ECS中央空調調適系統

上海泰豪智能節能技術有限公司 張紀文

1 概述

中央空調系統的建設(設備的投入、電網的設計等)都是按照最大負荷來設計的，因此中央空調大部分時問都處于部分負荷狀態下，在實際運行中，中央空調負荷減少時并沒有減少多少消耗的能量，顯然這是不合理的。隨著技術的進步，促進了變頻器的小型化和實用化，為了降低中央空調系統的能源浪費，人們開始采用變頻器來控制空調系統的水泵和風機實現節能的效果。

傳統的中央空調控制方法通過采集水循環系統的壓差和溫度，采用可編程序控制器（PLC），對水泵進行PI（比例、積分）調節控制或者PID（比例、微分、積分）調節控制，以實現節能。PLC能實現簡單的邏輯功能，最常見的節能控制方法有恒溫差控制和恒壓差控制，PLC控制方法可以達到一定的節能效果，而且PID控制原理簡單、使用方便，價格也比較便宜，但其也存在一些不足：PI或者PID調節器最重要調節系數Kp(比例系數)、Ti（積分時間常數）、Td（微分時間常數）只能是一個固定值，通常是在設備調試階段，由經驗豐富的調試人員手工整定的，數據一旦整定后，它就固定不變，不能隨著受控環境的變化而自動調整。而實際上，中央空調系統是一個時變的動態系統，其運行工況是和氣候條件、建筑物材料、建筑內人流量等多種因素密不可分的，是隨時變化的，因此，靜態參數的控制方法并不適合于中央空調系統的節能控制。此外，PLC只能實現單參量的簡單控制功能，當用于控制中央空調系統這樣多參量、非線性時變高耦合復雜系統時，容易引起系統震蕩，使得控制溫度在較大范圍內變化，既影響了系統的穩定性、又降低了空調系統的舒適性。

針對PID控制方法的不足，有些廠家提出了一些基于人工智能技術的控制方法，其中比較有代表性的是中央空調節能模糊控制方法。該控制方法主要是模擬人類的思維模式，當一個熟練的操作工人，遇到工況變化的情況，經過自身大腦的思維判斷，給出控制量來控制系統。例如當工人發現冷凍水供回水溫差小于某個設定值（系統負荷降低），可以選擇降低冷凍泵的控制頻率，達到節能的效果。而當冷凍水供回水溫差大于某個設定值（系統負荷增加），則必須增加冷凍泵的控制頻率，保證空調系統制冷效果。

中央空調節能模糊控制方法主要是模擬人類的思維模式來對中央空調系統進行控制，包括了溫差偏差變量模糊化、溫差偏差變化率模糊化、模糊推理、模糊量清晰化處理和清晰量輸出等幾個主要過程。和傳統PID方法相比，更加符合中央空調的復雜性、動態性和模糊性，能夠實現比PID更加精準的控制效果，實現更大的節能效果。但是它也同樣存在著一些不足：首先模糊控制方法是根據專家的豐富實踐經驗和思維過程構建的模糊規則，然后依此規則作為控制的基礎，因此規則庫制定方法對控制效率有著決定性作用，但是規則庫的建立需要依賴大量的實踐數據，從大量的應用環境中收集最有效的控制規則，然而如何評價采用的規則是最有效的，現在并沒有定論。其次，規則庫考慮的是大多數應用的普遍性，而每個具體應用的工況也是有所區別，因此并不能達到最優化的控制。再次，也是最重要一點，采用模糊控制方法主要只是針對了中央空調系統中的水泵系統進行節能控制，而水泵變頻對制冷主機效率和冷卻塔效率的影響并沒有考慮，例如冷卻水泵降低頻率可以節省水泵電量，但是主機的耗電量有可能會上升，因此這種方法并不能體現系統整體節能的最優化控制。

綜上所述，通過檢測和控制技術實現建筑物中合理耗能，按照需求供給能量，則就能夠實現中央空調系統的節能。當前的中央空調節能控制策略主要針對系統中的單個設備和局部環節，事實已經證明這種控制策略并不能很好的實現節能的要求。由于中央空調本身是一個熱交換過程，具有大滯后、多干擾特點，是一個多輸入多輸出的高度耦合系統，所以為了提高控制的效果，必須從整體上和以負荷為對象來考慮系統的設計。

為了解決中央空調節能優化控制問題，上海信業智能科技股份有限公司和清華大學自控系聯合開發了ECS（Energy-SavingCommisioning System）中央空調調適系統，該系統通過全面的參數采集，實時監控中央空調系統的運行，將冷凍站系統中各電氣設備耗能情況實時計量分析，建立運行專家系統數據庫，對冷凍站設備的能耗模型進行辨識。冷凍水采用動態規則模糊控制算法，根據運行狀況在線更新規則庫；冷卻水采用啟發式搜索算法對系統總能耗進行實時優化，在保證制冷量的前提下使系統的總能耗最低。

