模糊控制在中央空调节能系统中的应用

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1 概述

随着社会经济的不断发展，能源是人类赖以生存和发展的基本条件。当前，能源供应的紧张对我国的经济发展和社会生活产生的巨大冲击，人们逐渐认识到了节约能源的重要性，因此节能减排是一项重大举措。空调已经成为大型建筑和办公环境的必备项目，但是空调的耗能也是十分惊人的。空调的节能潜力是很大，关键是如何挖掘。因此，如何减少空调的耗能问题，应用更多的节能措施以降低耗能，成为设计人员必须要思考的问题。

2 分析中央空调应用节能控制的重要性

通过分析相关资料得知，通常中央空调在整体建筑结构中占据大概50%的能耗，综合大楼以及商场则有着更高的耗能。现今，我国大部分的建筑的中央空调系统中均出现没有正确的计算空调负荷等问题，造成冷热源机组有着较大的容量选择，产生“大马拉小车”的现象。中央空调系统设计自控节能控制时没有考虑实际情况，有着缺少细腻的设计；在设计水泵运行的定流量时，倘若没有正确的管理系统，则会导致出现严重浪费能源的情况。通常情况下，大部分间接式类型的中央空调主要包含末端循环水系统、冷却循环水系统、冷冻水系统等方面，与广地域、多调节、过工况、多设备的冷却剂以及载冷剂、制冷剂等复合系统有着较大的关系。一般中央空调系统中的实际运行情况、设备负荷等对系统运行的效率起到决定性的作用。因为中央空调系统所采用的设备主要是通过不相同的供应商进行生产，系统控制主要重视控制方法、制冷主机控制器等方面的内容，主机的冷却水系统控制、工况参数控制、主机负荷等均是给予重视，对于中央空调系统在运行中冷冻循环水的具体参数、末端风系统运行情况、冷循环水系统运行情况则较少考虑，造成中央空调系统的系统参数、设备工作工况无法在最好的状态下运行，导致在一定程度上浪费能源。

3 中央空调节能系统中模糊控制的运用

现今，国内主要是通过压差控制的PID算法模型以及PID算法模型等两种节能控制算法。因为中央空调系统属于复杂程度较强的系统，其具有参量间较强耦合、较多参量、非线性、时变、时滞等基本特征，该过程要素中的强耦合关系、大滞后、非线性等情况相对严重，完成设计空调系统的工作中，水系统的运行方式一般以末端变流量的方式进行。因为空调负荷参数出现改变，水泵的设计工作点、实际工作地点会出现偏移等情况，导致浪费运行的流量。不管是通过PID算法或者PID控制，控制工作的得不到较好的效果。

3.1 模糊控制基本理论

模糊控制属于计算机智能控制类型，其主要是以推理模糊逻辑、模糊语言变量、模糊集合论等为前提，特别适用于控制变性系统、非线性系统、复杂性系统的工作。现今，模糊控制具有一定的可行性，有着较好的节能效果。

空调系统实施的监测控制工作主要是通过模糊预算法进行的，一旦空调末端负荷、环境温度等出现改变时，各方面的流量、压差、温差、回水温度均会出现改变的情况，模糊控制器则会接到到检测温度传感器、压差传感器、流量计等获得的参数，模糊控制器通过分析历史运行数据、实时数据的实际情况，对末端空调负荷运行时供冷量的需求量进行实时预测，同时采用模糊算法做好调节的功工作，采用0-10V直流电压输出的操作将变频器输出的频率有效调解，对冷冻水泵运行过程的转速进行控制，确保流量得到改变，通过模糊控制器计算流量运行、压差、温差、供回水温度的最佳参数。

模糊控制器通过动态的方式对冷冻水系统能量输出进行控制，确保空调主机冷媒流量能够满足末端负荷的具体需求，让空调系统在不同类型负荷运行的基础上，都能够给末端用户自身的舒适性提供保障，同时能够在较大程度对系统消耗的能量起到节省作用。

通常情况下，模糊控制器通过系统模糊优化的方式对主机系统、中央空调冷却水等系统进行同时控制，一旦空调末端负荷、环境温度等出现改变时，中央空调主机会随之改变自身的负荷率，同时在一定程度上改变紫铜转换的最佳效率。迷糊控制器对冷媒循环进行动态预测控制的基础上，通过对中央空调系统历史运行数据、实时数据等进行采集，将出冷却水出口温度以及进口温度进行计算，同时相互对比实际温度，确保系统转换效率在负荷状态不同的情况下呈现最佳效率，给中央空调系统在不同类型的负荷条件下运行提供保障，从根本上促进降低中央空调系统运行能耗得到实现。

