中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化措施淺析摘要中央空調(diào)的使用范圍很廣，也是消耗能源非常多的一種設備，對其進行節(jié)能改造是減少成本，提升效益的一條行之有效的途徑。通常的改造方式只是對水泵或風機做一些簡單的改變，然而由于中央空調(diào)系統(tǒng)非線性嚴重，耦合程度較高，加之滯后較大，因此造成了一個設備的能耗降低，而其他的設備的能耗卻增加，總體而言，使用效果并不好。以此為基礎，本文在對相關的文獻進行閱讀的基礎上，首先對本次研究的背景和意義進行了介紹，然后對與中央空調(diào)系統(tǒng)相關的內(nèi)容進行了簡要的概括，并在此基礎上提出了中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化措施。關鍵詞：中央空調(diào)；節(jié)能；系統(tǒng)節(jié)能目錄TOC\o"1-3"\h\u25458第一章緒論 第一章緒論1.1研究背景隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，高層建筑越來越多。有專家調(diào)查表明，建筑建設的耗能量能占到國家總耗能的三分之一以上，而由于我們?nèi)允前l(fā)展中國家，城市化水平還不高，因此，與發(fā)達國家相比，建筑耗能量在國家總耗能的比重要低一些，大約只有四分之一。但是，在龐大的建筑能源消耗中，空調(diào)系統(tǒng)的總能耗占到了建筑能源消耗的百分之五十以上，在一些地區(qū)，空調(diào)系統(tǒng)的使用已經(jīng)達到了百分之七十，對于人民的生活和工業(yè)生產(chǎn)來說，空調(diào)系統(tǒng)是必不可少的。但是，因為其高能耗，導致的資源短缺，以及對環(huán)境的污染，也對我國未來的經(jīng)濟發(fā)展造成了很大的影響，因此，現(xiàn)在迫切需要發(fā)展環(huán)保型的空調(diào)系統(tǒng)。我們可以從以下兩個方面來發(fā)展環(huán)保型空調(diào)系統(tǒng)：一方面，可以提高房屋結(jié)構的保溫性能，減少建筑物的能量損耗[1]；另外一方面就是要改善中央空調(diào)的工作效率，在滿足建筑的負載要求的前提下，減少空調(diào)的總能耗。由于住宅建筑的外墻改造投入大、困難大，因此，當前最切合實際的節(jié)能方式就是對空調(diào)系統(tǒng)進行優(yōu)化?？諝庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個多學科、多技術交叉的復雜系統(tǒng)。如氣候，建筑設計，空調(diào)系統(tǒng)的運行與維護，以及空調(diào)系統(tǒng)的設計，都將對空調(diào)系統(tǒng)的能耗產(chǎn)生影響。只有對其進行好的維修，才能達到較好的節(jié)能效果?，F(xiàn)在，隨著自動控制技術的一次又一次的取得了突破，研究人員也在研究更加優(yōu)化的空調(diào)控制系統(tǒng)。所以，如何在多變的環(huán)境下，使空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的能量消耗降到最低，就成為了目前人們關注的焦點。1.2研究意義如今，電子技術、計算機技術和自動控制技術都得到了飛速的發(fā)展，這也讓大樓逐漸朝著智能化的方向發(fā)展。在當今社會，中央空調(diào)已逐漸成為一種主流的空氣調(diào)節(jié)方式，并在社會生活中扮演著舉足輕重的角色。雖然中央空調(diào)系統(tǒng)為我們提供了一個非常舒服的環(huán)境，但是它也給我們帶來了能源問題和環(huán)境污染[2]。如何在保證人體舒適的前提下，最大限度地節(jié)省能源，也是人們?nèi)找骊P心的問題。在節(jié)能降耗方面，空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制是非常重要和具體的。在最初的研究中，集中在單一的設備上，沒有考慮到其它設備的運作。