中央空调节能系统的控制方式研究

不断扩增的建筑规模与建筑数量，促使人们将更多的中央空调系统应用到建筑项目中，当前绝大多数应用在建筑项目中的中央空调系统均是参照最大负荷进行设计的，而该系统在满负荷的状态下实际运行的频数时间非常小，显然两者间存在矛盾。基于此，文章从中央空调节能系统常见的控制方式方面内容进行研究与

分析。

研究现状

围绕中央空调系统所涉及到的节能与优化等问题，实质上指的是在中央空调系统满足足够的人体舒适度和建筑负荷等要求下找寻到的最佳工程参数，并以此实现总体最低能耗目标。由于中央空调系统有关的优化控制技术实际上兴起的时间并不长，因而其发展水平相对有限，归纳起来可以分成三个方面进行阐述。第一，选择中央空调系统的基本模型，可供选择的模型主要有两种，一种是精确模型（基于部件的物理特性），一种是预测模型（基于人工智能技术、实测数据统计或者系统参数辨识）。前一种模型存在着较大的参数辨识难度，因而在系统具體的优化控制环节不适用；后一种模型在应用过程中虽然有着非常强大的环境适应性，但是从了解到的情况来看，在具体的应用环节只有全面监控运行环境，获取足够多的运行参数才得以确保模型运行可靠性。第二，识别模型参数，若系统设备本身涉及到的运行参数十分稳定，便允许在传统离线实测回归手段的利用下是运行模型参数。但需注意的是运行参数会不断进行调整与改变，因而要求实时进行在线识别与周期性采样，可以这样认为最终模型的运营可靠性实际上由模型控制优化的精度来决定。第三，优化算法的应用，诸如：最小二乘法、最速下降法以及罚函数法等，一般按照系统模型的具体特性选择不同类型的优化算法，近些年来，科技化水平明显提升，人工智能技术也受到推动，无论是人工神经网络，还是遗传算法均被广泛应用着。

建立模型和参数识别

工程概况

此次工程项目A，总建筑面积近40 000m2，建筑层数为9层，其中地下1层，地上8层，层高5.4m，其中地上1到7层用作高档商场，8层用作餐厅，地下1层则为储物库房和空调系统制冷源机。据了解A夏季设计的冷负荷实际为5 274kW，共计选择3台离心冷水机用作夏季冷源，此外单独设置有3台冷却塔、4台冷冻式水泵以及4台冷却水泵。A建筑共计安装组合式空调机组24台，平均分配每一个楼层为3台（如表1所示）。

表1 中央空调系统常用设备参数图表

建立冷水机组负荷模型

冷水机组的能效模型。通常应用最多的能效模型有四种，分别是多变量项回归类模型、简单线性化回归类模型、简化类多变量多项回归模型以及双二次回归模型。

冷水机组的能耗模型。无论是机组负荷、冷水机组能耗，还是蒸发温度与冷凝温度均会影响到冷水机组能耗。但是，最主要的一个影响因素还是冷却水进水的温度，需注意的是冷冻水供水温度同蒸发温度间关联密切（如图1所示）。

建立变频水泵的性能模型

就整个的中央空调系统来讲，除了冷水机组外，水泵是第二大外耗能设备，据了解其总能耗占据总耗电量的30%，通过变频技术的应用，能够尽可能地降低水泵运行功耗。而下文将通过水泵变频调速的形式建立能耗模型，以此对变频水泵的节能特性进行分析。

首先，针对空调水系统有关的管网特性曲线，需明白空调冷却水系统及冷冻水系统间的关系，它们统统属于无背压式系统，这一系统的流速平方同总阻力间成正比，当Q=Av时，那么H=SQ2。

从上式中可以看出，H可以看成是系统总阻力，mH20，Q是系统总流量，m3/h；S是管网阻抗，mH2o（m3/h）2。水泵相似定律具体表达如下：

从上式中便可以看出，当Q是流量，单位为，m3/h；当H是扬程，单位为m；当N是轴功率，单位为kW；当n是转速，单位为r/min。在水泵原有的相似定律得到满足的情况下，应将定律相似点找出来，等同于水泵效率，如此便得出水泵等效率间的曲线如下：

上式中，a0是系数。

针对水泵性能曲线，水泵扬程H与流量Q间的关系近似一条二次曲线，即：

从上式中可以看出，a1、b1与c1均属于曲线拟合系数；当n台效率相同的水泵以并联的方式运行时，按照水泵并联运行环节各个泵间流量相加，扬程不变的计算原则，得出当n台水泵并联运行时，H-Q的性能曲线如下：

按照相似定律，当水泵变速之后H-Q性能曲线是：

从上式中可以看出，K是变速比。当水泵效率能够看成近似流量Q的三次函数，即：

从上式中可以看出，Q是水泵流量，m3/h；a2、b2、c2以及d2均是曲线拟合系数（如图2所示）。

从图2中能够看出，所建立起的变频水泵能耗精确的数学模型，在仿真研究方面意义重大，把水泵能耗逐步转化成现有的流量单值函数，紧接着各个点涉及到的功率便会拟合成二次多项式流量换算方式，如此便得出冷冻水泵及冷却水泵之间的流量能耗模型，即：

