摘要:鑒于中央空調(diào)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的種種弊端，本文提出中央空調(diào)的智能控制系統(tǒng)，通過對負(fù)荷的實時監(jiān)測，結(jié)合出回水溫度數(shù)據(jù)校正，能夠依據(jù)負(fù)荷需求，并以降低能耗為約束條件，實時對水泵、風(fēng)扇進行聯(lián)合調(diào)節(jié)，從而提升環(huán)境品質(zhì)，并實現(xiàn)節(jié)能的目的。
　　關(guān)鍵詞：智能控制系統(tǒng)，中央空調(diào)，出回水溫度校正，無線傳感網(wǎng)絡(luò)，前饋控制
　　0.引言
　　中央空調(diào)已成為生產(chǎn)生活中的重要耗能設(shè)備。在建筑物中存在多種耗能設(shè)備，但是其中中央空調(diào)所消耗的能量比例占到建筑總能耗的60%以上，根據(jù)相關(guān)研究：以空調(diào)制冷模式為例，溫度設(shè)定值每提高1度，能耗可達7%。若能夠降低中央空調(diào)的能耗，將帶來巨大的效益。隨著人們對節(jié)能的意識的增強，各類單位及個人采取了諸多措施降低中央空調(diào)的能耗，但是受到傳統(tǒng)方式的空調(diào)控制系統(tǒng)的約束，當(dāng)能耗降低的同時，也降低了人們的舒適感，因此以降低舒適感為代價的降耗行為并未能得到全面的支持。因此，如何保障降耗時不降低舒適感，以確保降耗能夠得到全面的支持，成為中央空調(diào)降耗的最大問題，若能通過改變控制方式，將可以同時滿足上述要求，且可以促使降耗活動在全國內(nèi)得到推廣。
　　1.中央空調(diào)控制原理說明
　　由于要滿足客戶的最大需求，一般中央空調(diào)都按最高負(fù)荷的120%設(shè)計，但是，實際應(yīng)用中，中央空調(diào)有多半時間的實際負(fù)荷不到最大負(fù)荷的一半，中央空調(diào)冷（熱）量按末端負(fù)荷需求，即采用變頻器對冷凍（卻）水泵、風(fēng)扇調(diào)速，低負(fù)荷狀態(tài)時相應(yīng)降低轉(zhuǎn)速實現(xiàn)節(jié)能。由于空調(diào)冷凍水的出回水溫差直接反映了空調(diào)的負(fù)荷變化，因此可通過檢測冷凍水的出回水溫差來調(diào)節(jié)冷凍（卻）水流量。由于中央空調(diào)存在非線性、大滯后的時變特征，目前傳統(tǒng)的控制方式為多模態(tài)模糊PID，利用變頻技術(shù)，降低負(fù)荷；比較出回水溫差與設(shè)定溫差調(diào)節(jié)比例閥開度；測量人流量，使中央空調(diào)系統(tǒng)末端能及時調(diào)節(jié)出經(jīng)濟并舒適的環(huán)境狀態(tài)等。
　　目前采用的溫差控制方案，采集蒸發(fā)器同一時刻的出水和回水側(cè)溫度，而事實上冷凍水的出水溫度要經(jīng)過一個冷凍水循環(huán)后，其溫度變化才能在回水中反映出來。換言之，所測回水溫度實際上是一個循環(huán)（通常為十幾分鐘）前空調(diào)冷凍出水與空調(diào)負(fù)荷相互作用的結(jié)果，它反映的是一個冷凍水循環(huán)周期之前的工況。同時，目前采用的溫差控制方案未涉及實時室溫，實時室溫的引入有助于控制品質(zhì)的改善；監(jiān)測無人房間，消除向無人房間供冷（熱）能進一步挖掘中央空調(diào)降耗的潛能，而且預(yù)測用戶側(cè)負(fù)荷時扣除無人房間因素，亦利于預(yù)測精度的提高。
　　2.智能控制系統(tǒng)設(shè)計