僅通過對單個設備的優(yōu)化，無法使系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)，因此，要對整個系統(tǒng)進行整體的控制。另外，對中央空調(diào)的風系統(tǒng)、水系統(tǒng)等進行的節(jié)能研究，也都是局部最優(yōu)，無法實現(xiàn)對中央空調(diào)全面最優(yōu)的使用目標。為了使中央空調(diào)達到最優(yōu)，需要從整體上對其進行最優(yōu)控制。在不增加設備投入的前提下，對整個系統(tǒng)進行最優(yōu)控制，僅需調(diào)節(jié)設備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，即可獲得明顯的節(jié)能效果。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，先進的集散控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地用于人們的日常生活，這也是進行中控系統(tǒng)的優(yōu)化研究的先決條件。第二章中央空調(diào)系統(tǒng)相關概述2.1中央空調(diào)系統(tǒng)簡介夏季，建筑內(nèi)部的能源主要來自于陽光以及室內(nèi)外的溫差，若無法將其排除，則會使建筑內(nèi)部的溫度持續(xù)上升，從而影響到人們的日常生活。冬季，若房間內(nèi)無熱源，外界的冷風將會侵入房間，使房間內(nèi)的熱量流失，使房間內(nèi)的氣溫下降。冷負荷是指被排放掉的熱量，熱負荷是指被供給的熱量。由于室內(nèi)的環(huán)境是密閉的，加之人們的運動，會導致室內(nèi)的空氣變得不清新。因此，我們需要將外面的新鮮空氣及時地輸送到室內(nèi)，以確保室內(nèi)的空氣是清新的[37]。中央空調(diào)的任務就是向房間內(nèi)輸送適宜的新鮮空氣，使房間內(nèi)的空氣環(huán)境達到人類生存的需要。在中央空調(diào)系統(tǒng)中，由換熱器組成的風扇將新鮮空氣輸送到房間后，將產(chǎn)生相同數(shù)量的房間空氣。進入房間的空氣，會被風扇冷卻，除濕，然后再被加熱，得到最佳的空氣，再被送入房間[3]?？偠灾醒肟照{(diào)系統(tǒng)會在室內(nèi)失去熱量或得到熱量的時候，向室內(nèi)輸送相應的熱量或冷量，從而使室內(nèi)的環(huán)境達到穩(wěn)定的平衡。當室內(nèi)的溫度環(huán)境改變時，冷熱平衡會被破壞，從而產(chǎn)生一個新的環(huán)境下的冷熱平衡，但是這種冷熱平衡并不適合人類的生活和工作。在冬季，從室內(nèi)到室外損失的熱量與室外的溫度的降低成比例，當中央空調(diào)系統(tǒng)向房間提供的熱量值固定時，向房間內(nèi)輸送的熱量值小于房間的熱量損失，就會引起熱平衡的變化，使室內(nèi)溫度降低；當氣溫降至另外一個平衡時，室內(nèi)的熱消散與熱傳遞平衡，但這一平衡點又太冷了，冷得不能住人。中央空調(diào)系統(tǒng)的最大作用，就是在室內(nèi)的冷熱平衡值發(fā)生變化的時候，可以通過調(diào)整工作頻率，來維持室內(nèi)的溫度[4]。2.2中央空調(diào)系統(tǒng)特性及能耗在建筑中，采用中央空調(diào)系統(tǒng)對建筑內(nèi)部的環(huán)境進行溫度調(diào)節(jié)。由于管網(wǎng)、冷熱源對溫度的響應是緩慢的，因此，在環(huán)境氣溫、循環(huán)水泵流量、供水溫度發(fā)生改變時，用戶的室內(nèi)溫度發(fā)生改變，仍需一段時間。冷源和熱源所需的冷熱量是由室內(nèi)外的溫度、室內(nèi)人員的數(shù)量、人員對溫度的要求等因素決定的。這些都需要時間來進行判斷，所以，系統(tǒng)具有大滯后性。除此之外，冷熱量在輸送時會存在一定的衰減和不確定性，這也給溫度控制帶來了很大的難度。不同的室外溫度影響著室溫的變化也是不一樣的。在理想的情況下，制冷系統(tǒng)和集中的供熱系統(tǒng)在制冷或者加熱時損耗的量剛好相等，因此不會造成能量的浪費。