中央空調節能系統的控制方式研究

不斷擴增的建筑規模與建筑數量，促使人們將更多的中央空調系統應用到建筑項目中，當前絕大多數應用在建筑項目中的中央空調系統均是參照最大負荷進行設計的，而該系統在滿負荷的狀態下實際運行的頻數時間非常小，顯然兩者間存在矛盾。基于此，文章從中央空調節能系統常見的控制方式方面內容進行研究與

分析。

研究現狀

圍繞中央空調系統所涉及到的節能與優化等問題，實質上指的是在中央空調系統滿足足夠的人體舒適度和建筑負荷等要求下找尋到的最佳工程參數，并以此實現總體最低能耗目標。由于中央空調系統有關的優化控制技術實際上興起的時間并不長，因而其發展水平相對有限，歸納起來可以分成三個方面進行闡述。第一，選擇中央空調系統的基本模型，可供選擇的模型主要有兩種，一種是精確模型（基于部件的物理特性），一種是預測模型（基于人工智能技術、實測數據統計或者系統參數辨識）。前一種模型存在著較大的參數辨識難度，因而在系統具體的優化控制環節不適用；后一種模型在應用過程中雖然有著非常強大的環境適應性，但是從了解到的情況來看，在具體的應用環節只有全面監控運行環境，獲取足夠多的運行參數才得以確保模型運行可靠性。第二，識別模型參數，若系統設備本身涉及到的運行參數十分穩定，便允許在傳統離線實測回歸手段的利用下是運行模型參數。但需注意的是運行參數會不斷進行調整與改變，因而要求實時進行在線識別與周期性采樣，可以這樣認為最終模型的運營可靠性實際上由模型控制優化的精度來決定。第三，優化算法的應用，諸如：最小二乘法、最速下降法以及罰函數法等，一般按照系統模型的具體特性選擇不同類型的優化算法，近些年來，科技化水平明顯提升，人工智能技術也受到推動，無論是人工神經網絡，還是遺傳算法均被廣泛應用著。

建立模型和參數識別

工程概況

此次工程項目A，總建筑面積近40 000m2，建筑層數為9層，其中地下1層，地上8層，層高5.4m，其中地上1到7層用作高檔商場，8層用作餐廳，地下1層則為儲物庫房和空調系統制冷源機。據了解A夏季設計的冷負荷實際為5 274kW，共計選擇3臺離心冷水機用作夏季冷源，此外單獨設置有3臺冷卻塔、4臺冷凍式水泵以及4臺冷卻水泵。A建筑共計安裝組合式空調機組24臺，平均分配每一個樓層為3臺（如表1所示）。

表1 中央空調系統常用設備參數圖表

建立冷水機組負荷模型

冷水機組的能效模型。通常應用最多的能效模型有四種，分別是多變量項回歸類模型、簡單線性化回歸類模型、簡化類多變量多項回歸模型以及雙二次回歸模型。

冷水機組的能耗模型。無論是機組負荷、冷水機組能耗，還是蒸發溫度與冷凝溫度均會影響到冷水機組能耗。但是，最主要的一個影響因素還是冷卻水進水的溫度，需注意的是冷凍水供水溫度同蒸發溫度間關聯密切（如圖1所示）。

建立變頻水泵的性能模型

就整個的中央空調系統來講，除了冷水機組外，水泵是第二大外耗能設備，據了解其總能耗占據總耗電量的30%，通過變頻技術的應用，能夠盡可能地降低水泵運行功耗。而下文將通過水泵變頻調速的形式建立能耗模型，以此對變頻水泵的節能特性進行分析。

首先，針對空調水系統有關的管網特性曲線，需明白空調冷卻水系統及冷凍水系統間的關系，它們統統屬于無背壓式系統，這一系統的流速平方同總阻力間成正比，當Q=Av時，那么H=SQ2。

從上式中可以看出，H可以看成是系統總阻力，mH20，Q是系統總流量，m3/h；S是管網阻抗，mH2o（m3/h）2。水泵相似定律具體表達如下：

從上式中便可以看出，當Q是流量，單位為，m3/h；當H是揚程，單位為m；當N是軸功率，單位為kW；當n是轉速，單位為r/min。在水泵原有的相似定律得到滿足的情況下，應將定律相似點找出來，等同于水泵效率，如此便得出水泵等效率間的曲線如下：

上式中，a0是系數。

針對水泵性能曲線，水泵揚程H與流量Q間的關系近似一條二次曲線，即：

從上式中可以看出，a1、b1與c1均屬于曲線擬合系數；當n臺效率相同的水泵以并聯的方式運行時，按照水泵并聯運行環節各個泵間流量相加，揚程不變的計算原則，得出當n臺水泵并聯運行時，H-Q的性能曲線如下：

按照相似定律，當水泵變速之后H-Q性能曲線是：

從上式中可以看出，K是變速比。當水泵效率能夠看成近似流量Q的三次函數，即：

從上式中可以看出，Q是水泵流量，m3/h；a2、b2、c2以及d2均是曲線擬合系數（如圖2所示）。

從圖2中能夠看出，所建立起的變頻水泵能耗精確的數學模型，在仿真研究方面意義重大，把水泵能耗逐步轉化成現有的流量單值函數，緊接著各個點涉及到的功率便會擬合成二次多項式流量換算方式，如此便得出冷凍水泵及冷卻水泵之間的流量能耗模型，即：

