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集中空调自动控制系统与空调节能相关性分析


集中空调自动控制系统与空调节能相关性分析
摘要:节能是集中空调控制系统的目的。集中空调控制系统充分利用现代控制技 术加强系统的综合控制管理能力,节约了大量的能源,是目前最理想的空调自动 控制系统。 关键词: 中央空调系统 自动控制 节能

Analysis in the relation between Automatic control in Ce

ntral Air-Conditioning Systems and Energy Saving
Abstrct: Energy Saving is a purpose that Automatic control in Central Air-Conditioning Systems. Air condition control the system make use of modern control technique to

enhance the synthesizing of ability to control and manage the system ,and economize large quantity of energy, is now most ideal air condition automatic control system. Key words: Central Air-Conditioning Systems Automatic Control Energy Saving

随着经济的发展和社会的进步,人们对物质生活与精神生活的要求也逐日高 涨,对生产、生活场所的条件越来越要求方便、舒适、高效、安全以及环保节能, 这些需求极大地促进了建筑智能化系统的推广应用,使得建筑的智能化已成为一 种发展的必然趋势。因此,用大面积空调建立一个可控制的人工环境成为智能建 筑不可缺少的重要组成部分 , 对建筑物内空调设备控制管理的智能化是智能建筑 的重要标志 [3] ,对现代建筑运行节电节能产生重要的影响。

1.

空调控制系统的发展
现代化的高层建筑空调设备多,对其操作的方式经历了若干阶段。

1

在使用计算机以前采用大型仪表盘对各种设备进行监控,通过仪表盘在中央 监控室进行集中式的操作。由于采用一对一的配线,造成配线太多,因而只有少 数重要设备在中央监控室进行集中监控, 而大多数设备仍在现场进行操作、 监测、 记录,工作效率低,系统控制的准确性和可靠性差。 80 年代以来,由于微机技术的发展,开始采用计算机监控。控制系统是采用 DDC 系统(直接数字控制系统),该系统由中心控制机、扩展 I/O 接口构成系统, 可靠性差,抗干扰能力差,实现大范围控制比较困难。 以上两种操作方式,已达不到建筑节能的目的。随着计算机控制技术的发展, 控制系统进入集散型时代,以往由中央监控主机完成的控制功能下发到廉价的现 场控制器, 中央控制的功能由现场控制变为仅提供各种数据报表和专项统计文件, 形成了集中监视、 集中管理、 分散控制, 也就是 BSA ( Building Automation Syetem ) 系统。在进入 90 年代以后,现场总线技术的应用,增加了现场控制的灵活性和 可靠性。该控制模式对空调设备的控制、安全保护、节能、维护管理等起着积极 的意义,并带来巨大的经济效益,是目前空调节能的一个重要途径。

2.

集中空调控制系统的组成和特点
集中空调控制系统是 BSA 系统最重要的组成部分之一,它集计算机技术、控

制计算、神经网络技术和通讯技术、制冷技术于一体,具备空调系设备控制自动 化、安全自动化、能源管理自动化、空调设备管理自动化四大功能。图 2 - 1 为 集中空调控制系统原理图之一 [3] 。

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中央监控计算 机

显示屏

PLCPT

PCLPT P PCLPT CLPT

LONBUS

智 能 节 点

智 能 节 点

智 能 节 点

现场传感器及执行器 (图 2-1 ) 该系统采用一级网络现场总线结构, LONWORKS 总线,连接若干智能节点。 每个智能节点由一个 Neuron Chip (神经元芯片)、 I/O 电路,通讯媒体收发器等 组成。通过口线直接与现场传感器连接,实现点到点通讯,现场传感器能独立工 作。中央监控计算机通过 PCLTA 网络接口与 LONWORKS 相连。 另外还可以采用二级网络四级结构控制系统、 Sea Change 控制模块等,系统 产品多种多样,各有特点,均有自己的特色,功能强大,运行可靠、节能效果好, 成功地应用到很多智能建筑,取得了显著的经济效益和社会效益。

3.

