摘要：大型公共建筑能耗高、且公众对其的需求大，因此公共建筑是当前我国建筑节能工作的硬骨头。在大型公共建筑的能耗中，空调系统的能耗高是造成大型公共建筑能耗巨大的主要原因。本文通过国内外大量现场调研和测试，分析了我国和美国大型公共建筑空调系统自动控制在实际运行中所存在的严重问题。本文主要研究大型公共建筑室内热环境空气调节系统智能控制理论和节能控制方法、开发网络化监控关键技术，对促进建筑技术和暖通空调学科的发展具有重要学术价值，对营造舒适、健康、低能耗、低排放的大型公共建筑室内热环境，推动我国大型公共建筑节能减排事业的发展，具有重要的现实和社会发展意义。
关键词：大型公共建筑 空调系统 节能 网络化
智能控制大型中央空调系统的自动控制系统运行水平，不仅对室内环境控制效果有重要的影响，而且直接影响着空调系统的运行能耗。然而，我国很多空调系统还不能实现即兼顾室内环境控制要求，又节能的自动控制，一些空调系统甚至只能依靠人工手动操作运行。大型中央空调系统尚缺乏一种面向实际工程应用、兼顾室内环境要求和节能的控制策略，这一现状制约了我国建筑节能工作的发展。目前实际工程中常用的控制策略以局部设备为控制对象，相互组合可以适用于不同形式的大型中央空调系统，因而得以在实际工程中广泛应用，但是这些局部控制器往往忽略了设备子系统之间的相互联系与耦合，难以保证节能效果；研究领域提出的全局优化策略理论上可以实现系统节能，却丧失了通用性、可移植性，因而难以在实际工程中推广。
一、大型中央空调系统节能控制的基本原理
大型中央空调的节能控制系统，是通过对中央空调系统中的冷冻水、冷却水、冷却塔风机及各个子系统多处运行的数据进行采集，并将每个控制子系统都在物理上、 逻辑上与功能上相互连在一起，同时对每一个环节都进行全面的控制，应用计算机精确的运算，得出结果后发出指令，调整动态系统运行的周期，让主机的工作能随着负荷的变化而得到最大的优化， 使工作效率可以提高5%~10%，这是以使用的环境和条件所决定的。 辅机系统的能效则可以提高30%以上（按照国际检测的方法），由此来实现系统的节能降耗， 达到提高设备的管理水平，并延长设备的使用寿命等多重功能的目的。在控制系统中，各台电机的控制都可以实现变频的节能运行与工频运行的方式，来防止变频器发生故障造成系统不能正常的运行。 这样的系统当遇到变频器发生故障时， 就可以切换成工频方式，然后在工频方式的控制下，电机启停，最后保证系统的正常运行。 运用变频器来控制电机的运转，能够限制启动电流，并消除电动机起、停对电网的冲击，而且可以适时适当地调节电机的运行功率，减少损耗，改善润滑的调节，最后延长电机的使用寿命。控制器是通过温度的传感器收集冷水，冷却水进，出口的温度信号为参考信号，然后进行数据分析和处理，来确定空调的负荷状况，并根据负荷的状况，控制循环水的水泵水流量，这样便可以节能运转。 当负荷增加的时候，提高电机的运转频率，并加大水泵转速增大流量；当负荷减少时，会降低频率，使水泵的转速减低，减少流量。 各水泵的启停，都要通过变频器来实现其软启动或者软停止。 若水泵的运行频率下降到控制仪表所设定的最小值，变频器就会停止频率继续降低，来满足主机要求的流量，起到对主机的保护作用。
二、大型中央空调系统节能控制的变频控制的应用
在分析中央空调系统节能控制变频控制之前，我们要浅析一下变频控制的市场前景和经济前景。通过市场调查，现在正在使用的大多数中央空调系统的负荷，95%以上时间仅仅占了总工作时间5%，而70%以上时间在62%～85%左右负荷运行。 所以，如果在中央空调的水系统、 风系统中利用变频控制，是会带来良好的社会效益与经济效益的。 技术经济方面，变频控制系统的成本也随着电子电气技术不断的进步而下降。 就目前市场上的结果来说，初投资主要是由变频器的功率和水泵的功率决定，功率越大，每千瓦的改造费用就越低。 若真空的配管，抽气的配管和充灌的配管设置长，就会造成制冷剂充灌量计的计算误差变大，所以要以工艺必要长度为标准。 如果液体配管里有冷媒的残留，则要算出重量，从填充量里减去。
三、空调风系统节能控制方法国内外进展
目前，我国空调风系统的主要形式有定风量全空气系统、风机盘管加新风系统和变风量全空气系统，从参数调节的角度讲，现有空调风系统节能控制方法主要有变风量控制、变送风温湿度控制和变新风比控制。
1.空调系统变风量节能控制方法
