暖通空调制冷系统的优化与控制技术分析

廖志伟

摘 要： 随着社会经济的不断发展，暖通空调在日常的建筑中越来越多的被使用，并且已经成为了建筑当中不可缺少的一部分，但是在建筑中暖通空调通常占据了建筑能源消耗的百分之二十，造成了巨大的能源损耗，其中制冷系统占据了暖通空调能源消耗的大部分。所以对于暖通空调制冷系统的优化控制有着重要的现实意义和使用价值。本文通过对暖通空调制冷系统的原理介绍，找出适合优化暖通空调制冷系統的一些方法，并且介绍这些方法的作用及其原理，最后通过对这几种方法的研究，得出最佳的优化方案组合，希望能够对暖通空调制冷系统的优化控制提供借鉴。

关键词： 暖通空调；制冷系统；优化控制分析；现代建筑

随着我国社会的不断进步，人民的经济实力不断发展，人们都在追求高质量的物质生活，所以暖通空调成为了大多数建筑中都会有的设施。但是，暖通空调本身具有高能耗的特点，为了实现可持续发展，我们必须得对这种高消耗设备进行优化。这样不仅可以实现节能减排的效果，也可以帮助使用者节省开销，能够使人们的生活在经济实惠的基础上变得更加舒适。

一、暖通空调制冷系统的基本运行方式

暖通空调的制冷系统中存在着制冷剂，通过制冷剂的作用从而使热量进行交换，在压缩机、冷凝器等四个元件中，制冷剂不断的在其中进行循环，这时候制冷剂会发生状态变化，这样就会吸热或者放热，从而达到了制冷的效果。它包括压缩、制冷、节流和蒸发4个热力过程。基本的运行原理是：制冷剂在通过蒸发皿的时候，在蒸发皿中吸收热，这时候本身为液体状的制冷剂由于吸收了热量从而变为低温低压气体，然后通过流动，气态的制冷剂将会被压缩机接收，压缩机由于其本身的特性，将会把气态制冷剂的压力和温度升高，变为高温高压的状态，高温高压的气态制冷剂最后在室外侧的冷凝器中冷凝成液体放出热量。下图中毛细管一般为小型空调器节流装置所采用，大、中型空调器的节流装置一般采用膨胀阀。

二、暖通空调制冷系统的优化控制基本思路及控制模型

制冷系统的优化主要体现在两个方面：

一方面，集中对制冷系统能耗进行分析，找出能耗浪费的关键环节，并对运行过程中的能耗进行有效控制，尽可能缩短调节系统的中间环节，避免无用功的产生；另一方面，加强对温度控制系统的控制策略优化，提高温控精度和反应时间，提高系统动作灵敏度，给使用者带来更加人性化的智能控制体验。

从上面对于暖通空调制冷系统的介绍来看，暖通空调制冷系统的冷却效果跟冷却物质密切相关，外界环境温度高，系统处于高负荷运转下，进而使得环境温度下降，当环境温度降低到一个合适的值或者人为干预对目标温度进行调节时，由于实际的被控对象存在着传递滞后，冷却系统往往还在延续着高负荷的运行状态而不能做出有效及时的反馈和控制。这种情况使得制冷系统经常处于一个高能耗的状态，不可避免地造成了能源的浪费。

暖通空调一般用冷却水来进行热量交换，所以我们可以通过对于冷却水温度的分析，找出冷却水的温度变化对于暖通空调制冷系统工作效率影响。冷却水与冷却系统各个部件之间的工作效率是存在特定关系的。

各个部件的能耗情况与冷却水的温度有关，随着冷却水温度的变化，不同位置部件的功率是发生变化的，单独一个部分的最优点不是整个制冷系统的最优点，所以我们要结合整体的情况，利用不同的系统进行最大限度的优化，使得暖通空调制冷系统的运行达到最节能的情况。

