暖通設計|中央空調製冷站控制策略分析
針對中央空調製冷站，詳細介紹並分析了幾種製冷站控制方法，包括變水溫控制方法、冷凍水變流量控制技術、冷水機組群控策略、冷凍站變流量及變水溫綜合節能優化控制策略。通過對這幾種控制方法的分析可以看出，採用基於負荷預測的冷凍水流量動態控制策略可以使得冷凍水系統始終處於最佳的冷量供應狀態，並節省冷凍水泵的能耗。採用冷凍站變流量、變水溫綜合節能優化控制策略，綜合考慮制冷機的能耗與冷凍水泵的能耗，將二者的運行功率之和最小作為優化性能指標。同時對冷凍水泵的頻率和制冷機的冷凍水出水溫度進行優化控制，可以在保證末端負荷冷量需求的同時，大大地降低製冷站的功率損耗，達到製冷站節能優化運行的目的。
隨著中央空調的普及，建築物能耗大大增加，而中央空調系統的能耗占建築物總能耗的一半以上，空調用電需求和所佔電網供電比例越來越大。作為中央空調系統的核心，製冷站的能耗佔主要因素，對中央空調系統製冷站進行節能優化運行控制策略研究具有重要的現實意義。中央空調系統製冷站主要由制冷機組、冷卻水泵、冷凍水泵和冷卻塔等設備組成。本文根據製冷站的特點，對製冷站的控制方法進行了分析。
傳統的空調製冷站控制方法
在一次/二次泵冷凍水系統中，如果假定負荷與流量成正比，冷凍水供回水溫差恆定，並且系統運行在設計工況下，傳統的控制方式是：可以根據系統流量將冷水機組分階段地投入運行，使得冷水機組按照流量進行逐台載入或卸載。當二次迴路的流量增加開始超過一次迴路時，增開一台一次泵和冷水機；當二次迴路的流量減少到超過一台冷水機的流量時，便關閉一台冷水機和一次泵。
但是，由於盤管結垢、溫控器設定錯誤和冷凍水供回水溫差過小等因素，系統很少會在設計的溫差下運行，大部分時間都是在部分負荷下運行。因此，以流量來反映負荷的狀態並不可靠。所以，在傳統的空調製冷站控制方法中，控制的假定條件通常是不成立的。通過這種控制方法來控制空調製冷站的運行，勢必會造成以部分負荷狀態運行的冷水機組台數比實際需要投入運行的台數多，使得製冷站的運行效率低下。
例如，使用碳氫類製冷劑的冷水機，隨著冷凝器入口的冷卻水溫度每降低1℃，其製冷量可以增加0.5% ～1.5%。但是，當冷水機組按照流量進行逐台載入或卸載時，卻無法發揮其在較高能效比運行工況下製冷量增大的好處。在典型的一次/二次泵冷凍水系統中，只要流量超過了一台冷水機的設計流量，即使運行中的冷水機組處於部分負荷運行狀態，下一台冷水機組便須投入運行。
為了提高運行效率，必須採取措施來避免冷凍水供回水溫差減小，使冷水機組合理載入和卸載。
變水溫控制方法
由於受氣象條件等因素影響，空調系統在多數時間都處於部分負荷下運行，空調負荷遠小於設計負荷。因此，根據空調負荷的全年變化情況，在部分負荷時段調整制冷機運行參數，適當提高制冷機蒸發溫度及冷水供水溫度，可以提高機組的運行效率，降低運行能耗。
