论文部分内容阅读
摘要：随着生活水平的提高，空调系统的应用越来越普及，目前空调系统是按满足用户最大需求而设计的，所有的空调系统长时间处于低负荷下运行，由于能源紧张，同时暖通空调的能耗在国民经济总能耗中所占比重越来越大。所以，开发空调系统的优化控制技术，使空调系统在不同负荷下，不同工况条件下，都能以最佳效率运行。并且达到最好的控制效果，是非常迫切的并具有非常广阔的应用前景。本文作者主要就暖通空调的能量优化控制系统的功能进行了简单的梳理和研究，仅供同行参考。
关键词：暖通空调能量优化功能设计
中圖分类号：S611文献标识码： A
.关于暖能空调系统的能量消耗特点、节能和优化控制方法等在理论研究和数字仿真上已经取得较完善的成果，确定了影响运行效率的最主要的三个功能模块组成，即以设备启停调度及以计量为主的能量管理模块、以各控制同路最佳工作点在线设定为主的优化控制模块和以单元控制器的参数校正的控制器在线自校正模块。各模块主要实现的功能设计如下。
1.暖通空调能量管理模块
当能量消耗数量接近某个设定值时，该模块通过调节开关指定设备以降低能量成本。需求限定的目的是在任何给定时间内保证能量的需求低于目标值。能量成本的降低有利于公司确定每天能量需求峰值的费用。它主要包括以下五个方面：
(1) 优化启／停：该模块是通过实际温度范围和设定温度范围的差分来计算HVAC系统中各设备的最优启停时间。
(2) 负载循环：主要是通过在一定的时间周期关闭指定设备来降低能量损耗。冷冻机优化组合函数，根据冷却负荷和允许，冷冻机类型优化组合以提高HVAC系统的性能系数来节约能量。
(3) 时间调度的具体功能：根据用户需求预先设定调度事件；以工作日和调度时间为依据开关设备；定义可以很容易的反映规律性的发生条件的重用事件，定义偶然发生的重用事件；修改调度，用户可以很方便的制定日程安排程序的类型。比如：假日、工作日、周末。
(4) 能量管理与统计模块：允许用户检验电量和先前的能量消耗量以及使用成本。然后将从数据库中获得的数据生成图表，进一步分析日月年的使用情况。该模块基本功能有两个，即“能量管理和分析”和“能耗管理和分析”。
（5）夜间气洗的作用：在夜间，当室外温度降低的时候，用室外空气清洗建筑。例如：AHU打开室外新风阀，关闭回风阀。打开所有选定的排风扇，从而达到节能，提高室内空气质量的目的。
暖通空调优化控制模块
该模块根据最小能量消耗优化冷冻机，AH U和泵设备控制回路的设定点。为了使制冷量与用户负荷相匹配，提高HVA C系统的效率，降低能耗，需要优化H VA C控制系统的各回路设定点。根据设备构成及空调运行模式的特性，建立了各主要组成部分的数学模型，包括冷却盘管、冷却塔，冷冻机、泵和风扇。通过把整个系统分成空气调节子系统和制冷子系统部分，分别对两个子系统局部优化，然后再通过协调变量，来集成实现全局优化。其两个子系统优化工艺过程如下介绍：
图l全空气处理系统示意图
⑴ 暖通空调空气调节子系统
典型的全空气处理过程如图l所示，它由送风系统、回风系统、热交换器三部分构成。新风与回风热交换形成混风，混风通过热交换器后降低温度，再通过很长的送风管道进入房间进行热交换。之后通过回风机排出室外，部分回风与新风混合进行下一次循环。调节目标温度主要是通过控制电动调节阀来实现。影响控制目标温度的主要因素有冷冻水温度、露点温度、新风与回风的混风温度和湿度、送风、房间负荷。
⑵ 暖通空调制冷子系统
a.典型的全空气处理过程是由送风系统、回风系统、热交换器三部分构成。新风与回风热交换形成混风。混风通过热交换器后降低温度，再通过很长的送风管道进入房间进行热交换，之后通过回风机排除室外，部分回风与新风混合进行下一次循环。调节目标温度主要是通过控制电动调节阀来实现。影响控制目标温度的主要因素有冷冻水温度、露点温度。新风与回风的混风温度和湿度时，特别是当相对湿度较大时，造成
热交换系统的严重非线性关系，另一面热交换过程是存在显热和潜热两部分，温度上升和下降的特性也不同存在非线性环节，空气处理单元和被控房间是通过长长的送风管道相连。这就带动来纯滞后，惯性也很大。另外长期使用造成管道阻力变化，这部分存在时变环节。
