楊鵬飛

（1.江蘇藍(lán)林凈化安裝有限公司；2.蘇州格力美特實(shí)驗(yàn)室科技發(fā)展有限公司，江蘇 蘇州 215000）

空調(diào)是一種誕生于20 世紀(jì)西方的能夠調(diào)節(jié)溫度的重要工具。空調(diào)一般用來(lái)對(duì)室內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)解，同時(shí)還能夠調(diào)節(jié)室內(nèi)的濕度與空氣流動(dòng)速度等，現(xiàn)在多用來(lái)在日常生活中進(jìn)行對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行控制，以適宜的室內(nèi)環(huán)境提高居民的生活質(zhì)量。同時(shí)，由于其功能還常常被用來(lái)維持實(shí)驗(yàn)室的溫度，保障實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，以期得出一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，助推實(shí)驗(yàn)的成功。但在20 世紀(jì)由于空調(diào)的普及率越來(lái)越高，對(duì)于電能等能源的消耗也不斷提高，同時(shí)還由于空調(diào)技術(shù)的落后與環(huán)保的意識(shí)不足，導(dǎo)致類似氟利昂等化學(xué)物質(zhì)的濫用，對(duì)環(huán)境與能源都造成了嚴(yán)重的破壞與浪費(fèi)。相比民居，需要日夜開(kāi)啟空調(diào)以保持室內(nèi)溫度的實(shí)驗(yàn)室中的這一情況又尤為嚴(yán)重，嚴(yán)重地影響了該地的生態(tài)環(huán)境與大氣環(huán)境，使居民的居住環(huán)境不斷惡化。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和環(huán)保意識(shí)的提高，對(duì)實(shí)驗(yàn)室空調(diào)的節(jié)能需求與日俱增，本文就主要討論了實(shí)驗(yàn)室空調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)分析及應(yīng)用。

1 自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用的重要性

實(shí)驗(yàn)室因?yàn)榄h(huán)境的特殊需要長(zhǎng)時(shí)間、恒定地保持同一個(gè)環(huán)境溫度、濕度或空氣流動(dòng)速度，就實(shí)驗(yàn)室對(duì)空調(diào)的要求更高，就目前而言，許多實(shí)驗(yàn)室還在采用普通手動(dòng)的空調(diào)控制系統(tǒng)，所以現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)室空調(diào)存在以下問(wèn)題。

（1）能源消耗大。實(shí)驗(yàn)室空調(diào)是一個(gè)巨大而復(fù)雜的空調(diào)系統(tǒng)，不僅鋪設(shè)的管道面積大，由于實(shí)驗(yàn)室的高要求，所以能源消耗大于一般的民居。具體表現(xiàn)在以下的幾個(gè)方向：首先，實(shí)驗(yàn)室面積大，由于實(shí)驗(yàn)的特殊性與嚴(yán)謹(jǐn)性對(duì)室內(nèi)環(huán)境的要求高，進(jìn)而對(duì)空調(diào)的要求也就更高，增加了空調(diào)的能源消耗。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)一般持續(xù)時(shí)間一般以周或月為周期，中途對(duì)實(shí)驗(yàn)室的溫度要求等需要一直保持，這也就要求實(shí)驗(yàn)室空調(diào)的長(zhǎng)期運(yùn)行。最后，由于空調(diào)主要以手動(dòng)操作為主，長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)過(guò)后可能會(huì)存在忘記關(guān)閉空調(diào)的情況，這也就加劇了空調(diào)的運(yùn)行壓力，加劇了空調(diào)的不必要浪費(fèi)。

（2）系統(tǒng)負(fù)荷大無(wú)法適用于所有實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。由于實(shí)驗(yàn)室對(duì)空調(diào)質(zhì)量和對(duì)空調(diào)運(yùn)行時(shí)間的高要求、嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)就導(dǎo)致了空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷極大，無(wú)法完全適用于所有的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。比如，對(duì)于一些需要存在于相對(duì)較低的溫度中的細(xì)菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，就無(wú)法單純依靠空調(diào)達(dá)成實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可能需要采用其他設(shè)備進(jìn)行輔助。同時(shí)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響受諸多因素的影響，比如，晝夜交替，因?yàn)榘滋炫c黑夜的室外溫度變化對(duì)室內(nèi)的溫度同樣會(huì)產(chǎn)生變化，由于空調(diào)以手動(dòng)操作為主，無(wú)法及時(shí)調(diào)節(jié)溫度，就會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，還會(huì)造成能源的不必要損耗。

（3）存在安全隱患，空調(diào)使用壽命短。在實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期高質(zhì)量、長(zhǎng)運(yùn)行的要求下，對(duì)空調(diào)本身質(zhì)量的要求也隨之相應(yīng)提高。但對(duì)于普通的手動(dòng)設(shè)置空調(diào)長(zhǎng)期高速運(yùn)行，容易引發(fā)設(shè)備故障，并縮短使用壽命。

