中央空调系统的集成优化节能控制技术

中央空调系统的集成优化节能控制技术摘要：间接制冷式中央空调系统是一个由多个传热环节串联构成的复杂系统，本文分析了间接式中央空调系统各构成环节间的关联性和负荷的时变性，针对性地提出了中央空调系统整合节能和动态优化理念，并介绍了可实现中央空调系统整合节能和动态优化的一种新型节能控制产品——“中央空调集成优化智能控制系统”的构成和工作原理。关键词：中央空调关联性时变性整合节能动态优化集成优化引言据统计，我国大型公共建筑建筑面积只有城镇建筑总量的4%，但却消耗了建筑能耗总量的22%，无疑是建筑能源消耗的高密度领域。因此，财政部、住房城乡建设部（财建[2011]207号文）《关于进一步推进公共建筑节能工作的通知》中要求：建立健全针对公共建筑特别是大型公共建筑的节能监管体系建设，通过能耗统计、能源审计及能耗动态监测等手段，实现公共建筑能耗的可计量、可监测。争取在“十二五”期间，实现公共建筑单位面积能耗下降10％，其中大型公共建筑能耗降低15%。大型公共建筑种类众多，不同类型的大型公共建筑耗能特点也各不相同，但相同的是中央空调的能耗都占了其中很大的比例。因此，大型公共建筑的节能无一例外都是把中央空调节能摆在首位。多年来，我国的中央空调节能技术和产品得到了快速的发展，为降低我国居高不下的建筑能耗做出了有益的贡献。然而，不尽人意的是这些节能产品和技术大都只控制能耗较大的冷源设备，更有甚者是只关注容易实施的循环水泵节能，而忽略了中央空调系统的整体节能，市场上缺乏系统性、全局性的整合节能技术和产品。经过十多年在中央空调节能技术领域内的不断探索、研究、实践、改进和创新，我们经历了从冷冻水泵节能、冷却水泵节能、冷却塔风机节能、制冷机组节能到空调末端设备（空气处理机组、新风机组、风机盘管等）节能的全过程，逐步实现了从冷源制冷设备到末端用冷设备的整合节能，实现了从空调水系统到风系统的整合节能，自创了中央空调系统运行过程的集成分析与动态优化控制算法模型（简称集成优化算法），研制出了中央空调集成优化节能控制技术和产品，在中央空调节能技术领域实现了新的飞跃。一、中央空调系统各构成环节间的关联性间接制冷式中央空调系统主要由热交换器和流体机械构成。热交换器是高、低温流体之间进行热量交换和传递的重要设备，包括末端设备中的冷却盘管，制冷机组中的蒸发器和冷凝器，以及排放空调废热的冷却塔。流体机械是推动工作流体循环的动力源。中央空调系统有五种流体机械——末端设备中的风机、冷冻循环水泵、制冷压缩机、冷却循环水泵和冷却塔风机，它们是流体的输送设备。中央空调制冷属于人工制冷，是将空调冷负荷（即热量）从室内转移到室外去的逆向传热过程。这个过程由多个相互关联的传热环节串联构成，这些环节包括室内空气循环、冷冻水循环、制冷机组中的制冷剂循环、冷却水循环和室外空气循环等五个流体循环和末端设备、蒸发器、冷凝器、冷却塔等四种换热器中的换热过程。可见，空调制冷过程的流体循环不仅涉及到具有相变过程的制冷剂循环，还涉及到传热、传质的水循环和空气循环；而热交换过程涉及到多种介质、多种温差之间传热，包括室内空气与冷冻水、冷冻水与制冷剂、制冷剂与冷却水、冷却水与室外空气之间的传热。正是这些流体介质的循环及其传热，才构成了一个完整的可持续的“热量逆向转移”流程，实现了建筑物内空气环境的人工制冷和除湿。中央空调逆向传热的工作流程如图1所示。图1中央空调逆向传热的工作流程可以看出，在中央空调制冷过程中，建筑物内部的热量（冷负荷）只有依次通过图1所示的五个循环和四个换热过程，才能被排放到室外大气中去。中央空调这些循环和换热过程依次衔接，既相对独立，又相互依存，构成强烈的关联性和耦合性。其中每一个环节都是不可或缺的重要组成部分，任何一个环节的中断都将导致中央空调系统制冷功能的丧失。任何一个环节运行的不协调都可能引起系统制冷性能的下降，造成系统运行效率降低和运行能耗增加。二、中央空调系统负荷的时变性中央空调系统运行的目的是要制造满足人们生活和生产需要的人工室内空气环境。