【正文】 ci r c ul a ti o n s ys te m o f c e ntr a l a ir co nd i ti o ne r , s o the a ir c o nd i ti o ne r c a n s up p l y c o mfo r t a nd us e l e s s e ne r gy a s p o s s i b l e . In t hi s p a p e r , w e a na l yze t he me c ha ni s m o f c e n tr a l ai r c o nd i ti o ne r a nd i ts i ne r ti a a nd hys te r e s i s 。 在 我 撰 寫 論 文 的 過 程 中 ， 葛 老 師 傾 注 了 大量的心血和汗水 。從課題的選擇到論文的 即將 完 成 ， 葛 老 師 都 始 終給予我細心的指導和不懈的支持。 此外 ， 我 還 要 感 謝 和我 一 起 度 過 愉快地 研 究 生 生 活 的 何 明 、盧娟、于敏華、任磊、孫德亮 、 張 全 、 俞 宗 佳 、凌萍 同學， 和 所有關心我的老師、同學和朋友， 尤其是師弟們 ， 在 我 的 論 文 完 成過程中給了我很大的支持，在你們的幫助下， 我才能克服 學 習 中遇到的 困難 ， 順利完成本文 。這段美好的生活經(jīng)歷將伴隨我的一生 ， 它 也 會 是 我 生 命 中 最 寶 貴的財富。但是中央空調的能耗非常大，約占整個建筑的總用電量的 60%~70%。隨著中央空調的發(fā)展和對其研究的深入，出現(xiàn)了眾多的冷水系統(tǒng)變流量調節(jié)方法。 常見的中央空調系統(tǒng)主要由制冷機組、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風機盤管系統(tǒng)和散熱塔組成，如圖 11 所示。 圖 11 中央空調系統(tǒng)主要結構 在 對 中央空調的冷凍水和冷卻水系統(tǒng) 的 控制器 進行 設計時 ， 要注意 克服大滯后、大慣性特性，對于中央空調這種類型的系統(tǒng)其復雜性及控制的困難表現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1） 模型 的不確定性。由于人類的認識能力有限，且中央空調工作環(huán)境普遍存在著各 2 種各樣 的干擾，許多復雜的物理變化使得難以完全從機理上揭示其內(nèi) 在 的規(guī)律；這種不確定性普遍存在于空調的 各個環(huán)節(jié)之 中，使得 很難對其進行精確 建模。嚴格 地 說，所有的實際系統(tǒng)都存在非線性，只是非線性的程度不同而已。但是對于存在嚴重非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，采用線性化的處理方法常會產(chǎn)生很大的偏差，甚至會得出完全相反的結論。 （ 3）系統(tǒng)的時滯特性。因 此， 時滯對象被認為是最難控制的對象之一。 （ 4）系統(tǒng)的多變量及強耦合特性。 因為各個子系統(tǒng)之間的關聯(lián)，導致了 這些 子 系統(tǒng)中的變量 以各種形式相互 影響 著，任何一個變量的變化可能引起其他的變量發(fā)生變化， 增加了系統(tǒng)的控制的難度 。所以，如何在 這種復雜的控制環(huán)境下， 如何 達到滿意的控制效果是我們研究的主要方向 。故此，中央空調的控制系統(tǒng)對于一個空調的性能起到了至關重要的作用。這樣對電網(wǎng) 頻繁 的 沖擊， 不僅恒溫效果不佳 ， 讓人感到不適，同時也浪費了大量的電能 。在目前應用的系統(tǒng)中往往偏重于設備的運行管理控制方法 ，具體控制方法上， 基本上采用多個回路的 PID 控制 。 但是常規(guī) PID 控制器本身存在的一些缺陷 ， 使得它在實際應用中的控制效果不是很理想 。 