变风量是风系统各节能控制方法中首要的调节方法，其中，以送风静压为控制参考量的变风量控制方法是主要的控制调节方法。以末端变风量箱风阀阀位为参考量的送风静压设定值再设置方法在 20 世纪纪 90 年代已被用于实际系统。该方法的核心思想是以变风量箱阀位为控制参考量，通过变频调节送风机转速来维持所要求送风静压再设定值、以至少保证一个末端变风量箱风阀为全开状态。该方法在实际中取得了较好的节能效果，但存在的最大问题是阀杆与阀位传感器之间的松动问题，由于现有执行器缺乏自诊断环节，反馈的阀位信息不能反映阀门的真实开度，由此带来误控的问题，采用多个末端变风量箱的阀位信息同时作为参考量来提高控制系统的可靠性。2005 年 Federspiel 等在传统的变静压控制法的基础上，也提出了基于送风量的变静压控制方法。戴斌文等针对以压力无关型变风量箱为末端的变风量空调系统，提出了依据各房间温度计算出各变风量末端设定风量、求和后作为送风机设定风量的总风量控制方法。该方法不需要送风静压测量，减少了一个风机的闭环控制环节。2006 年严迪新等提出了用加权流量法控制风机的思路和方法，模拟表明加权流量法的误差比总流量法更稳定。2007 年李春旺等针对压力无关型变风量系统提出了按需供冷控制原理和末段调节的控制方法，即在满足用户对冷量需求的条件下，对供冷设备实行节能控制；并利用网络控制技术对末端设备、冷水用户和冷源进行监控，开发了控制模块库。2007 年张吉礼针对压力无关型变风量空调系统，采用末端房间负荷信息来优化设置送风静压设定值，完成了 Hilton Omaha 变风量空调系统节能控制。2008 年，张吉礼和彭红莲又研究了变风量空调系统水力特性，分析了末端变风量箱的调节对系统压力分布特性的影响大小。变风量系统的回风机与送风机之间的变频连锁控制，是变风量系统保证室内正压的关键。常用的方法是根据设计工况下回风量是送风量的 90%~95%来设置回风机的转速设定值、进而实现回风机的变频控制；但该方法在部分负荷下，常出现实际回风量大于所要求回风量的问题，难以保证室内正压要求。以变风量系统空调机组回风管道内静压值为控制参考量来调节回风机转速的方法也是实际中常用的方法，但该方法由于静压设定值的再设定难度大，实际中常采用定静压方法，从而导致回风机能耗过高。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆以室内外压差为控制参考量来控制回风机转速的方法在美国实际系统中应用较多，但由于室内外压差传感器受 建筑风压和热压作用的影响较大，在实际控制中不仅室内外正压难以保证，而且回风机能耗过高。针对上述回风机变风量控制问题，Mingsheng Liu等提出了基于送风机送风量实际测试结果（Fan Air-flow Station, FAS）的回风机变风量控制方法，该方法已被应用于美国多个变风量空调控制工程中[131~135]，取得了很好的节能控制效果。
2.空调系统变送风温湿度节能控制方法
在变风量控制的基础上，优化设置送风温湿度并实现对表冷器、加热器和加湿器的优化控制，是进一步降低空调系统能耗的重要方法；变送风温度也是定风量空调系统常用的重要节能调节方法。变送风温度控制的核心思想是调节空调机组换热器冷冻水或热水阀门开度，维持送风温度设定值；调节空调机组加湿器的加湿量，维持送风湿度设定值。如何设置送风温湿度的设定值是变送风温湿度控制的关键。早在 1986 年Norford 等就提出送风温度随室外温度升高而降低送风温度设定值的变送风温度调节方法，模拟表明，冬季该方法比定送风温度节能 10%，夏季节能 11%~12%。2000 年 Wei 和 Claridge 提出送风温度设定值随室外温度而线性变化的变送风温度调节方法；同年，晋欣桥等利用变风量箱风阀开度为多区域变风量系统的相对负荷信号，对送风温度进行实时优化，提出了末端变风量箱的优化控制方法。2005 年孙勇等研究了室内湿度控制对变送风温度调节影响，指出送风温度设定值的再设定应考虑室内相对湿度的变化。在实际控制中，夏季和冬季满负荷工况下送风温度通常维持一固定值不变，而在过渡季或部分负荷下，才改变送风温度设定值。
3.空调系统变新风比节能控制方法
