摘要:鑒于中央空調傳統控制系統的種種弊端，本文提出中央空調的智能控制系統，通過對負荷的實時監測，結合出回水溫度數據校正，能夠依據負荷需求，并以降低能耗為約束條件，實時對水泵、風扇進行聯合調節，從而提升環境品質，并實現節能的目的。
　　關鍵詞：智能控制系統，中央空調，出回水溫度校正，無線傳感網絡，前饋控制
　　0.引言
　　中央空調已成為生產生活中的重要耗能設備。在建筑物中存在多種耗能設備，但是其中中央空調所消耗的能量比例占到建筑總能耗的60%以上，根據相關研究：以空調制冷模式為例，溫度設定值每提高1度，能耗可達7%。若能夠降低中央空調的能耗，將帶來巨大的效益。隨著人們對節能的意識的增強，各類單位及個人采取了諸多措施降低中央空調的能耗，但是受到傳統方式的空調控制系統的約束，當能耗降低的同時，也降低了人們的舒適感，因此以降低舒適感為代價的降耗行為并未能得到全面的支持。因此，如何保障降耗時不降低舒適感，以確保降耗能夠得到全面的支持，成為中央空調降耗的最大問題，若能通過改變控制方式，將可以同時滿足上述要求，且可以促使降耗活動在全國內得到推廣。
　　1.中央空調控制原理說明
　　由于要滿足客戶的最大需求，一般中央空調都按最高負荷的120%設計，但是，實際應用中，中央空調有多半時間的實際負荷不到最大負荷的一半，中央空調冷（熱）量按末端負荷需求，即采用變頻器對冷凍（卻）水泵、風扇調速，低負荷狀態時相應降低轉速實現節能。由于空調冷凍水的出回水溫差直接反映了空調的負荷變化，因此可通過檢測冷凍水的出回水溫差來調節冷凍（卻）水流量。由于中央空調存在非線性、大滯后的時變特征，目前傳統的控制方式為多模態模糊PID，利用變頻技術，降低負荷；比較出回水溫差與設定溫差調節比例閥開度；測量人流量，使中央空調系統末端能及時調節出經濟并舒適的環境狀態等。
　　目前采用的溫差控制方案，采集蒸發器同一時刻的出水和回水側溫度，而事實上冷凍水的出水溫度要經過一個冷凍水循環后，其溫度變化才能在回水中反映出來。換言之，所測回水溫度實際上是一個循環（通常為十幾分鐘）前空調冷凍出水與空調負荷相互作用的結果，它反映的是一個冷凍水循環周期之前的工況。同時，目前采用的溫差控制方案未涉及實時室溫，實時室溫的引入有助于控制品質的改善；監測無人房間，消除向無人房間供冷（熱）能進一步挖掘中央空調降耗的潛能，而且預測用戶側負荷時扣除無人房間因素，亦利于預測精度的提高。
　　2.智能控制系統設計
　　2.1智能控制系統結構
　　鑒于上述原因，若能開發出一套實時監視自動調節的智能控制系統，該系統能夠自動識別人的存在，并能實時監視房間溫度，據此靈活調節泵機、風扇，在保障溫度得到及時穩定的調節的同時，將能耗降到最低，這樣將實現同時提升舒適度及節能的目標。
　　該系統原理結構圖如圖1所示：

　　圖1智能監控系統結構圖
　　該系統通過傳感器采集的冷凍出回水溫度、冷凍水流量、冷凍水系統壓力、冷卻水出回水溫度、冷卻水流量、冷卻水系統壓力，以及通過室溫及人體傳感系統采集房間實時室溫、無人房間等信息輸入中央空調總控系統；中央空調總控系統計算出各水泵和冷卻塔風扇的控制參數，依次輸出給冷凍水變頻器、冷卻水變頻器和冷卻塔風扇變頻器，計算出的運行參數輸出給空調主機。
　　2.2室溫及人體傳感系統
　　室溫及人體傳感系統是通過菲涅爾透鏡將人體輻射的紅外線聚集到熱釋電紅外傳感器上，轉變為電壓并由信號調理電路處理，處理后的信號由無線發送模塊發送，檢測無人房間。
　　室溫采集和無人房間檢測通過無線網絡采集。無線網絡由協調器、路由、終端三類節點組成；一個無線網絡只有一個協調器，協調器負責整個無線網絡的組建以及與上位機的通信；路由負責喚醒終端、對終端上傳的數據進行融合，通過各個路由之間的跳躍接力將信息傳輸至協調器，協調器通過串口傳輸至上位機；終端分布在各房間，采集房間的溫度并發送給路由。位于房間門口的路由通過菲涅爾透鏡檢測房間是否有人：若有人，菲涅爾透鏡通過信號調理電路產生一個高電平，路由向終端發送溫度采集命令，接收到喚醒信息后，終端通過溫度傳感器采集房間的溫度，定時上傳至路由，路由通過數據融合算法計算出房間的當前溫度，再上傳至上位機；若無人，則菲涅爾透鏡通過信號調理電路產生一個低電平，路由不向終端發出任何指令；房間內最后一人離開時，菲涅爾透鏡通過信號調理電路之后產生一個從高電平到低電平的電平跳變，如果十分鐘后房間仍無人進入，路由向終端發出停止采集的命令，終端重新進入休眠狀態狀態。