为达到节能（提高效率）和提高灵敏度、精确度两个目的，首先我们根据上述分析，针对暖通空调的运行建立系统优化数学模型。系统框图如上所示。

在此模型中：给定温度是输入，通常由人为设定。热水温度为被控对象。其控制偏差由温度传感器采集到出水孔温度值并反馈到温度控制器后计算得出，偏差值是温度控制器进行控制的依据，也是整个闭环系统关键一环。

三、优化策略

（1）PID控制

PID控制是基于经典控制理论的控制器，也是目前应用最为广泛的控制方法，具有原理简单、适应性强、稳定度好的优点。利用该方法对空调制冷系统进行优化，关键步骤是对PID控制器中比例、积分、微分环节各项参数进行整定，参数设置的科学性直接决定着控制系统的优化效果。其步骤如下：

第一步：针对暖通空调制冷系统模型，在预先设定的采样周期内输入一个阶跃激励，让系统从启动到结束，完成一个完整的工作过程；

第二步：控制参数的工程整定，方法主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。以临界比例法为例，加入比例控制环节，调节参数直到系统阶跃响应出现临界振荡，确定制冷系统的比例系数和临界振荡周期；

第三步：对通过整定得到PID控制器的参数进行整体调节，以冷凝器出水温度与设定值的稳态误差、温度调节周期等指标验证优化效果。

PID控制完成上述步骤，即意味着在制冷系统的能耗管理和控制反应灵敏特性的优化已经完成。

（2）自适应模糊控制系统

自适应模糊控制是一种基于神经网络的高效控制系统。它对系统内部变量要求不高，因而广泛适用于非线性、多变量的复杂系统。在控制制冷系统出水孔温度时可以根据控制器程序设定的数据来进行自动调整学习，然后自身的进行参数的改变。将自适应模糊控制使用到暖通空调制冷系统中后可以有以下几点优化：①提高整体的控制效果。自适应模糊控制系统是一个整体，它可以调控全局的变化。避免了调节过程中顾此失彼的问题；②能够自己寻找最佳状态。自适应模糊控制最优点就在于此，它可以自己寻找最优的控制点，然后去改变参数从而达到最优点，对于制冷系统的能效管理而言，这一点至关重要；③很强自我调节性能。自适应模糊控制具有较强的学习能力和调节能力，所以当系统控制目标发生变化时，系统依然能够保持快速响应的状态，避免了中间的迟滞过程。

将自适应模糊控制应用于制冷系统的优化，不需要过多关注系统各个环节，如蒸发器的工作效率、毛细管的流量、压缩机和热交换器的工作特性。但是对系统控制策略和数据处理本身要求极高，整个控制程序的鲁棒性要求很高。

目前有团队研发针对暖通空调制冷系统建立一个专门的数据库和故障集，并将其集成在制冷控制模块里，无论各种参数如何变化，系统CPU始终都可以从数据库调取数据资源，为下一步的决策提供依据。如此设计的系统将更多依赖空调系统运行的历史数据。

四、总结

暖通空调制冷系统虽然不难，但是其存在的结构较多，所以在进行优化的时候还需要全面考虑。PID控制和自适应模糊控制是优化系统特性的重要策略。通过对调节参数的科学设置以及广泛的数据库、故障集的建立，暖通空调制冷系统的能耗可以得到有效的降低，其控制精度和灵敏度也会大大提高。

相信随着科技的不断进步，暖通空调制冷系统也会变得越来越先进，智能化控制方案会越来越多地服务于大众。本文通过对暖通空调制冷系统的优化控制研究，希望能够对暖通空调系统的改进优化有所借鉴。■

参考文献

[1]刘雪峰.中央空调冷源系统变负荷运行控制机理与应用研究[D].华南理工大学，2012.

[2]毕崇宁.暖通空调水系统效率优化策略研究[D].山东大学，2008.

[3]夏毓，孙罡.暖通空调制冷系统的优化控制研究[J].民营科技，2016，（5）.