集中空调控制系统与节能
制冷空调是耗能大的行业之一。 目前广泛采用的蒸汽式制冷消耗大量的电能,

其消耗电能所占的比重越来越大。据报道,北京、深圳的夏季集中空调用电量, 已分别占全市总用电量的 25% 和 35% 。在建筑大厦内,空调机电设备所耗能源几 乎占大厦耗能的 50% 。空调系统的能量消耗重要在冷热源及输送设备系统上,据

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统计分析,其中冷热源使用能量占 40% ,输送系统占 60% 。因此,制冷空调系统 的节能也就越来越显得重要。 随着科技的发展,观念的更新,对节能的认识从单纯地抑制需求、减少耗能 量,发展成为用同样的耗能量,或用少许增加的耗能量来取得最大的经济和社会 效益,满足日益增长的需求为目标进,也就是 “ Energy Saving” 已经逐渐为 “Energy Efficiency” (能量效率)所取代。 智能建筑的节能是指智能建筑内能源的消费和合理利用之间的平衡关系。实 现智能建筑的节能是建设智能建筑的目标,通过节能管理,节省大厦的运行和管 理费用和成本。从使用能源的目的和方式进行划分,节能可以分成直接节能,广 义节能和潜在节能三种类型 [2] 。 直接节能,指的是减少不合理的需求来节约能耗。例如提高制冷机效率、杜绝 管道泄漏等原有传统建筑所采用的节能方法 , 即“被动节能”。 广义节能, 则是指在满足需要的前提下提高能源的利用率,从而减少能源的消 耗。 潜在节能,是把能够利用的能源尽可能地利用起来。例如,对太阳能的利 用就是潜在节能的典型实例。 对于集中空调自动控制系统而言,体现在广义节能方面。集中空调控制系统 采用先进的科技来达到更准确的调整和控制,加强了对设备的运行控制能力,优 化运行过程,使得能源更加 “ 精确化 ” 地消耗,即“主动节能”。 ( 1 ) 空调设备的检测 空调的自动控制任务主要是对以空调房间为主要调节对象的空调系统的温 度、湿度、及其它有关参数进行自动检测、自动调节以及有关信号的报警、联锁 保护控制,以保证空调系统始终在最佳工况点运行,满足工艺条件所需求的环境

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条件。因此对描述系统运行工况的状态参数即空气、水、制冷剂的温度、压力、 流量的准确检测是进行控制和管理的基础 [1] 。 在集中空调控制系统中,广泛采用了各种检测元件(传感器、变送器等)和 仪表,采集和测量各种被控参数。 温度: 热电阻、 热电偶、 热敏电阻以及数字集成传感器等, 如采用 14~16BitA/D 转换器可以达到 0.1 ° C 的测量精度,水银温度计、酒精温度计等老式测量温度方 法已达不到精确控制的要求。 湿度:高分子薄膜湿度传感器,热固聚酯电容式传感器等,测量精度可达 2~3 %,输出标准信号和数字信号,方便了传感器与计算机的接口。 压力、压差:扩散硅压力、压差传感器,具备高可靠性和稳定性,测量精度 可达 0.1% 。 流量:涡旋流量传感器、多普勒流量传感器等具有插入损失小、稳定性好、 测量精度高、输出标准信号等优点。 以上是集中空调控制系统常用的测量方法,各种测量元件具备高可靠性、测 量精确度高、输出稳定,直接降低了信号传递的误差,提高了空调控制系统的控 制精度。 ( 2 ) 集中控制系统弥补了设计合理冗余与不合理冗余带来的不足。 空调系统是个具有强烈动态特点的非线性系统,在运行中存在着极其复杂 的动态扰动。空调设计的冗余现象是极其普遍的。空调设计中的冗余大致出于二 个原因:一种是静态设计带来的合理冗余。设计师按照当地气象资料的极端气温 条件来确定各台空调的负荷峰值,在实际运行中肯定不会始终处于极端气象条件 下。这种稳态设计就产生了设计的冗余。另外,运行过程中各空间的最大负荷并 不是产生在同一时间段,在时间上有一定的参差,这又形成了供能的冗余。这种

