暖通空調制冷系統的優化與控制技術分析

廖志偉

摘 要： 隨著社會經濟的不斷發展，暖通空調在日常的建筑中越來越多的被使用，并且已經成為了建筑當中不可缺少的一部分，但是在建筑中暖通空調通常占據了建筑能源消耗的百分之二十，造成了巨大的能源損耗，其中制冷系統占據了暖通空調能源消耗的大部分。所以對于暖通空調制冷系統的優化控制有著重要的現實意義和使用價值。本文通過對暖通空調制冷系統的原理介紹，找出適合優化暖通空調制冷系統的一些方法，并且介紹這些方法的作用及其原理，最后通過對這幾種方法的研究，得出最佳的優化方案組合，希望能夠對暖通空調制冷系統的優化控制提供借鑒。

關鍵詞： 暖通空調；制冷系統；優化控制分析；現代建筑

隨著我國社會的不斷進步，人民的經濟實力不斷發展，人們都在追求高質量的物質生活，所以暖通空調成為了大多數建筑中都會有的設施。但是，暖通空調本身具有高能耗的特點，為了實現可持續發展，我們必須得對這種高消耗設備進行優化。這樣不僅可以實現節能減排的效果，也可以幫助使用者節省開銷，能夠使人們的生活在經濟實惠的基礎上變得更加舒適。

一、暖通空調制冷系統的基本運行方式

暖通空調的制冷系統中存在著制冷劑，通過制冷劑的作用從而使熱量進行交換，在壓縮機、冷凝器等四個元件中，制冷劑不斷的在其中進行循環，這時候制冷劑會發生狀態變化，這樣就會吸熱或者放熱，從而達到了制冷的效果。它包括壓縮、制冷、節流和蒸發4個熱力過程?；镜倪\行原理是：制冷劑在通過蒸發皿的時候，在蒸發皿中吸收熱，這時候本身為液體狀的制冷劑由于吸收了熱量從而變為低溫低壓氣體，然后通過流動，氣態的制冷劑將會被壓縮機接收，壓縮機由于其本身的特性，將會把氣態制冷劑的壓力和溫度升高，變為高溫高壓的狀態，高溫高壓的氣態制冷劑最后在室外側的冷凝器中冷凝成液體放出熱量。下圖中毛細管一般為小型空調器節流裝置所采用，大、中型空調器的節流裝置一般采用膨脹閥。

二、暖通空調制冷系統的優化控制基本思路及控制模型

制冷系統的優化主要體現在兩個方面：

一方面，集中對制冷系統能耗進行分析，找出能耗浪費的關鍵環節，并對運行過程中的能耗進行有效控制，盡可能縮短調節系統的中間環節，避免無用功的產生；另一方面，加強對溫度控制系統的控制策略優化，提高溫控精度和反應時間，提高系統動作靈敏度，給使用者帶來更加人性化的智能控制體驗。

從上面對于暖通空調制冷系統的介紹來看，暖通空調制冷系統的冷卻效果跟冷卻物質密切相關，外界環境溫度高，系統處于高負荷運轉下，進而使得環境溫度下降，當環境溫度降低到一個合適的值或者人為干預對目標溫度進行調節時，由于實際的被控對象存在著傳遞滯后，冷卻系統往往還在延續著高負荷的運行狀態而不能做出有效及時的反饋和控制。這種情況使得制冷系統經常處于一個高能耗的狀態，不可避免地造成了能源的浪費。

暖通空調一般用冷卻水來進行熱量交換，所以我們可以通過對于冷卻水溫度的分析，找出冷卻水的溫度變化對于暖通空調制冷系統工作效率影響。冷卻水與冷卻系統各個部件之間的工作效率是存在特定關系的。

各個部件的能耗情況與冷卻水的溫度有關，隨著冷卻水溫度的變化，不同位置部件的功率是發生變化的，單獨一個部分的最優點不是整個制冷系統的最優點，所以我們要結合整體的情況，利用不同的系統進行最大限度的優化，使得暖通空調制冷系統的運行達到最節能的情況。

