用節(jié)能控制的重要性

通過(guò)分析相關(guān)資料得知，通常中央空調(diào)在整體建筑結(jié)構(gòu)中占據(jù)大概50%的能耗，綜合大樓以及商場(chǎng)則有著更高的耗能?，F(xiàn)今，我國(guó)大部分的建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)中均出現(xiàn)沒(méi)有正確的計(jì)算空調(diào)負(fù)荷等問(wèn)題，造成冷熱源機(jī)組有著較大的容量選擇，產(chǎn)生“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象。中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)自控節(jié)能控制時(shí)沒(méi)有考慮實(shí)際情況，有著缺少細(xì)膩的設(shè)計(jì)；在設(shè)計(jì)水泵運(yùn)行的定流量時(shí)，倘若沒(méi)有正確的管理系統(tǒng)，則會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重浪費(fèi)能源的情況。通常情況下，大部分間接式類(lèi)型的中央空調(diào)主要包含末端循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)等方面，與廣地域、多調(diào)節(jié)、過(guò)工況、多設(shè)備的冷卻劑以及載冷劑、制冷劑等復(fù)合系統(tǒng)有著較大的關(guān)系。一般中央空調(diào)系統(tǒng)中的實(shí)際運(yùn)行情況、設(shè)備負(fù)荷等對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的效率起到?jīng)Q定性的作用。因?yàn)橹醒肟照{(diào)系統(tǒng)所采用的設(shè)備主要是通過(guò)不相同的供應(yīng)商進(jìn)行生產(chǎn)，系統(tǒng)控制主要重視控制方法、制冷主機(jī)控制器等方面的內(nèi)容，主機(jī)的冷卻水系統(tǒng)控制、工況參數(shù)控制、主機(jī)負(fù)荷等均是給予重視，對(duì)于中央空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行中冷凍循環(huán)水的具體參數(shù)、末端風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行情況、冷循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行情況則較少考慮，造成中央空調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)備工作工況無(wú)法在最好的狀態(tài)下運(yùn)行，導(dǎo)致在一定程度上浪費(fèi)能源。

3 中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)中模糊控制的運(yùn)用

現(xiàn)今，國(guó)內(nèi)主要是通過(guò)壓差控制的PID算法模型以及PID算法模型等兩種節(jié)能控制算法。因?yàn)橹醒肟照{(diào)系統(tǒng)屬于復(fù)雜程度較強(qiáng)的系統(tǒng)，其具有參量間較強(qiáng)耦合、較多參量、非線性、時(shí)變、時(shí)滯等基本特征，該過(guò)程要素中的強(qiáng)耦合關(guān)系、大滯后、非線性等情況相對(duì)嚴(yán)重，完成設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)的工作中，水系統(tǒng)的運(yùn)行方式一般以末端變流量的方式進(jìn)行。因?yàn)榭照{(diào)負(fù)荷參數(shù)出現(xiàn)改變，水泵的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)、實(shí)際工作地點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)偏移等情況，導(dǎo)致浪費(fèi)運(yùn)行的流量。不管是通過(guò)PID算法或者PID控制，控制工作的得不到較好的效果。

3.1 模糊控制基本理論

模糊控制屬于計(jì)算機(jī)智能控制類(lèi)型，其主要是以推理模糊邏輯、模糊語(yǔ)言變量、模糊集合論等為前提，特別適用于控制變性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、復(fù)雜性系統(tǒng)的工作?，F(xiàn)今，模糊控制具有一定的可行性，有著較好的節(jié)能效果。