3.2 系统结构分析

主要是通过控制算法决定控制系统的结构，并且还应该对控制系统的经济性、适时性、可靠性、通用性、可操作性等进行考虑。通过分析空调工艺、硬件设计等方面的需求，该中央空调系统主要是通过传感器与执行器、现场单元控制柜、PLC模糊控制柜、工控机等结构构成。

管理层使用的硬件主要是以研华工控机为主，采用组态软件WINCC对工作界面组成形态进行管理。通过分析用户的具体要求，确保中央空调系统工作界面的开发能够符合用户的需求。运行方式主要是以人机界面为主，有利于管理人员分级管理的工作，使显示趋势图、输出报警、监控状态、输出数据、采集数据、显示工艺流程图、编辑工艺参数、选择工作模式等功能得到实现，同时处理控制层指令的工作。

控制层采用的模糊控制柜是以SIEMENS公司核心生产的S7-314AFPLC控制器为主。中央空调节能系统中模拟控制柜是相对重要的单元，其能够将工序排序。人工智能控制、模糊算法等工作全面实现，将上位机发出的制度进行接收，将接收的指令采用运算方式当成模拟信号、开关等方式处理，采用通信总线往现场控制柜进行执行发送，现场控制柜一旦接收到信号，则应该做好加工处理的工作，通过分析需求往上位机反馈。

执行层的控制柜具体是采用SIEMENS公司核心生产的S7-300PLC控制器为主，其具体是处理现场单元的系统以及设备，并不是处理整个系统。将本单元的调节、指示、设备控制、信号反馈、数据采集、算法处理等功能全面完成，并且采用模糊控制柜与总柜将信息交换等工作实现。

物理层具体包含控制的设备、反馈的信号、采集实现数据、执行器、传感器、现场仪表、现场设备等方面。

3.3 中央空调节能系统的实际应用

某中央空调节能系统的配置主要有12台冷却塔风机、2台30kW的温水泵、2台55kW的冷却水泵、2台90kW的冷却水泵、90kW冷冻水泵与特灵电制冷主机各3台等，中央空调主要以定流量运行的设计方式为主，此类型的控制措施主要是在额定设计的基础上全面运行空调，系统能耗处于最大值设计的状态。该中央空调系统每年需要损耗198.47万kWh的电量，需要支出218.3万元的电费。

通过模糊控制方案改造该项目，模糊控制系统的重点控制器主要是以PLC为主，构成项目的内容主要是系统软件、各种传感器、一套现场模糊控制箱、一套冷却风机智能控制柜、一套冷却水智能控制柜、一套冷温水智能控制柜、一套主系统模糊控制柜等。

（1）节能测试结果

构成该项目后通过相关部门现场监测节能效果，证明了这套节能设备能够可靠稳定的运行，有着相对直观的操作系统，有着较高的自动化程度。系统在实际的运行过程中对于空调末端的符合能够准确、及时地自动跟踪，有着较为明显的节能效果，控制系统有着高于35%的综合节电率。

（2）分析节能效果

中央空调系统在进行节能改造之前，项目每年有着198.47万kWh的耗电量，需要支出218.3万元的电费。该项目在实施节能改造后，通过检测中心进行测试，平均每年能够节约大概57.7万kWh的电量，每年能够节约大概63.47万元的电费。

结语

当前，仍有不少空调系统未进行过任何形式的节能控制，普遍具有很好的节能挖掘潜力空间，实现空调的节能是势在必行的。而经过模糊控制改造后，中央空调系统实现计算机管理，运行管理的自动化程度得到大大提高，为管理者提供大量空调系统运行数据信息，减轻操作人员的劳动强度。因此，在中央空调节能系统中大力推广与实施应用模糊控制技术，将会取得较好的节能效益。

[1]涂慧华，张华圣.基于能源优化的中央空调控制策略[J].机械工程与自动化，2009（01）.

[2]李新雨.模糊控制系统原理及应用浅析[J].科技信息，2010（09）.