成都双流国际机场机电中心 四川成都 610000
摘要：暖通系统的控制技术从上个世纪到现在有着日新月异的发展。本文从变频器应用和自动控制的理论发展历程、暖通系统中的冷却水冷冻水控制几个方面探讨了暖通系统的控制。
关键词：变频器 自动控制 制冷主机的控制
1变频器在暖通水系统中的应用
中央空调是可以进行能量交换和运输的一个设备，系统中的冷却水系统和冷冻水系统承载着能量转换的两端。所以中央空调系统包含的两大系统是冷却水系统和冷冻水系统。图1-1便是中央空调的系统图。
图1-1暖通系统示意图
中央调系统在最初设计时期就会秉承着一种设计理念，就是要满足机场在极端情况下的需求，在这个基础上还要留出10% ～ 20%的冗余。[1]另外在实际使用中室外温度的浮动和使用者对空调的需求的不同，中央空调系统的供应对于需求来说一直是有大大的余量的。
1.1变频器的原理
当变频器带动的设备为水泵时，就要以水泵自身的运行规律来分析。
水泵的运行符合以下的工作原理，水泵的转速不同，
水泵的流量Q（m3/h）、扬程H（m）、轴功率P(KW)与转速n（r/min）有如下关系:
Q1 /Q2 =n1 /n2 (1-1)
H1 /H2 =(n1 /n2 )2 (1-2)
P1 /P2 =(n1 /n2 )3 (1-3)
从上面的公式可以看到，转速减少时，功率的波动比流量的波动大得多。所以如果适当的降低转速就可以使水泵省电。又由电学的知识可得，一个电动机的转速和频率有下列关系：
n =60 f (1 - s) /p (1-4)
式中: p为极对数; f为电源频率（HZ）; n为电机的转速（r/min）;s为滑差率。
变频器就是利用可以让电动机的频率改变从而可以使电动机无极调速。中央空调冷冻水系统的出回水温度差值代表了末端利用的热能的多少。从这个差值的浮动可以知晓末端的需求变化，所以中央空调操作员就是通过出回水的差值来作为依据进行操作管理。实际操作中中央空调主机的出水温度都是浮动较小，所以单纯的通过回水温度来判断就好。
1.2变频器的节能估算
假设双流国际机场的中央空调系统有冷冻泵和冷却泵各三台，电机功率为75 kW;额定电流为139. 7A。如果没有安装变频器，那就采用较为落后的改变水泵的水阀来调节水流大小，那么水泵就一直按照工频运行，也就是运行频率一直是50HZ。夏天或者冬天，因为只是调节了中央空调的水流大小，但是电动机的转速、水泵的转速都无法改变，那么每个制冷季制热季电能费用为：
W季=P ×3月×30天×24小时
=75 ×3 ×30 ×24 =162000 kW h。
而后把丹佛斯变频器连接入水泵前端，使其带动水泵运行，调节变频器的频率，也就是调节水泵的频率得到表1-1数据,变频器不同频率条件下的节能对比。
表1-1 变频器节约能耗
注:PY =3UxIx COSФ / 3 (kW)
季度耗电:W季1 =PY ×3月×30天×24小时(kWh)
季度节约电能:W =W季-—W季1 (kW h)
其中:PY 为实际功率(kW );Ux 为电源线电压(V);Ix为电源线电流(A)。
2中央空调控制系统
2.1自动控制在空调系统中的应用概述
从上个世纪后叶开始，空调中的双位控制渐渐被直接数字式控制和自适应控制代替。因为中央空调系统自身的非线性、时滞性和参数变量耦合的特性，想建立针对中央空调的精确模型较有难度。所以以上两种控制理论在中央空调上的应用推广的不是很顺利。
