暖通空調制冷系統的優化與控制技術分析

李天平

(江蘇建筑職業技術學院實驗實訓管理處，江蘇 徐州 221116)

空調已成為人們生活中不可或缺的基礎設備，可以調節室溫，提升生活空間的舒適度。夏季，空調使用相對頻繁，其能耗相對較大，特別是暖通空調使用量逐漸增大，其制冷系統的年耗量占建筑總能耗的50%左右。該系統是暖通空調的核心元件，也是耗量最大的設備，因此必須控制并優化制冷系統，降低能耗，提高該系統的運行效率。

1 暖通空調制冷系統的工作原理

暖通空調運行過程中，制冷效果主要是通過熱量交換實現的。空調中的制冷劑會在冷凝器、壓縮機、節流閥及蒸發器這些設備中進行重復循環，使制冷劑的狀態發生改變，在變化過程中吸收和釋放熱量。其主要過程是蒸發器吸收大量熱量，制冷劑狀態發生變化，由液體轉變為氣體。此時氣體低溫低壓，進入到壓縮機中，壓縮機發揮作用，將低溫低壓的氣體轉變為高溫高壓氣體，傳輸到冷凝器中，將自身熱量傳遞給水和空氣，再轉變為體液，重復循環，通過交換熱量來降溫。除了制冷劑循環之外，冷凍水、冷卻水及室內空氣循環在壓縮機的作用下，制冷劑被壓縮成液體，進入高蒸發器中，此時的液體可以與冷凍水交換熱量，再經過冷凍泵，冷凍水會傳輸到風機封口的冷卻盤管內，受到吹送作用的影響，實現降溫效果。蒸發后的制冷劑經冷凝器變為氣體，通過傳輸，經過冷卻泵，冷卻水被傳送到冷卻塔，此時水塔風機可以進行噴淋，實現冷卻降溫效果，與室內空氣進行熱量交換，釋放熱量。這個過程中，制冷劑進行熱量交換，通過循環過程實現制冷效果，降低室內溫度，保證室內環境的舒適度。由其工作原理可以看出，空調運行過程中，制冷系統十分重要，它是制冷核心，也是消耗能量的主要部分，如果想控制暖通空調能耗，需要優化控制制冷系統，令系統穩定運行，實現降耗目的。

2 暖通空調制冷系統發展現狀

空調運行過程中，通常是由制冷劑進行循環來實現溫度調節，為人們提供舒適的生活環境與工作環境。我國制冷劑領域發展迅速，最常見的制冷劑是氟利昂，該制冷劑是一種無毒物質，其化學性質相對穩定，具有熱力學性能，屬于不可燃化合物。氟利昂具有較好的制冷效果，制冷效率較高，因此被廣泛應用于各種制冷設備。但是，該制冷劑的應用存在著不足，如果該制冷劑長期存在于大氣，其中一小部分會進入到平流層，受到紫外線的作用，氟利昂分子會分解出氯原子，與發生反應，導致許多臭氧分子受到破壞，進而損壞臭氧層，嚴重時甚至會影響植物生長，導致部分海洋生物死亡，增加人們患皮膚病的概率。近些年，在南極出現了臭氧空洞，可見，氟利昂濃度的持續上升會導致溫室效應加劇，令海平面上升，影響沿海城市和國家的日常生活。氟利昂的應用雖然為人們的生活提供了便利，但是其會對環境產生不利影響，容易造成環境污染。應積極探索研究不同的制冷劑，保護生態環境。現階段，R410A制冷劑備受關注，該制冷劑無毒，性能相對穩定，其由碳元素、氫元素及氟元素組成，較為清潔，應用該制冷劑不會導致溫室效應加劇，也不會造成臭氧空洞，應加大研究力度，發揮其積極作用。

3 制冷系統的設計

建立制冷系統數學模型可以提高研究的可靠性，可應用計算機仿真進行有效驗證。制冷系統具有時變、多變量和非線性等特點，因此，建立數學模型具有一定的難度。通常可對實際條件進行合理假設，保證該系統在理想條件下運行。但是一些假設是不合理的，為了保證系統研究的可靠性，在建立數學模型時，必須要應用真實的實驗數據。