而建筑物室内的空气环境，一般要受到建筑物内部和外部两个方面的干扰。建筑物内部的干扰来自于内部各种生产工艺设备、电气设备、照明设备、人体等所产生的热、湿量。建筑物外部的干扰则来自于由于太阳辐射进入的热量和室内外空气温差经围护结构传入的热量。在这些干扰因素中，有些是稳定的，不随时间而变化；有些是不稳定的，是随时间而变化的。在空调系统中，不稳定的干扰因素会造成空调负荷发生变化。影响空调负荷变化的不稳定因素主要有两个，一是建筑物外部的气象因素，如室外空气温度、空气湿度、太阳辐射强度和风速等；二是建筑物内部的人流量，如大型商场、宾馆饭店、机场、车站、影剧院、各类场馆等公共场所的人流量变化。众所周知，随着地球的转动、昼夜的循环和季节的更替，室外的气象因素总是变化的、不稳定的，随着天气的变化而变化。在气象因素中，空气温度的高低和太阳辐射的强弱对空调负荷的影响最大。室外气温和太阳照度的变化，都会造成空调负荷变化。而人体的散热量和散湿量是中央空调系统的另一种主要负荷。建筑物内人体的散热、散湿量随着室内人流量的增减而变化。由于人的流动性，使得一些大中型建筑物公共场所人流量大且人流量变化也大。人流量的变化会造成空调负荷大幅波动，这种波动不仅随时间而变化，而且还随空调区域的不同而变化。空调负荷的变化使中央空调系统不可能总在设计负荷下运行，随着室内外负荷的变化，空调系统实际上是一个动态的负荷随变系统，具有显著的时变性（即随时间而变化）特征。三、中央空调系统的整合节能无容置疑，中央空调是一个多环节级联的复杂系统，这些环节既传递或转移着空调制冷过程中的冷量或热量，又依据热力学第二定律不停地消耗着能源。中央空调系统的能耗主要来自于各种流体输送设备，其中制冷压缩机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机等冷源设备（或称制冷设备）的能耗约占空调系统总能耗的60%。组合式空气处理机组、新风机组、风机盘管等末端设备（或称用冷设备），其能耗约占空调系统总能耗的40%。可见，无论是冷源设备还是末端设备，其能耗都不可忽视。这些耗能设备分布在制冷传热过程的各个环节，消耗着大量的能源以驱动系统中的五种不同温度的流体介质循环，使其在各自的换热器中交换热量，以保障空调制冷过程持续进行。要在保证制冷过程正常进行的同时，实现中央空调这种多环节且耗能设备分散的系统的节能，只控制其中某一个环节或部分环节的耗能设备，虽然简单易行，但显然是不够的，因为它不可能实现整个系统的优化节能运行。对于多环节的复杂系统，只有从整个系统的全局出发，将每个构成环节的运行情况都纳入到系统监测及优化控制之中，才有可能获得最佳的节能效果。中央空调制冷过程是一个系统性工程，需要从系统工程的角度出发，全面监测每个环节的实时运行信息，再应用基于系统集成技术和现代数据处理技术的集成分析方法，找出影响系统经济运行的低效率环节，并通过优化其运行参数以修正其运行状态，使其和其它环节一样也处于高效率状态下运行，从而实现全系统运行效率的匹配与协调、实现全系统综合性能的优化、实现全系统总能耗最低，这就是中央空调系统的整合节能。四、中央空调系统的动态优化中央空调系统负荷的时变性，决定了它是一个多变的动态系统。实际上，在中央空调系统运行过程中，除空调负荷具有时变性以外，为空调负荷提供冷量的制冷系统的制冷能力也会随着外部气象条件的变化而变化，但它与空调负荷的变化趋势恰恰相反。当室外气温升高时，由于冷却塔的散热效率相对降低，空调制冷系统的制冷量会减少，而此时空调负荷却增加；相反，当室外气温降低时，冷却塔的散热效率升高，空调制冷系统的制冷量增加，而空调负荷却减小。空调制冷系统的制冷能力及空调负荷与室外气温的关系如图2所示。图2空调系统制冷能力及负荷与室外气温的关系在图2中，O点的左侧区域，空调系统的制冷量大于空调负荷，阴影部分表示了冷量过剩；在O点的右侧区域，制冷量小于空调负荷，阴影部分表示了冷量不足。只有在O点上，空调系统的制冷量正好等于空调负荷，二者达到供需平衡，称为平衡点。