　　2.1智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　鑒于上述原因，若能開發(fā)出一套實時監(jiān)視自動調(diào)節(jié)的智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動識別人的存在，并能實時監(jiān)視房間溫度，據(jù)此靈活調(diào)節(jié)泵機、風(fēng)扇，在保障溫度得到及時穩(wěn)定的調(diào)節(jié)的同時，將能耗降到最低，這樣將實現(xiàn)同時提升舒適度及節(jié)能的目標(biāo)。
　　該系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

　　圖1智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
　　該系統(tǒng)通過傳感器采集的冷凍出回水溫度、冷凍水流量、冷凍水系統(tǒng)壓力、冷卻水出回水溫度、冷卻水流量、冷卻水系統(tǒng)壓力，以及通過室溫及人體傳感系統(tǒng)采集房間實時室溫、無人房間等信息輸入中央空調(diào)總控系統(tǒng)；中央空調(diào)總控系統(tǒng)計算出各水泵和冷卻塔風(fēng)扇的控制參數(shù)，依次輸出給冷凍水變頻器、冷卻水變頻器和冷卻塔風(fēng)扇變頻器，計算出的運行參數(shù)輸出給空調(diào)主機。
　　2.2室溫及人體傳感系統(tǒng)
　　室溫及人體傳感系統(tǒng)是通過菲涅爾透鏡將人體輻射的紅外線聚集到熱釋電紅外傳感器上，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷翰⒂尚盘栒{(diào)理電路處理，處理后的信號由無線發(fā)送模塊發(fā)送，檢測無人房間。
　　室溫采集和無人房間檢測通過無線網(wǎng)絡(luò)采集。無線網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由、終端三類節(jié)點組成；一個無線網(wǎng)絡(luò)只有一個協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個無線網(wǎng)絡(luò)的組建以及與上位機的通信；路由負(fù)責(zé)喚醒終端、對終端上傳的數(shù)據(jù)進行融合，通過各個路由之間的跳躍接力將信息傳輸至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口傳輸至上位機；終端分布在各房間，采集房間的溫度并發(fā)送給路由。位于房間門口的路由通過菲涅爾透鏡檢測房間是否有人：若有人，菲涅爾透鏡通過信號調(diào)理電路產(chǎn)生一個高電平，路由向終端發(fā)送溫度采集命令，接收到喚醒信息后，終端通過溫度傳感器采集房間的溫度，定時上傳至路由，路由通過數(shù)據(jù)融合算法計算出房間的當(dāng)前溫度，再上傳至上位機；若無人，則菲涅爾透鏡通過信號調(diào)理電路產(chǎn)生一個低電平，路由不向終端發(fā)出任何指令；房間內(nèi)最后一人離開時，菲涅爾透鏡通過信號調(diào)理電路之后產(chǎn)生一個從高電平到低電平的電平跳變，如果十分鐘后房間仍無人進入，路由向終端發(fā)出停止采集的命令，終端重新進入休眠狀態(tài)狀態(tài)。
　　3.冷凍（卻）水系統(tǒng)設(shè)計
　　3.1冷凍（卻）出回水溫差校正
　　冷凍（卻）水出水的溫度要經(jīng)過一個循環(huán)后，其溫度變化才能在回水中反映出來，鑒于冷凍（卻）水系統(tǒng)固有的滯后特性，實時估算冷凍（卻）水系統(tǒng)的滯后時間，對出回水溫度進行校正。表1為冷凍（卻）出回水溫度記錄表，冷凍（卻）出回水溫差時間同步表征的是出水與負(fù)荷相互作用后的結(jié)果——為相對冷凍（卻）出水一個循環(huán)周期后的冷凍（卻）回水溫度。
　　第k采樣時刻，由冷凍（卻）水流量歷史記錄和實時冷凍（卻）水流量采樣記錄計算出k次采樣時刻冷凍水循環(huán)周期s：
　　表1冷凍（卻）出回水溫度記錄表

　　第k采樣時刻，由冷凍（卻）水流量歷史記錄和實時冷凍（卻）水流量采樣記錄計算出k次采樣時刻冷凍水循環(huán)周期s：
