實驗室空調自動化系統的節能技術分析及應用

楊鵬飛

（1.江蘇藍林凈化安裝有限公司；2.蘇州格力美特實驗室科技發展有限公司，江蘇 蘇州 215000）

空調是一種誕生于20 世紀西方的能夠調節溫度的重要工具。空調一般用來對室內的溫度進行調解，同時還能夠調節室內的濕度與空氣流動速度等，現在多用來在日常生活中進行對環境溫度進行控制，以適宜的室內環境提高居民的生活質量。同時，由于其功能還常常被用來維持實驗室的溫度，保障實驗的環境，以期得出一個良好的實驗結果，助推實驗的成功。但在20 世紀由于空調的普及率越來越高，對于電能等能源的消耗也不斷提高，同時還由于空調技術的落后與環保的意識不足，導致類似氟利昂等化學物質的濫用，對環境與能源都造成了嚴重的破壞與浪費。相比民居，需要日夜開啟空調以保持室內溫度的實驗室中的這一情況又尤為嚴重，嚴重地影響了該地的生態環境與大氣環境，使居民的居住環境不斷惡化。隨著科學技術的發展和環保意識的提高，對實驗室空調的節能需求與日俱增，本文就主要討論了實驗室空調自動化系統的節能技術分析及應用。

1 自動化技術運用的重要性

實驗室因為環境的特殊需要長時間、恒定地保持同一個環境溫度、濕度或空氣流動速度，就實驗室對空調的要求更高，就目前而言，許多實驗室還在采用普通手動的空調控制系統，所以現在的實驗室空調存在以下問題。

（1）能源消耗大。實驗室空調是一個巨大而復雜的空調系統，不僅鋪設的管道面積大，由于實驗室的高要求，所以能源消耗大于一般的民居。具體表現在以下的幾個方向：首先，實驗室面積大，由于實驗的特殊性與嚴謹性對室內環境的要求高，進而對空調的要求也就更高，增加了空調的能源消耗。同時，實驗一般持續時間一般以周或月為周期，中途對實驗室的溫度要求等需要一直保持，這也就要求實驗室空調的長期運行。最后，由于空調主要以手動操作為主，長期的實驗過后可能會存在忘記關閉空調的情況，這也就加劇了空調的運行壓力，加劇了空調的不必要浪費。

（2）系統負荷大無法適用于所有實驗場景。由于實驗室對空調質量和對空調運行時間的高要求、嚴標準就導致了空調系統的負荷極大，無法完全適用于所有的實驗場景。比如，對于一些需要存在于相對較低的溫度中的細菌培養實驗，就無法單純依靠空調達成實驗環境，可能需要采用其他設備進行輔助。同時空調系統對環境的影響受諸多因素的影響，比如，晝夜交替，因為白天與黑夜的室外溫度變化對室內的溫度同樣會產生變化，由于空調以手動操作為主，無法及時調節溫度，就會影響實驗的結果，還會造成能源的不必要損耗。

（3）存在安全隱患，空調使用壽命短。在實驗室長期高質量、長運行的要求下，對空調本身質量的要求也隨之相應提高。但對于普通的手動設置空調長期高速運行，容易引發設備故障，并縮短使用壽命。

針對以上的種種隱患，使用自動化空調系統能夠有效地減少資源的不必要損耗，節約能源的同時，保護環境，減少使用中的隱患，提高空調的使用質量，延長空調的使用壽命，為實驗室提供更好的溫度控制。

2 自動化技術運用于空調系統的方式

2.1 模糊控制技術的運用

隨著我國智能化技術的不斷發展，作為其重要組成部分的模糊控制技術，隨著智能化的不斷發展也有非常明顯的提升。模糊控制技術主要是在人工智能技術與模糊數學的科學結合，再加上如計算機科學等多種復雜學科相互影響、滲透、結合產生的一種新的技術，在理論上具有非常強的控制性和智能性，還能夠自主學習，常應用于高效復雜的系統中。它的具體優勢如下。

（1）模糊控制具有極強的實踐性，因為其并非產出于精確的數學模型，而是產生于實地操作人員的經驗，符合實際要求。同時由于產出于操作工人，所以總結出的規則平實易懂，更利于應用與推廣。

（2）適應能力強，適應范圍廣。其他的控制方法容易受到環境的干擾，或者在改變其參數時造成極大的影響。模糊控制法區別于其他控制方法，不易受環境的影響，改變參數也不會對結果造成太大影響，因此比較適合運用于變化多、變化快的系統。

（3）相對于誕生于精確的數學模型中的專家經驗，模糊控制更容易以語言變量的形式構造專家知識。

（4）模糊推理還由于其自主學習能力，能夠對人的思維進行模仿學習，不斷地提升自身處理問題的能力。

模糊控制步驟如圖1 所示。

圖1

在空調系統中的運用中，主要是利用空調系統中的溫度傳感器對室內溫度的信號進行測量與捕捉，將這一信息輸入模糊控制系統，將之與提前設定的數值進行智能比對，并根據比對結果實現對室內溫度的合理控制與自動調節，保障實驗室溫度的恒定，促進實驗的成功。