研究表明，隨著冷水機組的出口冷水溫度升高，冷水機組的製冷量逐漸增加，COP值逐漸增加。冷水溫度的升高使冷水機組的蒸發壓力和蒸發溫度升高，從而改善主機的製冷性能，使得製冷量和COP 值增加。當空調負荷變化時，可以通過調節離心式制冷機進口導葉或調節轉速，改變蒸氣吸入量，以適應供冷量的要求。冷水溫度與供冷量分階段呈線性關係，冷水溫度越低，供冷量越大。當冷水流量較低時，提高冷水流量能夠顯著增大供冷量；當冷水流量較大時，再提高冷水流量並不能使供冷量明顯增大。冷凍水出水溫度每升高1℃，COP提高2%～4%。因此在滿足工藝要求的基礎上盡量提高制冷機組出水溫度可達到節能的目的。所以，根據氣象條件和空調負荷的變化，確定合理的供水溫度，在部分負荷時段實行分階段變水溫運行，即在不同的時間段採用不同的制冷機組出水溫度，可以提高制冷機運行效率，降低運行能耗，達到節能運行的目的。
中央空調冷凍水變流量控制技術
目前，最常見的中央空調冷凍水變流量控制技術，主要有恆壓差控制和恆溫差控制兩種。
1.恆壓差控制
恆壓差控制是指通過恆定冷凍水供回水壓差來調節冷凍水流量。通過安裝在冷凍水系統管路上的壓差感測器檢測到冷凍水供回水壓差，將實測壓差與設定壓差進行比較，然後根據二者之間的偏差採用PID 控制技術來對變頻冷凍水泵進行變頻控制，從而對冷凍水泵進行流量調節。
由於壓差響應的時滯性比較小，當負荷側流量波動頻繁時，壓差能夠較快跟隨流量的變化而變化，調節時間較短。但是，由於冷凍水系統的負荷與壓差之間沒有直接的關係，空調負荷的變化不能準確地通過壓差的變化來描述；同樣，壓差的變化也不能準確地反映負荷的變化。因此，將壓差作為被控變數來調節冷凍水流量，不可能保證冷凍水流量準確地隨著負荷變化而變化。冷凍水系統中供回水管路之間的壓差是由其阻力產生的。當冷凍水流量沒有發生明顯變化時，水流阻力也不會發生明顯變化，此時壓差是不會改變的。但是，如果冷凍水流量不變，當空調負荷變化時，冷凍水溫度會隨之改變，而壓差卻沒有改變。此時，恆壓差控制便失去對冷凍水流量的有效控制。因此，恆壓差控制僅僅適用於負荷變化並伴隨有明顯的冷凍水流量變化，從而有壓差變化的場合。
2.恆溫差控制
恆溫差控制是指通過恆定冷凍水供回水溫差來調節冷凍水流量。通過安裝在冷凍水系統管路上的溫度感測器檢測到冷凍水供回水溫差，將實測溫差與設定溫差進行比較，然後根據二者之間的偏差採用PID控制技術來對變頻冷凍水泵進行變頻控制，從而對冷凍水泵進行流量調節。
由於冷凍水供回水溫差的變化可以直接反映空調負荷的變化，因此，將冷凍水供回水溫差作為被控變數，可以獲得比較好的控制效果。但是，由於溫度採集點離空調末端有一定的距離，並且空調管路比較長，冷凍水要經過一個循環(一定時間)後，其溫度變化才能反映出來。因此，恆溫差控制也具有時滯性，當前時刻所檢測到的冷凍水供回水溫差，實質上反映的是一段時間以前的溫度變化。將其作為被控變數來調節冷凍水流量，也不可能保證冷凍水流量準確地隨著負荷變化而變化。當空調負荷發生突變時，由於溫度變化的時滯性導致冷凍水流量不能及時地跟隨負荷的變化而產生相應的調節動作，存在較大的控制時間滯後，影響了控制的及時性和快速性。
以上兩種控制方法都採用了經典的PID控制。PID控制需要通過對比例係數Kp積分時間常數Ti和微分時間常數TD進行整定。這種整定過程實質上是對比例、微分和積分三部分控制作用的折中，整定過程中三個參數之間互相影響，很難收到預期的效果。PID控制無法解決穩定性與準確性之間的矛盾。加大控制作用，可以使偏差減小，準確性提高，但卻降低了穩定性；反之，如果限制控制作用，可以保證穩定性，但是卻又降低了控制作用的準確性。
3.變水量控制策略
