暖通系统的控制探讨.docx

??

?

??

暖通系统的控制探讨

?

?

?

?

?

??

?

?

?

摘要：暖通系统的控制技术从上个世纪到现在有着日新月异的发展。本文从变频器应用和自动控制的理论发展历程、暖通系统中的冷却水冷冻水控制几个方面探讨了暖通系统的控制。

关键词：变频器自动控制制冷主机的控制

1变频器在暖通水系统中的应用

中央空调是可以进行能量交换和运输的一个设备，系统中的冷却水系统和冷冻水系统承载着能量转换的两端。所以中央空调系统包含的两大系统是冷却水系统和冷冻水系统。图1-1便是中央空调的系统图。

图1-1暖通系统示意图

中央调系统在最初设计时期就会秉承着一种设计理念，就是要满足机场在极端情况下的需求，在这个基础上还要留出10%～20%的冗余。[1]另外在实际使用中室外温度的浮动和使用者对空调的需求的不同，中央空调系统的供应对于需求来说一直是有大大的余量的。

1.1变频器的原理

当变频器带动的设备为水泵时，就要以水泵自身的运行规律来分析。

水泵的运行符合以下的工作原理，水泵的转速不同，

水泵的流量Q（m3/h）、扬程H（m）、轴功率P(KW)与转速n（r/min）有如下关系:

Q1/Q2=n1/n2(1-1)

H1/H2=(n1/n2)2(1-2)

P1/P2=(n1/n2)3(1-3)

从上面的公式可以看到，转速减少时，功率的波动比流量的波动大得多。所以如果适当的降低转速就可以使水泵省电。又由电学的知识可得，一个电动机的转速和频率有下列关系：

n=60f(1-s)/p(1-4)

式中:p为极对数;f为电源频率（HZ）;n为电机的转速（r/min）;s为滑差率。

变频器就是利用可以让电动机的频率改变从而可以使电动机无极调速。中央空调冷冻水系统的出回水温度差值代表了末端利用的热能的多少。从这个差值的浮动可以知晓末端的需求变化，所以中央空调操作员就是通过出回水的差值来作为依据进行操作管理。实际操作中中央空调主机的出水温度都是浮动较小，所以单纯的通过回水温度来判断就好。

1.2变频器的节能估算

假设双流国际机场的中央空调系统有冷冻泵和冷却泵各三台，电机功率为75kW;额定电流为139.7A。如果没有安装变频器，那就采用较为落后的改变水泵的水阀来调节水流大小，那么水泵就一直按照工频运行，也就是运行频率一直是50HZ。夏天或者冬天，因为只是调节了中央空调的水流大小，但是电动机的转速、水泵的转速都无法改变，那么每个制冷季制热季电能费用为：

W季=P×3月×30天×24小时

=75×3×30×24=162000kWh。

而后把丹佛斯变频器连接入水泵前端，使其带动水泵运行，调节变频器的频率，也就是调节水泵的频率得到表1-1数据,变频器不同频率条件下的节能对比。

表1-1变频器节约能耗

注:PY=3UxIxCOSФ/3(kW)

季度耗电:W季1=PY×3月×30天×24小时(kWh)

季度节约电能:W=W季-—W季1(kWh)

其中:PY为实际功率(kW);Ux为电源线电压(V);Ix为电源线电流(A)。

2中央空调控制系统

2.1自动控制在空调系统中的应用概述

从上个世纪后叶开始，空调中的双位控制渐渐被直接数字式控制和自适应控制代替。因为中央空调系统自身的非线性、时滞性和参数变量耦合的特性，想建立针对中央空调的精确模型较有难度。所以以上两种控制理论在中央空调上的应用推广的不是很顺利。

在这种情况下，以设计者和工程师成熟经验为基础的模糊控制理论得到在中央空调内广泛应用。当前来看，在中央空调的控制诸多控制方法中，PID控制发展出的DDC控制系统是中央空调系统中不可或缺的设备，在实际应用中取得了良好的效果。PID控制有优势，同时也有其控制方面薄弱的地方，因为PID控制要建立在详细具体的模型基础上，所以当模型一直变化的时候，PID控制器的效果就不那么随人愿了。

在最优控制研究方面，Kaya等首先研究了中央空调系统的最小能耗控制方法;Braun等先后实现空调的冷水机组的最优控制，通过多点参数法产生了这对空间数据和墙体数据的模型，通过这个模型来研究以最少的能源损耗来尽可能维持温度的恒定下的控制，降低送风温度和增加送风时间使模型的各个位置温度都维持基本恒定。这个事例说明，PI控制在某种程度上不如最小方差控制。

模糊控制理论真正的在中央空调系统中投入实际使用是上世纪八十年代。三菱重工是最早的一家研究模糊控制空调的企业。紧接着，日本企业又开发出以模糊理论为基础的模糊控制器，通过大量的试验表明，该控制器在控制室内温度的恒定，及时调节室内温度的偏差和保护压缩机方面有突出的优势九十年代中Huang和Nelson在原有工作的基础上，提出基于控制相平面响应轨迹特性的自调整模糊控制方法。[2]Albert领头由神经网络的启发研制出中央空调辨识控制器，同时对P