智能化中央空调节能控制系统设计
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摘要：随着经济和社会的发展，中央空调在商业和民用建筑中的应用越来越广泛，中央空调是现代建筑中不可缺少的能耗运行系统。中央空调系统在给人们提供舒适的生活和工作环境的同时，又消耗掉了大量的能源。本文作者根据多年工作的经验，针对智能化中央空调控制设计方面做了分析，探讨和总结。
中图分类号：TM08 文献标识码：A 文章编号：
一 前言
随着设备功率和数量的增加，其能耗也不断增大。据统计，我国建筑物能耗约占能源总消耗量的30%。在有中央空调的建筑物中，中央空调的能耗约占总能耗的 70%，而且呈逐年增长的趋势，因此，研究中央空调系统节能技术意义重大，除了强调使用功能完善外，还应重视节能因素，降低投资、运行费用。
二 中央空调节能理论分析
中央空调系统有制冷主机、冷却泵、冷冻泵、冷却塔风机、风机盘管等构成。构成示意图如图1
图一
其中制冷主机通过压缩机让制冷剂迅速冷冻循环水的温度快速降低（一般经过制冷主机制冷后的水温在7℃左右），是中央空调冷源提供的场所；冷冻水泵负责把冷冻水加压到空调系统末端系统；冷却水通过冷却水泵把制冷主机所产生的热量带走，再经过冷却塔把热量释放到空气中，然后回到冷水机组；冷却风机带动空气加速运动，通过空气带走冷却水的热量的同时加快蒸发，让水温降低。温度降低后的冷却水再次循环进入制冷主机，带走制冷主机产生的废热，如此循环。
在该系统中制冷主机往往具备自动调节出水温度的自动控制系统，这样只要合理调节冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机的运行频率、运行台数就可以达到高效节能的目的，其理论分析如下、
根据流体力学原理, 在相似工况下运行时的参数存在以下关系:(1)
其中: Q1、H1、N1、n1: 分别为转速改变前的流量、扬程、功率、转速;
Q2、H2、N2、n2: 分别为转速改变后的流量、扬程、功率、转速。
根据上面公式可以看出，当电机转速下降时，流量按线性关系变化，而电功率按立方关系方式变化，那么根据上面的公式分析，如果我们能根据负载情况实时改变电机的转速即可达到节能的目的。
根据异步电动机原理：n=60f/p(1-s)，式中n:转速，f:频率，p:电机磁极对数，s:转差率。
由上式可见，调节异步电机的转速有3种方法，改变电源频率、改变电机磁极对数、改变转差率。在以上调速方法中，变频调速性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高，也最容易控制，所以变频调速也是目前应用最为成熟的。所以在该系统中采用变频调节，达到高效节能目的。
三 中央空调节能模糊控制系统设计
3.1中央空调节能控制系统主电路设计
通过上述理论分析，合理的调节冷冻泵、冷却泵、冷却塔风机的运行频率及运行台数就可以达到合理、高效的节能效果。但常用的变频器的工作模式通常为交-直-交模式，这样在变频器运行过程中就会产生电力谐波，产生的电力谐波不但使接入该电网的设备无法正常工作，甚至造成故障，而且还会使供电系统中性线承受的电流超载，影响供电系统的电力输送。因此谐波在设计过程中假若滤波器、电抗器等谐波吸收装置。通常的主电路(两用一备)为
本图为两台变频器控制三台风机（水泵）控制电路：风机（水泵）是两用一备，变频器1驱动M1或M2,变频器2驱动M2或M3，可以任意启动两台风机（水泵），使用M1时，闭合KM1、根据系统智能控制总柜的启停控制信号启停M1，M1转速根据风机（水泵）1转速控制模拟信号调节。使用M3时，闭合KM14、15，根据系统智能控制总柜的启停控制信号启停M3，M3转速根据风机（水泵）3转速控制模拟信号调节，M1或M3故障时可切换到M2，M2使用方法同M1、3。系统有故障报警指示。其中G.M为电量计量仪表，放表对用能情况进行统计。
3.2中央空调节能控制系统模糊控制软件设计
中央空调系统是一个多变量的、复杂的、时变的系统，其过程要素之间存在着严重的非线性、大滞后及强耦合关系。对这样的系统，无论用经典的PID控制理论或其他现代控制理论和控制模型，都很难实现较好的控制效果。
模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，尤其适合于中央空调这样复杂的、非线性的和时变性系统的控制。
基于模糊控制的变频调速技术可以实现中央空调水系统真正意义上的变温差、变压差、变流量运行，使控制系统具有高度的跟随性和应变能力，可根据对被控动态过程特征的识别，自适应地调整运行参数，以获得最佳的控制效果。显然，模糊控制适用于多变性的特点，但正是由于这种多因素的多变性，才构造了体现智能控制行为的输入输出间的复杂非线性关系，也正是凭借着这种复杂非线性，才使得模糊控制卓有成效地控制和克服了被控中央空调的非线性、时变性及不确定性等复杂性，从而达到很高的控制性能，实现中央空调系统的最优化运行。本控制器的硬件构成
其中1、工艺参数采集滤波处理模块，2、协调解析控制模块，3、中央空调寻优算法模块，4、逻辑信号输出模块，5、调节信号输出模块，6、反馈信号采集处理模块，7、冷温泵，8、冷却泵，9、风机，10、调节阀，11、主机，12、触摸屏，13、上位机，14、远程计算机
本装置采用了模糊控制算法对冷/热水系统进行控制。当环境温度、空调末端负荷发生变化时，各路冷/热水供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化，温度传感器将检测到的参数送至模糊控制器，模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，实时计算出末端空调负荷所需的制冷量，以及各路冷/热水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值，调节各变频器输出频率，控制冷/热水泵的转速，改变其流量使冷/热水系统的供回水温度、温差、压差和流量运行在模糊控制器给出的最优值。
由于冷/热水系统采用了输出能量的动态控制，实现空调主机冷媒流量跟随末端负荷的需求供应，使空调系统在各种负荷情况下，都能既保证末端用户的舒适性，又最大限度地节省了系统的能量消耗。工作流程为下图
系统对中央空调冷却水及冷却风系统采用最佳效率控制。当环境温度、空调末端负荷发生变化时，中央空调主机的负荷率将随之变化，主机冷凝器的最佳热转换温度
也随之变化。模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，计算出主机冷凝器的最佳热转换温度及冷却水最佳进、出水温度，并与检测到的实际温度进行比较，根据其偏差和偏差变化率，利用现代变频调速技术，动态调节冷却水的流量，使冷却水的进、出水温度逼近模糊控制器给定的最优值，从而保证中央空调主机随时处于最佳效率状态下运行。运行流程图为
四 结语
中央空调自寻优智能模糊控制器具备采集能耗统计功能，用户可随时计算年平均节电率，用户可以对照数据记录存储的节电率和电能表记录的节电率进行对照比较，以保证节电率检测的科学性和实用性，综合分析后采用中央空调智能模糊控制器后空调系统平均节电率在25%～45%。
在某商场的空调系统的应用经国标节电率检测方法检测达到55.69%。在某办公楼的空调系统的应用经国标节电率检测方法检测达到50.04%。故采用此中央空调自寻优智能模糊控制器方法，节电效果明显，对用户受益较大，应大力推广应用。