變水量節能控制是要使冷水所載的冷量及冷卻水所帶走的熱量與不斷變化的末端負荷相匹配，從而能夠節約水輸送環路水泵的運行費用。隨著溫度和濕度以及其他環境因素的變化，空調系統的負荷會發生變化，所需的水量也會隨著負荷的變化而變化。
通常情況下，由於冷水機組絕大多數都在低負荷的情況下運行，如果水泵的頻率與負荷的變化不匹配，會造成嚴重的大流量小溫差現象。在進行變水量節能控制時，要保證各設備在大範圍內變流量運行的同時，將出水溫度控制在允許的範圍內。
在冷凍水泵變頻、冷卻水泵定頻的情況下，採用變水量控制策略，通過控制冷凍水泵的頻率來改變冷凍水的流量，達到減少冷凍水泵的耗能的目的。由於僅僅通過溫差控制來實現水泵的變頻，會使水泵頻率波動較大，影響控制的穩定性。因此，可以在溫差控制的同時，對末端空調機組的水閥開度進行控制，通過末端空調機組水閥開度和末端溫差來控制水泵的頻率，可以在保證末端負荷冷量需求的同時，大大減小冷凍水泵的能耗，從而達到較好的控制效果和節能效果。
4.基於負荷預測的冷凍水流量動態控制
負荷預測控制是指基於對空調系統負荷的預測而對冷凍水流量進行控制。負荷預測控制是一種超前控制，它通過對冷凍水系統供水溫度、回水溫度、流量、溫差和室外環境溫度等參數進行檢測，對數據進行分析、處理，採用先進的負荷預測方法，推理出空調系統「未來時刻」的負荷，提前對冷凍水泵進行變頻控制，對冷凍水流量進行調節，使系統提供的冷量與負荷需求的冷量相匹配，最大限度地減小偏差。
(1)基於負荷預測的冷凍水流量模糊控制技術
當系統運行時，首先通過負荷預測技術對空調負荷進行預測，通過當前時刻的冷凍水系統供水溫度、回水溫度、流量、溫差、空調區域實際冷量、室外環境溫度和室外太陽輻射強度等參數，預測出下一時刻的空調負荷(即空調區域所需冷量)，將其傳送給模糊控制器。模糊控制器通過比較得到被控空調負荷偏差及偏差變化率，利用模糊控制規則庫中的一系列控制規則，經過模糊推理，得到可以獲得預期冷量的系統優化運行參數(如冷凍水流量) 的模糊控制值，並對其進行清晰化處理，將其轉換為精確的控制量，通過執行器去控制冷凍水泵(被控對象)的運行台數和轉速，從而調節冷凍水流量，為下一時刻提供空調設備所需的冷量。
將當前時刻的實際負荷與預測負荷進行比較，根據二者的偏差對預測負荷控制效果進行評估，並根據比較和評估情況，對負荷進行實時在線修正：當空調實際負荷大於預測負荷時，提高冷凍水泵的轉速，從而增大冷凍水流量，以增加冷量供應，保證空調末端對冷量的需求；當空調實際負荷小於預測負荷時，降低冷凍水泵的轉速，從而減小冷凍水流量，以減小冷量供應，減少多餘的冷量輸送。
將負荷預測控制技術與模糊控制技術結合起來，對冷凍水泵進行變頻控制，通過不斷地反覆檢測、反覆比較和反覆調節，就可以實現空調負荷所需冷量與冷凍水泵所提供的冷量相適應，使得冷凍水系統始終處於最佳的冷量供應狀態，節省冷凍水泵的能耗。
(2)冷凍水流量神經網路模糊預測優化控制技術
作為一類優化控制演算法，預測控制與通常的離散最優控制演算法不同，不是採用一個不變的全局優化目標，而是採用滾動式的有限時域優化策略。這意味著優化過程不是一次離線進行的，而是反覆在線進行的。這種有限優化目標的方法，在理想情況下只能得到全局的次優解。但其滾動實施，卻能顧及由於模型失配、時變和干擾等引起的不確定性，及時進行彌補，始終把新的優化建立在實際的基礎上，使控制保持實際上的最優。預測控制的三個特徵，即預測模型、滾動優化和反饋校正，正是一般控制論中模型、控制和反饋概念的具體體現。預測控制的滾動優化和反饋校正始終建立在實際控制過程的基礎上，能夠有效地克服控制系統中模型不精確、非線性和時變等不確定性的影響。