為達到節能（提高效率）和提高靈敏度、精確度兩個目的，首先我們根據上述分析，針對暖通空調的運行建立系統優化數學模型。系統框圖如上所示。

在此模型中：給定溫度是輸入，通常由人為設定。熱水溫度為被控對象。其控制偏差由溫度傳感器采集到出水孔溫度值并反饋到溫度控制器后計算得出，偏差值是溫度控制器進行控制的依據，也是整個閉環系統關鍵一環。

三、優化策略

（1）PID控制

PID控制是基于經典控制理論的控制器，也是目前應用最為廣泛的控制方法，具有原理簡單、適應性強、穩定度好的優點。利用該方法對空調制冷系統進行優化，關鍵步驟是對PID控制器中比例、積分、微分環節各項參數進行整定，參數設置的科學性直接決定著控制系統的優化效果。其步驟如下：

第一步：針對暖通空調制冷系統模型，在預先設定的采樣周期內輸入一個階躍激勵，讓系統從啟動到結束，完成一個完整的工作過程；

第二步：控制參數的工程整定，方法主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。以臨界比例法為例，加入比例控制環節，調節參數直到系統階躍響應出現臨界振蕩，確定制冷系統的比例系數和臨界振蕩周期；

第三步：對通過整定得到PID控制器的參數進行整體調節，以冷凝器出水溫度與設定值的穩態誤差、溫度調節周期等指標驗證優化效果。

PID控制完成上述步驟，即意味著在制冷系統的能耗管理和控制反應靈敏特性的優化已經完成。

（2）自適應模糊控制系統

自適應模糊控制是一種基于神經網絡的高效控制系統。它對系統內部變量要求不高，因而廣泛適用于非線性、多變量的復雜系統。在控制制冷系統出水孔溫度時可以根據控制器程序設定的數據來進行自動調整學習，然后自身的進行參數的改變。將自適應模糊控制使用到暖通空調制冷系統中后可以有以下幾點優化：①提高整體的控制效果。自適應模糊控制系統是一個整體，它可以調控全局的變化。避免了調節過程中顧此失彼的問題；②能夠自己尋找最佳狀態。自適應模糊控制最優點就在于此，它可以自己尋找最優的控制點，然后去改變參數從而達到最優點，對于制冷系統的能效管理而言，這一點至關重要；③很強自我調節性能。自適應模糊控制具有較強的學習能力和調節能力，所以當系統控制目標發生變化時，系統依然能夠保持快速響應的狀態，避免了中間的遲滯過程。

將自適應模糊控制應用于制冷系統的優化，不需要過多關注系統各個環節，如蒸發器的工作效率、毛細管的流量、壓縮機和熱交換器的工作特性。但是對系統控制策略和數據處理本身要求極高，整個控制程序的魯棒性要求很高。

目前有團隊研發針對暖通空調制冷系統建立一個專門的數據庫和故障集，并將其集成在制冷控制模塊里，無論各種參數如何變化，系統CPU始終都可以從數據庫調取數據資源，為下一步的決策提供依據。如此設計的系統將更多依賴空調系統運行的歷史數據。

四、總結

暖通空調制冷系統雖然不難，但是其存在的結構較多，所以在進行優化的時候還需要全面考慮。PID控制和自適應模糊控制是優化系統特性的重要策略。通過對調節參數的科學設置以及廣泛的數據庫、故障集的建立，暖通空調制冷系統的能耗可以得到有效的降低，其控制精度和靈敏度也會大大提高。

相信隨著科技的不斷進步，暖通空調制冷系統也會變得越來越先進，智能化控制方案會越來越多地服務于大眾。本文通過對暖通空調制冷系統的優化控制研究，希望能夠對暖通空調系統的改進優化有所借鑒。■

參考文獻

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