除O点以外，空调系统都处于制冷量与负荷不平衡、不匹配的状态。可见，外部环境因素的变化，不仅影响着空调负荷，也影响着制冷系统的性能，从而影响着它们之间的平衡与协调。空调系统制冷量与空调负荷之间是否平衡，不仅关系到建筑物内部空气环境的质量，也关系到空调系统的效率与能耗。既然空调制冷系统的制冷能力与负荷都随着外界环境因素而变化，而且变化趋势还正好相反，因此，在人类对室外气象因素还无法控制的条件下，只有利用技术的手段和方法来实现空调制冷量与负荷之间的匹配，同时实现整个传热过程各个环节之间的热平衡，使全系统都处于高效节能运行，这就是中央空调系统制冷过程的动态优化。五、中央空调系统的集成优化节能控制技术中央空调系统制冷过程的关联性与时变性特点，决定了任何简单的、局部的控制技术都是难以胜任的，只有采用系统的、全局的、动态的控制技术，才可能真正实现中央空调系统运行的优化控制，因此，一种中央空调系统“集成优化”的节能控制技术和产品——“奥宇中央空调集成优化智能控制系统”（以下简称集成优化控制系统）应运而生。（1）集成优化控制系统的构成集成优化控制系统是应用现代计算机技术、系统集成技术、智能控制技术和变频调速技术等研制开发的一种大型公共建筑中央空调优化运行的智能控制设备，其核心技术是自创的中央空调运行参数的集成分析与动态优化控制算法模型（简称集成优化算法），它可以根据空调负荷及环境条件的变化，通过集成分析和动态优化，择优选择空调系统各个环节的运行参数，实现整个空调系统的优化运行和整合节能，大大提高空调系统的能源利用效率。集成优化控制系统由中央控制器（包括系统软件）、制冷机组智能控制仪、冷冻水泵智能控制柜、冷却水泵智能控制柜、冷却塔风机智能控制柜（箱）、末端设备智能控制柜（箱）、BA接口箱、运行参数采集器等组成，如图3所示。其中，中央控制器是系统的“大脑”和控制中枢，由计算机工作站、控制软件、数据库和打印机等辅助设备构成，其强大的控制软件具有对空调系统运行过程进行集中监视、集成分析和动态优化的功能。各种智能控制柜（箱）是执行中央控制器控制指令的执行机构，可以按照优化运行参数在线调节中央空调各个部分的运行状态，以保障其高效协调运行。图3中央空调集成优化智能控制系统的构成（2）集成优化控制系统的工作原理集成优化控制系统的工作原理框图如图4所示。它包括了运行参数实时监测、集成分析、动态优化和在线调节四个部分。图4中央空调集成优化节能控制技术工作原理框图◆运行参数的实时监测中央空调系统运行过程中，空调负荷的动态变化会造成空调系统逆向传热量变化，而传热量的变化将使担负热量传递与转移的各个循环和换热工况随之变化，从而造成整个制冷过程产生变化，导致全系统的运行参数发生变化，而不只是局部环节的参数变化。采用先进的信息采集技术、计算机技术和网络通讯技术，可将中央空调系统各个分离设备和各个独立循环的运行信息进行全面的实时采集，并传送到中央控制器，集成到一个相互关联的、统一的、协调的控制平台上，使信息资源得到充分共享，实现运行信息的集中、高效的处理、使用和管理。◆运行参数的集成分析运用系统工程学理念和系统集成技术，可实现中央空调全系统的运行信息综合和数据共享，使系统中原本分散的各自独立的各个环节，从物理、逻辑、功能上互联为一体，为它们之间的协调运行和系统综合性能优化创造了条件。中央控制器应用现代数据分析技术，对采集到的各个环节运行信息进行汇总、统计和综合分析，对变负荷工况下空调系统各个环节的运行状态及其效率进行评估和诊断，找出系统中运行不协调和效率低下的环节，并分析其产生的可能原因，为空调系统运行参数的综合优化提供方向。◆运行参数的动态优化中央空调系统节能控制的目的，是在满足空调效果和运行安全的前提下，实现中央空调系统整体性能的优化，而空调系统整体性能的优化，就是要使空调系统运行的总能耗最低，为此，需要寻找空调系统中运行不协调和效率低下环节的优化运行参数。中央控制器根据热力学第一定律，即空调系统各个环节排热与吸热相平衡的原则，