因此，想要獲得有效的控制效果，就必須對中央空調(diào)的特性進行充分的認識，進而對其進行設計。中央空調(diào)系統(tǒng)具有以下特征：1）干擾性多。使用者房間內(nèi)的溫度尤其易受外部氣溫的影響，例如夏天，房間內(nèi)的溫度也會隨著外部氣溫的上升而上升；而在冬天，外面的氣溫下降，房間里的氣溫也會隨之下降。此外，房間里的電器運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱，也會對房間里的溫度造成一定的影響。2)不確定度與非線性度。對于具有多變量和非線性特征的大規(guī)模工業(yè)系統(tǒng)，精確建模是非常困難的。3)滯后效應。水泵持續(xù)地在供水管道中循環(huán)著熱水，而空調(diào)系統(tǒng)的溫度對象具有很大的滯后性，因此就產(chǎn)生了中央空調(diào)的滯后性，這就要求中央空調(diào)的控制能力具有很高的實時性[5]。2.3全水系統(tǒng)在此過程中，通過管路將所生成的熱能或冷能通過終端設備進行交換后，返回到冷源。全水系統(tǒng)在持續(xù)地進行加熱和冷卻，從而對室內(nèi)的空氣參數(shù)進行調(diào)整，使室內(nèi)的環(huán)境適合人們的辦公、生活。從以上討論可以看出，在整個水空調(diào)系統(tǒng)中，以水為媒介，進行了室內(nèi)的冷熱負荷的轉(zhuǎn)移。全水系統(tǒng)又可以被分成兩種類型，一種是專門供冷的全水系統(tǒng)，另一種是專門供熱的全水系統(tǒng)。在集中式空調(diào)系統(tǒng)中，“熱媒”是指在循環(huán)管中的高溫熱水；中央空調(diào)的冷卻，是以冷水為介質(zhì)的，所以它的溫度很低。[6]。整個供水系統(tǒng)包括熱源、輸送能源的管路系統(tǒng)以及冷卻裝置。熱源對熱媒進行加熱，然后通過循環(huán)管路進入熱輻射設備，在熱輻射設備上進行熱量交換，然后通過循環(huán)管路回到熱源上。冷源的工作原理是一樣的，由冷源、管路系統(tǒng)、終端散冷裝置組成的整個冷卻系統(tǒng)。冷源中的冷媒在吸收了空氣中的熱量后，通過循環(huán)的管路，將空氣中的熱量輸送到終端的冷卻器中。全水系統(tǒng)持續(xù)地進行制冷和制熱，對室內(nèi)的溫度環(huán)境進行調(diào)整，使屋內(nèi)的環(huán)境適合人們辦公、生活。一般情況下，全水空調(diào)系統(tǒng)的制冷、制熱是分時段的，夏季是制冷，冬季是制熱。采用全水空調(diào)的終端設備，對房間的溫度進行強制循環(huán)，使房間的溫度和濕度保持一致，從而使人感到更加舒服。河北唐山市的一棟辦公樓里，安裝的是一套水暖系統(tǒng)，夏季降溫，冬季供暖。目前，我們使用的是全水空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也就是所謂的全水風機盤管空調(diào)系統(tǒng)。全水空調(diào)系統(tǒng)使用水來傳遞能量，由于空氣的比熱系數(shù)比水的比熱系數(shù)小，因此當建筑物進行冷卻或者制熱的時候，全水空調(diào)系統(tǒng)中水的流量要比全空氣空調(diào)系統(tǒng)中的空氣流量要小，因此，全水空調(diào)系統(tǒng)的運行耗能要比全空氣空調(diào)系統(tǒng)的耗能低[7]。第三章中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化措施3.1冷凍水系統(tǒng)控制策略一方面是對冷水機組的運行方式進行研究。冷水機是中央空調(diào)系統(tǒng)的“大腦”，其工作狀態(tài)直接影響到風機、泵等設備的工作狀態(tài)。當前，最常見的控制方式是簡單的啟停、狀態(tài)和故障檢測，但是，如果能夠以豐富的空調(diào)理論知識為基礎，對其進行控制，并運用群控思想，就可以極大地提升系統(tǒng)的工作效率。在本系統(tǒng)中，我們設計了3個相同容量的冷水機組，當系統(tǒng)處于低負荷狀態(tài)時，應適當?shù)慕档屠渌畽C的運行個數(shù)，使剩余的冷水機具有較高的節(jié)能效果。