b．冷却水系统传热过程
制冷机的COP与制冷量(Q)和冷冻水供水温度(TcHws)及冷却水供水温度(Tcws)有关，暂时不考虑冷冻水系统，将冷却水的供水温度看成常量，COP随着制冷量的增加而下降；而在相同的制冷量下，冷却水供水温度Tcws越高，制冷机的COP越大。图3说明了制冷机COP与冷却水供水温度和制冷量的关系。
图3 制冷机的制冷百分比（%）
图3制冷机COP与冷却水供水温度和制冷最的关系可以看出，降低冷却水供水温度能够降低制冷机的能耗。然而，通过提高冷却塔的能耗来获得较低的冷却水供水温度得不偿失，这是因为随着空气质量流量的升高，风扇和水泵的功率将成立方增长。另一方面，冷却水回水温度反过来影响冷却塔的热交换率。当冷却水供水温度降低，对于同样的冷却量冷却水回水温度也会降低。这将导致在同样环境湿球温度下，冷却塔的低效运行。
二、. 控制系统的设计研究
对于中央暖通空调的控制系统而言,传统的控制系统没有考虑到设备启动阶段的能耗以及运行阶段的能耗问题,因此近几年发展起来的暖通空调控制系统都是以变频器软启动暖通设备,以降低暖通空调的能耗。尽管软启动能够有效降低暖通空调的启动能耗,但是在运行阶段,暖通空调还是需要依靠控制系统的控制模式实现运行,因此有必要对控制系统加以研究。这里重点基于PID参数整定实现的控制系统。基于PID实现的节能控制系统的设计思想是,对于长时间处于轻载甚至空载的暖通设备,通过程序的在线搜索,来自适应地降低电动机的定子端电压,找出电动机在相应负载下的最佳节能工作点,使电动机能够尽量处于最优的节能工作状态。在保证异步电动机能够正常工作的前提下,电机降压过程中转速会略有变化。所以电机节能控制的假定前提是:异步电动机工作时对转速的要求不太严格,且处于轻载甚至空载的时间相对比较多,以电机电流作为PID整定参数,并实现闭环反馈控制,能够在很大程度上降低暖通空调设备的能耗。
结束语
暖通空调工程是每个建设项目的重要组成部分。为了保证暖通空调系统的运行效果，设计的合理性是关键。项目的建设方应该加强与设计院的沟通，慎重选择科学合理的方案，要注意本专业与装修设计的配合，并做好施工安装的后期工作。
关键词：暖通空调能量优化功能设计
中圖分类号：S611文献标识码： A
.关于暖能空调系统的能量消耗特点、节能和优化控制方法等在理论研究和数字仿真上已经取得较完善的成果，确定了影响运行效率的最主要的三个功能模块组成，即以设备启停调度及以计量为主的能量管理模块、以各控制同路最佳工作点在线设定为主的优化控制模块和以单元控制器的参数校正的控制器在线自校正模块。各模块主要实现的功能设计如下。
1.暖通空调能量管理模块
当能量消耗数量接近某个设定值时，该模块通过调节开关指定设备以降低能量成本。需求限定的目的是在任何给定时间内保证能量的需求低于目标值。能量成本的降低有利于公司确定每天能量需求峰值的费用。它主要包括以下五个方面：
(1) 优化启／停：该模块是通过实际温度范围和设定温度范围的差分来计算HVAC系统中各设备的最优启停时间。
(2) 负载循环：主要是通过在一定的时间周期关闭指定设备来降低能量损耗。冷冻机优化组合函数，根据冷却负荷和允许，冷冻机类型优化组合以提高HVAC系统的性能系数来节约能量。
(3) 时间调度的具体功能：根据用户需求预先设定调度事件；以工作日和调度时间为依据开关设备；定义可以很容易的反映规律性的发生条件的重用事件，定义偶然发生的重用事件；修改调度，用户可以很方便的制定日程安排程序的类型。比如：假日、工作日、周末。
(4) 能量管理与统计模块：允许用户检验电量和先前的能量消耗量以及使用成本。然后将从数据库中获得的数据生成图表，进一步分析日月年的使用情况。该模块基本功能有两个，即“能量管理和分析”和“能耗管理和分析”。
（5）夜间气洗的作用：在夜间，当室外温度降低的时候，用室外空气清洗建筑。例如：AHU打开室外新风阀，关闭回风阀。打开所有选定的排风扇，从而达到节能，提高室内空气质量的目的。
