上海泰豪智能節(jié)能技術(shù)有限公司 張紀(jì)文

1 概述

中央空調(diào)系統(tǒng)的建設(shè)(設(shè)備的投入、電網(wǎng)的設(shè)計(jì)等)都是按照最大負(fù)荷來設(shè)計(jì)的，因此中央空調(diào)大部分時(shí)問都處于部分負(fù)荷狀態(tài)下，在實(shí)際運(yùn)行中，中央空調(diào)負(fù)荷減少時(shí)并沒有減少多少消耗的能量，顯然這是不合理的。隨著技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了變頻器的小型化和實(shí)用化，為了降低中央空調(diào)系統(tǒng)的能源浪費(fèi)，人們開始采用變頻器來控制空調(diào)系統(tǒng)的水泵和風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。

傳統(tǒng)的中央空調(diào)控制方法通過采集水循環(huán)系統(tǒng)的壓差和溫度，采用可編程序控制器（PLC），對(duì)水泵進(jìn)行PI（比例、積分）調(diào)節(jié)控制或者PID（比例、微分、積分）調(diào)節(jié)控制，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。PLC能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的邏輯功能，最常見的節(jié)能控制方法有恒溫差控制和恒壓差控制，PLC控制方法可以達(dá)到一定的節(jié)能效果，而且PID控制原理簡(jiǎn)單、使用方便，價(jià)格也比較便宜，但其也存在一些不足：PI或者PID調(diào)節(jié)器最重要調(diào)節(jié)系數(shù)Kp(比例系數(shù))、Ti（積分時(shí)間常數(shù)）、Td（微分時(shí)間常數(shù)）只能是一個(gè)固定值，通常是在設(shè)備調(diào)試階段，由經(jīng)驗(yàn)豐富的調(diào)試人員手工整定的，數(shù)據(jù)一旦整定后，它就固定不變，不能隨著受控環(huán)境的變化而自動(dòng)調(diào)整。而實(shí)際上，中央空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其運(yùn)行工況是和氣候條件、建筑物材料、建筑內(nèi)人流量等多種因素密不可分的，是隨時(shí)變化的，因此，靜態(tài)參數(shù)的控制方法并不適合于中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制。此外，PLC只能實(shí)現(xiàn)單參量的簡(jiǎn)單控制功能，當(dāng)用于控制中央空調(diào)系統(tǒng)這樣多參量、非線性時(shí)變高耦合復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，容易引起系統(tǒng)震蕩，使得控制溫度在較大范圍內(nèi)變化，既影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、又降低了空調(diào)系統(tǒng)的舒適性。

針對(duì)PID控制方法的不足，有些廠家提出了一些基于人工智能技術(shù)的控制方法，其中比較有代表性的是中央空調(diào)節(jié)能模糊控制方法。該控制方法主要是模擬人類的思維模式，當(dāng)一個(gè)熟練的操作工人，遇到工況變化的情況，經(jīng)過自身大腦的思維判斷，給出控制量來控制系統(tǒng)。例如當(dāng)工人發(fā)現(xiàn)冷凍水供回水溫差小于某個(gè)設(shè)定值（系統(tǒng)負(fù)荷降低），可以選擇降低冷凍泵的控制頻率，達(dá)到節(jié)能的效果。而當(dāng)冷凍水供回水溫差大于某個(gè)設(shè)定值（系統(tǒng)負(fù)荷增加），則必須增加冷凍泵的控制頻率，保證空調(diào)系統(tǒng)制冷效果。

中央空調(diào)節(jié)能模糊控制方法主要是模擬人類的思維模式來對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制，包括了溫差偏差變量模糊化、溫差偏差變化率模糊化、模糊推理、模糊量清晰化處理和清晰量輸出等幾個(gè)主要過程。和傳統(tǒng)PID方法相比，更加符合中央空調(diào)的復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性和模糊性，能夠?qū)崿F(xiàn)比PID更加精準(zhǔn)的控制效果，實(shí)現(xiàn)更大的節(jié)能效果。但是它也同樣存在著一些不足：首先模糊控制方法是根據(jù)專家的豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和思維過程構(gòu)建的模糊規(guī)則，然后依此規(guī)則作為控制的基礎(chǔ)，因此規(guī)則庫制定方法對(duì)控制效率有著決定性作用，但是規(guī)則庫的建立需要依賴大量的實(shí)踐數(shù)據(jù)，從大量的應(yīng)用環(huán)境中收集最有效的控制規(guī)則，然而如何評(píng)價(jià)采用的規(guī)則是最有效的，現(xiàn)在并沒有定論。其次，規(guī)則庫考慮的是大多數(shù)應(yīng)用的普遍性，而每個(gè)具體應(yīng)用的工況也是有所區(qū)別，因此并不能達(dá)到最優(yōu)化的控制。再次，也是最重要一點(diǎn)，采用模糊控制方法主要只是針對(duì)了中央空調(diào)系統(tǒng)中的水泵系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制，而水泵變頻對(duì)制冷主機(jī)效率和冷卻塔效率的影響并沒有考慮，例如冷卻水泵降低頻率可以節(jié)省水泵電量，但是主機(jī)的耗電量有可能會(huì)上升，因此這種方法并不能體現(xiàn)系統(tǒng)整體節(jié)能的最優(yōu)化控制。