根據(jù)總冷氣流量，及時啟動機組。比如，在負荷在10%-30%之間的時候，可以用1臺冷水機組來運行，在到30%-60%之間的時候，可以用2臺機組來共同工作，在達到60%-100%的時候，就需要3臺機組全部開啟。而且，在開啟多臺冷水機組的時候，對于都是額定制冷量的機組，最好是平均分配機組負荷。卸載的邏輯是反向的。所以，冷水機組的加載需要滿足的條件是：冷卻水主管道的溫度高于最大溫度設置值，冷水機組的負載符合加載負載的限值，加機時間的連續(xù)設置。當這些條件都符合的時候，就會啟動附屬設備（水泵、風機、蝶閥），并將負載命令傳送給啟動速度較快的制冷機。在冷卻水的最低設定值必須小于冷卻水的回水溫度，冷水機組的負載必須小于卸載負載的限定值，以及連續(xù)設定的減機時間。當以上條件均符合時，則在最長時間工作的制冷機發(fā)出停機訊號，并隨之關閉輔助設備（水泵，風機，蝶形閥）。另一方面是對冷凍水泵進行了控制。冷凍水在管線中的循環(huán)流動是由冷凍水泵產(chǎn)生的，它將空調(diào)末端盤管吸熱升溫后的冷凍水送回到了冷水機組中進行冷卻，再把制冷水送到空調(diào)的末端，進行熱交換，為使用者提供冷量，從而實現(xiàn)了冷量的輸送和傳遞。在之前的章節(jié)中，我們說到了對冷凍水的使用是變流量控制，所以我們需要在冷凍水泵電機進線前端安裝變頻器，用來改變冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，這樣，在空調(diào)負荷發(fā)生變化的時候，冷凍水流量也會發(fā)生變化。通常采用兩種方法，一種是依據(jù)終端壓差，一種是依據(jù)主冷水管的供回水的溫度控制。由于空調(diào)系統(tǒng)的負荷與供、回水管間的壓力相差不大，無法判斷空調(diào)終端負荷的變化情況，故不能采用壓差調(diào)節(jié)。在冷凍水的供、回水總管上設置溫度傳感器，以達到對冷凍水供、回水溫度的控制，同時對冷凍水總管的供、回水溫度進行采集，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將其傳輸?shù)较到y(tǒng)的控制器中。要達到變速，必須按照主管路的溫度，通過一系列的控制算法來調(diào)整水泵的工作頻率。一般的調(diào)節(jié)方式有三種：回水溫度調(diào)節(jié)，供水溫度調(diào)節(jié)，回水溫差調(diào)節(jié)。由于冷卻水是傳輸冷量的介質(zhì)，因此冷卻水的供、回水的溫度與冷卻水的溫度呈正比關系，因此采用溫度來控制冷卻水的流量是最佳的方法。制冷泵的控制方法為：在系統(tǒng)啟動時，通過傳感器收集制冷主管道的給水、回水的溫度、濕度、室外空氣的溫度等參數(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)的負載情況，調(diào)整制冷泵的速度。通過調(diào)整系統(tǒng)的運行參數(shù)，使冷卻水的流量與空調(diào)的負載相匹配，達到節(jié)能降耗的目的。按照冷水機運轉(zhuǎn)的個數(shù)來決定制冷泵的開啟與停止，在裝入冷水機前，要將對應的制冷泵與制冷閥同時開啟，并將未運轉(zhuǎn)的冷水機閥門關閉；若要卸除制冷機時，必須將制冷機關掉，然后將制冷機的水泵及對應的蝶形閥門全部關掉。3.2冷卻水系統(tǒng)控制策略冷卻水將冷水機中的熱量吸收，然后流入冷卻塔中進行散熱，散熱后的冷卻水經(jīng)過冷卻水泵再一次進入冷水機中，如此反復。從冷水機組、冷卻塔高效節(jié)能的有關文獻中可以看出，冷卻水的溫度對系統(tǒng)能效有很大的影響，所以可以根據(jù)負載的變化，利用冷卻水泵的變頻調(diào)速來對冷卻水的溫度進行調(diào)整。在此基礎上，提出了一種新型的水處理系統(tǒng)的設計方案。從試驗結(jié)果可以看出，冷卻水總管出水溫度的控制具有如下優(yōu)點：一是總管內(nèi)溫差較大，二是冷卻泵的節(jié)能效果很好。