空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施的監(jiān)測(cè)控制工作主要是通過(guò)模糊預(yù)算法進(jìn)行的，一旦空調(diào)末端負(fù)荷、環(huán)境溫度等出現(xiàn)改變時(shí)，各方面的流量、壓差、溫差、回水溫度均會(huì)出現(xiàn)改變的情況，模糊控制器則會(huì)接到到檢測(cè)溫度傳感器、壓差傳感器、流量計(jì)等獲得的參數(shù)，模糊控制器通過(guò)分析歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)際情況，對(duì)末端空調(diào)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)供冷量的需求量進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，同時(shí)采用模糊算法做好調(diào)節(jié)的功工作，采用0-10V直流電壓輸出的操作將變頻器輸出的頻率有效調(diào)解，對(duì)冷凍水泵運(yùn)行過(guò)程的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，確保流量得到改變，通過(guò)模糊控制器計(jì)算流量運(yùn)行、壓差、溫差、供回水溫度的最佳參數(shù)。

模糊控制器通過(guò)動(dòng)態(tài)的方式對(duì)冷凍水系統(tǒng)能量輸出進(jìn)行控制，確保空調(diào)主機(jī)冷媒流量能夠滿足末端負(fù)荷的具體需求，讓空調(diào)系統(tǒng)在不同類(lèi)型負(fù)荷運(yùn)行的基礎(chǔ)上，都能夠給末端用戶(hù)自身的舒適性提供保障，同時(shí)能夠在較大程度對(duì)系統(tǒng)消耗的能量起到節(jié)省作用。

通常情況下，模糊控制器通過(guò)系統(tǒng)模糊優(yōu)化的方式對(duì)主機(jī)系統(tǒng)、中央空調(diào)冷卻水等系統(tǒng)進(jìn)行同時(shí)控制，一旦空調(diào)末端負(fù)荷、環(huán)境溫度等出現(xiàn)改變時(shí)，中央空調(diào)主機(jī)會(huì)隨之改變自身的負(fù)荷率，同時(shí)在一定程度上改變紫銅轉(zhuǎn)換的最佳效率。迷糊控制器對(duì)冷媒循環(huán)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集，將出冷卻水出口溫度以及進(jìn)口溫度進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)相互對(duì)比實(shí)際溫度，確保系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率在負(fù)荷狀態(tài)不同的情況下呈現(xiàn)最佳效率，給中央空調(diào)系統(tǒng)在不同類(lèi)型的負(fù)荷條件下運(yùn)行提供保障，從根本上促進(jìn)降低中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗得到實(shí)現(xiàn)。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

主要是通過(guò)控制算法決定控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且還應(yīng)該對(duì)控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、適時(shí)性、可靠性、通用性、可操作性等進(jìn)行考慮。通過(guò)分析空調(diào)工藝、硬件設(shè)計(jì)等方面的需求，該中央空調(diào)系統(tǒng)主要是通過(guò)傳感器與執(zhí)行器、現(xiàn)場(chǎng)單元控制柜、PLC模糊控制柜、工控機(jī)等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

管理層使用的硬件主要是以研華工控機(jī)為主，采用組態(tài)軟件WINCC對(duì)工作界面組成形態(tài)進(jìn)行管理。通過(guò)分析用戶(hù)的具體要求，確保中央空調(diào)系統(tǒng)工作界面的開(kāi)發(fā)能夠符合用戶(hù)的需求。運(yùn)行方式主要是以人機(jī)界面為主，有利于管理人員分級(jí)管理的工作，使顯示趨勢(shì)圖、輸出報(bào)警、監(jiān)控狀態(tài)、輸出數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)、顯示工藝流程圖、編輯工藝參數(shù)、選擇工作模式等功能得到實(shí)現(xiàn)，同時(shí)處理控制層指令的工作。

控制層采用的模糊控制柜是以SIEMENS公司核心生產(chǎn)的S7-314AFPLC控制器為主。中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)中模擬控制柜是相對(duì)重要的單元，其能夠?qū)⒐ば蚺判?。人工智能控制、模糊算法等工作全面?shí)現(xiàn)，將上位機(jī)發(fā)出的制度進(jìn)行接收，將接收的指令采用運(yùn)算方式當(dāng)成模擬信號(hào)、開(kāi)關(guān)等方式處理，采用通信總線往現(xiàn)場(chǎng)控制柜進(jìn)行執(zhí)行發(fā)送，現(xiàn)場(chǎng)控制柜一旦接收到信號(hào)，則應(yīng)該做好加工處理的工作，通過(guò)分析需求往上位機(jī)反饋。

