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石家庄中央空调节能方案之技术节能

    在关于中央空调节能方面,我们已经清楚的知道,它主要是包含管理节能和技术节能两个方面。昨天,小编已经详细为大家说明了在石家庄中央空调清洗时管理节能方案的内容,那么今天我们将继续来详解中央空调节能方案的另一种节能方案——技术节能。
    通过行为管理来达到节能的目的,证明是一种最简单有效的节能方式,在某种程度上可以达到一定的节能效果,但是管理节能的方式也有一定的局限性,因为它不能从根本上解决中央空调所存在的巨大能源浪费问题。
    一般来说,中央空调系统的设计通常按建筑物所在地的极端气候条件来计算其最大冷负荷(或最大热负荷),并由此确定空调主机的装机容量及空调水系统的供水流量。然而,实际上每年只有极短时间出现最大冷负荷(或最大热负荷)的情况。因此,中央空调系统在绝大部分时间里,都是在部分负荷(远小于其额定容量)条件下运行。据统计,实际空调负荷平均只有设备能力的50%左右,因而出现了“大马拉小车”的现象,这无疑造成了大量的能源白白浪费。
    另一方面,空调负荷又具有变动性。由于受季节交替、气候变幻、昼夜轮回、使用变化及人流量增减等各种因素变化的影响,中央空调系统的负荷具有起伏变化和不恒定的特点。如果中央空调的运行方式不能根据负荷的变化而调节,始终在额定容量(即满负荷状态)下运行,势必造成巨大的能源浪费。
    随着科技的发展,不少空调主机已能够根据负荷变化自动随之减载或加载,但输送空调水(冷冻水和冷却水)的水泵如果不能跟随负荷的变化做出相应的调节,始终在额定功率下运行,仍然会造成输送能量的很大浪费。
    目前,国内的中央空调系统,由于没有先进的技术手段支持,基本上都采用传统的定流量控制方式,即空调冷冻(温)水流量、冷却水流量和冷却风风量都是恒定的。也就是说,只要启动空调主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机都在工频状态下运行。
    定流量控制方式的特征是系统的循环水量保持定值不变,当负荷变化时,通过改变供水或回水温度来匹配,定流量供水方式的优点是系统简单,不需要复杂的控制设备。但这种控制方式存在以下问题:
    (1) 无论末端负荷大小如何变化,空调系统均在设计的额定状态下运行,系统能耗始终处于设计的最大值,能源浪费很大。
    (2) 舒适型空调系统是一个多参量、非线性、时变性的复杂系统,由于末端负荷的频繁波动,必然造成系统循环溶液(载冷剂、冷却剂、制冷剂溶液)的运行参量偏离空调主机的最佳工作状态,导致主机热转换效率(cop值)降低,系统长期在低效率状态下运行,也会增加系统的能源消耗。
为了解决中央空调的能源浪费问题,社会各界都已开始研究中央空调系统的节能途径,希望通过先进的技术手段来实现节能。目前主要的节能控制思想主要有以下几种:
    1、水泵变频节电。直接在水泵电机前加装变频器通过人工调整频率,去除水泵余量而节能。
    2、简单PID变频控制。利用压差或温差作为控制参量,采用PID(比例、积分、微分)算法控制变频器工作频率,使水泵流量跟随负荷变化,从而达到水泵节能的目标。
    (1)恒压差控制
    在冷冻水系统供、回水总管间设置水力压差传感器,通过检测压差△P控制变频器,为水泵提供变速调节。
    其控制原理是以保持冷冻水供、回水压差的恒定为依据,来调节用户侧冷冻水的供水流量,从而达到节能的目的,其控制过程如下:
    当空调实际负荷减少时,随着末端众多二通阀的关闭,冷冻水供、回水压差会增大(偏离了设定值),压差传感器检测出压差的变化后,将信息传送到变频器,变频器的输出频率随之降低。是冷冻水泵电机转速降低,供水流量减少,使冷冻水供、回水压差减少并回到设定值,系统用户侧进入低流量状态。由于水泵电机转速降低,从而达到节约电能的目的。
    反之,当空调实际负荷增加时,随着末端众多二通阀开启,冷冻水供、回水压差会变小(偏离了设定值),压差传感器检测出压差的变化后,将信息传送到变频器,变频器的输出频率随之升高,使冷冻水泵电机转速提高,高水流量增加,是冷冻水供、回水压差增大并重新趋于设定值,系统用户侧进入新的流量运行状态。
    (2)恒温差控制
    在水系统供、回水总管上分别设置温度传感器T出和T入,通过PLC检测供、回水温差△T的变化来控制变频器,为水泵提供变速调节。
    其控制原理是以保持供、回水温差的恒定为依据,来调节用户侧水系统的供水流量,从而达到节能的目的。其控制过程如下:
    采用恒温差对空调系统的水泵电机进行控制,它根据需要设定水系统的正常工作温差,并给出最高和最低的运行水温差,在此范围内,可人工调节所需的运行温差。
    当空调实际负荷减少时,随着末端众多二通阀的关闭,水系统供、回水温差会变小(偏离了设定值),PLC检测出温差的变化后,经比例积分微分(PID)运算并控制变频器的输出频率随之降低,使水泵电机转速降低,供水流量减少,使供、回水温差增大并回到设定值,系统用户侧进入低流量运行状态,由于水泵电机转速的降低,从而达到节约电能的目的。
    反之,当空调实际负荷增加时,随着末端众多二通阀的开启,水系统供、回水温差会增大(偏离了设定值),PLC检测出温差的变化后,经PID运算并控制变频器的输出频率随之升高,使水泵电机转速提高,供水流量加大,使供、回水温差减小并重新趋于设定值,系统用户侧进入新的流量运行状态。