　　3.冷凍（卻）水系統設計
　　3.1冷凍（卻）出回水溫差校正
　　冷凍（卻）水出水的溫度要經過一個循環后，其溫度變化才能在回水中反映出來，鑒于冷凍（卻）水系統固有的滯后特性，實時估算冷凍（卻）水系統的滯后時間，對出回水溫度進行校正。表1為冷凍（卻）出回水溫度記錄表，冷凍（卻）出回水溫差時間同步表征的是出水與負荷相互作用后的結果——為相對冷凍（卻）出水一個循環周期后的冷凍（卻）回水溫度。
　　第k采樣時刻，由冷凍（卻）水流量歷史記錄和實時冷凍（卻）水流量采樣記錄計算出k次采樣時刻冷凍水循環周期s：
　　表1冷凍（卻）出回水溫度記錄表

　　第k采樣時刻，由冷凍（卻）水流量歷史記錄和實時冷凍（卻）水流量采樣記錄計算出k次采樣時刻冷凍水循環周期s：
　　
　　式中，為冷凍水管道容量；為第i次采樣時刻的冷凍水流量；為采樣周期。
　　冷卻水循環周期s：
　　
　　式中，為冷卻水管道容量；為第i次采樣時刻的冷卻水流量；為采樣周期。
　　根據冷凍水循環周期s提取第k次采樣時刻一個循環周期之前的冷凍水出水溫度和實時冷凍水回水溫度計算第k次采樣的冷凍水溫差為：
　　
　　式中，為第k次采樣時刻，s為冷凍水循環周期；
　　為第k次采樣時刻一個循環周期之前的冷凍水出水溫度（如圖中灰色部分）；
　　為第k次采樣時刻的冷凍水進水溫度（如圖中灰色部分）。
　　同樣，第k次采樣的冷卻水溫差為：
　　
　　式中，為第k次采樣時刻，s為冷卻水循環周期；
　　為第k次采樣時刻一個循環周期之前的冷卻水出水溫度；
　　為第k次采樣時刻的冷卻水進水溫度。
　　3.2冷凍水系統校正
　　當蒸發器兩端的溫度反饋至溫度調節器，根據時間計算出冷凍出回水實時溫差，由冷凍出回水設定溫差、冷凍出回水實時溫差，溫差調節器采用模糊控制計算出冷凍水流量調節量，冷凍水流量調節量與前饋控制量疊加作用于冷凍水泵變頻器，調節冷凍水泵工作頻率，控制冷凍水泵水流量。
　　中央空調具有非線性、大滯后、強耦合的時變特征，模糊控制已經在中央空調控制系統中取得了良好的應用，本系統中，溫度調節器仍采用模糊控制調節水泵和風扇變頻器頻率，調整水流量。
　　溫差調節器采用模糊控制獲得的冷凍水流量調節量，它與前饋控制量相疊加，作用于冷凍水泵變頻器，調節冷凍水泵工作頻率，控制冷凍水泵水流量。
　　3.3冷卻水系統的控制
　　冷卻水系統的控制類似于冷凍水系統的控制，冷凝器兩端的溫度反饋至溫度調節器，溫度調節器根據時間關系計算出冷卻出回水實時溫差，由冷卻出回水設定溫差、冷卻出回水實時溫差，溫差調節器采用模糊控制計算出冷卻水流量調節量，冷卻水流量調節量與前饋控制量（同冷凍前饋控制量）疊加作用于冷卻水泵變頻器，調節冷卻水泵工作頻率，控制冷卻水泵的水流量。冷卻塔風扇的轉速上升，冷卻水系統流量上升。
　　4.結語
　　本文提出的中央空調智能控制系統，對出回水溫度進行校正，依據時間同步的出回水溫差調節水泵、風扇轉速，改善系統的控制能力及及時性；基于無線傳感網采集空調區域的實時室溫，檢測無人房間，實施冷凍（卻）水泵、風扇轉速的前饋控制，使中央空調的舒適性和能耗指標得到進一步的提升。實驗數據表明，采用本文所述智能控制系統，中央空調區內溫度超出設定值上下限時間為總開機時間的10%，而由于無人房間的采集及前饋控制、出回水溫差同步處理等引入，能耗降低21%.
　　參考文獻
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