然而在實際應用中被控對象模型和擾動模型往往是不精確的時變的甚至是不可知的 ，于是對于具有一組固定參數(shù)的 PID 控制器來說 ， 問題就出現(xiàn)了 。 因此當被控對象模型為不可知或時變時要 確定最優(yōu) PID 控制器參數(shù)將變得十分困難 ； 其次 PID 控制器之所以能夠在過程控制領域獲得廣泛地應用 ， 原因之一 ，是因為 在 實際的 應用中 PID 控制器的設計可只借助于系統(tǒng)輸出等反饋信息進行控制 ， 從而 減少 了控制系統(tǒng)對對象模型的依賴性 。 所以常規(guī)的 PID 控制器對于這類對象的控制效果很不理想 ； 再次 ， 一個實用的 PID 控制器至少是一個兩自由度的控制器 ， 用工程整定法 （ 如 ZN 法臨界 、 比例帶法 ） 等進行參數(shù)整定時 ， 由于各參數(shù)的控制效果存在一定程度的耦合 ， 因此為找到一組最佳參數(shù)需要運行人員進行反復地調試 ，這無疑降低了工作效率 。 模糊控制算法的 歷史 與特點 自從模糊控制理論進入實際應用以來，在各個工程領域 的各個方面都引起了廣泛的重視 。后來 Zadeh 又提出了模糊語言變量這個重要的模糊邏輯概念 ， 到了 1974 年 Zadeh 在以前的工作的基礎上 進行模糊邏輯推理的研究 。 1974 年 4 利用模糊控制語言設計出模糊控制器 ， 實現(xiàn)了世界上第一個試驗性的蒸汽機控制 ， 它的成功標志著人們采用模糊邏輯進行工業(yè)控制的開始 ， 宣告模糊控制的誕生。這些 實驗 研究 表明模糊控制具有以下特點 : （ 1） 無須知道被控系 統(tǒng)的具體數(shù)學模型；模糊控制是以人對被控系統(tǒng)的控制經(jīng)驗為依據(jù)而設計控制器的，故無須知道被控系統(tǒng)的數(shù)學模型。 （ 3） 易為人們所接受模糊控制規(guī)則，這些規(guī)則是以人類語言表達的。 （ 5）適應性好 ； 模糊控制系統(tǒng)無論被控對象是線性還是非線性的都能執(zhí)行有效的控制 ， 具有良好的魯棒性和適應性 。但是， 中央 空調系統(tǒng)是典型的多變量、大滯后、分布參數(shù)及變量關聯(lián)耦合的非線性時變過程，由于很難建立其精確數(shù)學模型，因此，經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制方 法在 實際 應用中 其 控制效果 往往 不理想 。目前， 中央 空調控制方法有雙位 ON/OFF 控制、 PID 控制、最優(yōu)控制、模糊控制 等 方法。但 PID 控制需要較精確的數(shù)學模型，對于快時變、變參數(shù)系統(tǒng)控制效果并不理想。 Braun 等先后實現(xiàn)空調 的 冷水機組的最優(yōu)控制 ， 采用分布參數(shù)法建立了冷庫空間和墻體的動態(tài)模型，研究了如何用最小的能量來抵御環(huán)境溫度干擾的動態(tài)控制問題，通過調整送風溫度的給定值和風機的運行時間，實現(xiàn)了在冷庫室內(nèi)各點溫度均滿足要求條件下的最小能耗控制。 模糊控制正式應用于 中央 空調中始于 20 世紀 80 年代中期。 1991 年，日本又研制出模糊控制空調器，根據(jù)試驗結果，模糊控制在室溫穩(wěn)定性、壓縮機頻繁啟停、節(jié)能效果及室溫響應時間等方面比 PID 控制具有明顯的優(yōu)點。 Albert 等人針對空調機組的多輸入多輸出特性，利用神經(jīng)網(wǎng)絡建立了空調機組辨識控制器，并用神經(jīng)網(wǎng)絡辨識器控制器、模糊控制器和 PID 控制器對空調機組的動態(tài)特性和能耗進行分析，結果表明，由于機組運行工況變化快， PID 控制方法因無法 預測機組的模型參數(shù)而不能實現(xiàn)較好的控制，機組的總能耗也相應較大 ； 基于專家經(jīng)驗規(guī)則的模糊控制和基于辨識模型的神經(jīng)網(wǎng)絡控制可以得到較好的控制效果，相應的能耗也小得多。