綜上所述，通過檢測(cè)和控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑物中合理耗能，按照需求供給能量，則就能夠?qū)崿F(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。當(dāng)前的中央空調(diào)節(jié)能控制策略主要針對(duì)系統(tǒng)中的單個(gè)設(shè)備和局部環(huán)節(jié)，事實(shí)已經(jīng)證明這種控制策略并不能很好的實(shí)現(xiàn)節(jié)能的要求。由于中央空調(diào)本身是一個(gè)熱交換過程，具有大滯后、多干擾特點(diǎn)，是一個(gè)多輸入多輸出的高度耦合系統(tǒng)，所以為了提高控制的效果，必須從整體上和以負(fù)荷為對(duì)象來考慮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

為了解決中央空調(diào)節(jié)能優(yōu)化控制問題，上海信業(yè)智能科技股份有限公司和清華大學(xué)自控系聯(lián)合開發(fā)了ECS（Energy-SavingCommisioning System）中央空調(diào)調(diào)適系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過全面的參數(shù)采集，實(shí)時(shí)監(jiān)控中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，將冷凍站系統(tǒng)中各電氣設(shè)備耗能情況實(shí)時(shí)計(jì)量分析，建立運(yùn)行專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，對(duì)冷凍站設(shè)備的能耗模型進(jìn)行辨識(shí)。冷凍水采用動(dòng)態(tài)規(guī)則模糊控制算法，根據(jù)運(yùn)行狀況在線更新規(guī)則庫；冷卻水采用啟發(fā)式搜索算法對(duì)系統(tǒng)總能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，在保證制冷量的前提下使系統(tǒng)的總能耗最低。

2 ECS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，ECS中央空調(diào)調(diào)適系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集柜、冷凍水泵控制柜、冷卻水泵控制柜、冷卻塔控制柜和電腦主控制柜組成?？刂乒裰g采用數(shù)字線路連接，可進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。各個(gè)控制柜實(shí)現(xiàn)的功能如下：

2.1 數(shù)據(jù)采集柜

數(shù)據(jù)采集柜主要功能是實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)，包括制冷主機(jī)進(jìn)出口溫度、冷凍水流量、冷卻水流量、冷凍供回水壓差、室外溫度和室外濕度等參數(shù)。數(shù)據(jù)采集柜將現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息，采用標(biāo)準(zhǔn)的格式規(guī)范傳輸?shù)诫娔X主控制柜。除此之外，數(shù)據(jù)采集柜還負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制冷主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)對(duì)制冷主機(jī)的實(shí)時(shí)能耗進(jìn)行計(jì)量，包括運(yùn)行電流、運(yùn)行電壓和實(shí)時(shí)功率，主機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)也必須實(shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X主控制柜。

2.2 冷凍水泵控制柜

冷凍水泵控制柜主要功能包括水泵控制模式切換（遠(yuǎn)程就地）、冷凍水泵啟?？刂?、冷凍水泵變頻控制、冷凍水泵運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)（啟停狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)）和冷凍水泵的能耗計(jì)量。冷凍水泵運(yùn)行狀態(tài)和能耗計(jì)量數(shù)據(jù)按照一定的格式規(guī)范實(shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X主控制柜。在遠(yuǎn)程模式下，冷凍水泵控制柜還必須實(shí)時(shí)接收電腦主控制柜發(fā)來的啟停命令和變頻控制命令來對(duì)冷凍水泵進(jìn)行控制。

2.3 冷卻水泵控制柜

冷卻水泵控制柜主要功能包括水泵控制模式切換（遠(yuǎn)程就地）、冷卻水泵啟停控制、冷卻水泵變頻控制、冷卻水泵運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)（啟停狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)）和冷卻水泵的能耗計(jì)量。冷卻水泵運(yùn)行狀態(tài)和能耗計(jì)量數(shù)據(jù)按照一定的格式規(guī)范實(shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X主控制柜。在遠(yuǎn)程模式下，冷卻水泵控制柜還必須實(shí)時(shí)接收電腦主控制柜發(fā)來的啟停命令和變頻控制命令來對(duì)冷卻水泵進(jìn)行控制。