2.2 神經網絡控制技術的運用

智能控制系統的另一個重要組成部分就是審計網絡控制技術，這種方式主要是對人腦的運行與工作時進行模擬，以在不斷地運行過程中實現對復雜網絡的構建，進而為相關工作的順利開展提供幫助，能夠更好地滿足實驗室的需求，對實驗室的空調節能具有重要的意義與作用。采用神經網絡控制技術是要在使用前對所需能耗進行科學計算，計算出實際需要的能量多少與負荷的高低，并且在這樣的計算結果下，結合實際環境，最終達到對能源消耗與器械負荷實現最優控制。在這樣的控制下，自然有利于避免能源的浪費，助推了空調節能技術的發展，減少了浪費，為節能做出貢獻。

而傳統情況下普遍采用常規的PID 控制的，這種控制方式具有相當多的缺陷，主要體現在只能應用于線性系統中，難以滿足復雜多變的實驗室需求，并且雖然這種控制系統反應速度較快，效率也比較高，但同時存在延遲高、負荷短時間內變化大等問題的存在。此外，該控制系統控制性能差，在運用空調系統會長期震蕩，難以實現快速的平穩運行。在這樣的情況下，神經網絡控制系統能夠使用神經網絡對原有的控制系統進行替換，從而實現對情況較為復雜、不確定性強的系統有更良好的適應與運行控制。同時，由于該技術的穩定性，還有助于空調運行時保持穩定，更好地提供適宜的溫度，促進空調系統對室內環境的穩定。因此，為了保障實驗室中環境的長期平穩運行與維持穩定的同時達到節能效果，就需要對神經網絡控制系統進行良好應用。

3 節能技術分析

實驗室空調自動化節能主要是通過系統設計，將群控技術和變頻技術科學結合，以達到更好的節能效果，這兩種節能手段主要是通過控制水泵，主要是水泵的運行速度以及冷卻水的流量，再結合實驗室的實際環境，判斷所需的水流量，以及空調的負荷進行科學合理的管理與控制。這種科學、安全的節能技術可以盡可能地減少空調運行時造成了磨損與損耗，在節約了能源的同時，還能保證空調的高質量運行，最終實現實驗室中的空調節能。

3.1 設備組成

變頻器。主要作用是采集實驗室的環境溫度，再依照壓縮機內部由于出水與回水溫度不同造成的溫差，對變頻器及變頻電機進行優化控制，實現對出水多少的科學調節，以及給水泵供電的電子回路。這些部分得到控制與調節就能夠控制熱交換的速度。

可編程控制器。是一款自動化電子產品，主要的作用是對調整為水泵供電的電子回路進行控制，以及部分壓縮機系統。可編程控制器有很多組成部分，主要包括通訊、輸入、輸出、電源幾個模塊。能夠在接收信號的同時，通過計算機的計算，得出合適的結果，并對終端達成控制，以實現節約能源的目標。

3.2 建立節能控制模型

根據相關的理論可以得出結論，實驗室空調內部的水的循環系統是一種典型的流體負載，按照理論進行描述，可以得出三個正比關系，即機體轉速的一次方、二次方、三次方分別與水流量、水泵承受壓力、水泵機軸功率三個數值成正比關系。根據這一系列的正比關系可以得出一個結論，即空調系統在使用中不會保持100%的負載，而是通常保持在70%左右，這就表明，目前的空調存在進行優化升級的空間。所以本文基于水泵負載的空間應用自動化技術以實現節約能源。具體實驗結果如表1。

表1

通過上述的實驗可以看出，需要對沒有利用的負載空間進行整合利用，提高使用效率，減少能耗的同時提供更好的解決方案，這就需要通過大量的資料收集和數據分析建立起符合實驗室需求的節能控制模型，根據實驗室對空調的使用習慣進行建模，預測未來可能出現的溫度變化。建模的主要依據是以多元的方法收集數據，整合采集實驗室空調的多項數據，再依照建模結果制定預測方案，通過控制水泵的形式達到節能的要求。主要的控制模型建立過程如圖2 所示。

圖2

4 結語

綜上所述，我國的科學技術水平不斷提升，實驗室實驗精度要求不斷提高，空調技術不斷發展，為了使空調在實驗室中的使用過程發揮更好的作用，提高效率與質量，為實驗室提供更恒定、可靠的實驗環境的同時，還能夠在盡量不犧牲使用質量的基礎上，盡量減少不必要的能源消耗，響應國家節能減排政策，就需要將自動化技術融入空調的運行與控制中，減少不必要的能耗，還能夠更加智能地對環境做出反應，為實驗室中實驗的順利完成提供環境條件。要實現這一目標，就需要將模糊控制技術、神經網絡控制技術運用在空調的自動化進程中，提高空調的服務質量，延長空調使用壽命，促進實現節能環保目標。