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设计冗余应该说是不可避免的。另一种人为的冗余则是完全不合理的。在实际设 计中大多沿用经验设计,只考虑 “ 冬天热得上去,夏天冷得下来 ” ,设计时加大保 险系数,运行时不考虑能耗的多少,这种不合理的冗余自然造成了空调能源的极 大浪费。 集中空调控制系统以流量作为空调供回水系统的基本控制对象,确立流量控 制是空调精确化运行核心的思想 [2] ,通过对空调系统的供回水系统的随动控制, 及时调整总供水流量,保证现场温湿度的调控要求,实现精确化运行,弥补合理 冗余与不合理冗余带来的不足,彻底解决 “ 大马拉小车 ” 问题,节能的成效显著。 ( 3 ) 集中空调控制系统控制的集成与优化 空调设备的运行工况决定了系统的耗能水平,在保证系统达到调节室内空 气状态的前提下,使系统能做到节能运行,甚至优化运行,控制方式的选择是关 键,不同的控制方法其冷热能耗相差极远,可以达到 1 倍甚至 2 倍以上。 从空调系统运行的实际状况出发,空调设备采取了相应的节能控制方法。 如焓值经济循环控制;夜间冷却控制;风输送系统变速、变风量( VAV )节能控 制;风输送末端调节( TRAV )节能控制;制冷机制冷剂流量( VRV )节能控制; 以热舒适性指标 PMV 为参数的模糊控制;能量管理控制等。 集中空调控制系统采取集散控制,即集中管理、分散控制,利用微计算机 技术和网络技术将空调设备集成一个系统,充分发挥了上述各种节能控制方法 的节能效率,使系统在舒适性和节能性上得到质的飞跃。 1 ) 集中空调控制系统运用现代的控制理论,如模糊控制、预测控制、推 理控制及模糊控制等,采用闭环控制的各环节联合自动控制,解决了基于传统的 经典控制理论,如开断控制规律、断续 PID 控制规律、 PID 控制规律等,控制规

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律简单,单输入单输出,无法实现算法较为复杂的控制规律的问题,顺利地实现 多变量、非线性的控制。对于复杂的热工过程来说,其控制效果令人满意。 2 )集中空调系统改变以往控制设备各自为政的局面,利用微计算机技 术和网络技术将空调设备集成一个系统,实现资源共享,使我们能够了解空调 系统的历史运行情况,及时知道整个系统各设备的当前运行情况,可以从系统 的各种可能结构和参数中找到最佳匹配,使整体效能最佳,从而提高系统的效 率,降低投资和运行费用;可以对系统及其过程进行定量化的状态模拟,减少 控制环节,提高可靠性与稳定性,发生故障概率降到最低可能限度,系统响应 输出最优化;对系统运行状况进行调整和有效控制,使系统始终在最佳工作点 上,达到节能运行。 ( 4 ) 集中空调控制系统管理的优化 集中空调控制系统采取集中管理、分散控制的管理方式,利用 LONWORKS 计算机网络技术将空调控制系统中的各检测点和控制点及管理站相互连接,采取 树形和总线形混合拓扑结构 [1] , 具有层次清楚、 可靠性高、 灵活、成本低的优点。 。 该系统以微型计算机为核心,综合计算机技术、控制技术、通信技术、图形显示 等技术。它不仅具有传递控制功能、集中化的信息管理和操作显示功能,而且还 有大规模的数据采集、处理功能以及较强的数据通信能力,为实现高级控制过程 和生产管理提供了先进的工具和手段。 它的使用大大提高了空调系统的管理水平, 通过使用新的控制技术改变传统的运行方式, 对空调设备进行科学地控制和管理, 使系统进一步节能、节省维护管理工作量、管理人员和运行费用。

结束语:

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集中空调控制系统开创了空调自动控制的新时代,虽然目前该系统还存在一 些不足的问题,但它在空调设备的控制和管理上的优势是传统控制方式无法替代 的, 其经济效益和社会效率是显著的,可以说是目前最理想的空调自动控制系统。

参考文献 〔 1 〕李金川,郑智慧 工业出版社, 2002. 〔 2 〕王凌云,徐菱虹 智能建筑 .2000,(9):24~27 〔 3 〕郭维钧,贺智修,施荐诺等 出版社, 2001. 建筑智能化技术基础〔 M 〕 . 北京:中国计量 智能建筑与集中空调系统控制〔 J 〕 . 工程设计 CAD 与 空调制冷自控系统运行与管理〔 M 〕 . 北京:中国建材

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