新风比的控制即空调机组经济器（由新风阀、回风阀、排风阀构成）的调节控制，当室外焓值低于室内焓值时，可通过调节新风比、利用新风冷量来降低人工制冷的能耗。此外，新风比的调节还要满足室内 CO2浓度的控制要求。2001 年晋欣桥等针对变风量空调系统中新风分配问题，仿真分析了固定新风量控制、最大新风比控制、末端再热的在线新风比控制、末端再热加送风温度优化的在线新风比控制等四种新风比控制方法。同年，晋欣桥等又利用 ARMA 模型预测变风量空调系统新风需求，采用前馈控制，研究了多区域变风量空调系统的新风控制问题。2006 年孙金龙等针对多区空调系统的新风比控制问题，仿真研究了最大新风比控制法、提高送风温度控制法和模型修正新风比控制法。2007 年，晋欣桥等在新风需求预测的基础上，通过优化送风新风比和末端再热器输入电压，实现了对空调机组各风阀开度和各区域末端再热器前馈控制，仿真证明，该控制方法比最大新风比方法更节能。Krakow 等提出了排风阀始终全开的经济器控制方法，即只连锁控制新风阀与回风阀，排风阀始终处于全开状态，但该方法很难保证室内正压控制要求。2008 年 Nassif 等提出了一种仅调节单个阀门开度的经济器控制方法，即保持回风阀与排风阀为全开状态、仅调节新风阀开度控制新风量，或仅调节排风阀或回风阀调节送风量，保持其它两个风阀为全开状态，指出该控制方法可以减小经济器的压降，降低送风机与回风机的能耗，同时可以有效避免排风阀渗风问题；作者将该方法与传统的经济器三阀门连锁控制的经济器控制法进行比较，通过一年的实测数据，指出送风机与回风机的节能效果分别为 12%与 5%。上述研究以仿真为主。实际中变新风比控制一个重要的问题就是为了计算新风焓值而需要测试新风相对湿度，而相对湿度传感器极易失效，从而导致各类新风比控制方法的失败。因此，要实现优良的新风比控制效果，首要的问题是保证湿度传感器的可靠性、或不使用湿度传感器，前者目前仍处于空白状态，后者 Liu 等已采用等价室外温度的方法回避了新风湿度测试的问题，在实际工程也取得了很好的节能效果。
4.空调风系统的节能控制方法
上述变风量、变送风温湿度、变新风比的控制调节方法不仅全部体现在变风量全空气空调系统上，而且几乎涵盖了所有空调系统形式的单一控制环路的调节方法。因此，研究上述单一控制环节的控制参考模型优化选择及其自适应优化设置方法，对解决空调风系统共性控制调节问题具有重要的学术意义和推广应用价值。但是，对于任一具体的空调风系统而言，变风量、变送风温湿度、变新风比之间又存在较强的耦合关系，空调风系统各控制环路间解耦控制和协调控制是实现风系统节能控制的又一关键问题。早在 1988 年，Alan Dunn 分析了变风量空调系统在部分负荷状态下送风量变化将直接影响各控制环路的控制性能，从而导致各环路间的相互干扰，并带来了系统的不稳定性。1997 年孙宁等分析了变风量空调系统各个控制回路之间的耦合性，指出耦合性是造成变风量系统控制不稳定的主要根源，并基于相对增益模型提出了变风量空调系统解耦控制方法。在技术研发上，2006 年张宏伟等将变风量空调系统分解为多个智能体，提出了基于多智能体技术的分布式智能控制方法，有效地解决了变风量空调系统回路间的解耦和协调问题。由于空调风系统的非线性，因此基于经典数学的解耦控制在解决风系统各控制环路间的耦合特性时，不可避免地要建立和求解复杂的数学模型，数学模型的质量直接影响了系统的控制性能，因此，通过在风系统各控制环路间引入中间变量的解耦控制方法，不适为解决风系统各环路耦合控制难题的一种有效方法。
四、结语
大型公共建筑空调系统属于典型的分布参数、大滞后、多环路耦合、非线性系统。智能控制理论的发展，为解决该类非线性系统的节能与工况保障共性控制问题提供了新的理论基础；网络信息和传感技术的发展，为研究开发适于该类系统特性的网络化监控系统的网络基础问题和关键技术提供了可行的方法途径。从“系统节能”和“工况保证”两方面出发，系统、深入地研究大型公共建筑空调系统网络化控制理论与方法，创新性地构建大型公共建筑室内热环境空气调节系统网络化智能控制理论、节能控制方法和网络化监控技术的科学体系，对促进智能控制理论和网络信息技术与建筑技术科学和暖通空调学科的交叉融合，对促进建筑技术和暖通空调学科的发展，具有重要学术价值；为根本解决我国大型公共建筑空调系统高能耗运行问题提供系统化的理论、方法和科学依据，对营造舒适、健康、低能耗、低排放的大型公共建筑室内热环境，推动我国大型公共建筑节能减排事业的发展，具有重要的现实和社会发展意义。
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论文作者:王存府
论文发表刊物:《基层建设》2017年3期
论文发表时间:2017/5/9
标签：方法论文; 新风论文; 空调系统论文; 节能论文; 系统论文; 变风量论文; 设定值论文; 《基层建设》2017年3期论文;