ECS中央空调调适系统

上海泰豪智能节能技术有限公司 张纪文

1 概述

中央空调系统的建设(设备的投入、电网的设计等)都是按照最大负荷来设计的，因此中央空调大部分时问都处于部分负荷状态下，在实际运行中，中央空调负荷减少时并没有减少多少消耗的能量，显然这是不合理的。随着技术的进步，促进了变频器的小型化和实用化，为了降低中央空调系统的能源浪费，人们开始采用变频器来控制空调系统的水泵和风机实现节能的效果。

传统的中央空调控制方法通过采集水循环系统的压差和温度，采用可编程序控制器（PLC），对水泵进行PI（比例、积分）调节控制或者PID（比例、微分、积分）调节控制，以实现节能。PLC能实现简单的逻辑功能，最常见的节能控制方法有恒温差控制和恒压差控制，PLC控制方法可以达到一定的节能效果，而且PID控制原理简单、使用方便，价格也比较便宜，但其也存在一些不足：PI或者PID调节器最重要调节系数Kp(比例系数)、Ti（积分时间常数）、Td（微分时间常数）只能是一个固定值，通常是在设备调试阶段，由经验丰富的调试人员手工整定的，数据一旦整定后，它就固定不变，不能随着受控环境的变化而自动调整。而实际上，中央空调系统是一个时变的动态系统，其运行工况是和气候条件、建筑物材料、建筑内人流量等多种因素密不可分的，是随时变化的，因此，静态参数的控制方法并不适合于中央空调系统的节能控制。此外，PLC只能实现单参量的简单控制功能，当用于控制中央空调系统这样多参量、非线性时变高耦合复杂系统时，容易引起系统震荡，使得控制温度在较大范围内变化，既影响了系统的稳定性、又降低了空调系统的舒适性。

针对PID控制方法的不足，有些厂家提出了一些基于人工智能技术的控制方法，其中比较有代表性的是中央空调节能模糊控制方法。该控制方法主要是模拟人类的思维模式，当一个熟练的操作工人，遇到工况变化的情况，经过自身大脑的思维判断，给出控制量来控制系统。例如当工人发现冷冻水供回水温差小于某个设定值（系统负荷降低），可以选择降低冷冻泵的控制频率，达到节能的效果。而当冷冻水供回水温差大于某个设定值（系统负荷增加），则必须增加冷冻泵的控制频率，保证空调系统制冷效果。

中央空调节能模糊控制方法主要是模拟人类的思维模式来对中央空调系统进行控制，包括了温差偏差变量模糊化、温差偏差变化率模糊化、模糊推理、模糊量清晰化处理和清晰量输出等几个主要过程。和传统PID方法相比，更加符合中央空调的复杂性、动态性和模糊性，能够实现比PID更加精准的控制效果，实现更大的节能效果。但是它也同样存在着一些不足：首先模糊控制方法是根据专家的丰富实践经验和思维过程构建的模糊规则，然后依此规则作为控制的基础，因此规则库制定方法对控制效率有着决定性作用，但是规则库的建立需要依赖大量的实践数据，从大量的应用环境中收集最有效的控制规则，然而如何评价采用的规则是最有效的，现在并没有定论。其次，规则库考虑的是大多数应用的普遍性，而每个具体应用的工况也是有所区别，因此并不能达到最优化的控制。再次，也是最重要一点，采用模糊控制方法主要只是针对了中央空调系统中的水泵系统进行节能控制，而水泵变频对制冷主机效率和冷却塔效率的影响并没有考虑，例如冷却水泵降低频率可以节省水泵电量，但是主机的耗电量有可能会上升，因此这种方法并不能体现系统整体节能的最优化控制。

综上所述，通过检测和控制技术实现建筑物中合理耗能，按照需求供给能量，则就能够实现中央空调系统的节能。当前的中央空调节能控制策略主要针对系统中的单个设备和局部环节，事实已经证明这种控制策略并不能很好的实现节能的要求。由于中央空调本身是一个热交换过程，具有大滞后、多干扰特点，是一个多输入多输出的高度耦合系统，所以为了提高控制的效果，必须从整体上和以负荷为对象来考虑系统的设计。

为了解决中央空调节能优化控制问题，上海信业智能科技股份有限公司和清华大学自控系联合开发了ECS（Energy-SavingCommisioning System）中央空调调适系统，该系统通过全面的参数采集，实时监控中央空调系统的运行，将冷冻站系统中各电气设备耗能情况实时计量分析，建立运行专家系统数据库，对冷冻站设备的能耗模型进行辨识。冷冻水采用动态规则模糊控制算法，根据运行状况在线更新规则库；冷却水采用启发式搜索算法对系统总能耗进行实时优化，在保证制冷量的前提下使系统的总能耗最低。

