浅谈暖通空调能量管理与优化控制

  中图分类号TU96+2 文献标识码 A 文章编号
  
  随着人们生活水平的不断提高,空气调节系统普遍应用,如何对空调系统进行优化与管理至关重。本文针对制冷系统的优化控制这一影响暖通空调系统运行效率的关键及控制难点问题进行了分析,介绍了暖通空调优化控制、能量管理以及调节等方面研究暖通空调系统的优化与能量管理技术,根据暖通空调系统的未来需求和相关技术的发展,提出
  了其控制技术的发展方向。
  关键词暖通空调;优化 , 控制;能量管理;
  Abstract as people living standard rise ceaselessly, air conditioning system commonly used, how to optimize and air conditioning system of management is very important. This article in view of the refrigeration system of optimization control this impact hvac system efficiency of the key and difficult problem in the control are analyzed, introduces the hvac optimization control, energy management and adjust the research of hvac system optimization and energy management technology, based on the future requirement of hvac systems and the development of related technologies, put forward
  The control technology development direction.
   key words hvac; Optimization, control; Energy management;
  
  
  前言
   暖通空调是智能建筑的组成部分,也是智能建筑中最耗电的设备,暖通空调系统的能耗一般占建筑总能耗的60%以上,如果能有效降低建筑中的暖通空调能耗,我们将获得巨大的经济效益。不仅如此,如果能对建筑中的耗能大户——暖通空调系统进行节能控制,相信对于节约资源有更重的意义。而又因为节能的一个重方向是末端参数计量、能量管理、水电气用量的计量与考核、设备开关优化等。所以,可以通过对暖通空调系统进行优化控制以及能量管理,能有效降低暖通空调的能耗,实现节能目的。
  暖通空调优化控制及能量管理
   降低暖通空调的能耗,需对暖通空调系统优化控制模块、暖通空调能量管理模块以及暖通空调系统调节模块进行优化设计,通过使不同部分达到最佳的运行状态以此来降低暖通空调的总能耗。
  2.1暖通空调系统的优化控制
   实现暖通空调系统的优化控制需根据系统的最小能耗标准对冷冻机进行优化,使用泵和AHU设备回路的设定点进行控制。为了使用户负荷与制冷量相匹配,满足客户对暖通空调温度控制的需求,提高暖通空调系统的运行效率,最终达到降低能耗的目的,首先对系统回路的设定点进行优化。根据暖通空调运行模式以及设备构成的特征,建立各个部分的科学化数学模型,包括冷冻机、冷却塔、冷却盘管、泵以及风扇的优化。暖通空调系统优化控制可以分为两个部分,包括调节子系统的优化以及制冷子系统的优化。
  2.1.1调节子系统的优化
  暖通空调系统的调节子系统一般由热交换器、送风系统以及回风系统组成。新风与回风形成混合气体, 混合气体通过热交换器后温度会有所降低,降低了温度的混合空气通过很长的送风管道进入到房间内与房间内的空气进行热交换,最后再通过回风机将气体排出室外,部分混合空气会重新回到系统进行下一次循环。调节目标温度,通常是通过对电动调节阀进行控制实现的。影响目标温度控制的因素包括露点温度、冷冻水温度、混合空气温度以及送风量、湿度、房间负荷等。混合空气在经过热交换器时其会达到露点温度,如果这时候相对湿度很大,会引起热交换器出现严重的非线性关系;同时由于热交换过程一般会存在潜热及显热两部分,温度下降及上升的特点不同,加重非线性关系。空气处理单元与房间是通过送风管道连接而成的,送风管道较长,惯性较大,使温度控制存在较大的滞后性。
