暖通空调能量管理与优化控制系统

暖通空调能量管理与优化控制系统
摘要: 介绍了我国HV AC 系统的发展现状, 描述了暖通空调能量管理与优化控制系统的功能设计, 得出将软件设计分为三大功能模块并集成在一起能实现系统运行最优化的结论。

关键词: 暖通空调, 控制系统, 能量管理, 模块, 优化
Abstract: the paper introduces the development status quo of HV AC system in our country, describes the HV AC energy management and the function of the optimal control system design, software design can be divided into three main functional modules and integrated together to achieve optimal system operation.
Key words: hvac, control systems, energy management, module, optimization
引言
20 世纪90 年代以来, 我国的节能工作取得了长足的进展, 但是与世界发达国家相比, 还有相当大的差距。

目前国内的一些智能建筑, 它的实际耗电量远远超过智能建筑的耗电设计标准( 0. 035 kW/ m2~ 0. 045 kW/ m2) , 如上海的金茂大厦现在每年的电费约6000万元, 远远超过设计标准。

HV AC(Heating Ventilating and Air-conditioning, 亦称暖通空调) 是智能建筑的重要构成部分, 是智能建筑日常耗电的主要设备。

该系统的耗能一般占整个智能建筑的60%以上, 因此作为建筑的能耗大户—空调系统的节能控制技术应当也是人们的研究热点。

如果能有效地降低建筑空调能耗, 将获得巨大的经济效益, 因此, 研究智能建筑的节能特别是HV AC 的节能对国民经济的发展具有重要的意义。

1暖通空调能量管理与优化控制系统的国内发展状况
随着计算机的普及应用, 计算机系统逐步取代了常规仪表对暖通空调进行智能化监测、控制和管理。

大量空调、供热系统开始使用计算机监测、控制系统。

在暖通空调系统的控制管理中应用计算机技术, 可以有效地改善系统运行品质, 节省运行能耗, 提高管理水平, 并减小运行管理劳动强度, 取得良好的经济效益和社会效益。

江亿研究了从新风机组的控制开始, 到全空气定风量系统、变风量系统的各种空调系统的计算机监测控制, 通过中央控制管理机启/停, 来修改参数的设定值。

翁史俊探讨了空调冷热源和输送部分的空调自控节能设计, 通过接受现场智能操作台的指令对冷冻热泵机组, 各水泵和风机实现连锁逻辑顺序启停和节能控制。

曹秋声基于变频技术, 结合最优控制和模糊控制, 研究了具有负荷随动跟踪特性的专用管理系统软件, 实现了暖通空调节能控制。

钟玮采用从冷热负荷计算开始, 调整COP 值适合的冷热源机组和末端设备, 节约冷热源。

总
之, 能量管理系统体现在设备组合优化、工作时序优化以及各种能量指标统计、计量、考核实现管理节能。

暖通空调变工作点优化控制问题的研究近年来才在我国引起重视。

香港理工大学王盛卫( Shengwei Wang) 等人提出了一种基于整个系统环境的预测响应及能量运行来改变HV AC 系统控制设定点的系统方法, 并用遗传算法对系统进行优化控制, 同时优化多个设定点来改善系统响应和降低系统能耗。

2暖通空调能量管理与优化控制系统的功能设计
2. 1暖通空调能量管理模块
当能量消耗数量接近某个设定值时, 该模块通过调节开关指定设备以降低能量成本。

需求限定的目的是在任何给定时间内保证能量的需求低于目标值。

能量成本的降低有利于公司确定每天能量需求峰值的费用。

它主要包括以下五个方面: 1) 优化启/停: 该模块是通过实际温度范围和设定温度范围的差分来计算HV AC 系统中各设备的最优启停时间。

2) 负载循环: 主要是通过在一定的时间周期关闭指定设备来降低能量损耗。

冷冻机优化组合函数: 根据冷却负荷和允许冷冻机类型优化组合以提高HV AC 系统的性能系数来节约能量。

3)时间调度的具体功能: 根据用户需求预先设定调度事件; 以工作日和调度时间为依据开关设备; 定义可以很容易地反映规律性的发生条件的重用事件; 定义偶然发生的重用事件; 修改调度, 用户可以很方便地制定日程安排程序的类型, 比如: 假日、工作日、周末。