可以將神經網路、模糊控制與非線性預測優化控制結合起來，採用神經網路模糊預測優化控制方法對冷凍水流量進行預測控制。採用前饋神經網路作為預測模型，以自調整模糊控制器作為優化控制器，採用多步預測方式，系統的優化性能指標綜合考慮負荷偏差(即空調負荷實際冷量與預測冷量之間的偏差)最小和冷凍水泵的能耗最小這兩方面因素。
神經網路模糊預測優化控制系統的結構如圖1所示。
圖1 神經網路模糊預測優化控制系統結構圖
由於建立中央空調系統的負荷預測模型需要的相關變數很多，各變數之間的關係相互耦合，錯綜複雜，而且中央空調系統具有很強的非線性和時變性，採用傳統的機理建模方法不容易實現。
基於神經網路的建模方法避開了傳統意義上具有確定數學關係的模型，它利用神經網路所具有的自學習能力和良好的逼近非線性映射的能力，在非線性系統建模中有明顯的優勢。因此首先利用前饋神經網路建立對象的負荷預測模型。採用三層前饋神經網路作為中央空調系統的負荷預測模型，神經網路預測模型由輸入層、隱層和輸出層組成。將k時刻的室外太陽輻射強度、室外溫度、室外相對濕度、冷凍水系統供水溫度、回水溫度、流量、溫差、空調區域實際冷量和冷凍水泵的變頻器控制電壓等作為神經網路預測模型的輸入，將k+1時刻的空調負荷冷量作為模型的輸出。在對神經網路預測模型參數進行辨識時，應注意到神經網路的泛化問題。為了提高神經網路的泛化能力，採用貝葉斯正則化方法來對神經網路預測模型進行辨識。
然後採用多步預測性能指標來訓練自調整模糊控制器，對於每一個採樣時刻，性能指標只在涉及從該時刻起的未來有限時段內進行優化。到了下一採樣時刻，優化時段同時向前推移，這樣便可以保證最優點的獲得，也能減輕搜索最優點過程中的計算量，使控制策略反應更及時。
最後將自調整模糊控制器與神經網路預測模型相結合，利用神經網路模糊預測控制策略對冷凍水流量進行預測控制。採用神經網路模糊預測控制策略對中央空調冷凍水流量進行控制，可以取得良好的控制效果，同時又能根據性能指標的要求降低冷凍水泵的能耗，從而在滿足空調負荷要求的同時，也達到了節省冷凍水泵能耗的目的。
冷水機組群控策略
對冷水機組實施群控優化控制，可以節約能源，在滿足末端負荷的基礎上減少制冷機的運行數量，並且可以對制冷機的使用時間進行優化控制。上位機通過與冷水機組實時通信獲得冷水機組的負載率、運行狀態等參數，根據單台制冷機的負載率或多台制冷機的平均負載率來控制冷水機組起動或停止的台數，根據每台冷水機組的總運行時間決定優先關閉或是優先起動幾號冷機。冷水機組群控策略流程圖如圖2所示。
圖2 冷水機組群控策略圖
冷凍站變流量和變水溫綜合節能優化控制策略
冷水機組最高的COP一般不出現在滿負荷時，而是出現在部分負荷時。制冷機的出水溫度設定值對COP 有著重要的影響。提高制冷機的出水溫度(即冷凍水出水溫度)可以提高COP的值，二者基本呈線性關係。冷凍水出水溫度每升高1℃，COP 提高2%～4%。因此在滿足工藝要求的基礎上盡量提高冷機出水溫度可達到節能的目的。但是為了滿足末端機組對環境的要求，通常應設定冷機出水溫度的上下限，這個限值可根據冷機長期運行的結果獲得。
