智能中央空调控制系统研究

智能中央空调控制系统研究
鉴于中央空调传统控制系统的种种弊端，本文提出中央空调的智能控制系统，通过对负荷的实时监测，结合出回水温度数据校正，能够依据负荷需求，并以降低能耗为约束条件，实时对水泵、风扇进行联合调节，从而提升环境品质，并实现节能的目的。

关键词：智能控制系统，中央空调，出回水温度校正，无线传感网络，前馈控制
0.引言
中央空调已成为生产生活中的重要耗能设备。

在建筑物中存在多种耗能设备，但是其中中央空调所消耗的能量比例占到建筑总能耗的60%以上，根据相关研究：以空调制冷模式为例，温度设定值每提高1度，能耗可达7%。

若能够降低中央空调的能耗，将带来巨大的效益。

随着人们对节能的意识的增强，各类单位及个人采取了诸多措施降低中央空调的能耗，但是受到传统方式的空调控制系统的约束，当能耗降低的同时，也降低了人们的舒适感，因此以降低舒适感为代价的降耗行为并未能得到全面的支持。

因此，如何保障降耗时不降低舒适感，以确保降耗能够得到全面的支持，成为中央空调降耗的最大问题，若能通过改变控制方式，将可以同时满足上述要求，且可以促使降耗活动在全国内得到推广。

1.中央空调控制原理说明
由于要满足客户的最大需求，一般中央空调都按最高负荷的120%设计，但是，实际应用中，中央空调有多半时间的实际负荷不到最大负荷的一半，中央空调冷（热）量按末端负荷需求，即采用变频器对冷冻（却）水泵、风扇调速，低负荷状态时相应降低转速实现节能。

由于空调冷冻水的出回水温差直接反映了空调的负荷变化，因此可通过检测冷冻水的出回水温差来调节冷冻（却）水流量。

由于中央空调存在非线性、大滞后的时变特征，目前传统的控制方式为多模态模糊PID，利用变频技术，降低负荷；比较出回水温差与设定温差调节比例阀开度；测量人流量，使中央空调系统末端能及时调节出经济并舒适的环境状态等。

目前采用的温差控制方案，采集蒸发器同一时刻的出水和回水侧温度，而事实上冷冻水的出水温度要经过一个冷冻水循环后，其温度变化才能在回水中反映出来。

换言之，所测回水温度实际上是一个循环（通常为十几分钟）前空调冷冻出水与空调负荷相互作用的结果，它反映的是一个冷冻水循环周期之前的工况。

同时，目前采用的温差控制方案未涉及实时室温，实时室温的引入有助于控制品质的改善；监测无人房间，消除向无人房间供冷（热）能进一步挖掘中央空调降耗的潜能，而且预测用户侧负荷时扣除无人房间因素，亦利于预测精度的提高。

2.智能控制系统设计
2.1智能控制系统结构
鉴于上述原因，若能开发出一套实时监视自动调节的智能控制系统，该系统能够自动识别人的存在，并能实时监视房间温度，据此灵活调节泵机、风扇，在保障温度得到及时稳定的调节的同时，将能耗降到最低，这样将实现同时提升舒适度及节能的目标。

该系统原理结构图如图1所示：
图1智能监控系统结构图
该系统通过传感器采集的冷冻出回水温度、冷冻水流量、冷冻水系统压力、冷却水出回水温度、冷却水流量、冷却水系统压力，以及通过室温及人体传感系统采集房间实时室温、无人房间等信息输入中央空调总控系统；中央空调总控系统计算出各水泵和冷却塔风扇的控制参数，依次输出给冷冻水变频器、冷却水变频器和冷却塔风扇变频器，计算出的运行参数输出给空调主机。

2.2室温及人体传感系统
室温及人体传感系统是通过菲涅尔透镜将人体辐射的红外线聚集到热释电红外传感器上，转变为电压并由信号调理电路处理，处理后的信号由无线发送模块发送，检测无人房间。

室温采集和无人房间检测通过无线网络采集。

无线网络由协调器、路由、终端三类节点组成；一个无线网络只有一个协调器，协调器负责整个无线网络的组建以及与上位机的通信；路由负责唤醒终端、对终端上传的数据进行融合，通过各个路由之间的跳跃接力将信息传输至协调器，协调器通过串口传输至上位机；终端分布在各房间，采集房间的温度并发送给路由。