3.1 機械部分的設計

空調系統工作復雜，主要可分為4個循環過程：其一，制冷循環過程是要制取一定的冷量，循環過程包括壓縮機、節流裝置等器件。其二，冷卻水循環過程具有降溫作用。當低溫的冷卻水流過冷凝器時，可與制冷劑進行熱交換，發揮冷卻和降溫的效能。在此作用下，冷卻水溫度逐漸升高，流回到冷卻塔。在此處受到噴淋及風扇吹動，冷卻水溫度再次發生變化，回到低溫狀態，接著返回到冷凝器。其三，冷凍水循環過程是在蒸發器內，冷凍水與制冷劑進行熱交換，其溫度再次降低，流經空氣處理器，在此處與空氣進行熱交換，冷凍水的溫度逐漸升高，流向蒸發器。其四，風循環過程發生在空氣處理單元，此處空氣被冷卻，可形成供風，被傳送到供風管道，管道與房間相互連接，可結合每個房間的風閥驅動器，獲得合適的冷量。為了保證研究具有實際意義，可設計暖通系統實驗平臺。

3.1.1 制冷劑循環設計

壓縮機在外界能源作用下，可以將制冷劑進行壓縮，使其轉化為高溫高壓的氣體。在制冷機中，這是消耗能源的主要部分。壓縮機的性能與制冷量息息相關，在實驗平臺，需要制冷量達到1.5t以上，因此，實驗需要重視壓縮機的選型，保證其額定工作頻率及排氣量等。在制冷機中，節流裝置十分重要，可以控制制冷劑的質量和流量，還可以對機械能進行節流降壓處理。工程中大多應用熱力膨脹閥，尤其是電子膨脹閥得到了廣泛應用，其反應速度較快，準確性高。在實驗平臺可以設計兩個回路：一是制冷劑在流經冷凝器，流出之后經過熱力膨脹閥，流向蒸發器。二是經過冷凝器之后走向電子膨脹閥。這兩種方式可以通過四通閥進行切換。結合實驗需求，可以多設立幾個溫度檢測點，設立4個制冷劑溫度傳感器，設立4個水溫度傳感器。此外，可以設立多個壓力檢測點。

3.1.2 水系統設計

冷凍水和冷卻水循環系統均屬于水系統，應重視每個電機的變頻器連接，使其可以控制水流量。同時，需要控制流量傳感器的密封性和抗干擾性。

3.1.3 風系統設計

人們應用空調主要是為了調節環境溫度，保證環境舒適度。因此，房間的溫度和濕度測量必不可少，可以在系統的實驗平臺設立多個溫度、濕度傳感器。

3.2 控制回路硬件的設計

暖通空調系統中，其連線工作均在端子柜中進行，端子柜內含有眾多接線端子排，可以令電器線路遵循一定順序，將其接入端子排。在實驗平臺中，被控制的器件眾多，包括壓縮機變頻器、冷卻水調節閥及風閥驅動器等，要重視接線，設計連接順序分類，保證接線的合理性和簡潔性。

4 暖通空調制冷系統的優化與控制技術

應用暖通空調時，設備容易受到室內外環境的影響，若想保證空調制冷系統的穩定運轉，提高系統的運行效率和制冷效果，要對系統進行深入研究，分析優化和控制技術，制定行之有效的方案，控制能源消耗。