　　
　　式中，為冷凍水管道容量；為第i次采樣時刻的冷凍水流量；為采樣周期。
　　冷卻水循環(huán)周期s：
　　
　　式中，為冷卻水管道容量；為第i次采樣時刻的冷卻水流量；為采樣周期。
　　根據(jù)冷凍水循環(huán)周期s提取第k次采樣時刻一個循環(huán)周期之前的冷凍水出水溫度和實時冷凍水回水溫度計算第k次采樣的冷凍水溫差為：
　　
　　式中，為第k次采樣時刻，s為冷凍水循環(huán)周期；
　　為第k次采樣時刻一個循環(huán)周期之前的冷凍水出水溫度（如圖中灰色部分）；
　　為第k次采樣時刻的冷凍水進水溫度（如圖中灰色部分）。
　　同樣，第k次采樣的冷卻水溫差為：
　　
　　式中，為第k次采樣時刻，s為冷卻水循環(huán)周期；
　　為第k次采樣時刻一個循環(huán)周期之前的冷卻水出水溫度；
　　為第k次采樣時刻的冷卻水進水溫度。
　　3.2冷凍水系統(tǒng)校正
　　當(dāng)蒸發(fā)器兩端的溫度反饋至溫度調(diào)節(jié)器，根據(jù)時間計算出冷凍出回水實時溫差，由冷凍出回水設(shè)定溫差、冷凍出回水實時溫差，溫差調(diào)節(jié)器采用模糊控制計算出冷凍水流量調(diào)節(jié)量，冷凍水流量調(diào)節(jié)量與前饋控制量疊加作用于冷凍水泵變頻器，調(diào)節(jié)冷凍水泵工作頻率，控制冷凍水泵水流量。
　　中央空調(diào)具有非線性、大滯后、強耦合的時變特征，模糊控制已經(jīng)在中央空調(diào)控制系統(tǒng)中取得了良好的應(yīng)用，本系統(tǒng)中，溫度調(diào)節(jié)器仍采用模糊控制調(diào)節(jié)水泵和風(fēng)扇變頻器頻率，調(diào)整水流量。
　　溫差調(diào)節(jié)器采用模糊控制獲得的冷凍水流量調(diào)節(jié)量，它與前饋控制量相疊加，作用于冷凍水泵變頻器，調(diào)節(jié)冷凍水泵工作頻率，控制冷凍水泵水流量。
　　3.3冷卻水系統(tǒng)的控制
　　冷卻水系統(tǒng)的控制類似于冷凍水系統(tǒng)的控制，冷凝器兩端的溫度反饋至溫度調(diào)節(jié)器，溫度調(diào)節(jié)器根據(jù)時間關(guān)系計算出冷卻出回水實時溫差，由冷卻出回水設(shè)定溫差、冷卻出回水實時溫差，溫差調(diào)節(jié)器采用模糊控制計算出冷卻水流量調(diào)節(jié)量，冷卻水流量調(diào)節(jié)量與前饋控制量（同冷凍前饋控制量）疊加作用于冷卻水泵變頻器，調(diào)節(jié)冷卻水泵工作頻率，控制冷卻水泵的水流量。冷卻塔風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速上升，冷卻水系統(tǒng)流量上升。
　　4.結(jié)語
　　本文提出的中央空調(diào)智能控制系統(tǒng)，對出回水溫度進行校正，依據(jù)時間同步的出回水溫差調(diào)節(jié)水泵、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，改善系統(tǒng)的控制能力及及時性；基于無線傳感網(wǎng)采集空調(diào)區(qū)域的實時室溫，檢測無人房間，實施冷凍（卻）水泵、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的前饋控制，使中央空調(diào)的舒適性和能耗指標(biāo)得到進一步的提升。實驗數(shù)據(jù)表明，采用本文所述智能控制系統(tǒng)，中央空調(diào)區(qū)內(nèi)溫度超出設(shè)定值上下限時間為總開機時間的10%，而由于無人房間的采集及前饋控制、出回水溫差同步處理等引入，能耗降低21%.
　　參考文獻
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