2 ECS系統結構

如圖1所示，ECS中央空調調適系統由數據采集柜、冷凍水泵控制柜、冷卻水泵控制柜、冷卻塔控制柜和電腦主控制柜組成。控制柜之間采用數字線路連接，可進行實時通訊。各個控制柜實現的功能如下：

2.1 數據采集柜

數據采集柜主要功能是實時采集現場環境參數，包括制冷主機進出口溫度、冷凍水流量、冷卻水流量、冷凍供回水壓差、室外溫度和室外濕度等參數。數據采集柜將現場傳感器采集到的模擬信號轉換成數據信息，采用標準的格式規范傳輸到電腦主控制柜。除此之外，數據采集柜還負責實時監測制冷主機的運行狀態，同時對制冷主機的實時能耗進行計量，包括運行電流、運行電壓和實時功率，主機狀態數據也必須實時傳輸到電腦主控制柜。

2.2 冷凍水泵控制柜

冷凍水泵控制柜主要功能包括水泵控制模式切換（遠程就地）、冷凍水泵啟停控制、冷凍水泵變頻控制、冷凍水泵運行狀態監測（啟停狀態、運行狀態）和冷凍水泵的能耗計量。冷凍水泵運行狀態和能耗計量數據按照一定的格式規范實時傳輸到電腦主控制柜。在遠程模式下，冷凍水泵控制柜還必須實時接收電腦主控制柜發來的啟停命令和變頻控制命令來對冷凍水泵進行控制。

2.3 冷卻水泵控制柜

冷卻水泵控制柜主要功能包括水泵控制模式切換（遠程就地）、冷卻水泵啟停控制、冷卻水泵變頻控制、冷卻水泵運行狀態監測（啟停狀態、運行狀態）和冷卻水泵的能耗計量。冷卻水泵運行狀態和能耗計量數據按照一定的格式規范實時傳輸到電腦主控制柜。在遠程模式下，冷卻水泵控制柜還必須實時接收電腦主控制柜發來的啟停命令和變頻控制命令來對冷卻水泵進行控制。

2.4 冷卻塔控制柜

冷卻塔控制柜主要功能包括冷卻塔控制模式切換（遠程就地）、冷卻塔啟停控制、冷卻塔變頻控制、冷卻塔運行狀態監測（啟停狀態、運行狀態）和冷卻塔的能耗計量。冷卻塔運行狀態和能耗計量數據按照一定的格式規范實時傳輸到電腦主控制柜。在遠程模式下，冷卻塔控制柜還必須實時接收電腦主控制柜發來的啟停命令和變頻控制命令來對冷卻塔進行控制。

2.5 電腦主控制柜

電腦主控制柜是ECS系統中最重要的控制柜，它的主要功能包括從其它控制柜收集系統中的實時環境數據和實時能耗數據，通過對數據的處理分析后建立運行專家系統數據庫，控制主機采用數據回歸技術結合數據庫中的運行數據完成機電設備運行模型參數的辨識，最后用系統的總能耗數據作為啟發式搜索算法的優化目標進行實時優化，找到最優的控制頻率并傳輸給對應的設備控制柜。除此之外，電腦主控制柜還包括了完整的系統人機界面，方便用戶操作ECS中央空調調適系統。

3 ECS全局能耗最優控制方法

ECS的控制方法首先是通過對運行數據進行回歸分析完成系統設備運行模型參數的辨識，然后用系統的總能耗數據作為啟發式搜索算法的優化目標進行實時優化，直到找到最優的控制頻率。

3.1 主要機電設備的能耗模型

中央空調系統中的主要機電設備的能耗模型如下：

1）主機的能耗函數Jzj

根據相關文獻和研究，主機的能耗與冷凝器及蒸發器溫度有關，現在認為一段單位時間內主機的能耗為：

在運行階段，可以通過相關的傳感器獲得冷卻水與冷凍水的供回水溫度，通過計算可以得到某一時刻下空調主機的冷凝溫度T冷凝與蒸發溫度T蒸發，是空調主機的額定功率。另一方面，主機單位時間能耗Jzj可以通過能耗計量模塊獲得。在系統實時運行過程中，系統可以得到可以得到大量輸入、輸出數據對，這樣可以根據人工智能算法進行此函數的擬合，例如神經網絡的BP算法，通過BP算法還可以根據新進數據進行在線更新。

