不斷擴(kuò)增的建筑規(guī)模與建筑數(shù)量，促使人們將更多的中央空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用到建筑項(xiàng)目中，當(dāng)前絕大多數(shù)應(yīng)用在建筑項(xiàng)目中的中央空調(diào)系統(tǒng)均是參照最大負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而該系統(tǒng)在滿負(fù)荷的狀態(tài)下實(shí)際運(yùn)行的頻數(shù)時(shí)間非常小，顯然兩者間存在矛盾?；诖?，文章從中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)常見(jiàn)的控制方式方面內(nèi)容進(jìn)行研究與

分析。

研究現(xiàn)狀

圍繞中央空調(diào)系統(tǒng)所涉及到的節(jié)能與優(yōu)化等問(wèn)題，實(shí)質(zhì)上指的是在中央空調(diào)系統(tǒng)滿足足夠的人體舒適度和建筑負(fù)荷等要求下找尋到的最佳工程參數(shù)，并以此實(shí)現(xiàn)總體最低能耗目標(biāo)。由于中央空調(diào)系統(tǒng)有關(guān)的優(yōu)化控制技術(shù)實(shí)際上興起的時(shí)間并不長(zhǎng)，因而其發(fā)展水平相對(duì)有限，歸納起來(lái)可以分成三個(gè)方面進(jìn)行闡述。第一，選擇中央空調(diào)系統(tǒng)的基本模型，可供選擇的模型主要有兩種，一種是精確模型（基于部件的物理特性），一種是預(yù)測(cè)模型（基于人工智能技術(shù)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)或者系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)）。前一種模型存在著較大的參數(shù)辨識(shí)難度，因而在系統(tǒng)具體的優(yōu)化控制環(huán)節(jié)不適用；后一種模型在應(yīng)用過(guò)程中雖然有著非常強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)性，但是從了解到的情況來(lái)看，在具體的應(yīng)用環(huán)節(jié)只有全面監(jiān)控運(yùn)行環(huán)境，獲取足夠多的運(yùn)行參數(shù)才得以確保模型運(yùn)行可靠性。第二，識(shí)別模型參數(shù)，若系統(tǒng)設(shè)備本身涉及到的運(yùn)行參數(shù)十分穩(wěn)定，便允許在傳統(tǒng)離線實(shí)測(cè)回歸手段的利用下是運(yùn)行模型參數(shù)。但需注意的是運(yùn)行參數(shù)會(huì)不斷進(jìn)行調(diào)整與改變，因而要求實(shí)時(shí)進(jìn)行在線識(shí)別與周期性采樣，可以這樣認(rèn)為最終模型的運(yùn)營(yíng)可靠性實(shí)際上由模型控制優(yōu)化的精度來(lái)決定。第三，優(yōu)化算法的應(yīng)用，諸如：最小二乘法、最速下降法以及罰函數(shù)法等，一般按照系統(tǒng)模型的具體特性選擇不同類(lèi)型的優(yōu)化算法，近些年來(lái)，科技化水平明顯提升，人工智能技術(shù)也受到推動(dòng)，無(wú)論是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，還是遺傳算法均被廣泛應(yīng)用著。

建立模型和參數(shù)識(shí)別

工程概況

此次工程項(xiàng)目A，總建筑面積近40 000m2，建筑層數(shù)為9層，其中地下1層，地上8層，層高5.4m，其中地上1到7層用作高檔商場(chǎng)，8層用作餐廳，地下1層則為儲(chǔ)物庫(kù)房和空調(diào)系統(tǒng)制冷源機(jī)。據(jù)了解A夏季設(shè)計(jì)的冷負(fù)荷實(shí)際為5 274kW，共計(jì)選擇3臺(tái)離心冷水機(jī)用作夏季冷源，此外單獨(dú)設(shè)置有3臺(tái)冷卻塔、4臺(tái)冷凍式水泵以及4臺(tái)冷卻水泵。A建筑共計(jì)安裝組合式空調(diào)機(jī)組24臺(tái)，平均分配每一個(gè)樓層為3臺(tái)（如表1所示）。