暖通空调优化控制模块
该模块根据最小能量消耗优化冷冻机，AH U和泵设备控制回路的设定点。为了使制冷量与用户负荷相匹配，提高HVA C系统的效率，降低能耗，需要优化H VA C控制系统的各回路设定点。根据设备构成及空调运行模式的特性，建立了各主要组成部分的数学模型，包括冷却盘管、冷却塔，冷冻机、泵和风扇。通过把整个系统分成空气调节子系统和制冷子系统部分，分别对两个子系统局部优化，然后再通过协调变量，来集成实现全局优化。其两个子系统优化工艺过程如下介绍：
图l全空气处理系统示意图
⑴ 暖通空调空气调节子系统
典型的全空气处理过程如图l所示，它由送风系统、回风系统、热交换器三部分构成。新风与回风热交换形成混风，混风通过热交换器后降低温度，再通过很长的送风管道进入房间进行热交换。之后通过回风机排出室外，部分回风与新风混合进行下一次循环。调节目标温度主要是通过控制电动调节阀来实现。影响控制目标温度的主要因素有冷冻水温度、露点温度、新风与回风的混风温度和湿度、送风、房间负荷。
⑵ 暖通空调制冷子系统
a.典型的全空气处理过程是由送风系统、回风系统、热交换器三部分构成。新风与回风热交换形成混风。混风通过热交换器后降低温度，再通过很长的送风管道进入房间进行热交换，之后通过回风机排除室外，部分回风与新风混合进行下一次循环。调节目标温度主要是通过控制电动调节阀来实现。影响控制目标温度的主要因素有冷冻水温度、露点温度。新风与回风的混风温度和湿度时，特别是当相对湿度较大时，造成
热交换系统的严重非线性关系，另一面热交换过程是存在显热和潜热两部分，温度上升和下降的特性也不同存在非线性环节，空气处理单元和被控房间是通过长长的送风管道相连。这就带动来纯滞后，惯性也很大。另外长期使用造成管道阻力变化，这部分存在时变环节。
b．冷却水系统传热过程
制冷机的COP与制冷量(Q)和冷冻水供水温度(TcHws)及冷却水供水温度(Tcws)有关，暂时不考虑冷冻水系统，将冷却水的供水温度看成常量，COP随着制冷量的增加而下降；而在相同的制冷量下，冷却水供水温度Tcws越高，制冷机的COP越大。图3说明了制冷机COP与冷却水供水温度和制冷量的关系。
图3 制冷机的制冷百分比（%）
图3制冷机COP与冷却水供水温度和制冷最的关系可以看出，降低冷却水供水温度能够降低制冷机的能耗。然而，通过提高冷却塔的能耗来获得较低的冷却水供水温度得不偿失，这是因为随着空气质量流量的升高，风扇和水泵的功率将成立方增长。另一方面，冷却水回水温度反过来影响冷却塔的热交换率。当冷却水供水温度降低，对于同样的冷却量冷却水回水温度也会降低。这将导致在同样环境湿球温度下，冷却塔的低效运行。
二、. 控制系统的设计研究
对于中央暖通空调的控制系统而言,传统的控制系统没有考虑到设备启动阶段的能耗以及运行阶段的能耗问题,因此近几年发展起来的暖通空调控制系统都是以变频器软启动暖通设备,以降低暖通空调的能耗。尽管软启动能够有效降低暖通空调的启动能耗,但是在运行阶段,暖通空调还是需要依靠控制系统的控制模式实现运行,因此有必要对控制系统加以研究。这里重点基于PID参数整定实现的控制系统。基于PID实现的节能控制系统的设计思想是,对于长时间处于轻载甚至空载的暖通设备,通过程序的在线搜索,来自适应地降低电动机的定子端电压,找出电动机在相应负载下的最佳节能工作点,使电动机能够尽量处于最优的节能工作状态。在保证异步电动机能够正常工作的前提下,电机降压过程中转速会略有变化。所以电机节能控制的假定前提是:异步电动机工作时对转速的要求不太严格,且处于轻载甚至空载的时间相对比较多,以电机电流作为PID整定参数,并实现闭环反馈控制,能够在很大程度上降低暖通空调设备的能耗。
结束语
暖通空调工程是每个建设项目的重要组成部分。为了保证暖通空调系统的运行效果，设计的合理性是关键。项目的建设方应该加强与设计院的沟通，慎重选择科学合理的方案，要注意本专业与装修设计的配合，并做好施工安装的后期工作。