在这种情况下，以设计者和工程师成熟经验为基础的模糊控制理论得到在中央空调内广泛应用。当前来看，在中央空调的控制诸多控制方法中，PID控制发展出的DDC控制系统是中央空调系统中不可或缺的设备，在实际应用中取得了良好的效果。PID控制有优势，同时也有其控制方面薄弱的地方，因为PID控制要建立在详细具体的模型基础上，所以当模型一直变化的时候，PID控制器的效果就不那么随人愿了。
在最优控制研究方面，Kaya 等首先研究了中央空调系统的最小能耗控制方法; Braun 等先后实现空调的冷水机组的最优控制，通过多点参数法产生了这对空间数据和墙体数据的模型，通过这个模型来研究以最少的能源损耗来尽可能维持温度的恒定下的控制，降低送风温度和增加送风时间使模型的各个位置温度都维持基本恒定。这个事例说明，PI控制在某种程度上不如最小方差控制。
模糊控制理论真正的在中央空调系统中投入实际使用是上世纪八十年代。三菱重工是最早的一家研究模糊控制空调的企业。紧接着，日本企业又开发出以模糊理论为基础的模糊控制器，通过大量的试验表明，该控制器在控制室内温度的恒定，及时调节室内温度的偏差和保护压缩机方面有突出的优势九十年代中 Huang 和Nelson 在原有工作的基础上，提出基于控制相平面响应轨迹特性的自调整模糊控制方法。[2] Albert 领头由神经网络的启发研制出中央空调辨识控制器，同时对PID、模糊控制和辨识器等几种控制器的耗能和动态对比，最后结论是，因为中央空调系统末端需求变化较大，PID控制不能够实时的根据反馈来进行调节，这种情况下的中央空调能耗就随之增大。而模糊控制器和辨识控制器可以较好的应用于中央空调系统，取得较好的控制成果，那种情况下的能耗也较小。
另外，Fischer 提出了基于模糊模型的换热器预测控制方法, Haissing 提出了空调冷却水系统自适应模糊控制方法.对于模糊控制的研究国外的专家已经很深入了，从理论到实际应用，从楼宇的需求预测到中央空调冷冻水和冷却水的监管，从单一设备的控制到中央空调复杂多设备的控制，有着广泛和比较有深度的研究。
而在国内的研究领域主要是基于模糊理论的温控器在中央空调系统中的应用，其原理是利用传感器采集房间内的温度参数，经过模糊控制器的计算后，利用得出的结果来调整空调的运行状态。[3]
由以上可以得知，世界的中央空调中的模糊控制还处于起步阶段，现在只有几款产品，功能也不多，还没有大规模的应用。所以模糊理论在中央空调重的应用还需要研究和推广。
2.2中央空调系统制冷主机原理和相关控制
图2-2就是中央空调制冷主机的工作原理图，可以看到有两大水循环系统：冷冻水系统和冷却水系统，制冷主机的作用使将冷冻水温降低，冷却水系统作用使带走机组热交换下来的热量。冷却水系统主要由以下几个部分构成：冷却塔，冷却泵，冷凝器。冷冻水系统主要由风机盘管，冷冻泵和压缩机组成。冷却塔的作用使散发冷却水带来的热量，将热量散发到空气中，而冷却后的冷却水又被送回到制冷主机。
图2-1中央空调机组制冷主机原理
所以中央空调的工作原理是两个水系统组成的能量交换的过程，通过冷却水系统和冷冻水系统之间的能量交换来实现中央空调系统的制冷和制热，所以中央空调水系统的控制是中央空调控制的重点。
（1）冷冻水系统的相关控制措施：利用对冷冻水回水温度的检测来实现控制。因为冷冻水是由制冷主机制取，出水温度较为恒定，所以可以仅根据冷冻水回水温度来判断负荷的高低。从冷冻水的回水温度来变频器调节：冷冻水回水温度高，代表着负荷比较高，可以适当把水泵的频率提高，提高冷冻水的流速，相反的，如果冷冻水回水温度低，代表着负荷比较低，可以适当把水泵的频率降低，降低冷冻水的流速。
（2）冷却水系统的相关控制