表1 中央空調(diào)系統(tǒng)常用設(shè)備參數(shù)圖表

建立冷水機(jī)組負(fù)荷模型

冷水機(jī)組的能效模型。通常應(yīng)用最多的能效模型有四種，分別是多變量項(xiàng)回歸類(lèi)模型、簡(jiǎn)單線性化回歸類(lèi)模型、簡(jiǎn)化類(lèi)多變量多項(xiàng)回歸模型以及雙二次回歸模型。

冷水機(jī)組的能耗模型。無(wú)論是機(jī)組負(fù)荷、冷水機(jī)組能耗，還是蒸發(fā)溫度與冷凝溫度均會(huì)影響到冷水機(jī)組能耗。但是，最主要的一個(gè)影響因素還是冷卻水進(jìn)水的溫度，需注意的是冷凍水供水溫度同蒸發(fā)溫度間關(guān)聯(lián)密切（如圖1所示）。

建立變頻水泵的性能模型

就整個(gè)的中央空調(diào)系統(tǒng)來(lái)講，除了冷水機(jī)組外，水泵是第二大外耗能設(shè)備，據(jù)了解其總能耗占據(jù)總耗電量的30%，通過(guò)變頻技術(shù)的應(yīng)用，能夠盡可能地降低水泵運(yùn)行功耗。而下文將通過(guò)水泵變頻調(diào)速的形式建立能耗模型，以此對(duì)變頻水泵的節(jié)能特性進(jìn)行分析。

首先，針對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)有關(guān)的管網(wǎng)特性曲線，需明白空調(diào)冷卻水系統(tǒng)及冷凍水系統(tǒng)間的關(guān)系，它們統(tǒng)統(tǒng)屬于無(wú)背壓式系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的流速平方同總阻力間成正比，當(dāng)Q=Av時(shí)，那么H=SQ2。

從上式中可以看出，H可以看成是系統(tǒng)總阻力，mH20，Q是系統(tǒng)總流量，m3/h；S是管網(wǎng)阻抗，mH2o（m3/h）2。水泵相似定律具體表達(dá)如下：

從上式中便可以看出，當(dāng)Q是流量，單位為，m3/h；當(dāng)H是揚(yáng)程，單位為m；當(dāng)N是軸功率，單位為kW；當(dāng)n是轉(zhuǎn)速，單位為r/min。在水泵原有的相似定律得到滿足的情況下，應(yīng)將定律相似點(diǎn)找出來(lái)，等同于水泵效率，如此便得出水泵等效率間的曲線如下：

上式中，a0是系數(shù)。

針對(duì)水泵性能曲線，水泵揚(yáng)程H與流量Q間的關(guān)系近似一條二次曲線，即：

從上式中可以看出，a1、b1與c1均屬于曲線擬合系數(shù)；當(dāng)n臺(tái)效率相同的水泵以并聯(lián)的方式運(yùn)行時(shí)，按照水泵并聯(lián)運(yùn)行環(huán)節(jié)各個(gè)泵間流量相加，揚(yáng)程不變的計(jì)算原則，得出當(dāng)n臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，H-Q的性能曲線如下：

按照相似定律，當(dāng)水泵變速之后H-Q性能曲線是：

從上式中可以看出，K是變速比。當(dāng)水泵效率能夠看成近似流量Q的三次函數(shù)，即：

從上式中可以看出，Q是水泵流量，m3/h；a2、b2、c2以及d2均是曲線擬合系數(shù)（如圖2所示）。

從圖2中能夠看出，所建立起的變頻水泵能耗精確的數(shù)學(xué)模型，在仿真研究方面意義重大，把水泵能耗逐步轉(zhuǎn)化成現(xiàn)有的流量單值函數(shù)，緊接著各個(gè)點(diǎn)涉及到的功率便會(huì)擬合成二次多項(xiàng)式流量換算方式，如此便得出冷凍水泵及冷卻水泵之間的流量能耗模型，即：