从上式中可以看出，G是第i台冷冻水泵流量，m3/h；b0i、b1i、b2i均是冷冻水泵模型系数；而G是第i台冷却水泵流量，m3/h，而c0i、c1i和c2i是冷却水泵的模型系数。

节能系统控制方式

中央空调作为一个系统性工程，本身结构非常复杂，且各个部件即相互制约，又相互联系，要想逐步对中央空调内部的系统结构以及整个的运行方式进行优化实现节能控制，出了对各个系统与部件的节能特性进行考虑外，还应当协调好各个设备与系统间的联系关系，防止发生能耗过度消耗等问题。此外，还应当全面考虑系统运行状态，实现最佳运行方式。

目标函数的构建

从优化目标上进行分析，优化的最终目标实际上是为了实现最小化的系统总体运行能量消耗，但从现场了解到的情况看，中央空调系统大多数的能耗都来源于末端组合式空调机组能耗、冷却机组能耗、冷却塔风机能耗、冷冻水泵能耗以及冷却水泵能耗鞥。按照相关能耗数学模型的指示，得出的中央空调系统优化的目标函数如下：

从上式中可以看出，P是系统运行总能耗，kWh；PWRch（t）是第i台冷却水泵处于t时的功率，kW；Peh（t）是第i台冷冻水泵处于t时刻的功率，kN；Pch（t）是第i台冷却水泵处于t时刻的功率，kW；PWRj（t）是第i台冷却塔式风机处在t时刻之时所涉及到的运行功率，N则是各个设备台数，T则是系统运行的时间，h。

独立变量的确定

正是因为所涉及到的中央空调实际运行数学方程式了解到的方程阶次较高，此外又涉及到很多变量，这意味着最优化的运行方式短时间内无法找寻出来。基于此，文章从中央空调系统各个部件的能耗模型出发，选择剔除了一些变量方式，随后又适当简化了模型，即所获得的中央空调系统优化的模型在运行中涉及到的变量能够分成两类，一类是操纵变量，一类是擾动变量。其中，操纵变量指代的是系统之中那些独立存在着的控制变量，操纵变量实质上指的是系统中能够独立控制的变量，扰动变量则指的是难以控制的变量。从中央空调系统中各个部件间表露出的特性进行分析，出了全方位对各个变量间涉及到的耦合关系进行考虑外，还需要单独设置系统优化方式以将效果最好的一种控制变量的方式确定出来。

其中，操纵变量涵盖了冷冻水供水温度、冷却水进水温度、冷却水流量、冷却塔风量、空调机组风量等。需注意的是，冷却水流量同冷冻水流量需要利用到变频输泵来调节实际流量，空调机组风量与冷却塔风量能够在变频风机的利用下进行调节。而调节冷水机组则需要利用自带控制系统进行。因为只有这样才得以确保最终达到的制冷量与系统负荷要求相符。

约束条件的确定

模型优化环节所涉及到的各种约束条件，大体能够分成两种，一种是部件之间存在的相互约束以及部件的物理约束这两种。其中，其中前者的反应源自各个部件间传热传质的约束，而这些约束正好全部反映在建立起的中央空调系统现阶段应用的优化模型之中。

首先，针对部件之间的相互约束关系，除了对中央空调各系统间存在的约束关系，应选择目标函数求解的优化方式，由于中央空调系统各个部件间存在的热质交换关系非常复杂，因而结合其应用特性进行了简化，但考虑到各个部件之间存在的约束关系（如图3所示）。

优化运行参数

当系统的运行负荷高于60%，则需要应用到两台制冷量相同的冷水机采取并联运行的方式，如此获得的负荷分配率最高。在整个的流量运行区间内，通过温差控制H台水泵同步运行的方式，确保变频与调速均在同一时段内，才能达到最好的冷却塔运行效率。由此便可知，围绕中央空调运行系统额研究，当系统负荷占据总装机容量60%之时，最佳的节能运行方式是“冷却水水泵+冷却机组+冷却塔+冷冻水泵”这一方式。特别注意在夏季时节，在具体的制冷环节除了设备刚刚开启那段时间内运行负荷较高外，其余大部分运行状态内所涉及到的负荷参数均大于60%，这便要求在实际的计算过程中，应当分层计算，即采取一机——一塔的运行参数优化原则进行计算。

仿真研究

首先，冷却机组有关的仿真模块的构建，从冷水机组能耗相关的数学模型中可以看出，会对冷水机组的能耗造成影响的因素主要来自3个方面，分别是冷却水进水的温度、实时冷负荷以及冷冻水供水的温度等。通过此便能够初步建立起冷水机组相关的仿真模块（如图4所示）。

结论

综上所述，文章通过对中央空调节能系统研究的现状进行分析，初步探讨出优化控制策略以及优化运行模式，在理论和实践应用的结合下，得知当遭受时间以及室外气象条件的限制，一时间无法获取中央空调运行系统所涉及到的季节供冷运行参数时，便无法建立起最优化的空调节能系统。针对此情况，在后面的研究中需要加大对工程实测数据的采集力度，提高模型的准确性。时代还在发展，技术水平还有很大的提升空间，就当前涉及到的中央空调节能系统的控制方式来讲，最优化方式还在研究当中，相信不久的将来必然会实现。

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（作者简介：刘保军，兰州万桥智能科技有限责任

公司。）