在這篇論文中，對冷卻水泵的控制使用了冷卻水總管出水溫度控制法，也就是利用溫度傳感器檢測冷卻水總管的出水溫度，來對冷卻水泵的電機工作頻率進行調(diào)整，使冷卻水總管出水溫度在一定范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的變量運行。從節(jié)能文獻中可以看出，冷卻水主管的出水溫度應該在33℃到35℃之間，因此，本文將夏季冷卻水的出水溫度設計為35℃，過度季節(jié)的出水溫度為33℃。其增益和減益的控制方法和制冷泵是一樣的，都要與制冷機組相配合。若要起動制冷機，則應首先開啟對應的蝶形閥門，再開啟冷卻水泵；當必須將冷水機卸下來時，必須將冷水機關掉，然后將冷水機及對應的閥門關掉。3.3空調(diào)風系統(tǒng)控制策略空氣處理裝置，回風機，送風機，新風機，風機盤管等。冷熱源的能源通過空調(diào)系統(tǒng)向室內(nèi)傳輸，并對室內(nèi)的空氣品質(zhì)進行監(jiān)測和保持，由于供風區(qū)的不同，空調(diào)系統(tǒng)的控制方式也是不一樣的，像是會議室等場所，需要使用時才會開啟，因此采用人工啟動和關閉方式，當然也可以視情況而定。表冷閥的開度以及吹風機的頻率的調(diào)整，取決于吹風口、回風口的溫度、濕度，通過與實測值的比較，使吹風的濕度維持在一定的范圍之內(nèi)，對加濕器的開關進行控制。監(jiān)控回風溫度，簡而言之，就是將收集到的回風溫度與設置好的控制器溫度值相對比，由控制器利用模糊PID算法，對熱水閥和冷水閥的開度進行控制，從而將回風溫度保持在一定的范圍之內(nèi)，再對冷水流量和熱水流量進行調(diào)整，從而隨著建筑所需的能量以及天氣的變化而改變，實現(xiàn)節(jié)能。檢測二氧化碳的濃度，根據(jù)室外溫度調(diào)整新風百葉閥的開度或新風扇的頻率，監(jiān)測新風溫濕度，在新風溫度小于5℃時，系統(tǒng)會增大熱水盤管水閥的開度，降低表冷器的水閥開度，若溫度仍不上升，則會觸發(fā)報警，自動停機。至于風扇盤管，由于每個房間的溫度都不一樣，而且相對獨立，因此通常都是按照自己的需要進行調(diào)整。3.4變頻控制策略一是凍結(jié)面頻率變化對凍結(jié)面的作用。工頻運行表現(xiàn)為：當水泵處于工頻運行，并且系統(tǒng)的負載增大時，尤其容易導致冷水機組的運行數(shù)目增大；同理，隨著系統(tǒng)負荷載的降低，制冷單元的運轉(zhuǎn)次數(shù)也會隨之降低。但是，由于負荷的持續(xù)變動，會使冷水機組的起停次數(shù)增多，因此，整個系統(tǒng)的變動幅度很大，很可能會引起系統(tǒng)終端的冷熱不均衡，從而對整個系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定的運行產(chǎn)生不利的影響。變頻運行有如下幾種情況：通過變頻節(jié)能對系統(tǒng)進行改造之后，在發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的負載即將增大時，會首先提高水泵的工作頻率，在水泵的工作頻率達到最大值而不能滿足系統(tǒng)要求時，會提高冷水機組的工作頻率；同樣地，在監(jiān)測到系統(tǒng)負載下降時，水泵的運轉(zhuǎn)頻率也隨之下降，達到某一值后，冷水機組的運轉(zhuǎn)次數(shù)也隨之下降。這樣可以延長制冷機的工作時間，使得制冷機的調(diào)溫過程更為均衡。二是在制冷端，頻率變化對制冷性能的影響。在工作頻率下，冷水機組的散熱效率與其自身的運轉(zhuǎn)次數(shù)有關。變頻運行會出現(xiàn)如下情況：因為很難確定冷卻泵與冷卻塔風機之間最佳的平衡，因此在進行系統(tǒng)節(jié)能變頻改造時，應先設定一些參數(shù)，先讓部分冷卻塔風機起動，然后根據(jù)生成的數(shù)據(jù)，調(diào)整冷卻泵的工作頻率。結(jié)論隨著科學技術的進步，人類的生存條件越來越好，人類自然也想要一個更好的生存環(huán)境。所以，在大商場，酒店，工廠等大面積的建筑里，都會安裝中央空調(diào)。但是，中央空調(diào)在為用戶提供舒適的生活條件的同時，也造成了大量的電力消費，與節(jié)約能