控制系統優化帶來的空調節能效益

葉荃　王麗芳　康軍　沈強

摘要：在潔凈空調系統中對生產場所的溫、濕度都有一定范圍要求，通常是基于產品質量、人體舒適度以及空調調節能力作出。在實際的工程實施中常因自控設計和調試人員由于不理解工藝需求或控制系統設計和選擇錯誤導致能耗增加。本文根據一個已實施電子廠房空調項目的自控方案對比數據化說明了合理的控制系統可以帶來的巨大經濟效益。

關鍵詞：潔凈空調系統；控制方案；優化；節能效益

1.原始空調控制方案及要求

潔凈室溫濕度要求：

溫度：25±3℃/濕度：30～70%

原設計采用DDC （Direct Digital Control） 直接數字控制，調用DDC內置專用恒溫恒濕控制模塊，采用溫濕度定點控制，控制點設定在（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 PID 控制算法得出的控制量通過最大值選擇（即濕度優先）把控制量轉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置的溫度及濕度目標進行控制，所以在四季的運行中控制器為保證無限接近目標值而產生過度除濕（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：

按照標準恒溫恒濕控制模式，夏季運行過程如圖：

（1）新風（W）和回風（N）混合，混合點（M）；

（2）混合點（M）經過表冷段制冷（除濕）到（1）點；

（3）點通過加熱段再加熱至送風點（S）。

空調能耗組成：

2.優化的空調控制方案

根據電子行業生產實踐，電子產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域即可滿足要求。

如為達到最佳節能效果并同時保證產品質量和人體舒適度，最佳選擇是應按照控制溫濕度單位時間變化率，室內溫濕度目標值逐時改變的控制思路進行以達到控制產品質量的同時使節能最大化。

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根據室外空氣焓值進行相應調整，并且為消除夏季由于除濕產生再熱能耗，系統增加了二次回風的自動控制方案，系統簡易流程如圖：

由于凈化廠房圍護結構保溫良好，并且房間對外維持正壓的空調系統，室內通常處于四季發熱狀態，新風和人流以及物流在冬季所產生的制熱負荷極其微小，不足以抵消室內設備發熱和送風機作工，基本處于四季制冷模式； 表冷器調節溫差可達12℃，配合二次回風量控制可以完全消除夏季的除濕再熱能量消耗，可以節省大量運行費用；

系統濕度設置方案（參考室外空氣含濕量）：

由于優化后的控制系統只以室內顯熱量作為表冷器制冷量調節的控制依據，不存在深度除濕和再加熱升溫過程，系統夏季節能效果是明顯的。

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）]

由于產品質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致次品產生，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：當前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態有關，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）對應的是執行機構的實際位置，如果計算機出現故障，u（k）的大幅度變化會引起執行機構位置的大幅度變化。

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）對應的是本次執行機構位置的增量，而不是對應執行機構的實際位置，要求執行機構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。執行機構的累積功能可以采用硬件的方法實現；也可以采用軟件來實現，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PID的無擾切換，只要溫濕度進入預設偏差范圍就可退出累積，完全符合本方案節能控制的預想。

4.控制系統的選擇

控制系統并非簡單的品牌堆砌，而必須根據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。

暖通空調控制系統通常可以采用DDC （Direct Digital Control） 或PLC（Programmable Logic Controller）。DDC是由PLC發展而來的，DDC的優勢在于具備固化專業軟件，有標準應用程序和經過嚴格實驗的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而直接調用其固化程序模塊即可完成基本的空調控制，是非專業人員的專業工具，但DDC也存在編程靈活性較差（功能塊調用式編程）、控制模式，難以完成復雜的控制邏輯，并且其內置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納入廠務系統，設計中采用了PLC控制系統。

5.項目效果

項目已投產三年，經過或之前用戶類似系統比較，經過自控優化的系統其生產能耗明顯降低，達到了設計要求。