2.4 冷卻塔控制柜

冷卻塔控制柜主要功能包括冷卻塔控制模式切換（遠(yuǎn)程就地）、冷卻塔啟?？刂?、冷卻塔變頻控制、冷卻塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)（啟停狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)）和冷卻塔的能耗計(jì)量。冷卻塔運(yùn)行狀態(tài)和能耗計(jì)量數(shù)據(jù)按照一定的格式規(guī)范實(shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X主控制柜。在遠(yuǎn)程模式下，冷卻塔控制柜還必須實(shí)時(shí)接收電腦主控制柜發(fā)來的啟停命令和變頻控制命令來對(duì)冷卻塔進(jìn)行控制。

2.5 電腦主控制柜

電腦主控制柜是ECS系統(tǒng)中最重要的控制柜，它的主要功能包括從其它控制柜收集系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析后建立運(yùn)行專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，控制主機(jī)采用數(shù)據(jù)回歸技術(shù)結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的運(yùn)行數(shù)據(jù)完成機(jī)電設(shè)備運(yùn)行模型參數(shù)的辨識(shí)，最后用系統(tǒng)的總能耗數(shù)據(jù)作為啟發(fā)式搜索算法的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，找到最優(yōu)的控制頻率并傳輸給對(duì)應(yīng)的設(shè)備控制柜。除此之外，電腦主控制柜還包括了完整的系統(tǒng)人機(jī)界面，方便用戶操作ECS中央空調(diào)調(diào)適系統(tǒng)。

3 ECS全局能耗最優(yōu)控制方法

ECS的控制方法首先是通過對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析完成系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行模型參數(shù)的辨識(shí)，然后用系統(tǒng)的總能耗數(shù)據(jù)作為啟發(fā)式搜索算法的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，直到找到最優(yōu)的控制頻率。

3.1 主要機(jī)電設(shè)備的能耗模型

中央空調(diào)系統(tǒng)中的主要機(jī)電設(shè)備的能耗模型如下：

1）主機(jī)的能耗函數(shù)Jzj

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和研究，主機(jī)的能耗與冷凝器及蒸發(fā)器溫度有關(guān)，現(xiàn)在認(rèn)為一段單位時(shí)間內(nèi)主機(jī)的能耗為：

在運(yùn)行階段，可以通過相關(guān)的傳感器獲得冷卻水與冷凍水的供回水溫度，通過計(jì)算可以得到某一時(shí)刻下空調(diào)主機(jī)的冷凝溫度T冷凝與蒸發(fā)溫度T蒸發(fā)，是空調(diào)主機(jī)的額定功率。另一方面，主機(jī)單位時(shí)間能耗Jzj可以通過能耗計(jì)量模塊獲得。在系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)可以得到可以得到大量輸入、輸出數(shù)據(jù)對(duì)，這樣可以根據(jù)人工智能算法進(jìn)行此函數(shù)的擬合，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的BP算法，通過BP算法還可以根據(jù)新進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線更新。

2)冷凍水泵和冷卻水泵的能耗函數(shù)Jlq

冷卻水泵單位時(shí)間內(nèi)的能耗函數(shù)為

其中PIq為冷卻水泵的頻率，二者基本上是方次的關(guān)系，即可以認(rèn)為JIq=（PIq）α。

與主機(jī)能耗函數(shù)擬合分析類似，我們可以結(jié)合各種參數(shù)優(yōu)化方法（例如最小二乘法等）對(duì)函數(shù)進(jìn)行擬合，并且在線更新，當(dāng)然直接用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可以完成擬合。

3）冷卻塔能耗函數(shù)Jlt

冷卻塔的能耗函數(shù)和水泵比較相似，單位時(shí)間內(nèi)的能耗函數(shù)為

其中PIt為冷卻水泵的頻率，二者基本上是方次的關(guān)系，即可以認(rèn)為JIt=（PIt）α。

同樣，可以結(jié)合各種參數(shù)優(yōu)化方法（例如最小二乘法等）對(duì)函數(shù)進(jìn)行擬合，并且在線更新，當(dāng)然直接用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可以完成擬合。

3.2 ECS全局能耗最優(yōu)化控制方法

根據(jù)前面的說明和描述，ECS全局能耗最優(yōu)化控制方法如下。

1)系統(tǒng)初始化

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求情況，將基本模塊分布式安裝在中央空調(diào)系統(tǒng)被監(jiān)控對(duì)象的工作現(xiàn)場(chǎng)，各個(gè)基本模塊和系統(tǒng)控制主機(jī)之間采用通訊線路連接。根據(jù)被監(jiān)控機(jī)電設(shè)備的額定值，設(shè)定相關(guān)能耗函數(shù)的初始值。

2)數(shù)據(jù)采集

環(huán)境參數(shù)采集模塊通過傳感器采集室外溫度、室外濕度、冷凍水流量、冷卻水流量、供回水壓差等數(shù)值，通過通訊線路將采集的數(shù)值實(shí)時(shí)傳回到系統(tǒng)控制主機(jī)。