模糊控制在國內(nèi)空調制冷系統(tǒng)中的應 用形式主要是模糊溫控器，如湖南怡恒電子有限公司開發(fā)了中央空調房間模糊控制恒溫器、北京中立格林控制技術有限公司開發(fā)了 F2021 系列室內(nèi)變風量模糊控制器，這兩類控制器都是利用傳感器感知室內(nèi)溫度的變化，經(jīng)過模糊推理，控制調節(jié)風機風量。模糊控制產(chǎn)品的開發(fā)品種少、功能單一、無規(guī)模效應 。因此模糊控制技術在國內(nèi)外 中央 空調中的應用和推廣任重而道遠。論文的總體工作如下： 1. 在分析了中央空調整體結構 和模糊控制特點 的基礎上， 擬 對冷 卻 水機組系統(tǒng)進行 模糊 PID 控制，并 提出了控制的要求與難點。 3. 針 對 中央空調冷卻水 系統(tǒng) ， 分別 設計 了數(shù)字 PID 控制器和 模糊 PID 控制器 ，比較了兩種控制方式的仿真結果， 模糊 PID 控制器能得到較好的控制效果。 7 第二章 中央空調 控制系統(tǒng) 的節(jié)能 設計 本章介紹目前 主流中央 空調的 結構組成 ，并 在此基礎上從中央空調系統(tǒng)的運行角度來分析節(jié)能問題 。 中央 空調系統(tǒng)的組成 不同的建筑物因其構造不同 ， 用途也各不相同 ， 所以應根據(jù)實際情況采用不同空調系統(tǒng)結構 。因此下面介紹目前最普遍應用于辦公樓的中央空調結構。 風機盤管是風機盤管空調機組的簡稱，風機盤管內(nèi)部的電動機多為單相電容調速電動機。 新風機一般是相對集中設置的 ， 它專門用于處理 新風 并向各房間輸送新風 。 （ 2） 回風設施 明裝的風機盤管可直接從機組自身的回風口吸入回風 。 （ 3） 冷熱源設施 風機盤管和新風機都是非獨立式的空調器 ， 它們的換熱器盤管組必須通冷水或熱水 ， 才能使空氣冷卻 、 去濕或加熱 、 升溫 。 冷熱源設備通常設置在專用的中央機房內(nèi) ， 對有地下室的高層建筑 ， 中央機房一般位于地下層內(nèi) ， 若無地下層時 ， 中央機房可設在建筑物內(nèi)首層或與建筑物鄰近的適當位 置 。冷卻水泵置于中央機房內(nèi)的水泵間 ， 散熱塔 置于室外的合適地方并應盡可能鄰近中央機房 。 （ 4） 冷熱水輸送設施 冷 凍 水機組生產(chǎn)的冷水和熱水器生產(chǎn)的熱水 ， 必須經(jīng)冷 (熱 )水泵加壓后由供水管送至風機盤管和新風機 ， 流經(jīng)各 個 空調機換熱盤管 ， 再經(jīng)回水管流回冷水機組重新冷卻降溫至所需的冷 水供水溫度 (或流回熱水器被重新加熱升溫至所需的熱水供水溫度 )， 以便冷 (熱 )水可循環(huán)使用并減少能耗 。 對夏季只使用冷水 、 冬季只使用熱水的空調系統(tǒng) ， 水泵及供回水管是通過季節(jié)切換交替使用的 ， 此即雙水管系統(tǒng) ， 是目前廣泛應用的空調水循環(huán)系統(tǒng) 。 （ 6） 控制系統(tǒng) 首先 ， 各類設備的電動機都應設現(xiàn)場開關 ， 以便測試檢修時控制 。 總控制臺上應設有各設備開關的燈光顯示 。 各設備都應既能手動控制又能自動整套投入運行 。 新風機回水管路上設電動二通閥 (比例調節(jié) )， 由新風機感溫器根據(jù)新風溫度變化自動控制閥的開度 ， 來 調節(jié)流經(jīng)新風機換熱器盤 管的水量 。 風機盤管回水管上設電動二通 閥 (雙位調節(jié) ) ， 由室溫變化自動控制閥的開閉 。隨之而來的能量供 需 矛盾也越來越突出。 動力耗 能是空調系統(tǒng)總耗能的兩大部分 中 的主要部分，如何節(jié)約動力能耗顯得尤為重要。 變水量 控制 的節(jié)能 關鍵 是對水泵的運行控制 。 水泵轉速控制的最新技術是變頻調速技術 ， 它變速穩(wěn)定 、 反應靈敏 準確 、 自動化程度高 ， 對空調系統(tǒng)節(jié)能具有重要意義 。 