針對(duì)以上的種種隱患，使用自動(dòng)化空調(diào)系統(tǒng)能夠有效地減少資源的不必要損耗，節(jié)約能源的同時(shí)，保護(hù)環(huán)境，減少使用中的隱患，提高空調(diào)的使用質(zhì)量，延長(zhǎng)空調(diào)的使用壽命，為實(shí)驗(yàn)室提供更好的溫度控制。

2 自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用于空調(diào)系統(tǒng)的方式

2.1 模糊控制技術(shù)的運(yùn)用

隨著我國(guó)智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，作為其重要組成部分的模糊控制技術(shù)，隨著智能化的不斷發(fā)展也有非常明顯的提升。模糊控制技術(shù)主要是在人工智能技術(shù)與模糊數(shù)學(xué)的科學(xué)結(jié)合，再加上如計(jì)算機(jī)科學(xué)等多種復(fù)雜學(xué)科相互影響、滲透、結(jié)合產(chǎn)生的一種新的技術(shù)，在理論上具有非常強(qiáng)的控制性和智能性，還能夠自主學(xué)習(xí)，常應(yīng)用于高效復(fù)雜的系統(tǒng)中。它的具體優(yōu)勢(shì)如下。

（1）模糊控制具有極強(qiáng)的實(shí)踐性，因?yàn)槠洳⒎钱a(chǎn)出于精確的數(shù)學(xué)模型，而是產(chǎn)生于實(shí)地操作人員的經(jīng)驗(yàn)，符合實(shí)際要求。同時(shí)由于產(chǎn)出于操作工人，所以總結(jié)出的規(guī)則平實(shí)易懂，更利于應(yīng)用與推廣。

（2）適應(yīng)能力強(qiáng)，適應(yīng)范圍廣。其他的控制方法容易受到環(huán)境的干擾，或者在改變其參數(shù)時(shí)造成極大的影響。模糊控制法區(qū)別于其他控制方法，不易受環(huán)境的影響，改變參數(shù)也不會(huì)對(duì)結(jié)果造成太大影響，因此比較適合運(yùn)用于變化多、變化快的系統(tǒng)。

（3）相對(duì)于誕生于精確的數(shù)學(xué)模型中的專家經(jīng)驗(yàn)，模糊控制更容易以語(yǔ)言變量的形式構(gòu)造專家知識(shí)。

（4）模糊推理還由于其自主學(xué)習(xí)能力，能夠?qū)θ说乃季S進(jìn)行模仿學(xué)習(xí)，不斷地提升自身處理問(wèn)題的能力。

模糊控制步驟如圖1 所示。

圖1

在空調(diào)系統(tǒng)中的運(yùn)用中，主要是利用空調(diào)系統(tǒng)中的溫度傳感器對(duì)室內(nèi)溫度的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量與捕捉，將這一信息輸入模糊控制系統(tǒng)，將之與提前設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行智能比對(duì)，并根據(jù)比對(duì)結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的合理控制與自動(dòng)調(diào)節(jié)，保障實(shí)驗(yàn)室溫度的恒定，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)的成功。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的運(yùn)用

智能控制系統(tǒng)的另一個(gè)重要組成部分就是審計(jì)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，這種方式主要是對(duì)人腦的運(yùn)行與工作時(shí)進(jìn)行模擬，以在不斷地運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，進(jìn)而為相關(guān)工作的順利開(kāi)展提供幫助，能夠更好地滿足實(shí)驗(yàn)室的需求，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的空調(diào)節(jié)能具有重要的意義與作用。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是要在使用前對(duì)所需能耗進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，計(jì)算出實(shí)際需要的能量多少與負(fù)荷的高低，并且在這樣的計(jì)算結(jié)果下，結(jié)合實(shí)際環(huán)境，最終達(dá)到對(duì)能源消耗與器械負(fù)荷實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。在這樣的控制下，自然有利于避免能源的浪費(fèi)，助推了空調(diào)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，減少了浪費(fèi)，為節(jié)能做出貢獻(xiàn)。

而傳統(tǒng)情況下普遍采用常規(guī)的PID 控制的，這種控制方式具有相當(dāng)多的缺陷，主要體現(xiàn)在只能應(yīng)用于線性系統(tǒng)中，難以滿足復(fù)雜多變的實(shí)驗(yàn)室需求，并且雖然這種控制系統(tǒng)反應(yīng)速度較快，效率也比較高，但同時(shí)存在延遲高、負(fù)荷短時(shí)間內(nèi)變化大等問(wèn)題的存在。此外，該控制系統(tǒng)控制性能差，在運(yùn)用空調(diào)系統(tǒng)會(huì)長(zhǎng)期震蕩，難以實(shí)現(xiàn)快速的平穩(wěn)運(yùn)行。在這樣的情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能夠使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)原有的控制系統(tǒng)進(jìn)行替換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)情況較為復(fù)雜、不確定性強(qiáng)的系統(tǒng)有更良好的適應(yīng)與運(yùn)行控制。同時(shí)，由于該技術(shù)的穩(wěn)定性，還有助于空調(diào)運(yùn)行時(shí)保持穩(wěn)定，更好地提供適宜的溫度，促進(jìn)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。因此，為了保障實(shí)驗(yàn)室中環(huán)境的長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行與維持穩(wěn)定的同時(shí)達(dá)到節(jié)能效果，就需要對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行良好應(yīng)用。