采集冷却水进水和出水的温度，而后在控制器内得到差值，通过差值来变频控制。因为在冷却塔一侧的温度受外界环境影响很大，所以仅仅依靠进水或者出水温度并不能得到制冷主机的散热。所以冷却水系统的控制就要依靠两侧水系统的温差做控制的参数，以此来实现温差恒定的控制。当从控制器得知温差大时，就可以分析出制冷主机散发的热能较大，所以就要把水泵的频率太高，加快冷却水的流动;相反的如果两侧的温差小，可以分析出制冷主机产生的热能不多，这种情况可以适当的降低泵的频率，降低冷却水的流速。减少能源的浪费。
中央空调系统水系统是按照整个系统最大需求来设计的，也就是说假设夏季室外温度最高时，将所有的空调末端都开启时的需求量来设计，但是实际运行中不可能所有时段都是需求最大的，因此实际的需求值要比设计值一定程度的小，而且实际的需求值在一天当中一季当中一年当中是持续变化的。
比较落后的调节冷冻水流大小的方式是改变水泵前端或者后端的阀门，虽然可以改变流量的大小，但是水泵一直是工频运行，同时当阀门开度较小时，水阀会人为加大管道的阻力，会产生管道振动和声音。[4]在中央空调的末端来说，冷冻水流速过大也不利于房间内空调的效果，冷冻水以很快的速度流过风机盘管，并没有充分的与房间内的空气进行冷热交换，无形中冷冻水泵做了一部分无用功。冷冻水泵长期的工频运行，设备得不到休息，也加速了设备的老化。图2-2为冷冻泵的变频控制方案原理图。
图2-2冷冻泵的变频控制方案
2.3中央空调系统温度差异概述
空调箱也称组合式空调机组，是一种专门用于处理空气的设备，有对空气的降温冷却、去湿干燥、加热加湿、过滤净化、送风回风及引入新风等功能。一个基本的空调箱，不论是吹送式还是抽吸式，都是由工厂制造不同的段或模块组装起来的。组成段的数量变化也很大，包括：混合段、过滤段、表冷段、风机段、加热段、加湿段、热回收段、检修段等。关键元器件组成包括：面板、框架、空调风机、盘管、过滤器、加湿器、杀菌消毒装置等。[5]
表冷段主要用于对气流进行降温及除湿。其原理是在盘管的铜管内通冷冻水，气流在风机的作用下在铜管外部流动，穿过盘管。由于冷冻水与外部的空气有温差，所以会产生热量的流动，使得气流的温度降低，水流的温度升高。当盘管表面温度低于空气的露点温度时，就会将气流中的部分水蒸汽析出来，达到除湿的目的。[9]为了加强热交换，盘管的铜管外部会串铝翅片来增大换热面积，强化传热。
风机段是空气处理机的心脏部分。为气流的循环流动提供动力。风机与电机采用V形皮带传动，皮带轮为锥套结构，方便调整、检修和更换。楼宇系统控制着风机的转速，水泵系统控制着制冷剂的流通快慢，空调主机控制着制冷剂的温度高低。因此控制区域温度的差异也就是控制风机的转速、水泵系统和空调主机
参考文献：
[1]许民.超大型民用航站楼应用低温送风空调系统的可行性研究[J].制冷与空调,2008,22(2):20-24.
[2]吴小卫,胡文斌.大温差空调水系统的技术经济分析[J].制冷.2005(S1):67-72.
[3]赵刚.建筑节能与节能设计[J].科技情报开发与经济.2005(13):145-147.
[4]谢洪辉,徐文华.独立新风系统的探讨和应用[J].洁净与空调术.2004(03):88-92.
[5]孟宪章,罗晓梅.楼宇自控系统电气运行维修手册[M].北京:机械工业出版社,2003:1.
[6]李建兴,于振峰,涂光备.独立新风系统运行的能耗分析[J].煤气与热力.2004(06):75-79.
论文作者:嵇境成
论文发表刊物:《防护工程》2018年第5期
论文发表时间:2018/6/26
标签：冷却水论文; 水泵论文; 中央空调论文; 温度论文; 系统论文; 变频器论文; 中央论文; 《防护工程》2018年第5期论文;