3)能耗實(shí)時(shí)計(jì)量

能耗計(jì)量分析模塊實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括實(shí)時(shí)電流、實(shí)時(shí)電壓、實(shí)時(shí)功率等數(shù)值，通過通訊線路將采集的數(shù)據(jù)傳回到系統(tǒng)控制主機(jī)。

4)設(shè)備辨識(shí)

主控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集的運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)功率數(shù)據(jù)，分別根據(jù)主機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔的能耗模型函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)辨識(shí)，根據(jù)辨識(shí)數(shù)據(jù)修正這些機(jī)電設(shè)備的能耗模型函數(shù)參數(shù)。

5)數(shù)據(jù)優(yōu)化控制

通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)前的系統(tǒng)制冷量、實(shí)時(shí)總功率、COP等參數(shù)。采用啟發(fā)式搜索算法（例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法）針對(duì)系統(tǒng)整體能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)的冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔控制頻率。

6)輸出處理

能耗優(yōu)化控制模塊采用相關(guān)人工智能控制算法不斷優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，形成相應(yīng)機(jī)電設(shè)備的控制策略，通過通訊線路實(shí)時(shí)傳輸?shù)綑C(jī)電設(shè)備控制模塊，對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

4 人機(jī)界面

ECS人機(jī)界面采用實(shí)時(shí)全3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)，用戶可以非常直觀的監(jiān)視系統(tǒng)和各個(gè)機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，包括系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)能效比監(jiān)測(cè)、主機(jī)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、冷凍泵系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、冷卻泵系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和冷卻塔系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。

ECS軟件擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，用戶可查詢分析機(jī)電設(shè)備和系統(tǒng)歷史運(yùn)行情況，主要包括系統(tǒng)COP分析、主機(jī)COP分析、冷凍泵數(shù)據(jù)分析、冷卻泵數(shù)據(jù)分析、冷卻塔數(shù)據(jù)分析、冷凍水?dāng)?shù)據(jù)分析、冷卻水?dāng)?shù)據(jù)分析和綜合分析功能。

ECS人機(jī)界面還具有完備的報(bào)表功能，可實(shí)現(xiàn)每日的溫度報(bào)表、系統(tǒng)組建能耗報(bào)表和減排與節(jié)費(fèi)報(bào)表。

圖2是ECS主控軟件主界面，圖3是ECS主控軟件的COP實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面。

5 總結(jié)

通過已經(jīng)實(shí)施的中央空調(diào)節(jié)能項(xiàng)目對(duì)比，ECS全局能耗最優(yōu)控制方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）全局能耗優(yōu)化控制方法是以中央空調(diào)系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備耗能總和為優(yōu)化目標(biāo)，考慮了各個(gè)機(jī)電設(shè)備之間的能耗關(guān)系，從理論上實(shí)現(xiàn)了中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的最優(yōu)化控制，采用BP模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法，控制系統(tǒng)能不斷修正控制精度，以達(dá)到最優(yōu)化控制。

2）全局能耗優(yōu)化控制方法并沒有對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象定義精確的數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)相關(guān)的理論和研究對(duì)主機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔設(shè)備的實(shí)時(shí)能耗進(jìn)行抽象模型描述，通過運(yùn)行數(shù)據(jù)的不斷更新，系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)這些設(shè)備能耗模型的辨識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)精確的節(jié)能控制。這樣的控制策略充分考慮到了設(shè)備的運(yùn)行特性千差萬別，不能用一種固定模式去描述所有設(shè)備的運(yùn)行特性，需要根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)完成設(shè)備的辨識(shí)。

3）全局能耗優(yōu)化控制方法采用了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化控制，根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反饋輸出進(jìn)行控制，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的優(yōu)化規(guī)則主要是根據(jù)專家系統(tǒng)來進(jìn)行，既能夠滿足中央空調(diào)復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性和模糊性等特點(diǎn)，也能通過大量實(shí)踐數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)更加精確的控制。

4）相比市場(chǎng)上其它控制方法，全局能耗優(yōu)化控制方法保證了在相同制冷量的情況下，所消耗的設(shè)備能耗最低，同時(shí)它采用了完全的智能控制模型和算法，通過運(yùn)行數(shù)據(jù)不斷調(diào)整設(shè)備模型數(shù)據(jù)和控制規(guī)則，獲得最佳的控制效果。該方法在應(yīng)用過程中不需要任何人工干預(yù)，控制系統(tǒng)能夠在運(yùn)行一定時(shí)間后完全自適應(yīng)系統(tǒng)特性，具有高度的跟隨性和應(yīng)變能力。憑借這些復(fù)雜的設(shè)備辨識(shí)和能耗優(yōu)化方法，能夠有效的控制和克服中央空調(diào)的非線性、時(shí)變性等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的最優(yōu)化運(yùn)行。

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