從上式中可以看出，G是第i臺冷凍水泵流量，m3/h；b0i、b1i、b2i均是冷凍水泵模型系數；而G是第i臺冷卻水泵流量，m3/h，而c0i、c1i和c2i是冷卻水泵的模型系數。

節能系統控制方式

中央空調作為一個系統性工程，本身結構非常復雜，且各個部件即相互制約，又相互聯系，要想逐步對中央空調內部的系統結構以及整個的運行方式進行優化實現節能控制，出了對各個系統與部件的節能特性進行考慮外，還應當協調好各個設備與系統間的聯系關系，防止發生能耗過度消耗等問題。此外，還應當全面考慮系統運行狀態，實現最佳運行方式。

目標函數的構建

從優化目標上進行分析，優化的最終目標實際上是為了實現最小化的系統總體運行能量消耗，但從現場了解到的情況看，中央空調系統大多數的能耗都來源于末端組合式空調機組能耗、冷卻機組能耗、冷卻塔風機能耗、冷凍水泵能耗以及冷卻水泵能耗鞥。按照相關能耗數學模型的指示，得出的中央空調系統優化的目標函數如下：

從上式中可以看出，P是系統運行總能耗，kWh；PWRch（t）是第i臺冷卻水泵處于t時的功率，kW；Peh（t）是第i臺冷凍水泵處于t時刻的功率，kN；Pch（t）是第i臺冷卻水泵處于t時刻的功率，kW；PWRj（t）是第i臺冷卻塔式風機處在t時刻之時所涉及到的運行功率，N則是各個設備臺數，T則是系統運行的時間，h。

獨立變量的確定

正是因為所涉及到的中央空調實際運行數學方程式了解到的方程階次較高，此外又涉及到很多變量，這意味著最優化的運行方式短時間內無法找尋出來。基于此，文章從中央空調系統各個部件的能耗模型出發，選擇剔除了一些變量方式，隨后又適當簡化了模型，即所獲得的中央空調系統優化的模型在運行中涉及到的變量能夠分成兩類，一類是操縱變量，一類是擾動變量。其中，操縱變量指代的是系統之中那些獨立存在著的控制變量，操縱變量實質上指的是系統中能夠獨立控制的變量，擾動變量則指的是難以控制的變量。從中央空調系統中各個部件間表露出的特性進行分析，出了全方位對各個變量間涉及到的耦合關系進行考慮外，還需要單獨設置系統優化方式以將效果最好的一種控制變量的方式確定出來。

其中，操縱變量涵蓋了冷凍水供水溫度、冷卻水進水溫度、冷卻水流量、冷卻塔風量、空調機組風量等。需注意的是，冷卻水流量同冷凍水流量需要利用到變頻輸泵來調節實際流量，空調機組風量與冷卻塔風量能夠在變頻風機的利用下進行調節。而調節冷水機組則需要利用自帶控制系統進行。因為只有這樣才得以確保最終達到的制冷量與系統負荷要求相符。

約束條件的確定

模型優化環節所涉及到的各種約束條件，大體能夠分成兩種，一種是部件之間存在的相互約束以及部件的物理約束這兩種。其中，其中前者的反應源自各個部件間傳熱傳質的約束，而這些約束正好全部反映在建立起的中央空調系統現階段應用的優化模型之中。

首先，針對部件之間的相互約束關系，除了對中央空調各系統間存在的約束關系，應選擇目標函數求解的優化方式，由于中央空調系統各個部件間存在的熱質交換關系非常復雜，因而結合其應用特性進行了簡化，但考慮到各個部件之間存在的約束關系（如圖3所示）。

優化運行參數

當系統的運行負荷高于60%，則需要應用到兩臺制冷量相同的冷水機采取并聯運行的方式，如此獲得的負荷分配率最高。在整個的流量運行區間內，通過溫差控制H臺水泵同步運行的方式，確保變頻與調速均在同一時段內，才能達到最好的冷卻塔運行效率。由此便可知，圍繞中央空調運行系統額研究，當系統負荷占據總裝機容量60%之時，最佳的節能運行方式是“冷卻水水泵+冷卻機組+冷卻塔+冷凍水泵”這一方式。特別注意在夏季時節，在具體的制冷環節除了設備剛剛開啟那段時間內運行負荷較高外，其余大部分運行狀態內所涉及到的負荷參數均大于60%，這便要求在實際的計算過程中，應當分層計算，即采取一機——一塔的運行參數優化原則進行計算。

仿真研究

首先，冷卻機組有關的仿真模塊的構建，從冷水機組能耗相關的數學模型中可以看出，會對冷水機組的能耗造成影響的因素主要來自3個方面，分別是冷卻水進水的溫度、實時冷負荷以及冷凍水供水的溫度等。通過此便能夠初步建立起冷水機組相關的仿真模塊（如圖4所示）。

結論

綜上所述，文章通過對中央空調節能系統研究的現狀進行分析，初步探討出優化控制策略以及優化運行模式，在理論和實踐應用的結合下，得知當遭受時間以及室外氣象條件的限制，一時間無法獲取中央空調運行系統所涉及到的季節供冷運行參數時，便無法建立起最優化的空調節能系統。針對此情況，在后面的研究中需要加大對工程實測數據的采集力度，提高模型的準確性。時代還在發展，技術水平還有很大的提升空間，就當前涉及到的中央空調節能系統的控制方式來講，最優化方式還在研究當中，相信不久的將來必然會實現。

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（作者簡介：劉保軍，蘭州萬橋智能科技有限責任

公司。）