2 ECS系统结构

如图1所示，ECS中央空调调适系统由数据采集柜、冷冻水泵控制柜、冷却水泵控制柜、冷却塔控制柜和电脑主控制柜组成。控制柜之间采用数字线路连接，可进行实时通讯。各个控制柜实现的功能如下：

2.1 数据采集柜

数据采集柜主要功能是实时采集现场环境参数，包括制冷主机进出口温度、冷冻水流量、冷却水流量、冷冻供回水压差、室外温度和室外湿度等参数。数据采集柜将现场传感器采集到的模拟信号转换成数据信息，采用标准的格式规范传输到电脑主控制柜。除此之外，数据采集柜还负责实时监测制冷主机的运行状态，同时对制冷主机的实时能耗进行计量，包括运行电流、运行电压和实时功率，主机状态数据也必须实时传输到电脑主控制柜。

2.2 冷冻水泵控制柜

冷冻水泵控制柜主要功能包括水泵控制模式切换（远程就地）、冷冻水泵启停控制、冷冻水泵变频控制、冷冻水泵运行状态监测（启停状态、运行状态）和冷冻水泵的能耗计量。冷冻水泵运行状态和能耗计量数据按照一定的格式规范实时传输到电脑主控制柜。在远程模式下，冷冻水泵控制柜还必须实时接收电脑主控制柜发来的启停命令和变频控制命令来对冷冻水泵进行控制。

2.3 冷却水泵控制柜

冷却水泵控制柜主要功能包括水泵控制模式切换（远程就地）、冷却水泵启停控制、冷却水泵变频控制、冷却水泵运行状态监测（启停状态、运行状态）和冷却水泵的能耗计量。冷却水泵运行状态和能耗计量数据按照一定的格式规范实时传输到电脑主控制柜。在远程模式下，冷却水泵控制柜还必须实时接收电脑主控制柜发来的启停命令和变频控制命令来对冷却水泵进行控制。

2.4 冷却塔控制柜

冷却塔控制柜主要功能包括冷却塔控制模式切换（远程就地）、冷却塔启停控制、冷却塔变频控制、冷却塔运行状态监测（启停状态、运行状态）和冷却塔的能耗计量。冷却塔运行状态和能耗计量数据按照一定的格式规范实时传输到电脑主控制柜。在远程模式下，冷却塔控制柜还必须实时接收电脑主控制柜发来的启停命令和变频控制命令来对冷却塔进行控制。

2.5 电脑主控制柜

电脑主控制柜是ECS系统中最重要的控制柜，它的主要功能包括从其它控制柜收集系统中的实时环境数据和实时能耗数据，通过对数据的处理分析后建立运行专家系统数据库，控制主机采用数据回归技术结合数据库中的运行数据完成机电设备运行模型参数的辨识，最后用系统的总能耗数据作为启发式搜索算法的优化目标进行实时优化，找到最优的控制频率并传输给对应的设备控制柜。除此之外，电脑主控制柜还包括了完整的系统人机界面，方便用户操作ECS中央空调调适系统。

3 ECS全局能耗最优控制方法

ECS的控制方法首先是通过对运行数据进行回归分析完成系统设备运行模型参数的辨识，然后用系统的总能耗数据作为启发式搜索算法的优化目标进行实时优化，直到找到最优的控制频率。

3.1 主要机电设备的能耗模型

中央空调系统中的主要机电设备的能耗模型如下：

1）主机的能耗函数Jzj

根据相关文献和研究，主机的能耗与冷凝器及蒸发器温度有关，现在认为一段单位时间内主机的能耗为：

在运行阶段，可以通过相关的传感器获得冷却水与冷冻水的供回水温度，通过计算可以得到某一时刻下空调主机的冷凝温度T冷凝与蒸发温度T蒸发，是空调主机的额定功率。另一方面，主机单位时间能耗Jzj可以通过能耗计量模块获得。在系统实时运行过程中，系统可以得到可以得到大量输入、输出数据对，这样可以根据人工智能算法进行此函数的拟合，例如神经网络的BP算法，通过BP算法还可以根据新进数据进行在线更新。

2)冷冻水泵和冷却水泵的能耗函数Jlq

冷却水泵单位时间内的能耗函数为

其中PIq为冷却水泵的频率，二者基本上是方次的关系，即可以认为JIq=（PIq）α。

与主机能耗函数拟合分析类似，我们可以结合各种参数优化方法（例如最小二乘法等）对函数进行拟合，并且在线更新，当然直接用神经网络也可以完成拟合。

3）冷却塔能耗函数Jlt

冷却塔的能耗函数和水泵比较相似，单位时间内的能耗函数为

其中PIt为冷却水泵的频率，二者基本上是方次的关系，即可以认为JIt=（PIt）α。

同样，可以结合各种参数优化方法（例如最小二乘法等）对函数进行拟合，并且在线更新，当然直接用神经网络也可以完成拟合。

3.2 ECS全局能耗最优化控制方法

根据前面的说明和描述，ECS全局能耗最优化控制方法如下。

1)系统初始化

根据现场实际需求情况，将基本模块分布式安装在中央空调系统被监控对象的工作现场，各个基本模块和系统控制主机之间采用通讯线路连接。根据被监控机电设备的额定值，设定相关能耗函数的初始值。