3 節(jié)能技術(shù)分析

實(shí)驗(yàn)室空調(diào)自動(dòng)化節(jié)能主要是通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將群控技術(shù)和變頻技術(shù)科學(xué)結(jié)合，以達(dá)到更好的節(jié)能效果，這兩種節(jié)能手段主要是通過(guò)控制水泵，主要是水泵的運(yùn)行速度以及冷卻水的流量，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際環(huán)境，判斷所需的水流量，以及空調(diào)的負(fù)荷進(jìn)行科學(xué)合理的管理與控制。這種科學(xué)、安全的節(jié)能技術(shù)可以盡可能地減少空調(diào)運(yùn)行時(shí)造成了磨損與損耗，在節(jié)約了能源的同時(shí)，還能保證空調(diào)的高質(zhì)量運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室中的空調(diào)節(jié)能。

3.1 設(shè)備組成

變頻器。主要作用是采集實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度，再依照壓縮機(jī)內(nèi)部由于出水與回水溫度不同造成的溫差，對(duì)變頻器及變頻電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)出水多少的科學(xué)調(diào)節(jié)，以及給水泵供電的電子回路。這些部分得到控制與調(diào)節(jié)就能夠控制熱交換的速度。

可編程控制器。是一款自動(dòng)化電子產(chǎn)品，主要的作用是對(duì)調(diào)整為水泵供電的電子回路進(jìn)行控制，以及部分壓縮機(jī)系統(tǒng)?？删幊炭刂破饔泻芏嘟M成部分，主要包括通訊、輸入、輸出、電源幾個(gè)模塊。能夠在接收信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的計(jì)算，得出合適的結(jié)果，并對(duì)終端達(dá)成控制，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目標(biāo)。

3.2 建立節(jié)能控制模型

根據(jù)相關(guān)的理論可以得出結(jié)論，實(shí)驗(yàn)室空調(diào)內(nèi)部的水的循環(huán)系統(tǒng)是一種典型的流體負(fù)載，按照理論進(jìn)行描述，可以得出三個(gè)正比關(guān)系，即機(jī)體轉(zhuǎn)速的一次方、二次方、三次方分別與水流量、水泵承受壓力、水泵機(jī)軸功率三個(gè)數(shù)值成正比關(guān)系。根據(jù)這一系列的正比關(guān)系可以得出一個(gè)結(jié)論，即空調(diào)系統(tǒng)在使用中不會(huì)保持100%的負(fù)載，而是通常保持在70%左右，這就表明，目前的空調(diào)存在進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)的空間。所以本文基于水泵負(fù)載的空間應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1

通過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)可以看出，需要對(duì)沒(méi)有利用的負(fù)載空間進(jìn)行整合利用，提高使用效率，減少能耗的同時(shí)提供更好的解決方案，這就需要通過(guò)大量的資料收集和數(shù)據(jù)分析建立起符合實(shí)驗(yàn)室需求的節(jié)能控制模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)空調(diào)的使用習(xí)慣進(jìn)行建模，預(yù)測(cè)未來(lái)可能出現(xiàn)的溫度變化。建模的主要依據(jù)是以多元的方法收集數(shù)據(jù)，整合采集實(shí)驗(yàn)室空調(diào)的多項(xiàng)數(shù)據(jù)，再依照建模結(jié)果制定預(yù)測(cè)方案，通過(guò)控制水泵的形式達(dá)到節(jié)能的要求。主要的控制模型建立過(guò)程如圖2 所示。

圖2

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)的科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)精度要求不斷提高，空調(diào)技術(shù)不斷發(fā)展，為了使空調(diào)在實(shí)驗(yàn)室中的使用過(guò)程發(fā)揮更好的作用，提高效率與質(zhì)量，為實(shí)驗(yàn)室提供更恒定、可靠的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的同時(shí)，還能夠在盡量不犧牲使用質(zhì)量的基礎(chǔ)上，盡量減少不必要的能源消耗，響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，就需要將自動(dòng)化技術(shù)融入空調(diào)的運(yùn)行與控制中，減少不必要的能耗，還能夠更加智能地對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)，為實(shí)驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)的順利完成提供環(huán)境條件。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要將模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)運(yùn)用在空調(diào)的自動(dòng)化進(jìn)程中，提高空調(diào)的服務(wù)質(zhì)量，延長(zhǎng)空調(diào)使用壽命，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)。