從上式中可以看出，G是第i臺(tái)冷凍水泵流量，m3/h；b0i、b1i、b2i均是冷凍水泵模型系數(shù)；而G是第i臺(tái)冷卻水泵流量，m3/h，而c0i、c1i和c2i是冷卻水泵的模型系數(shù)。

節(jié)能系統(tǒng)控制方式

中央空調(diào)作為一個(gè)系統(tǒng)性工程，本身結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且各個(gè)部件即相互制約，又相互聯(lián)系，要想逐步對(duì)中央空調(diào)內(nèi)部的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及整個(gè)的運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，出了對(duì)各個(gè)系統(tǒng)與部件的節(jié)能特性進(jìn)行考慮外，還應(yīng)當(dāng)協(xié)調(diào)好各個(gè)設(shè)備與系統(tǒng)間的聯(lián)系關(guān)系，防止發(fā)生能耗過(guò)度消耗等問(wèn)題。此外，還應(yīng)當(dāng)全面考慮系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行方式。

目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建

從優(yōu)化目標(biāo)上進(jìn)行分析，優(yōu)化的最終目標(biāo)實(shí)際上是為了實(shí)現(xiàn)最小化的系統(tǒng)總體運(yùn)行能量消耗，但從現(xiàn)場(chǎng)了解到的情況看，中央空調(diào)系統(tǒng)大多數(shù)的能耗都來(lái)源于末端組合式空調(diào)機(jī)組能耗、冷卻機(jī)組能耗、冷卻塔風(fēng)機(jī)能耗、冷凍水泵能耗以及冷卻水泵能耗鞥。按照相關(guān)能耗數(shù)學(xué)模型的指示，得出的中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)如下：

從上式中可以看出，P是系統(tǒng)運(yùn)行總能耗，kWh；PWRch（t）是第i臺(tái)冷卻水泵處于t時(shí)的功率，kW；Peh（t）是第i臺(tái)冷凍水泵處于t時(shí)刻的功率，kN；Pch（t）是第i臺(tái)冷卻水泵處于t時(shí)刻的功率，kW；PWRj（t）是第i臺(tái)冷卻塔式風(fēng)機(jī)處在t時(shí)刻之時(shí)所涉及到的運(yùn)行功率，N則是各個(gè)設(shè)備臺(tái)數(shù)，T則是系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間，h。

獨(dú)立變量的確定

正是因?yàn)樗婕暗降闹醒肟照{(diào)實(shí)際運(yùn)行數(shù)學(xué)方程式了解到的方程階次較高，此外又涉及到很多變量，這意味著最優(yōu)化的運(yùn)行方式短時(shí)間內(nèi)無(wú)法找尋出來(lái)。基于此，文章從中央空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)部件的能耗模型出發(fā)，選擇剔除了一些變量方式，隨后又適當(dāng)簡(jiǎn)化了模型，即所獲得的中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化的模型在運(yùn)行中涉及到的變量能夠分成兩類(lèi)，一類(lèi)是操縱變量，一類(lèi)是擾動(dòng)變量。其中，操縱變量指代的是系統(tǒng)之中那些獨(dú)立存在著的控制變量，操縱變量實(shí)質(zhì)上指的是系統(tǒng)中能夠獨(dú)立控制的變量，擾動(dòng)變量則指的是難以控制的變量。從中央空調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)部件間表露出的特性進(jìn)行分析，出了全方位對(duì)各個(gè)變量間涉及到的耦合關(guān)系進(jìn)行考慮外，還需要單獨(dú)設(shè)置系統(tǒng)優(yōu)化方式以將效果最好的一種控制變量的方式確定出來(lái)。

其中，操縱變量涵蓋了冷凍水供水溫度、冷卻水進(jìn)水溫度、冷卻水流量、冷卻塔風(fēng)量、空調(diào)機(jī)組風(fēng)量等。需注意的是，冷卻水流量同冷凍水流量需要利用到變頻輸泵來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)際流量，空調(diào)機(jī)組風(fēng)量與冷卻塔風(fēng)量能夠在變頻風(fēng)機(jī)的利用下進(jìn)行調(diào)節(jié)。而調(diào)節(jié)冷水機(jī)組則需要利用自帶控制系統(tǒng)進(jìn)行。因?yàn)橹挥羞@樣才得以確保最終達(dá)到的制冷量與系統(tǒng)負(fù)荷要求相符。

