实验室空调自动化系统的节能技术分析及应用

杨鹏飞

（1.江苏蓝林净化安装有限公司；2.苏州格力美特实验室科技发展有限公司，江苏 苏州 215000）

空调是一种诞生于20 世纪西方的能够调节温度的重要工具。空调一般用来对室内的温度进行调解，同时还能够调节室内的湿度与空气流动速度等，现在多用来在日常生活中进行对环境温度进行控制，以适宜的室内环境提高居民的生活质量。同时，由于其功能还常常被用来维持实验室的温度，保障实验的环境，以期得出一个良好的实验结果，助推实验的成功。但在20 世纪由于空调的普及率越来越高，对于电能等能源的消耗也不断提高，同时还由于空调技术的落后与环保的意识不足，导致类似氟利昂等化学物质的滥用，对环境与能源都造成了严重的破坏与浪费。相比民居，需要日夜开启空调以保持室内温度的实验室中的这一情况又尤为严重，严重地影响了该地的生态环境与大气环境，使居民的居住环境不断恶化。随着科学技术的发展和环保意识的提高，对实验室空调的节能需求与日俱增，本文就主要讨论了实验室空调自动化系统的节能技术分析及应用。

1 自动化技术运用的重要性

实验室因为环境的特殊需要长时间、恒定地保持同一个环境温度、湿度或空气流动速度，就实验室对空调的要求更高，就目前而言，许多实验室还在采用普通手动的空调控制系统，所以现在的实验室空调存在以下问题。

（1）能源消耗大。实验室空调是一个巨大而复杂的空调系统，不仅铺设的管道面积大，由于实验室的高要求，所以能源消耗大于一般的民居。具体表现在以下的几个方向：首先，实验室面积大，由于实验的特殊性与严谨性对室内环境的要求高，进而对空调的要求也就更高，增加了空调的能源消耗。同时，实验一般持续时间一般以周或月为周期，中途对实验室的温度要求等需要一直保持，这也就要求实验室空调的长期运行。最后，由于空调主要以手动操作为主，长期的实验过后可能会存在忘记关闭空调的情况，这也就加剧了空调的运行压力，加剧了空调的不必要浪费。

（2）系统负荷大无法适用于所有实验场景。由于实验室对空调质量和对空调运行时间的高要求、严标准就导致了空调系统的负荷极大，无法完全适用于所有的实验场景。比如，对于一些需要存在于相对较低的温度中的细菌培养实验，就无法单纯依靠空调达成实验环境，可能需要采用其他设备进行辅助。同时空调系统对环境的影响受诸多因素的影响，比如，昼夜交替，因为白天与黑夜的室外温度变化对室内的温度同样会产生变化，由于空调以手动操作为主，无法及时调节温度，就会影响实验的结果，还会造成能源的不必要损耗。

（3）存在安全隐患，空调使用寿命短。在实验室长期高质量、长运行的要求下，对空调本身质量的要求也随之相应提高。但对于普通的手动设置空调长期高速运行，容易引发设备故障，并缩短使用寿命。

针对以上的种种隐患，使用自动化空调系统能够有效地减少资源的不必要损耗，节约能源的同时，保护环境，减少使用中的隐患，提高空调的使用质量，延长空调的使用寿命，为实验室提供更好的温度控制。

2 自动化技术运用于空调系统的方式

2.1 模糊控制技术的运用

随着我国智能化技术的不断发展，作为其重要组成部分的模糊控制技术，随着智能化的不断发展也有非常明显的提升。模糊控制技术主要是在人工智能技术与模糊数学的科学结合，再加上如计算机科学等多种复杂学科相互影响、渗透、结合产生的一种新的技术，在理论上具有非常强的控制性和智能性，还能够自主学习，常应用于高效复杂的系统中。它的具体优势如下。

（1）模糊控制具有极强的实践性，因为其并非产出于精确的数学模型，而是产生于实地操作人员的经验，符合实际要求。同时由于产出于操作工人，所以总结出的规则平实易懂，更利于应用与推广。