4) 能量管理与统计模块: 允许用户检验电量和先前的能量消耗量以及使用成本。

然后将从数据库中获得的数据生成图表, 进一步分析日月年的使用
情况。

该模块基本功能有两个, 即“能量管理和分析”和“能耗管理和分析”。

5) 夜间气洗的作用: 在夜间, 当室外温度降低的时候用室外空气清洗建筑。

例如: AHU 打开室外新风阀, 关闭回风阀, 打开所有选定的排风扇, 从而达到节能、提高室内空气质量的目的。

2. 2暖通空调优化控制模块
该模块根据最小能量消耗优化冷冻机, AHU 和泵设备控制回路的设定点。

为了使制冷量与用户负荷相匹配, 提高HV AC 系统的效率, 降低能耗, 需要优化HV AC 控制系统的各回路设定点。

根据设备构成及空调运行模式的特性, 建立了各主要组成部分的数学模型, 包括冷却盘管、冷却塔、冷冻机、泵和风扇。

暖通空调空气调节子系统: 典型的全空气处理过程是由送风系统、回风系统、热交换器三部分构成。

新风与回风热交换形成混风, 混风通过热交换器后降低温度, 再通过很长的送风管道进入房间进行热交换。

之后通过回风机排出室外, 部分回风与新风混合进行下一次循环。

调节目标温度主要是通过控制电动调节阀来实现。

影响控制目标温度的主要因素有冷冻水温度、露点温度、新风与回风的混风温度和湿度、送风量、房间负荷。

当混合空气经过热交换器时由于达到露点温度时, 特别是当相对湿度较大时, 造成热交换系统的严重非线性关系, 另一方
面热交换过程是存在显热和潜热两部分, 温度上升和下降的特性也不同, 存在非线性环节。

空气处理单元和被控房间是通过长长的送风管道相连, 这就带来纯滞后, 惯性也很大, 另外长期使用造成管道阻力变化, 这部分存在时变环节。

2. 3暖通空调自整定模块
1)控制回路: 由于HV AC 系统控制回路数量非常多, 普通2万m2的智能大楼的回路控制数量就有近2000个, 这么多的控制回路同时在线校正是没有必要的, 也是不现实的, 因此采用分类方法, 按空气处理系统中的温度调节、送风压力调节、混风比例调节, 制冷子系统可以按冷冻水温度调节回路、冷却水温度调节回路等, 这样尽管设备回路数很多, 但需要控制类型是少的。

2)控制器参数在线校正: 在暖通空调系统的过程控制中, 控制对象非常复杂, 有些控制环节表现出很强的时滞、时变、非线性的特性, 目前HV AC 系统温度、湿度、空气污染度分别独立控制, 控制器都是采用PID 控制器, 并且控制器参数是固定的。

外界环境发生变化, 特别是在湿度和房间负荷变化较大时, 其送风温度和静压力的控制效果差。

由于空调控制系统的被控对象是房间的温度场, 它与空调进行换热的工况相当复杂, 制约因素太多, 对这种大滞后、强扰动且被控对象未知或是时变的系统实施常规PID 控制往往效果欠佳。

因此, 需要对PID 参数进行整定以获得最佳的控制参数。

3) 控制性能监测: 对于众多控制回路的控制效果是采用分组监视的方式, 来评价其控制效果, 系统只对其中控制效果差的回路首先进行单元控制器的屏蔽, 然后通过现场总线把单元控制器中的控制量和被控制量信息读取到过程优化计算中, 按照某种校正策略进行在线调节。

3结语
根据暖通空调的系统构成和运行方式, 通过分析HV AC 系统可知, 需要用于管理、计量和优化控制的变量很多, 并且由于系统的多变量动态响应时间和要求的不同, 而且还要完成系统的优化算法和控制器参数自整定的任务, 使得软件系统的数据类型和数据结构非常复杂。

最终根据HV AC 系统各环节能量消耗特点, 把软件设计分为设定点在线优化, 能量管理及控制器参数自校正三部分, 再把三大功能模块集成在一起, 实现整个HV AC 系统的运行最优化。