暖通空调制冷系统的优化与控制技术分析

李天平

(江苏建筑职业技术学院实验实训管理处，江苏 徐州 221116)

空调已成为人们生活中不可或缺的基础设备，可以调节室温，提升生活空间的舒适度。夏季，空调使用相对频繁，其能耗相对较大，特别是暖通空调使用量逐渐增大，其制冷系统的年耗量占建筑总能耗的50%左右。该系统是暖通空调的核心元件，也是耗量最大的设备，因此必须控制并优化制冷系统，降低能耗，提高该系统的运行效率。

1 暖通空调制冷系统的工作原理

暖通空调运行过程中，制冷效果主要是通过热量交换实现的。空调中的制冷剂会在冷凝器、压缩机、节流阀及蒸发器这些设备中进行重复循环，使制冷剂的状态发生改变，在变化过程中吸收和释放热量。其主要过程是蒸发器吸收大量热量，制冷剂状态发生变化，由液体转变为气体。此时气体低温低压，进入到压缩机中，压缩机发挥作用，将低温低压的气体转变为高温高压气体，传输到冷凝器中，将自身热量传递给水和空气，再转变为体液，重复循环，通过交换热量来降温。除了制冷剂循环之外，冷冻水、冷却水及室内空气循环在压缩机的作用下，制冷剂被压缩成液体，进入高蒸发器中，此时的液体可以与冷冻水交换热量，再经过冷冻泵，冷冻水会传输到风机封口的冷却盘管内，受到吹送作用的影响，实现降温效果。蒸发后的制冷剂经冷凝器变为气体，通过传输，经过冷却泵，冷却水被传送到冷却塔，此时水塔风机可以进行喷淋，实现冷却降温效果，与室内空气进行热量交换，释放热量。这个过程中，制冷剂进行热量交换，通过循环过程实现制冷效果，降低室内温度，保证室内环境的舒适度。由其工作原理可以看出，空调运行过程中，制冷系统十分重要，它是制冷核心，也是消耗能量的主要部分，如果想控制暖通空调能耗，需要优化控制制冷系统，令系统稳定运行，实现降耗目的。

2 暖通空调制冷系统发展现状

空调运行过程中，通常是由制冷剂进行循环来实现温度调节，为人们提供舒适的生活环境与工作环境。我国制冷剂领域发展迅速，最常见的制冷剂是氟利昂，该制冷剂是一种无毒物质，其化学性质相对稳定，具有热力学性能，属于不可燃化合物。氟利昂具有较好的制冷效果，制冷效率较高，因此被广泛应用于各种制冷设备。但是，该制冷剂的应用存在着不足，如果该制冷剂长期存在于大气，其中一小部分会进入到平流层，受到紫外线的作用，氟利昂分子会分解出氯原子，与发生反应，导致许多臭氧分子受到破坏，进而损坏臭氧层，严重时甚至会影响植物生长，导致部分海洋生物死亡，增加人们患皮肤病的概率。近些年，在南极出现了臭氧空洞，可见，氟利昂浓度的持续上升会导致温室效应加剧，令海平面上升，影响沿海城市和国家的日常生活。氟利昂的应用虽然为人们的生活提供了便利，但是其会对环境产生不利影响，容易造成环境污染。应积极探索研究不同的制冷剂，保护生态环境。现阶段，R410A制冷剂备受关注，该制冷剂无毒，性能相对稳定，其由碳元素、氢元素及氟元素组成，较为清洁，应用该制冷剂不会导致温室效应加剧，也不会造成臭氧空洞，应加大研究力度，发挥其积极作用。

3 制冷系统的设计

建立制冷系统数学模型可以提高研究的可靠性，可应用计算机仿真进行有效验证。制冷系统具有时变、多变量和非线性等特点，因此，建立数学模型具有一定的难度。通常可对实际条件进行合理假设，保证该系统在理想条件下运行。但是一些假设是不合理的，为了保证系统研究的可靠性，在建立数学模型时，必须要应用真实的实验数据。

3.1 机械部分的设计

空调系统工作复杂，主要可分为4个循环过程：其一，制冷循环过程是要制取一定的冷量，循环过程包括压缩机、节流装置等器件。其二，冷却水循环过程具有降温作用。当低温的冷却水流过冷凝器时，可与制冷剂进行热交换，发挥冷却和降温的效能。在此作用下，冷却水温度逐渐升高，流回到冷却塔。在此处受到喷淋及风扇吹动，冷却水温度再次发生变化，回到低温状态，接着返回到冷凝器。其三，冷冻水循环过程是在蒸发器内，冷冻水与制冷剂进行热交换，其温度再次降低，流经空气处理器，在此处与空气进行热交换，冷冻水的温度逐渐升高，流向蒸发器。其四，风循环过程发生在空气处理单元，此处空气被冷却，可形成供风，被传送到供风管道，管道与房间相互连接，可结合每个房间的风阀驱动器，获得合适的冷量。为了保证研究具有实际意义，可设计暖通系统实验平台。

3.1.1 制冷剂循环设计

压缩机在外界能源作用下，可以将制冷剂进行压缩，使其转化为高温高压的气体。在制冷机中，这是消耗能源的主要部分。压缩机的性能与制冷量息息相关，在实验平台，需要制冷量达到1.5t以上，因此，实验需要重视压缩机的选型，保证其额定工作频率及排气量等。在制冷机中，节流装置十分重要，可以控制制冷剂的质量和流量，还可以对机械能进行节流降压处理。工程中大多应用热力膨胀阀，尤其是电子膨胀阀得到了广泛应用，其反应速度较快，准确性高。在实验平台可以设计两个回路：一是制冷剂在流经冷凝器，流出之后经过热力膨胀阀，流向蒸发器。二是经过冷凝器之后走向电子膨胀阀。这两种方式可以通过四通阀进行切换。结合实验需求，可以多设立几个温度检测点，设立4个制冷剂温度传感器，设立4个水温度传感器。此外，可以设立多个压力检测点。

