中央空调冷冻水系统优化控制研究*

蒋红梅 任庆昌 冯增喜

(1:西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055;2:兰州理工大学电气与信息工程学院，兰州730050;3:西安建筑科技大学信息与控制工程学院，西安710055)

近年来，随着我国经济的蓬勃发展，空调的使用在不断增加.空调耗能量的增大，使其对能源的需求量激增，能源供给的紧张状况显得日趋严重.要降低空调系统的能耗，对空调水系统能耗的节约是十分必要的.

室内人员流动、室外温度的变化、室内热源的变化等一系列因素，都将使空调房间的负荷偏离设计工况下的负荷.因此，空调应是能够随负荷状况进行调节，可以实时跟踪负荷变化，不仅仅是送风量可调的变风量空调系统，冷冻水也可以实现变流量调节.

1 变水量空调系统及变压差控制

通过改变风流量或水流量方式以适应负荷变化的空调系统称为变流量空调系统.变水量(Variable Water Volume，简称VWV)系统是指冷水机组供、回水温差保持不变，当空调负荷变化时，通过改变机组负荷侧的水流量来适应空调末端负荷的变化，其水流量跟随负荷的变化而改变.当末端负荷减少时，水系统的水流量随之减少，使系统输送给负荷的冷量减少，以适应负荷减少的要求.因为水流量的减少能够大幅度降低水系统的输送能耗，因而具有显著地节能效果［1］.

变水量技术的主要环节是根据实际负荷变化情况来调节冷冻水泵的转速，以实现冷冻水流量的控制.通常选用压差反映系统的负荷变化，即根据压差的变化来调节水泵的转速.如果选取的压差设定值过大，将不能充分地挖掘水泵在部分负荷下的节能潜力;如果选取的压差设定值过小，可能无法满足各用户在一些工况下的用能需求.因此，如何兼顾负荷需求与水泵节能效果，进行压差设定值的优化设置，是变流量技术应用的关键问题［2-4］.

变压差控制的原理是当空调房间的温度降低时，室温控制器使冷冻水调节阀关小，进入房间的冷量减少以适应室温的变化;阀门开度的变化又被阀门控制系统的阀门检测器检测到，通过与阀门设定值(最大值)比较，再通过变频控制器调节水泵的转速以减少进入室内的冷量，使得室温上升;室温控制器检测到室温上升就会开大调节阀的开度.因此，不仅满足空调用户负荷变化的需要，而且使调节阀始终处于最大开度，降低了扬程在调节阀上的阻力损耗，节省了水泵的输送能耗.

变压差控制系统原理图如图1所示.变压差控制系统是通过一定的控制算法，按照一定的规律改变压差设定值，在保证系统的调节性能和稳定性能的前提下，尽量使支路的调节阀的最大开度处于全开的位置，从而最大限度地减小调节阀的节流损失，因而可以取得最大的节能效果.因为阀门开度的变化在一定程度上反映了负荷变化的大小，因此可以将其作为调节参数.

综合考虑压差设定值和阀门的开度，把设定值考虑成一个可变量.但在实际控制系统中，由于阀门的调整频率较高，为保证水泵控制的稳定性，压差设定值的调整不宜过于频繁，如图1所示的控制方式，具体做法如下:①任何时候所有的阀门开启度都小于70 %，这种状态连续保持30 min，把压差的设定值减少10 %;②至少有一个末端的阀位处于70 %～90 %之间，则压差设定值不变;③任何时候有阀门开启度大于90 %，这种状态连续保持30 min，把压差设定值增加10 %.

图1 变压差控制系统原理图

由于不同支路上调节阀的选型也不同，因而各支路对调节阀全开的定义亦不同，如:有的调节阀开度达到75 %以上时，就认为此阀全开了.因此，变压差控制不但要检测各支路的阀门开度，还要对阀门开度值进行逻辑判断，并根据要求的保证率采取一定的控制算法来控制压差设定值的变化［5-7］.

2 基于迭代算法的变压差控制

为防止系统的强烈震荡甚至失稳，要求每次求出的设定值要逐步加到压差控制系统上，使压差控制过程从一个稳态按事先给定的目标轨迹运行到另一个稳态.

对于压差优化控制过程，由于压差设定算法产生的控制器设定值是幅值不等的阶跃序列，因此，压差设定值的理想轨迹的幅值应随控制器设定值的幅值变化而变化.与此同时，压差设定值的理想轨迹应保证达到良好的动态品质，如:很少或没有超调、响应速度快、过渡时间短等良好特性.因此可采用基于迭代算法的变压差控制［8］，其结构如图2所示.

