基于模糊控制的空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制研究

0空調(diào)系統(tǒng)不同時(shí)發(fā)展性導(dǎo)致能源浪費(fèi)眾所周知，中央供暖站是現(xiàn)代建筑中最大的節(jié)能設(shè)備之一?，F(xiàn)代建筑的60%以上的能源消耗。長(zhǎng)期以來(lái)，當(dāng)季節(jié)變化、晝夜溫差變化和空調(diào)實(shí)際使用面積發(fā)生變化時(shí)，中央空調(diào)系統(tǒng)在傳統(tǒng)的運(yùn)行模式下，不能實(shí)現(xiàn)冷媒流量跟隨末端負(fù)荷的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，能源浪費(fèi)很大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已安裝中央空調(diào)的建筑物約有7萬(wàn)棟左右，若能全部采用節(jié)能技術(shù)，預(yù)計(jì)每年可節(jié)電500億kWh。BKS中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空調(diào)主機(jī)節(jié)能10%～30%，水泵、風(fēng)機(jī)節(jié)能60%～80%（中央空調(diào)總體節(jié)能達(dá)20%～40%）。1空調(diào)系統(tǒng)模糊預(yù)測(cè)的應(yīng)用中央空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)多變量的、復(fù)雜的、時(shí)變的系統(tǒng)，其過(guò)程要素之間存在著嚴(yán)重的非線性、大滯后及強(qiáng)耦合關(guān)系。對(duì)這樣的系統(tǒng)，無(wú)論用經(jīng)典的PID控制，還是現(xiàn)代控制理論的各種算法，都很難實(shí)現(xiàn)較好的控制效果。模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制，尤其適合于中央空調(diào)的控制?；谀：刂频淖冾l調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)水系統(tǒng)真正意義上的變溫差、變壓差、變流量運(yùn)行，使控制系統(tǒng)具有高度的跟隨性和應(yīng)變能力，可根據(jù)對(duì)被控動(dòng)態(tài)過(guò)程特征的識(shí)別，自適應(yīng)地調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，以獲得最佳的控制效果。BKS中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)采用了模糊預(yù)測(cè)算法對(duì)冷凍水系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)環(huán)境溫度、空調(diào)末端負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量亦隨之變化，流量計(jì)、壓差傳感器和溫度傳感器將檢測(cè)到的這些參數(shù)送至模糊控制器。模糊控制器依據(jù)所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)計(jì)算出末端空調(diào)負(fù)荷所需的制冷量和參數(shù)最佳值，并以此調(diào)節(jié)各變頻器輸出頻率，控制冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，改變其流量使冷凍水系統(tǒng)的供回水溫度、溫差、壓差和流量運(yùn)行在模糊控制器給出的最佳值。當(dāng)環(huán)境溫度、末端負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，中央空調(diào)主機(jī)的負(fù)荷率將隨之變化，系統(tǒng)的最佳轉(zhuǎn)換效率也隨之變化。模糊控制器在動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)控制冷媒循環(huán)的前提下，依據(jù)所采集的空調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算出冷卻水最佳進(jìn)、出口溫度，并與檢測(cè)到的實(shí)際溫度進(jìn)行比較，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冷卻水的流量和冷卻塔風(fēng)量，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率接近不同負(fù)荷狀態(tài)下的最佳值，從而實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)能耗最大限度的降低。2功能特點(diǎn)2.1分散系統(tǒng)監(jiān)視功能系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)模糊控制器與各控制柜之間的通信連接，將各水泵的狀態(tài)及中央空調(diào)系統(tǒng)中的主要過(guò)程參數(shù)在統(tǒng)一的軟件監(jiān)視界面上分別顯示出來(lái)，進(jìn)行集中監(jiān)視。2.2對(duì)式選擇這一工況進(jìn)行控制系統(tǒng)提供了6種控制模式，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際情況選擇其中的一種來(lái)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制。