位于房间门口的路由通过菲涅尔透镜检测房间是否有人：若有人，菲涅尔透镜通过信号调理电路产生一个高电平，路由向终端发送温度采集命令，接收到唤醒信息后，终端通过温度传感器采集房间的温度，定时上传至路由，路由通过数据融合算法计算出房间的当前温度，再上传至上位机；若无人，则菲涅尔透镜通过信号调理电路产生一个低电平，路由不向终端发出任何指令；房间内最后一人离开时，菲涅尔透镜通过信号调理电路之后产生一个从高电平到低电平的电平跳变，如果十分钟后房间仍无人进入，路由向终端发出停止采集的命令，终端重新进入休眠状态状态。

3.冷冻（却）水系统设计
3.1冷冻（却）出回水温差校正
冷冻（却）水出水的温度要经过一个循环后，其温度变化才能在回水中反映出来，鉴于冷冻（却）水系统固有的滞后特性，实时估算冷冻（却）水系统的滞后时间，对出回水温度进行校正。

表1为冷冻（却）出回水温度记录表，冷冻（却）出回水温差时间同步表征的是出水与负荷相互作用后的结果——为相对冷冻（却）出水一个循环周期后的冷冻（却）回水温度。

第k采样时刻，由冷冻（却）水流量历史记录和实时冷冻（却）水流量采样记录计算出k次采样时刻冷冻水循环周期s：
表1冷冻（却）出回水温度记录表
第k采样时刻，由冷冻（却）水流量历史记录和实时冷冻（却）水流量采样记录计算出k次采样时刻冷冻水循环周期s：
式中，为冷冻水管道容量；为第i次采样时刻的冷冻水流量；为采样周期。

冷却水循环周期s：
式中，为冷却水管道容量；为第i次采样时刻的冷却水流量；为采样周期。

根据冷冻水循环周期s提取第k次采样时刻一个循环周期之前的冷冻水出水温度和实时冷冻水回水温度计算第k次采样的冷冻水温差为：
式中，为第k次采样时刻，s为冷冻水循环周期；
为第k次采样时刻一个循环周期之前的冷冻水出水温度（如图中灰色部分）；
为第k次采样时刻的冷冻水进水温度（如图中灰色部分）。

同样，第k次采样的冷却水温差为：
式中，为第k次采样时刻，s为冷却水循环周期；
为第k次采样时刻一个循环周期之前的冷却水出水温度；
为第k次采样时刻的冷却水进水温度。

3.2冷冻水系统校正
当蒸发器两端的温度反馈至温度调节器，根据时间计算出冷冻出回水实时温差，由冷冻出回水设定温差、冷冻出回水实时温差，温差调节器采用模糊控制计算出冷冻水流量调节量，冷冻水流量调节量与前馈控制量叠加作用于冷冻水泵变频器，调节冷冻水泵工作频率，控制冷冻水泵水流量。

中央空调具有非线性、大滞后、强耦合的时变特征，模糊控制已经在中央空调控制系统中取得了良好的应用，本系统中，温度调节器仍采用模糊控制调节水泵和风扇变频器频率，调整水流量。

温差调节器采用模糊控制获得的冷冻水流量调节量，它与前馈控制量相叠加，作用于冷冻水泵变频器，调节冷冻水泵工作频率，控制冷冻水泵水流量。

3.3冷却水系统的控制
冷却水系统的控制类似于冷冻水系统的控制，冷凝器两端的温度反馈至温度调节器，温度调节器根据时间关系计算出冷却出回水实时温差，由冷却出回水设定温差、冷却出回水实时温差，温差调节器采用模糊控制计算出冷却水流量调节量，冷却水流量调节量与前馈控制量（同冷冻前馈控制量）叠加作用于冷却水泵变频器，调节冷却水泵工作频率，控制冷却水泵的水流量。

冷却塔风扇的转速上升，冷却水系统流量上升。

4.结语
本文提出的中央空调智能控制系统，对出回水温度进行校正，依据时间同步的出回水温差调节水泵、风扇转速，改善系统的控制能力及及时性；基于无线传感网采集空调区域的实时室温，检测无人房间，实施冷冻（却）水泵、风扇转速的前馈控制，使中央空调的舒适性和能耗指标得到进一步的提升。

实验数据表明，采用本文所述智能控制系统，中央空调区内温度超出设定值上下限时间为总开机时间的10%，而由于无人房间的采集及前馈控制、出回水温差同步处理等引入，能耗降低21%.。