2)数据采集

环境参数采集模块通过传感器采集室外温度、室外湿度、冷冻水流量、冷却水流量、供回水压差等数值，通过通讯线路将采集的数值实时传回到系统控制主机。

3)能耗实时计量

能耗计量分析模块实时采集系统中各个机电设备的运行状态，包括实时电流、实时电压、实时功率等数值，通过通讯线路将采集的数据传回到系统控制主机。

4)设备辨识

主控计算机实时采集的运行状态和实时功率数据，分别根据主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔的能耗模型函数进行数据辨识，根据辨识数据修正这些机电设备的能耗模型函数参数。

5)数据优化控制

通过系统实时采集的运行数据，计算当前的系统制冷量、实时总功率、COP等参数。采用启发式搜索算法（例如神经网络BP算法）针对系统整体能耗数据进行优化，得到最优的冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔控制频率。

6)输出处理

能耗优化控制模块采用相关人工智能控制算法不断优化系统运行状态，形成相应机电设备的控制策略，通过通讯线路实时传输到机电设备控制模块，对机电设备进行实时控制。

4 人机界面

ECS人机界面采用实时全3D技术实现，用户可以非常直观的监视系统和各个机电设备的实时运行情况，包括系统运行状态监测、实时能效比监测、主机系统监测、冷冻泵系统监测、冷却泵系统监测和冷却塔系统监测。

ECS软件拥有强大的数据分析功能，用户可查询分析机电设备和系统历史运行情况，主要包括系统COP分析、主机COP分析、冷冻泵数据分析、冷却泵数据分析、冷却塔数据分析、冷冻水数据分析、冷却水数据分析和综合分析功能。

ECS人机界面还具有完备的报表功能，可实现每日的温度报表、系统组建能耗报表和减排与节费报表。

图2是ECS主控软件主界面，图3是ECS主控软件的COP实时监测界面。

5 总结

通过已经实施的中央空调节能项目对比，ECS全局能耗最优控制方法与现有技术相比，具有如下优点：

1）全局能耗优化控制方法是以中央空调系统机电设备耗能总和为优化目标，考虑了各个机电设备之间的能耗关系，从理论上实现了中央空调节能系统的最优化控制，采用BP模式神经网络优化算法，控制系统能不断修正控制精度，以达到最优化控制。

2）全局能耗优化控制方法并没有对监测对象定义精确的数学模型，而是根据相关的理论和研究对主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔设备的实时能耗进行抽象模型描述，通过运行数据的不断更新，系统自动完成对这些设备能耗模型的辨识，从而实现精确的节能控制。这样的控制策略充分考虑到了设备的运行特性千差万别，不能用一种固定模式去描述所有设备的运行特性，需要根据运行数据完成设备的辨识。

3）全局能耗优化控制方法采用了基于神经网络的优化控制，根据当前的运行状态和神经网络的反馈输出进行控制，而神经网络算法的优化规则主要是根据专家系统来进行，既能够满足中央空调复杂性、动态性和模糊性等特点，也能通过大量实践数据不断优化控制规则，实现更加精确的控制。

4）相比市场上其它控制方法，全局能耗优化控制方法保证了在相同制冷量的情况下，所消耗的设备能耗最低，同时它采用了完全的智能控制模型和算法，通过运行数据不断调整设备模型数据和控制规则，获得最佳的控制效果。该方法在应用过程中不需要任何人工干预，控制系统能够在运行一定时间后完全自适应系统特性，具有高度的跟随性和应变能力。凭借这些复杂的设备辨识和能耗优化方法，能够有效的控制和克服中央空调的非线性、时变性等特点，实现中央空调系统的最优化运行。

[1]李士勇.模糊控制、神经控制和智能控制论.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.1998.

[2]孙庚山，兰西柱.工程模糊控制.北京：机械工业出版社.1995.

[3]陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，1998.

[4]Ying-Shieh Kung.Chang-Ming Liaw.A Fuzzy Controller Improvinga Linear Model FollowingControllerforMotorDrives叽IEEE Trans.on Fuzzy Systems，1994，2(3)：194～202,

[5]Chuen Chzen Lee.Fuzzy Logical in Control System：FuzzyLogical Controller Part I叨.IEEE Trans.on System，Man，Cybernetics，1990，20(2)：404-410.67