約束條件的確定

模型優(yōu)化環(huán)節(jié)所涉及到的各種約束條件，大體能夠分成兩種，一種是部件之間存在的相互約束以及部件的物理約束這兩種。其中，其中前者的反應(yīng)源自各個(gè)部件間傳熱傳質(zhì)的約束，而這些約束正好全部反映在建立起的中央空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)階段應(yīng)用的優(yōu)化模型之中。

首先，針對(duì)部件之間的相互約束關(guān)系，除了對(duì)中央空調(diào)各系統(tǒng)間存在的約束關(guān)系，應(yīng)選擇目標(biāo)函數(shù)求解的優(yōu)化方式，由于中央空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)部件間存在的熱質(zhì)交換關(guān)系非常復(fù)雜，因而結(jié)合其應(yīng)用特性進(jìn)行了簡(jiǎn)化，但考慮到各個(gè)部件之間存在的約束關(guān)系（如圖3所示）。

優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)

當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷高于60%，則需要應(yīng)用到兩臺(tái)制冷量相同的冷水機(jī)采取并聯(lián)運(yùn)行的方式，如此獲得的負(fù)荷分配率最高。在整個(gè)的流量運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，通過(guò)溫差控制H臺(tái)水泵同步運(yùn)行的方式，確保變頻與調(diào)速均在同一時(shí)段內(nèi)，才能達(dá)到最好的冷卻塔運(yùn)行效率。由此便可知，圍繞中央空調(diào)運(yùn)行系統(tǒng)額研究，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷占據(jù)總裝機(jī)容量60%之時(shí)，最佳的節(jié)能運(yùn)行方式是“冷卻水水泵+冷卻機(jī)組+冷卻塔+冷凍水泵”這一方式。特別注意在夏季時(shí)節(jié)，在具體的制冷環(huán)節(jié)除了設(shè)備剛剛開(kāi)啟那段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行負(fù)荷較高外，其余大部分運(yùn)行狀態(tài)內(nèi)所涉及到的負(fù)荷參數(shù)均大于60%，這便要求在實(shí)際的計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)分層計(jì)算，即采取一機(jī)——一塔的運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化原則進(jìn)行計(jì)算。

仿真研究

首先，冷卻機(jī)組有關(guān)的仿真模塊的構(gòu)建，從冷水機(jī)組能耗相關(guān)的數(shù)學(xué)模型中可以看出，會(huì)對(duì)冷水機(jī)組的能耗造成影響的因素主要來(lái)自3個(gè)方面，分別是冷卻水進(jìn)水的溫度、實(shí)時(shí)冷負(fù)荷以及冷凍水供水的溫度等。通過(guò)此便能夠初步建立起冷水機(jī)組相關(guān)的仿真模塊（如圖4所示）。

結(jié)論

綜上所述，文章通過(guò)對(duì)中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，初步探討出優(yōu)化控制策略以及優(yōu)化運(yùn)行模式，在理論和實(shí)踐應(yīng)用的結(jié)合下，得知當(dāng)遭受時(shí)間以及室外氣象條件的限制，一時(shí)間無(wú)法獲取中央空調(diào)運(yùn)行系統(tǒng)所涉及到的季節(jié)供冷運(yùn)行參數(shù)時(shí)，便無(wú)法建立起最優(yōu)化的空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)。針對(duì)此情況，在后面的研究中需要加大對(duì)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的采集力度，提高模型的準(zhǔn)確性。時(shí)代還在發(fā)展，技術(shù)水平還有很大的提升空間，就當(dāng)前涉及到的中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的控制方式來(lái)講，最優(yōu)化方式還在研究當(dāng)中，相信不久的將來(lái)必然會(huì)實(shí)現(xiàn)。

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（作者簡(jiǎn)介：劉保軍，蘭州萬(wàn)橋智能科技有限責(zé)任

公司。）