中央空調 冷水機組 基本工作原理 和 節(jié)能 控制 從圖 21 中我們可以清楚的看出冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，其中 ，冷凍機組 主要功能是制冷和輸送冷凍水； 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)用來冷卻冷凍機組的壓縮機 ， 冷卻水 系統(tǒng)包括以下 部分 : 給 壓縮機組 散熱的冷凝器、 冷卻泵 、 冷卻水管道， 散熱塔 。 冷卻水將壓縮機組工作時產(chǎn)生的熱量帶走通過冷卻水泵加壓通過管道帶到 散熱塔 ，在 散熱塔 的冷風的作用下降溫冷卻 后 再流入壓縮機組，這樣可以保證壓縮機組在正常的溫度下工作。因此實現(xiàn)對水循環(huán)系統(tǒng)的控制便成為重中之重。 由于冷凍水的出水 溫度是冷凍機組 “冷凍 ”的結果，是比較穩(wěn)定的，我們根據(jù)回水溫度的高低可以判斷出房間內(nèi)的溫度。 （ 2）冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制 ： 通過檢測進水和回水的溫差實現(xiàn)變頻控制。對于冷卻泵，以進水和回水間的溫差作為控制依據(jù)，實現(xiàn)恒溫差控制是可行的。 中央空調的冷水機組系統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)，在設計時 通常是按照最大換熱量夏季最熱時 ,且所有空調都打開時再取一定的安全系數(shù)來確定的，而通常情況下由于季節(jié)和晝夜氣溫的變化以及所啟用空調 房間 數(shù)目的不同 ， 實際換熱量遠小于設計值，并且隨著外界環(huán)境的變化調節(jié)相當頻繁。 節(jié)流閥的存在會對水 流 產(chǎn)生阻力 ， 從而產(chǎn)生嚴重的節(jié)流損耗 ， 并且會引起機械振動和產(chǎn)生噪音。另外 ， 如果水泵長期處于工頻運行狀態(tài) ， 電機滿負荷運行會加速設備的老化 ， 增加維護費用。所以，要想對中央空調冷水機組實現(xiàn) 精確的控制，需要采用變頻調速技術實時調節(jié)電機功率。 （ 1） 冷凍泵的變頻 控制 冷凍泵 作 用 在 于 輸送 冷凍水在系統(tǒng)中的循環(huán)。 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中，回水與出水的溫差能反映出熱交換的熱量，也就反映了房間的溫度。 在 對冷凍泵進行變頻改造 時 ， 根據(jù)回水溫度就能夠很方便地實現(xiàn)房間溫度的恒定 ，將回水的溫度采集后送給控制器，通過控制器來調節(jié) 變頻器 ，改變 冷凍泵的轉速 。 反之亦然。 風 機 盤 管冷 凍 泵蒸 發(fā) 器控 制 器 變 頻 器溫 度 檢 測 圖 22 冷凍泵的變頻 控制 方案 需要注意的是，在各類制冷機組中，特別是壓縮機制冷的設備中，冷凍水的流量調節(jié)范圍有較為嚴格的限制。因此，不論使用何種調節(jié)方法，其流量調節(jié)的范圍不應低于系統(tǒng)的報警閾值。 12 （ 2） 冷卻泵的變頻 控制 冷卻泵 作用是 完成冷卻水在系統(tǒng)中的循環(huán)。 在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，由于 散熱 塔 的水溫是隨環(huán)境溫度而變的，其單側水溫度不能準確地反映制冷機組內(nèi)產(chǎn)生熱量的多少。溫差大，則說明制冷機組產(chǎn)生的熱量多，應通過變頻器提高冷卻泵的轉速，以加快冷卻水的循環(huán)速度，帶走更多熱量；溫差小，則說明冷凍機組產(chǎn)生的熱量少，就可以通過變頻器降低冷卻泵的轉速，減緩冷卻水的循環(huán)速度，以節(jié)約能源。 冷 卻 泵冷 凝 器控 制 器 變 頻 器溫 度 檢 測溫 度 檢 測散 熱 塔 圖 23 冷 卻 泵的變頻 控制 方案 本章小結 在本章中，首先分析了常見的中央空調的主