包括：系統(tǒng)自動(dòng)（主機(jī)人工干預(yù)）、遠(yuǎn)程手動(dòng)（軟手動(dòng)）、遠(yuǎn)程手動(dòng)（標(biāo)準(zhǔn)方式）、第三方操作、就地手動(dòng)調(diào)頻、就地旁路等控制模式。2.3多段制控制功能根據(jù)服務(wù)質(zhì)量的要求及負(fù)荷的變化，控制機(jī)組投入運(yùn)行數(shù)量。2.4質(zhì)量控制功能系統(tǒng)提供全天服務(wù)質(zhì)量的查詢和修改功能，用戶可根據(jù)空調(diào)實(shí)際負(fù)荷狀況分級(jí)設(shè)定服務(wù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輸出能量控制。2.5狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)提供主機(jī)系統(tǒng)、冷溫水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷卻塔系統(tǒng)和器件系統(tǒng)中各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。2.6數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)提供能耗曲線、主機(jī)效率曲線、電耗累計(jì)值、操作記錄和故障記錄等數(shù)據(jù)，以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況作全面分析。2.7水循環(huán)周期設(shè)計(jì)開(kāi)機(jī)后，冷凍（溫）水泵在上位機(jī)軟件規(guī)定的時(shí)間內(nèi)先在允許的最高頻率運(yùn)行，使其至少完成一個(gè)水循環(huán)周期，然后再進(jìn)入系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，以保證空調(diào)管路中無(wú)氣阻現(xiàn)象。2.8冷水泵站當(dāng)空調(diào)主機(jī)冷凍水供水溫度低于設(shè)定的下限值時(shí)，一級(jí)泵系統(tǒng)的冷凍水泵或二級(jí)泵系統(tǒng)的一次冷凍水泵應(yīng)立即進(jìn)入低溫（低流量）保護(hù)運(yùn)行模式，快速提高冷凍水供水溫度（流量），直至溫度（流量）值不低于設(shè)定的下限值為止，以保障空調(diào)主機(jī)蒸發(fā)器不致因溫度（流量）過(guò)低而結(jié)冰凍管。2.9．增大冷凍溫水供回水壓差當(dāng)冷凍（溫）水供回水壓差小于設(shè)定的下限值時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)采取增大冷凍（溫）水供回水壓差的措施，直至壓差值不低于設(shè)定的下限值為止，以保障用戶空調(diào)末端的空調(diào)效果。2.10自限限高時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)壓力差值自限制當(dāng)冷凍（溫）水供回水壓差大于設(shè)定的上限值時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)采用減小冷凍（溫）水供回水壓差的措施，直至壓差值不高于設(shè)定的上限值為止，以保障管路系統(tǒng)的安全。2.11冷卻水出水溫度監(jiān)控當(dāng)空調(diào)主機(jī)冷卻水的出水溫度高于其設(shè)定的上限值時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)采取措施，降低冷卻水的出水溫度，直到冷卻水出水溫度不高于設(shè)定的上限值為止，以保障主機(jī)安全運(yùn)行。2.12對(duì)電氣保護(hù)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)變頻器具有以下保護(hù)功能：電源缺相保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、欠電壓保護(hù)、輸出短路保護(hù)、接地故障保護(hù)。2.13電氣互鎖轉(zhuǎn)換裝置當(dāng)控制系統(tǒng)故障后，為了保證空調(diào)系統(tǒng)的正常使用，智能控制柜中設(shè)置有一套電氣互鎖的工變頻轉(zhuǎn)換裝置。當(dāng)需作能耗比較測(cè)試或變頻器因嚴(yán)重故障短時(shí)間內(nèi)不能恢復(fù)或置換時(shí)，可方便快捷地切換為原工頻狀態(tài)運(yùn)行。2.14功率記錄智能控制柜中設(shè)置有電能表，可實(shí)時(shí)計(jì)量控制對(duì)象的用電量。3使用示例3.1空調(diào)冷．空調(diào)系統(tǒng)上海新錦江大酒店是一座五星級(jí)酒店，由43層主樓和5層裙樓組成，有各型房間632間（套）。該酒店使用空調(diào)面積40000m2，共設(shè)有4臺(tái)空調(diào)機(jī)組，容量合計(jì)1900冷噸。中央空調(diào)系統(tǒng)原設(shè)計(jì)考慮為定流量運(yùn)行，有BA系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無(wú)自動(dòng)控制系統(tǒng)。2003年使用貴州匯通華城樓宇科技有限公司研制生產(chǎn)的BKS中央空調(diào)節(jié)能控制設(shè)備對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了變流量節(jié)能改造。3.2系統(tǒng)配置上海新錦江大酒店中央空調(diào)系統(tǒng)的配置見(jiàn)表1。