在變流量系統中，隨著冷凍水溫度的變化，水泵能耗與制冷機能耗在一定程度上相互影響。
冷機與冷凍水泵的能耗關係如圖3所示。由圖3可以看出，制冷機的能耗隨著冷凍水溫度的提高線性降低。同時，由於需要較大的流量來滿足末端的需求，水泵能耗會隨之非線性上升。冷機與水泵能耗之和先下降到最低點然後上升。因此，在某一部分負荷下，會存在一個最佳冷凍水供水溫度，使冷機和水泵的能耗之和最小。
圖3 冷機與冷凍水泵的能耗關係
採用冷凍站變流量、變水溫綜合節能優化控制策略，將冷凍泵的運行功率和制冷機的運行功率之和最小作為優化性能指標，在冷凍水泵的頻率不斷變化的基礎上計算出最佳的制冷機的冷凍水出水溫度。在滿足末端負荷要求和保證設備安全的前提下，通過提高冷凍水的出水溫度來提高制冷機的COP，達到制冷機節能的目的。
這種控制策略將變流量控制與變水溫控制結合起來，綜合兩種控制方法的優勢，綜合考慮制冷機的能耗與冷凍水泵的能耗，將二者的運行功率之和最小作為優化性能指標，同時對冷凍水泵的頻率和制冷機的冷凍水出水溫度進行優化控制。可以在保證末端負荷冷量需求的同時，大大地降低製冷站的功率損耗，達到製冷站節能優化運行的目的。
結束語
中央空調系統製冷站主要由制冷機組、冷卻水泵、冷凍水泵和冷卻塔等設備組成。空調冷負荷是隨著外部條件的變化而變化的，空調系統滿負荷運行的時間僅佔總運行時間的15%～20%，使制冷機組大部分時間都處於低負荷的運行狀態，很難保證制冷機組在高效率下工作。影響空調系統能耗的主要因素是制冷機本身的性能以及冷凍水的流量和供回水溫差，影響水泵和風機能耗的主要因素是輸送水或空氣的流量和水或空氣在輸送過程中的阻力。因此對建築物空調冷負荷的變化規律、制冷機組部分負荷性能、制冷機組選配方案和製冷站運行模式優化的研究越來越受到研究人員的重視。
本文介紹了幾種常用的中央空調製冷站的控制方法，由於系統大部分時間都是在部分負荷下運行，傳統的空調製冷站控制方法會使得製冷站的運行效率低下。在變水溫控制方法中，可以根據氣象條件和空調負荷的變化，確定合理的供水溫度，在部分負荷時段採用不同的制冷機組出水溫度，實行制冷機分階段變水溫運行，可以提高制冷機運行效率，降低運行能耗，達到節能運行的目的。
在中央空調冷凍水變流量控制技術中，基於負荷預測的冷凍水流量動態控制首先對空調負荷進行預測，推理出空調系統「未來時刻」的負荷，然後採用模糊控制技術對冷凍水泵進行預測優化控制，提前對冷凍水流量進行調節，使系統提供的冷量與負荷需求的冷量相匹配，最大限度地減小偏差。
冷水機組群控策略可以根據單台制冷機的負載率或多台制冷機的平均負載率，來控制冷水機組運行或停止的台數，控制冷水機組的起停。將溫差控制與對末端空調機組的水閥開度進行控制結合起來，可以消除僅僅採用溫差控制可能會導致的冷凍水泵頻繁起動的問題，達到較好的控制效果。採用冷凍站變流量、變水溫綜合節能優化控制策略，將變流量控制與變水溫控制結合起來，綜合了兩種控制方法的優勢，可以達到良好的製冷站節能優化運行效果。
本文來源於互聯網，為大家學習製冷站控制策略提供學習借鑒。
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