控制系統(tǒng)優(yōu)化帶來的空調(diào)節(jié)能效益

葉荃　王麗芳　康軍　沈強

摘要：在潔凈空調(diào)系統(tǒng)中對生產(chǎn)場所的溫、濕度都有一定范圍要求，通常是基于產(chǎn)品質(zhì)量、人體舒適度以及空調(diào)調(diào)節(jié)能力作出。在實際的工程實施中常因自控設(shè)計和調(diào)試人員由于不理解工藝需求或控制系統(tǒng)設(shè)計和選擇錯誤導(dǎo)致能耗增加。本文根據(jù)一個已實施電子廠房空調(diào)項目的自控方案對比數(shù)據(jù)化說明了合理的控制系統(tǒng)可以帶來的巨大經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：潔凈空調(diào)系統(tǒng)；控制方案；優(yōu)化；節(jié)能效益

1.原始空調(diào)控制方案及要求

潔凈室溫濕度要求：

溫度：25±3℃/濕度：30～70%

原設(shè)計采用DDC （Direct Digital Control） 直接數(shù)字控制，調(diào)用DDC內(nèi)置專用恒溫恒濕控制模塊，采用溫濕度定點控制，控制點設(shè)定在（25℃，50%），控制器采用 PID 控制算法進行控制，運行模式如下：

其空氣處理過程i-d圖：

控制器根據(jù) PID 控制算法得出的控制量通過最大值選擇（即濕度優(yōu)先）把控制量轉(zhuǎn)換為冷凍水電動二通閥、加熱蒸汽電動二通閥、加濕蒸汽電動二通閥工程量進行控制，控制方式是按照固定設(shè)置的溫度及濕度目標(biāo)進行控制，所以在四季的運行中控制器為保證無限接近目標(biāo)值而產(chǎn)生過度除濕（伴隨再加熱抵消）和過度加濕，引起運行費用增加。

夏季運行情況分析：

按照標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕控制模式，夏季運行過程如圖：

（1）新風(fēng)（W）和回風(fēng)（N）混合，混合點（M）；

（2）混合點（M）經(jīng)過表冷段制冷（除濕）到（1）點；

（3）點通過加熱段再加熱至送風(fēng)點（S）。

空調(diào)能耗組成：

2.優(yōu)化的空調(diào)控制方案

根據(jù)電子行業(yè)生產(chǎn)實踐，電子產(chǎn)品的加工主要受溫濕度單位時間變化率影響較大，絕對的溫濕度差異小于變化率影響，本工程對溫度和濕度絕對偏差的實際要求范圍較寬：溫度：22℃～28℃；濕度：30%～70%；房間的溫濕度只要符合圖示區(qū)域即可滿足要求。

如為達(dá)到最佳節(jié)能效果并同時保證產(chǎn)品質(zhì)量和人體舒適度，最佳選擇是應(yīng)按照控制溫濕度單位時間變化率，室內(nèi)溫濕度目標(biāo)值逐時改變的控制思路進行以達(dá)到控制產(chǎn)品質(zhì)量的同時使節(jié)能最大化。

最終控制方案采用浮動溫濕度控制策略，溫度和濕度控制目標(biāo)根據(jù)室外空氣焓值進行相應(yīng)調(diào)整，并且為消除夏季由于除濕產(chǎn)生再熱能耗，系統(tǒng)增加了二次回風(fēng)的自動控制方案，系統(tǒng)簡易流程如圖：

由于凈化廠房圍護結(jié)構(gòu)保溫良好，并且房間對外維持正壓的空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)通常處于四季發(fā)熱狀態(tài)，新風(fēng)和人流以及物流在冬季所產(chǎn)生的制熱負(fù)荷極其微小，不足以抵消室內(nèi)設(shè)備發(fā)熱和送風(fēng)機作工，基本處于四季制冷模式； 表冷器調(diào)節(jié)溫差可達(dá)12℃，配合二次回風(fēng)量控制可以完全消除夏季的除濕再熱能量消耗，可以節(jié)省大量運行費用；

系統(tǒng)濕度設(shè)置方案（參考室外空氣含濕量）：

由于優(yōu)化后的控制系統(tǒng)只以室內(nèi)顯熱量作為表冷器制冷量調(diào)節(jié)的控制依據(jù)，不存在深度除濕和再加熱升溫過程，系統(tǒng)夏季節(jié)能效果是明顯的。

兩種模式下能耗比較如下圖：

3.控制算法的選擇

PID（比例-積分-微分控制器）控制算法是經(jīng)過工程驗證的有效溫濕度控制方法。

PID有位置式和增量式。

位置式：u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt]

增量式：△u（k）=Kp[e（k）-e（k-1）]+Kie（k）+Kd[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]

由于產(chǎn)品質(zhì)量和人體舒適度受溫濕度單位時間變化率影響較大，過快的溫濕度變化容易導(dǎo)致次品產(chǎn)生，為抑制變化率最好采用增量式PID。

位置式PID控制算法的缺點：當(dāng)前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e（k）進行累加，運算量大；而且控制器的輸出u（k）對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，u（k）的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化。

增量式PID控制算法的特點：增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量Δu（k）。采用增量式算法時，計算機輸出的控制量Δu（k）對應(yīng)的是本次執(zhí)行機構(gòu)位置的增量，而不是對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，要求執(zhí)行機構(gòu)必須具有對控制量增量的累積功能，才能完成對被控對象的控制操作。執(zhí)行機構(gòu)的累積功能可以采用硬件的方法實現(xiàn)；也可以采用軟件來實現(xiàn)，如利用算式u（k）=u（k-1）+Δu（k）程序化來完成。采用增量式PID很容易實現(xiàn)PID的無擾切換，只要溫濕度進入預(yù)設(shè)偏差范圍就可退出累積，完全符合本方案節(jié)能控制的預(yù)想。

4.控制系統(tǒng)的選擇

控制系統(tǒng)并非簡單的品牌堆砌，而必須根據(jù)控制的工藝過程和控制功能進行選擇，品牌并不代表控制效果。

暖通空調(diào)控制系統(tǒng)通常可以采用DDC （Direct Digital Control） 或PLC（Programmable Logic Controller）。DDC是由PLC發(fā)展而來的，DDC的優(yōu)勢在于具備固化專業(yè)軟件，有標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序和經(jīng)過嚴(yán)格實驗的PID算法及能源管理程序等特殊的功能，使用者可以不懂空調(diào)而直接調(diào)用其固化程序模塊即可完成基本的空調(diào)控制，是非專業(yè)人員的專業(yè)工具，但DDC也存在編程靈活性較差（功能塊調(diào)用式編程）、控制模式，難以完成復(fù)雜的控制邏輯，并且其內(nèi)置PID基本采用位置式算法，難以滿足本項目要求。PLC是一種通用控制器，編程靈活，兼容性好，具備強大的浮點運算能力，但對使用者專業(yè)知識要求較高，使用者必須充分了解項目工藝過程才可以編寫出符合要求的控制程序。針對本項目的特殊要求并需系統(tǒng)納入廠務(wù)系統(tǒng)，設(shè)計中采用了PLC控制系統(tǒng)。

5.項目效果

項目已投產(chǎn)三年，經(jīng)過或之前用戶類似系統(tǒng)比較，經(jīng)過自控優(yōu)化的系統(tǒng)其生產(chǎn)能耗明顯降低，達(dá)到了設(shè)計要求。