3.3冷凍水變流量模糊控制系統(tǒng)依據(jù)上海新錦江大酒店中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)原理（見(jiàn)附圖），并按用戶的雙電源供電要求，中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)備作了相應(yīng)配置。(1）冷卻水變流量模糊控制系統(tǒng)配置了編號(hào)為L(zhǎng)QK-1、LQK-2，型號(hào)為L(zhǎng)QK-55-Ⅱ型2套冷卻水泵控制柜，分別控制CTP-1、CTP-2、CTP-3、CTP-4四臺(tái)55kW冷卻水泵。在冷卻水進(jìn)、出總管上分別安裝水溫傳感器。(2）冷凍水變流量模糊控制系統(tǒng)由一次冷凍水泵系統(tǒng)和二次冷凍水泵系統(tǒng)構(gòu)成。一次冷凍水泵變流量模糊控制系統(tǒng)配置了編號(hào)為L(zhǎng)WK1-1、LWK1-2，型號(hào)為L(zhǎng)WK-18.5-Ⅱ型2套冷凍水泵控制柜分別控制CP1-1、CP1-2、CP1-3、CP1-4、CP1-5五臺(tái)18.5kW冷凍水泵。在冷凍水回水總管與空調(diào)主機(jī)冷凍水供水總管間安裝雙向流量計(jì)。在冷凍水供水總管上配置有流量計(jì)。二次冷凍水泵變流量模糊控制系統(tǒng)配置了編號(hào)為L(zhǎng)WK2-1、LWK2-2，型號(hào)為L(zhǎng)WK-55-Ⅱ型2套冷凍水泵控制柜，分別控制CP2-1、CP2-2和CP2-3、CP2-4四臺(tái)55kW冷凍水泵。在冷凍水供、回水總管上分別安裝水溫傳感器，它們之間配置有水流壓差傳感器。(3）冷卻塔風(fēng)機(jī)變流量模糊控制系統(tǒng)配置了編號(hào)為L(zhǎng)FK-1、LFK-2，型號(hào)為L(zhǎng)FK-30-Ⅰ型2套冷卻塔風(fēng)機(jī)控制柜，分別控制CT-1、CT-3、CT-4、CT-2、CT-5、CT-6六臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)。3.4推行ec機(jī)制在世界銀行/GEF中國(guó)節(jié)能促進(jìn)中心的支持與指導(dǎo)下，2002年貴州匯通華城樓宇科技有限公司就在國(guó)內(nèi)中央空調(diào)節(jié)能改造中積極地推行EMC機(jī)制。本項(xiàng)目投資期為5年，在投資期間，中央空調(diào)系統(tǒng)所取得的實(shí)際節(jié)能收益由匯通華城公司與新錦江大酒店分享。投資風(fēng)險(xiǎn)由匯通華城公司承擔(dān)，即：無(wú)論前5年產(chǎn)生多少節(jié)能收益，5年后，上海新錦江大酒店都將擁有節(jié)能設(shè)備的產(chǎn)權(quán)，并享有全部節(jié)能收益。3.5節(jié)約用電，排放火炬上海新錦江大酒店安裝BKS中央空調(diào)節(jié)能控制產(chǎn)品后，提供2年多的運(yùn)行證明：系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠，性能指標(biāo)到達(dá)設(shè)備技術(shù)要求；實(shí)現(xiàn)了空調(diào)泵組的軟啟動(dòng)、軟停止、運(yùn)行平滑穩(wěn)定，較大地改善了設(shè)備的啟停性能和運(yùn)行磨損；具有強(qiáng)大的管理功能和安全保護(hù)功能，確保整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化、安全的運(yùn)行。通過(guò)2年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)的綜合節(jié)能率達(dá)20%以上。每年節(jié)約電量96萬(wàn)千瓦時(shí),平均電價(jià)按每kWh電0.73元計(jì)算，每年減少電費(fèi)支出70萬(wàn)元人民幣。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，每發(fā)1kWh電，國(guó)外先進(jìn)水平平均消耗標(biāo)準(zhǔn)煤316g，國(guó)內(nèi)平均消耗標(biāo)準(zhǔn)煤392g。按照中國(guó)政府與世界銀行和全球環(huán)境基金（GEF）規(guī)定的統(tǒng)一的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)0.399tce/MWh計(jì)算，每節(jié)約1kWh電，相當(dāng)于節(jié)約煤炭0.399kg，上海新錦江大酒店中央空調(diào)系統(tǒng)自實(shí)施本項(xiàng)目后，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤383噸。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，按照我國(guó)現(xiàn)行的燃煤排放系數(shù)，每發(fā)電1kWh將排放CO2900g、SO211g、N2O33g計(jì)算，上海新錦江大酒店中央空調(diào)系統(tǒng)自實(shí)施本項(xiàng)目后，每年可減排：CO2排放：960000×900/106=864噸；SO2排放：960000×11/106=10.56噸；N2O3排放：960000×3/106=2.88噸。由此可見(jiàn)，本項(xiàng)目的實(shí)施不僅節(jié)約了大量的能源，還大大減少了煤炭燃燒所產(chǎn)生的廢氣排放和溫室氣體排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)起到了巨大的作用。3.6投資收益分析根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際節(jié)能