執(zhí)行層的控制柜具體是采用SIEMENS公司核心生產(chǎn)的S7-300PLC控制器為主，其具體是處理現(xiàn)場(chǎng)單元的系統(tǒng)以及設(shè)備，并不是處理整個(gè)系統(tǒng)。將本單元的調(diào)節(jié)、指示、設(shè)備控制、信號(hào)反饋、數(shù)據(jù)采集、算法處理等功能全面完成，并且采用模糊控制柜與總柜將信息交換等工作實(shí)現(xiàn)。

物理層具體包含控制的設(shè)備、反饋的信號(hào)、采集實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、執(zhí)行器、傳感器、現(xiàn)場(chǎng)儀表、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等方面。

3.3 中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

某中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的配置主要有12臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)、2臺(tái)30kW的溫水泵、2臺(tái)55kW的冷卻水泵、2臺(tái)90kW的冷卻水泵、90kW冷凍水泵與特靈電制冷主機(jī)各3臺(tái)等，中央空調(diào)主要以定流量運(yùn)行的設(shè)計(jì)方式為主，此類(lèi)型的控制措施主要是在額定設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上全面運(yùn)行空調(diào)，系統(tǒng)能耗處于最大值設(shè)計(jì)的狀態(tài)。該中央空調(diào)系統(tǒng)每年需要損耗198.47萬(wàn)kWh的電量，需要支出218.3萬(wàn)元的電費(fèi)。

通過(guò)模糊控制方案改造該項(xiàng)目，模糊控制系統(tǒng)的重點(diǎn)控制器主要是以PLC為主，構(gòu)成項(xiàng)目的內(nèi)容主要是系統(tǒng)軟件、各種傳感器、一套現(xiàn)場(chǎng)模糊控制箱、一套冷卻風(fēng)機(jī)智能控制柜、一套冷卻水智能控制柜、一套冷溫水智能控制柜、一套主系統(tǒng)模糊控制柜等。

（1）節(jié)能測(cè)試結(jié)果

構(gòu)成該項(xiàng)目后通過(guò)相關(guān)部門(mén)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)節(jié)能效果，證明了這套節(jié)能設(shè)備能夠可靠穩(wěn)定的運(yùn)行，有著相對(duì)直觀的操作系統(tǒng)，有著較高的自動(dòng)化程度。系統(tǒng)在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中對(duì)于空調(diào)末端的符合能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地自動(dòng)跟蹤，有著較為明顯的節(jié)能效果，控制系統(tǒng)有著高于35%的綜合節(jié)電率。

（2）分析節(jié)能效果

中央空調(diào)系統(tǒng)在進(jìn)行節(jié)能改造之前，項(xiàng)目每年有著198.47萬(wàn)kWh的耗電量，需要支出218.3萬(wàn)元的電費(fèi)。該項(xiàng)目在實(shí)施節(jié)能改造后，通過(guò)檢測(cè)中心進(jìn)行測(cè)試，平均每年能夠節(jié)約大概57.7萬(wàn)kWh的電量，每年能夠節(jié)約大概63.47萬(wàn)元的電費(fèi)。

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，仍有不少空調(diào)系統(tǒng)未進(jìn)行過(guò)任何形式的節(jié)能控制，普遍具有很好的節(jié)能挖掘潛力空間，實(shí)現(xiàn)空調(diào)的節(jié)能是勢(shì)在必行的。而經(jīng)過(guò)模糊控制改造后，中央空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)管理，運(yùn)行管理的自動(dòng)化程度得到大大提高，為管理者提供大量空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，在中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)中大力推廣與實(shí)施應(yīng)用模糊控制技術(shù)，將會(huì)取得較好的節(jié)能效益。

[1]涂慧華，張華圣.基于能源優(yōu)化的中央空調(diào)控制策略[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2009（01）.

[2]李新雨.模糊控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用淺析[J].科技信息，2010（09）.