宋宁宁
南京天加环境科技有限公司 江苏南京 210000
摘要：随着全球气候变暖，夏季的温度越来越高，中央空调的利用率越来越高，逐渐成为家家户户不可缺少的生活必需品，但是调查研究发现，许多中央空调存在设计不合理，管理不到位等问题，导致能源耗损巨大，对我国的生态环境造成了巨大的破坏。要想实现中央空调的性能优化，相关工作人员需要找准切入点，有针对性的采取措施才能确保有效。
关键字：中央空调；负荷预测；冷冻水系统；优化控制
有研究表明，在整个空调系统中，冷水机组的能耗量几乎占到了总能耗的40%，水泵的耗电量则是占到了总能耗的30%以上，两者相加已经达到总能耗的70%，可见，要想真正实现中央空调的性能优化，则首先需要有针对性将中央空调的水泵及冷水机组进行能耗优化，以实现节能。冷冻水系统是一个设备间具有高度耦合的复杂系统，会受到冷媒和热交换的强烈影响，控制难度较高，其工作原理是冷机在接收到室内传达的需求后开始通过PID控制器进行调节，再将产生的冷量传回室内，实现室内温度降低的效果。而负荷预测则是选用一种预测方法将数据进行训练建模从而得出某天负荷数据，是冷冻水系统优化控制的重要前提。
一、中央空调负荷预测
（一）、建立负荷预测模型
首先，建模人员需要了解中央空调的原始逐时冷负荷计算书，并参照设计将计算条件逐个输入，包括空调房间围护结构、每日人员变化、室外全年温度湿度变化、室内照明电器、室内温度湿度要求、使用系数、全天太阳照射角度变化等，建立边界约束数学模型，并结合实际房屋设计、建筑材料选择进行调整，由于涉及诸多变化的数据，因此在具体建模中，可以在每日运行前进行重新输入，以增加模型的准确性。
其次，针对每日可以确定的数据进行准确掌握，包括各个房间的人员变动、照明及电器等会产生热量的设备使用情况，室外温度湿度、全天太阳照射角度等，其中，关于房间内部的变动，可以通过空调末端的控制系统以及楼宇控制进行收集，关于室外状况可以通过在两个迎风点设置传感器进行收集。
最后，对于无法准确收集的数据则进行单独条件设置，并由工作人员进行实时调整，例如房间临时开展的影响空凋负荷的大型活动，天气预报的不准确性等，并分别设定主次要约束条件，通过一到两年的运行逐步提升负荷预测建模的准确性。
（二）、负荷分配
关于负荷分配，主要是以第二天的逐时负荷预测值为基础，对之后各个时间段的负荷情况进行提前供冷分配，并为其运行提供更强有力的支持，例如通过负荷分配，我们可以明确在一个时间需要主机单独供冷，在另一个时间则需要冰槽单独供冷，或是在某个时间段需要联合供冷等。其一般的分配原则为：在确保能够实现供冷的前提下，对主机和冰槽的供冷量进行合理安排，以提升工作效率的同时能够最大程度降低成本，尽可能确保空调的制冷处在满负荷状态。
以某个集中供冷项目为例，供选用了三台制冷剂，在全部进行空调工况时，每台能够提供的额定冷量为1252千瓦，在进行制冰工况时，则仅能发挥出65%的工作效率。因此，当实际所需的负荷冷量低于额定冷量的85%时，仅用冰槽融冰进行单独供冷即可，如果大于85%，则需要视情况进行供冷分配，如果较长时间的负荷量均超过1000千瓦，则需要将冰槽关闭，另外启动一台制冷机进行单独供冷。当总负荷量已经超过单独一台的额定负荷量，但没有超过两台负荷量之和的时候，可以采用主机与冰槽联动的方式进行供冷，或是直接选用两台制冷机进行供冷，对此，我们只需要考虑哪种方式更加节能，更能提高工作效率即可。当总负荷量超过两台制冷机组的额定负荷量时，只能选择联合供冷方式，通常情况下“主机为主，冰槽为辅”，并通过对蓄冰槽融冰速率的合理跟踪来确保能够满足高峰期供冷需求。
（三）、负荷预测节能控制