2)冷凍水泵和冷卻水泵的能耗函數Jlq

冷卻水泵單位時間內的能耗函數為

其中PIq為冷卻水泵的頻率，二者基本上是方次的關系，即可以認為JIq=（PIq）α。

與主機能耗函數擬合分析類似，我們可以結合各種參數優化方法（例如最小二乘法等）對函數進行擬合，并且在線更新，當然直接用神經網絡也可以完成擬合。

3）冷卻塔能耗函數Jlt

冷卻塔的能耗函數和水泵比較相似，單位時間內的能耗函數為

其中PIt為冷卻水泵的頻率，二者基本上是方次的關系，即可以認為JIt=（PIt）α。

同樣，可以結合各種參數優化方法（例如最小二乘法等）對函數進行擬合，并且在線更新，當然直接用神經網絡也可以完成擬合。

3.2 ECS全局能耗最優化控制方法

根據前面的說明和描述，ECS全局能耗最優化控制方法如下。

1)系統初始化

根據現場實際需求情況，將基本模塊分布式安裝在中央空調系統被監控對象的工作現場，各個基本模塊和系統控制主機之間采用通訊線路連接。根據被監控機電設備的額定值，設定相關能耗函數的初始值。

2)數據采集

環境參數采集模塊通過傳感器采集室外溫度、室外濕度、冷凍水流量、冷卻水流量、供回水壓差等數值，通過通訊線路將采集的數值實時傳回到系統控制主機。

3)能耗實時計量

能耗計量分析模塊實時采集系統中各個機電設備的運行狀態，包括實時電流、實時電壓、實時功率等數值，通過通訊線路將采集的數據傳回到系統控制主機。

4)設備辨識

主控計算機實時采集的運行狀態和實時功率數據，分別根據主機、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔的能耗模型函數進行數據辨識，根據辨識數據修正這些機電設備的能耗模型函數參數。

5)數據優化控制

通過系統實時采集的運行數據，計算當前的系統制冷量、實時總功率、COP等參數。采用啟發式搜索算法（例如神經網絡BP算法）針對系統整體能耗數據進行優化，得到最優的冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔控制頻率。

6)輸出處理

能耗優化控制模塊采用相關人工智能控制算法不斷優化系統運行狀態，形成相應機電設備的控制策略，通過通訊線路實時傳輸到機電設備控制模塊，對機電設備進行實時控制。

4 人機界面

ECS人機界面采用實時全3D技術實現，用戶可以非常直觀的監視系統和各個機電設備的實時運行情況，包括系統運行狀態監測、實時能效比監測、主機系統監測、冷凍泵系統監測、冷卻泵系統監測和冷卻塔系統監測。

ECS軟件擁有強大的數據分析功能，用戶可查詢分析機電設備和系統歷史運行情況，主要包括系統COP分析、主機COP分析、冷凍泵數據分析、冷卻泵數據分析、冷卻塔數據分析、冷凍水數據分析、冷卻水數據分析和綜合分析功能。

ECS人機界面還具有完備的報表功能，可實現每日的溫度報表、系統組建能耗報表和減排與節費報表。

圖2是ECS主控軟件主界面，圖3是ECS主控軟件的COP實時監測界面。

5 總結

通過已經實施的中央空調節能項目對比，ECS全局能耗最優控制方法與現有技術相比，具有如下優點：

1）全局能耗優化控制方法是以中央空調系統機電設備耗能總和為優化目標，考慮了各個機電設備之間的能耗關系，從理論上實現了中央空調節能系統的最優化控制，采用BP模式神經網絡優化算法，控制系統能不斷修正控制精度，以達到最優化控制。

2）全局能耗優化控制方法并沒有對監測對象定義精確的數學模型，而是根據相關的理論和研究對主機、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔設備的實時能耗進行抽象模型描述，通過運行數據的不斷更新，系統自動完成對這些設備能耗模型的辨識，從而實現精確的節能控制。這樣的控制策略充分考慮到了設備的運行特性千差萬別，不能用一種固定模式去描述所有設備的運行特性，需要根據運行數據完成設備的辨識。

3）全局能耗優化控制方法采用了基于神經網絡的優化控制，根據當前的運行狀態和神經網絡的反饋輸出進行控制，而神經網絡算法的優化規則主要是根據專家系統來進行，既能夠滿足中央空調復雜性、動態性和模糊性等特點，也能通過大量實踐數據不斷優化控制規則，實現更加精確的控制。

4）相比市場上其它控制方法，全局能耗優化控制方法保證了在相同制冷量的情況下，所消耗的設備能耗最低，同時它采用了完全的智能控制模型和算法，通過運行數據不斷調整設備模型數據和控制規則，獲得最佳的控制效果。該方法在應用過程中不需要任何人工干預，控制系統能夠在運行一定時間后完全自適應系統特性，具有高度的跟隨性和應變能力。憑借這些復雜的設備辨識和能耗優化方法，能夠有效的控制和克服中央空調的非線性、時變性等特點，實現中央空調系統的最優化運行。

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