    以上所述的恒压差和恒温差控制方式都是依据单参量数据采集对系统进行比例、积分、微分(PID)控制。PID历史悠久、原理简单、使用方便、投资较低,在工业控制领域获得了极好的应用,具有较好的控制效果。但中央空调系统是一个十分复杂的系统,这种以压差或温差作为控制效果参量的PID调节,在中央空调控制中存在较大的局限性,主要在于:
    没有全面采集空调系统的运行参数,也没有对空调系统各个环节进行全面控制,系统设计是有局限性的、不完整的,不可能实现系统综合优化与最佳节能。
    比例积分微分(PID)控制中最重要的工程参数比例系统K、积分时间常数TI和微分时间常数TD,一旦选定后,如果人不去调节,它是不定不变的,不可能跟随受控参量的变化而自动调整。也就是说,工程参数整定之后,就用同一种参数去对付各种不同的运行工况。实际上,中央空调系统是一个时变性的动态系统,其运行工况受季节变化、气候条件、环境温度、人流量等诸多种因素的综合影响,是随时变化的,且始终处于波动之中。因此,静态参数的PID控制方法不可能达到最佳的控制效果。
    PID工程参数的整定在很大程度上依赖于精确的数学模型,而中央空调系统是一个多变量的、复杂的、时变的系统,其过程要素之间存在着严重的非线性,大滞后及强耦合关系,一般难以获得精确的数学模型。对这样的系统,传统的PID控制很难实现较好的控制效果。实践证明,恒压差或恒温差的单参量控制,很容易引起水系统参量振荡,长时间都不能到达设定值的稳定状态,即影响了系统的稳定性,又降低了空调效果的舒适性。
由于中央空调系统的被控对象是空调区域内各个房间的温度场,它与空调系统进行热交换的工况相当复杂,制约因素太多。中央空调系统是一个时滞、时变、非线性、多参量且参量之间耦合很强的复杂系统。其复杂性表现为:
    结构的高度复杂性;
    环境和符合特性的高度不确定性,导致控制参数不易在线调节;
    大时滞,多个惯性环节;
    大惰性;
    高度非线性;
    多变量,时变性,复杂的信息结构。
    这些都是难以用精确的数学模型或方法来描述,因此,基于精确模型的传统控制难以解决这种复杂系统的控制。
    3、智能模糊控制方式
    对于中央空调这种复杂系统,很难用精确的数学模型进行描述,或者所得数学模型不是过于复杂就是较为粗糙,以精确性为主要特点的经典数学,对于这类控制问题往往难以奏效。
    如果把人(操作人员、管理人员或专家)的操作经验、知识和技巧归纳成一系列的规则,存放在计算机中,使控制器模仿人的操作策略,就可以实现中央空调系统的人工智能模糊控制。其控制的基本思想就是按照中央空调主机所要求的最佳运行参数去控制中央空调系统的运行,根据系统的运行工况及制冷工质参数的变化,通过模糊控制器动态调整空调系统运行参数,确保空调主机施工处于优化的最佳工作点上,使主机始终保持具有高的热转换效率,有效地解决了传统中央空调系统在低负荷状态下热转换效率下降的难题,提高了系统的能源利用率。
    中央空调系统是一个较复杂的系统工程,要实现中央空调系统的最佳运行和节能,从局部去解决问题(如采用通用变频器PID控制)是不可能办到的,必须针对空调系统的各个环节(包括主机、冷冻水系统、冷却水系统等)统一考虑,全面控制,使整个系统协调运行,才能实现最佳综合节能。
    (1)冷冻水系统蚕蛹最佳输出能量控制
    当环境温度,空调末端负荷发生变化时,各路冷冻水供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化,流量计、压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至模糊控制器,模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据,实时计算出末端空调负荷所需的制冷量,以及各路冷冻水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值,并以此调节各变频器输出频率,控制冷冻水泵的转速,改变其流量使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量运行在模糊控制器给出的最优值。
    (2)冷却水系统采用系统效率最佳控制
    当环境温度,空调末端负荷发生变化时,中央空调主机的负荷率将随之变化,主机的效率也随之变化。
    由于主机效率与冷却水入口温度有关,冷却水入口温度降低,有利于提高主机效率,降低主机能耗。但冷却水温度降低,将导致冷却水泵和冷却塔的能耗升高。因此,只有将主机能耗、冷却水泵能耗、冷却塔风机能耗三者统一考虑,才能找到一个系统最佳效率点,是整个制冷系统能效比最高。要达到系统效率最佳控制,冷却水入口温度应随室外气温变化进行动态调节。
    (3)系统控制原理图
    当中央空调系统负荷变化造成空调主机及其水系统偏离最佳工况时,模糊控制器根据数据采集得到各种运行参数值,如系统供回水温度等,经推理运算后输出优化的控制参数值,对系统运行参数进行动态调整,,确保主机在任何负荷条件下,都有一个优化的运行环境,始终处于最佳运行工况,从而保持效率(cop)最高,能耗最低,实现主机节能10%~30%,水泵系统节能60%以上,事实证明只能模糊控制方式是在空调控制领域最为先进的节能控制策略,该方式可以达到很好的节能效益和社会效益。

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