利用负荷预测，通过对模型进行不断优化能够实现节能控制，并能提升中央空调的工作效率。仍以上面的某个集中供冷项目为例，其系统的主要工作是主机制冰与冰槽蓄冷，而三台制冷机均具有双工况，可以根据第二天的负荷预测进行供冷方式调整。首先由乙二醇溶液产生低温，持续为6个蓄冰槽提供冷量，促进冰槽内的冰球温度骤降，实现快速结冰并能持续进行冰量储存，直到达到了第二天的负荷预测后按照已经设定好的程序停止。对以往的供冷情况进行调查发现，在每日的上午十点前，主机的制冷量完全能够满足负荷，这时则优先选用主机供冷，但是如果负荷需求出现变化，则可以及时启动冰槽蓄冰装置进行供冷，这样不仅大大提升了工作效率，确保供冷不会间断，还能减少冰槽不必要使用所造成的浪费。通常情况下，下午两点至4点是负荷高峰，且由于之前的冷量消耗，则只能选择联合供冷方式，并适当增加冰槽的融冰速度以应对负荷突高现象。
二、中央空调冷冻水系统优化控制
（一）、建立冷冻水系统模型
在中央空调中进行系统控制，其对象大多为高阶系统，因此，不同的对象需要进行不同模型的建立，这里我们以带延迟的二阶模型对中央空调冷冻水系统进行建模，并开展仿真研究：
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。
之后我们进行自整定的模糊PID设计，其结构包括：输入为偏差e和误差变化ec，能够用以满足不同时间的误差及误差变化对PID参数自整定的要求，之后再利用模糊理论对其进行校正，完成自整定模糊PID控制器的建立。接下来对输入和输出量进行模糊化处理，由于冷冻水循环系统中的供水温度主要由冷水机组内部进行控制，且大多数时候不会发生变化，因此要想实现水温调节，则需要对回水温度进行控制，典型代表为供水温度7度，回水温度12度。基于此，我们可以采用二维模糊控制器，输入量设定为回水温度与设定值的误差e及误差变化率ec，输出量设定为PID参数调节量
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，以上所涉及的变量的具体赋值情况在这里不做一一阐述。
（二）优化计算实例分析
以某大厦中央空调系统的优化计算为例，该大厦中央空调系统包括3台压缩式的冷水机组，每台冷水机组的功率为203KW、制冷量为1055kw；3台冷却泵，每台的额定流量为187 m2/h、功率为22kw、扬程为28m；有3座冷却塔，每座功率为2*4kw。
该系统在负荷情况下，以1台冷水泵和1台冷水机组，3台冷却塔及1台冷却水泵进行联合运行，其中冷却水泵和冷水泵以及冷却塔风机都已经根据功耗模式进行变频控制，同时根据实际采集数据运用ori-gin9.0采取自定义的曲线拟合，从而得到其中的优化目标函数。在对优化方案进行运行时，为保证冷却塔的散热量同系统负荷量保持平衡、冷水机组可以安全运行，同时确保控制变量在可控范围内，作为约束条件，我们将冷却水的流量范围控制在200-400m3/h，将冷水机组的冷却进水温度控制在18-33℃之间。当目标优化函数和约束条件全部达到时，可以借助MATLAB工具箱来进行编程处理。由此得出：
（1）当系统负荷以及室外的湿球温度有所升高时，冷却水流量、进水温度、冷却水系统的总功率都会随之上升；
（2）系统负荷条件相同时，室外湿球温度有所增加后，冷却水流食不会发生变化，冷却水系统的总功率也没有明显变化，可见最佳的控制策略就是保证冷却水流量随着负荷的变化而发生改变。
（3）当室外温度不变，系统负荷持续增加时，冷却水系统的总功率会明显增加。其原因主要是：当室外湿球温度发生变化后，只有冷却塔频率会发生变化，冷却水泵的流量基本没有变化，因此系统总功率也不会有明显变化；只有系统的负荷也发生变化时，冷却水的流量才会明显增加，这同时也加重了冷水机组的工作负担，尽管冷却塔的频率不会明显增加，但系统总功率会发生明显变化。
参考文献：
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