4.1 BP神經網絡的應用

在空調制冷系統中，BP神經網絡比較常見，具有一定的優勢，該種網絡系統可以對多層進行有效反饋，有效解決隱藏問題，緩解非線性映射問題。應用該網絡系統可以有效提高信息處理能力，識別文字和圖片等具體數據信息，能夠自主進行分類，這種處理可以有效緩解工作人員的壓力，保證數據信息分類的合理性和可靠性。BP神經系統可以應用網絡結構，根據非線性的特點，設計函數模型，對函數系統進行合理控制。在工業化控制系統中應用函數模型，可以合理控制機械的運行方式。如果將此系統應用到暖通空調制冷系統中，可以對吸氣壓力進行合理模擬。可以結合制冷機能耗的非線性，深入研究其能耗的實際情況所造成的阻力。在制冷系統中應用該技術，可以獲得真實可靠的數據，為技術人員提供有力的數據支持。應用BP神經網絡可以對風險性函數進行模擬，建立符合實際情況的網絡模型，呈現其具體特點，為優化控制方案提供參考依據。

4.2 Matlab語言的應用

這是一種程序語言，可以高效處理一些龐雜的數據，在處理過程中可以保證數據處理的準確性，具有較強的數據處理能力。該語言應用相對廣泛，可應用于控制系統及仿真系統。目前，已經研制出Matlab語言工具箱，其發揮了積極效能，可以為調取子程序提供有力支持，即模塊化應用，有效提高使用的便利性，優化操作流程。在制冷系統中，可以同時應用Matlab語言及BP神經網絡，高效實現模塊化控制，保證系統運行的穩定性和便捷性，大幅度提高空調運行效率。

4.3 自適應模糊控制系統的應用

自適應模糊算法具有高效性，其基于自適應模糊控制器、自適應學習能力模糊邏輯系統的算法，可對信息進行采集與分析，合理調整和優化邏輯關系參數。該系統應用了優化控制策略，可有效控制空調的制冷系統，實現制冷系統的優化。空調制冷是系統工程，包含了許多子程序的循環，如果只對其中部分元件進行控制，可提高運動能力，但是難以有效控制空調的運行能耗。該系統從整體優化角度入手，有效實現了全局優化。該系統能夠合理控制空調的耗能功率，調配合適的溫度，保證溫度適應冷卻水系統，保證制冷系統的穩定性和協調性，能夠提高傳熱過程的平衡性。該系統的學習能力及調節能力較強，可以進行在線調節，有助于優化和改善控制模塊，保證調節工作的有效性。

5 制冷系統故障解決方法

若想有效優化制冷系統，要重視其故障解決方法。常用的故障解決方法如下：其一，回液。引起此類問題的原因是回液與膨脹閥選型和使用存在問題，如膨脹閥選型過大或元件失靈等，均會導致回液問題。對于小制冷系統而言，通常會使用毛細管，如果加液量過大，可能會引起回液問題。針對此類問題，可以安裝氣液分離器，通過控制大大降低回液危害。其二，帶液啟動。其是在壓縮機內，潤滑油出現劇烈起泡現象，引起這種問題的主要原因是制冷劑受到壓力影響，出現突然沸騰的情況。可以安裝電熱器，有效控制制冷劑的遷移。其三，回油困難。如果壓縮機的位置較高，要保證回氣管回油彎的合理性，盡量緊湊，減少存油。要保證其間距合理，在回油彎數量較多時，應適當補充潤滑油。如果壓縮機頻繁啟動，會對回油造成不良影響。如果連續運轉的時間過短，壓縮機停止運轉，回氣管中還沒有形成穩定的高速氣流，這種情況會導致潤滑油留在管路中。當奔油多于回油時，壓縮機就會缺油。如果運轉時間較短且系統相對復雜，其回油問題就愈發明顯。一段時間缺油，會導致潤滑不足，導致缺油的原因并不是壓縮機奔油問題，而是因為系統回油引起的。對此，可以合理安裝油分離器，保證回油效果和速度，通過這種方式有效延長壓縮機無回油運轉的時間。

6 結語

暖通空調是人們生活中不可或缺的重要組成部分，可以為人們提供良好的生活環境，但也消耗了大量能源。在暖通空調系統總能源消耗量中，制冷機消耗的能源量超過了50%。若想控制暖通空調系統運行成本，要對制冷機進行優化和控制。應優化暖通空調制冷系統，將其全面落實應用，實現節能環保的目標。