3.1.2 水系统设计

冷冻水和冷却水循环系统均属于水系统，应重视每个电机的变频器连接，使其可以控制水流量。同时，需要控制流量传感器的密封性和抗干扰性。

3.1.3 风系统设计

人们应用空调主要是为了调节环境温度，保证环境舒适度。因此，房间的温度和湿度测量必不可少，可以在系统的实验平台设立多个温度、湿度传感器。

3.2 控制回路硬件的设计

暖通空调系统中，其连线工作均在端子柜中进行，端子柜内含有众多接线端子排，可以令电器线路遵循一定顺序，将其接入端子排。在实验平台中，被控制的器件众多，包括压缩机变频器、冷却水调节阀及风阀驱动器等，要重视接线，设计连接顺序分类，保证接线的合理性和简洁性。

4 暖通空调制冷系统的优化与控制技术

应用暖通空调时，设备容易受到室内外环境的影响，若想保证空调制冷系统的稳定运转，提高系统的运行效率和制冷效果，要对系统进行深入研究，分析优化和控制技术，制定行之有效的方案，控制能源消耗。

4.1 BP神经网络的应用

在空调制冷系统中，BP神经网络比较常见，具有一定的优势，该种网络系统可以对多层进行有效反馈，有效解决隐藏问题，缓解非线性映射问题。应用该网络系统可以有效提高信息处理能力，识别文字和图片等具体数据信息，能够自主进行分类，这种处理可以有效缓解工作人员的压力，保证数据信息分类的合理性和可靠性。BP神经系统可以应用网络结构，根据非线性的特点，设计函数模型，对函数系统进行合理控制。在工业化控制系统中应用函数模型，可以合理控制机械的运行方式。如果将此系统应用到暖通空调制冷系统中，可以对吸气压力进行合理模拟。可以结合制冷机能耗的非线性，深入研究其能耗的实际情况所造成的阻力。在制冷系统中应用该技术，可以获得真实可靠的数据，为技术人员提供有力的数据支持。应用BP神经网络可以对风险性函数进行模拟，建立符合实际情况的网络模型，呈现其具体特点，为优化控制方案提供参考依据。

4.2 Matlab语言的应用

这是一种程序语言，可以高效处理一些庞杂的数据，在处理过程中可以保证数据处理的准确性，具有较强的数据处理能力。该语言应用相对广泛，可应用于控制系统及仿真系统。目前，已经研制出Matlab语言工具箱，其发挥了积极效能，可以为调取子程序提供有力支持，即模块化应用，有效提高使用的便利性，优化操作流程。在制冷系统中，可以同时应用Matlab语言及BP神经网络，高效实现模块化控制，保证系统运行的稳定性和便捷性，大幅度提高空调运行效率。

4.3 自适应模糊控制系统的应用

自适应模糊算法具有高效性，其基于自适应模糊控制器、自适应学习能力模糊逻辑系统的算法，可对信息进行采集与分析，合理调整和优化逻辑关系参数。该系统应用了优化控制策略，可有效控制空调的制冷系统，实现制冷系统的优化。空调制冷是系统工程，包含了许多子程序的循环，如果只对其中部分元件进行控制，可提高运动能力，但是难以有效控制空调的运行能耗。该系统从整体优化角度入手，有效实现了全局优化。该系统能够合理控制空调的耗能功率，调配合适的温度，保证温度适应冷却水系统，保证制冷系统的稳定性和协调性，能够提高传热过程的平衡性。该系统的学习能力及调节能力较强，可以进行在线调节，有助于优化和改善控制模块，保证调节工作的有效性。

5 制冷系统故障解决方法

若想有效优化制冷系统，要重视其故障解决方法。常用的故障解决方法如下：其一，回液。引起此类问题的原因是回液与膨胀阀选型和使用存在问题，如膨胀阀选型过大或元件失灵等，均会导致回液问题。对于小制冷系统而言，通常会使用毛细管，如果加液量过大，可能会引起回液问题。针对此类问题，可以安装气液分离器，通过控制大大降低回液危害。其二，带液启动。其是在压缩机内，润滑油出现剧烈起泡现象，引起这种问题的主要原因是制冷剂受到压力影响，出现突然沸腾的情况。可以安装电热器，有效控制制冷剂的迁移。其三，回油困难。如果压缩机的位置较高，要保证回气管回油弯的合理性，尽量紧凑，减少存油。要保证其间距合理，在回油弯数量较多时，应适当补充润滑油。如果压缩机频繁启动，会对回油造成不良影响。如果连续运转的时间过短，压缩机停止运转，回气管中还没有形成稳定的高速气流，这种情况会导致润滑油留在管路中。当奔油多于回油时，压缩机就会缺油。如果运转时间较短且系统相对复杂，其回油问题就愈发明显。一段时间缺油，会导致润滑不足，导致缺油的原因并不是压缩机奔油问题，而是因为系统回油引起的。对此，可以合理安装油分离器，保证回油效果和速度，通过这种方式有效延长压缩机无回油运转的时间。

6 结语

暖通空调是人们生活中不可或缺的重要组成部分，可以为人们提供良好的生活环境，但也消耗了大量能源。在暖通空调系统总能源消耗量中，制冷机消耗的能源量超过了50%。若想控制暖通空调系统运行成本，要对制冷机进行优化和控制。应优化暖通空调制冷系统，将其全面落实应用，实现节能环保的目标。