图2 迭代控制系统结构图

2.1 压差理想轨迹的选取

压差优化算法产生压差设定值序列p1，p2，pk…，pk+1，为防止系统的强烈震荡甚至失稳，要求每次求出的设定值要逐步加到压差控制系统上.

对于压差优化控制过程，由于压差设定算法产生的控制器设定值是幅值不等的阶跃序列，因此，压差理想轨迹的幅值应随控制器设定值的幅值变化而变化.与此同时，压差理想轨迹应具有良好的动态品质，如很少或没有超调、响应速度快、过渡时间短等良好特性.

则压差理想轨迹的选取方法可为:若对应于设定点p1的压差理想轨线选定为yd1(t)，则对应于设定点pk的理想轨线为:

2.2 迭代学习控制单元

由压差设定算法产生控制器设定点序列p1，p2，…，pk，pk+1，迭代学习控制单元根据控制器设定值pk+1，压差控制回路输出实际压差值yk(t)和给定的压差理想轨线ydk(t)，以及上次迭代时的控制输入xk(t)产生当前控制系统的输入xk+1(t)，为了提高迭代学习控制效率，可采用加权闭环PID型迭代学习控制算法:

2.3 仿真实验

以西安建筑科技大学变风量空调控制实验室为研究对象.利用M序列辨识出二次泵频率与压差模型并对压差与冷水流量进行拟合，得出压差与流量的关系.实验夏季某日8∶00～20∶00，由于室外温度的变化及室内负荷的变化引起空调区域的热负荷变换，由室外气象条件和室内负荷来计算冷冻水初始流量和初始频率，并根据各末端的负荷变化检测到各冷冻水阀开度的变化，利用压差设定算法得到压差设定值序列为{17，17，19，19，21，23，26，29，32，36，40，45，50，55，55，50，45，40，40，45，40，36，32，29，26}.对压差进行迭代学习控制，控制效果如图3所示.

如不采用迭代学习控制，则其与采用迭代学习控制的控制效果比较如图4所示.从图4可看出，对系统进行变压差控制时，施行迭代学习控制时上升时间加快，震荡减少，过渡时间缩短，系统的动态品质得到显著改善.

图3 迭代学习控制效果图

图4 迭代学习控制比较图

3 能耗分析

由于压差与二次泵的频率和能耗有关，经实验检测得二次泵频率与压差、能耗及冷水流量关系.根据实验数据对压差与二次泵功率进行拟合分析，可得到压差与功率的关系，并由此得出二次泵功率的变化曲线如图5所示.

图5 二次泵功率变化曲线图

从图5可得出，采用变压差控制二次泵耗能9 486.112(W.h)，如采用定压差二次泵耗能11 200(W.h)，采用变压差控制二次泵可节能15.303 %.

4 结论

中央空调系统中，基于迭代算法的变压差控制能够依据空调系统负荷的变化自动调整压差设定值，在满足满足空调用户的负荷要求的前提下，始终使阀门尽量开度最大，降低了扬程阻力的损耗，节省了水泵的输送能耗，较之常规的定压差法有效地减少了二次泵能耗.

［1］李玉街，蔡小兵，郭林.中央空调系统模糊控制节能技术及应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009:229-232.

［2］王婧，袁丽，王瑞海.VWV系统的控制策略及能耗分析［J］.制冷与空调，2010，24(5):47-50.

［3］周洪煜，陈小健，陈孜虎.变水量与变风量的中央空调节能控制策略［J］.控制工程，2011，18(3):474-478.

［4］何湘勇.空调水系统变流量节能控制分析［J］.暖通空调HV＆AC，2007，37(1):113-115.

［5］Andrew Kusiak，Fan Tang，Guanglin Xu.Multi-objective optimization of HVAC system With an evolutionary computation algorithm［J］.Energy，2011(36):2440-2449.

［6］毕崇宁，李歧强.变水量空调二次泵供水系统效率优化策略研究［J］.计算机仿真，2009，26(2):269-273.

［7］孙一坚.空调水系统变流量节能控制［J］.暖通空调，2005，35(10):90-92.

［8］Youqing Wang，Furong Gao.Survey on iterativelearning control，repetitive control，and run-to-run control［J］.Journal of Process Control，2009(19):1589-1600.