  对于一定程度的冷负荷,由于水泵与风扇之间的能耗曲线不一致,一般都会有一个最优的运行工作点,使冷冻水泵与供风风扇的耗能总和最小。在一定负荷下,当进入房间的混合空气温度发生变化时,会使换热器的热交换效率发生改变,风系统能耗最小工作点也随之变化。当冷冻水的供水温度发生改变时,会引起换热器的热交换效率发生改变,风系统的能耗最小工作点随之变化。当冷冻水供水温度以及混合空气温度同时发生改变,也能找到风系统能耗最小值,对应的风流量以及水流量就是风系统运行的最优工作点。
  2.1.2 制冷子系统优化
   制冷机COP 与制冷量以及冷冻水、冷却水的供水温度有关,不考虑冷冻水的温度,将冷却水的的供水温度看作常量,COP会随着制冷量的增加而有所下降;在相同制冷量条件下,冷却水的供水温度越高,COP 就会越大。降低冷却水的供水温度能有效降低制冷机的能耗。
   COP=T*△T/Q
   式子中,T表示冷冻水的温度,△T表示冷却水温度,Q表示制冷量。
  2.2空调能量管理
   当空调的能耗接近某个固定值时,能量管理模块就会通过开关来对指定设备进行调节,以降低系统的能耗。通过能量管理降低能耗需完成以下工作。
  2.2.1优化开关控制
   优化开关控制是通过设定温度范围与实际温度范围的差分来计算空调各个设备的最优的开关时间,最低的能量消耗状态是将设备保持在待机状态,且必须是确保空调的温度舒适度条件下,将系统设置成待机状态。
  2.2.2荷载循环
   荷载循环通常是需在一定的周期下通过关闭指定的设备来达到降低能耗的目的。根据允许冷冻机类型与冷却负荷的优化组合来提高空调的性能。
  2.2.3夜间气洗
   在夜间,当室外的温度降低时使用室外的空气对建筑进行清洗,打开室外的新风阀,关闭回风阀,并将所有的排风扇打开,将室外温度较低的新风输送到系统中,这样不仅能降低冷却混合风的能耗,还能有效提高室内的空气质量。
  2.3暖通空调调节
  2.3.1控制回路分类
   暖通空调的控制回路较多,如一个2 万平米左右的智能大楼一般会有2000多个的控制回路。同时对这么多的控制回路进行在线校正,工作量大,缺乏可行性。因此,在设计空调的调节系统时应将所有回路控制进行分类,按空气处理系统中的混风比例调节、温度调节、送风压力调节等对回路控制进行分类,同时还可以按照制冷子系统中的冷却水温度调节、冷冻水温度调节等对回路控制进行分类。这样分类后,能将不同调节功能的回路控制集中管理,减少工作量,同时也能通过及时调整来达到减少能耗的目的。
  2.3.2控制性能监测
   对于控制回路的控制效果主是采用分组监视手段进行的,控制系统只会对其中控制效果差的回路在单元控制器中进行屏蔽,然后再通过现场总线把单元控制器中的控制量和被控制量信息读取到过程优化计算机中,根据具体情况采取措施对控制回路进行在线调节。
  2.3.3控制器参数校正
   暖通空调系统的控制对象较为复杂,部分控制环节存在较大的时滞性、时变性以及非线性等问题。因此在对空调的温度、湿度、空气污染度等进行控制时,应将其设置成独立控制,采用PID控制器对控制对象进行控制,并对控制器的参数进行在线校正。当室外的环境改变时,尤其是外界的湿度与房间负荷变化较大时,其静压力与送风温度的控制效果较差。空调的被控对象是房间的温度场,其与空调进行换热的工况较为复杂,制约其正常运行的因素很多,对这种强滞后性、强扰动性、强时变性且被控对象未知的系统实施常规PID控制往往效果欠佳。因此,必须对PID的参数进行在线校正以获取最优的控制参数。
  结束语
  根据暖通空调的系统构成以及运行方式,通过分析系统,我们知道对空调进行管理、计量以及优化控制的变量较多,同时由于系统的多变量动态响应时间和求各不相同,并且还完成系统的控制器参数自整定以及优化算法的任务,使得软件系统的数据结构以及数据类型非常复杂。根据空调各个环节能量消耗的特点,把系统设计分为能量管理、设定点的在线优化以及控制器参数校正三部分,再将三大功能模块结合起来,使空调系统运行处于效率最优状态,进而实现节能降耗的目的,提高空调系统的经济效益以及社会效益。
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