（2）适应能力强，适应范围广。其他的控制方法容易受到环境的干扰，或者在改变其参数时造成极大的影响。模糊控制法区别于其他控制方法，不易受环境的影响，改变参数也不会对结果造成太大影响，因此比较适合运用于变化多、变化快的系统。

（3）相对于诞生于精确的数学模型中的专家经验，模糊控制更容易以语言变量的形式构造专家知识。

（4）模糊推理还由于其自主学习能力，能够对人的思维进行模仿学习，不断地提升自身处理问题的能力。

模糊控制步骤如图1 所示。

图1

在空调系统中的运用中，主要是利用空调系统中的温度传感器对室内温度的信号进行测量与捕捉，将这一信息输入模糊控制系统，将之与提前设定的数值进行智能比对，并根据比对结果实现对室内温度的合理控制与自动调节，保障实验室温度的恒定，促进实验的成功。

2.2 神经网络控制技术的运用

智能控制系统的另一个重要组成部分就是审计网络控制技术，这种方式主要是对人脑的运行与工作时进行模拟，以在不断地运行过程中实现对复杂网络的构建，进而为相关工作的顺利开展提供帮助，能够更好地满足实验室的需求，对实验室的空调节能具有重要的意义与作用。采用神经网络控制技术是要在使用前对所需能耗进行科学计算，计算出实际需要的能量多少与负荷的高低，并且在这样的计算结果下，结合实际环境，最终达到对能源消耗与器械负荷实现最优控制。在这样的控制下，自然有利于避免能源的浪费，助推了空调节能技术的发展，减少了浪费，为节能做出贡献。

而传统情况下普遍采用常规的PID 控制的，这种控制方式具有相当多的缺陷，主要体现在只能应用于线性系统中，难以满足复杂多变的实验室需求，并且虽然这种控制系统反应速度较快，效率也比较高，但同时存在延迟高、负荷短时间内变化大等问题的存在。此外，该控制系统控制性能差，在运用空调系统会长期震荡，难以实现快速的平稳运行。在这样的情况下，神经网络控制系统能够使用神经网络对原有的控制系统进行替换，从而实现对情况较为复杂、不确定性强的系统有更良好的适应与运行控制。同时，由于该技术的稳定性，还有助于空调运行时保持稳定，更好地提供适宜的温度，促进空调系统对室内环境的稳定。因此，为了保障实验室中环境的长期平稳运行与维持稳定的同时达到节能效果，就需要对神经网络控制系统进行良好应用。

3 节能技术分析

实验室空调自动化节能主要是通过系统设计，将群控技术和变频技术科学结合，以达到更好的节能效果，这两种节能手段主要是通过控制水泵，主要是水泵的运行速度以及冷却水的流量，再结合实验室的实际环境，判断所需的水流量，以及空调的负荷进行科学合理的管理与控制。这种科学、安全的节能技术可以尽可能地减少空调运行时造成了磨损与损耗，在节约了能源的同时，还能保证空调的高质量运行，最终实现实验室中的空调节能。

3.1 设备组成

变频器。主要作用是采集实验室的环境温度，再依照压缩机内部由于出水与回水温度不同造成的温差，对变频器及变频电机进行优化控制，实现对出水多少的科学调节，以及给水泵供电的电子回路。这些部分得到控制与调节就能够控制热交换的速度。

可编程控制器。是一款自动化电子产品，主要的作用是对调整为水泵供电的电子回路进行控制，以及部分压缩机系统。可编程控制器有很多组成部分，主要包括通讯、输入、输出、电源几个模块。能够在接收信号的同时，通过计算机的计算，得出合适的结果，并对终端达成控制，以实现节约能源的目标。

3.2 建立节能控制模型

根据相关的理论可以得出结论，实验室空调内部的水的循环系统是一种典型的流体负载，按照理论进行描述，可以得出三个正比关系，即机体转速的一次方、二次方、三次方分别与水流量、水泵承受压力、水泵机轴功率三个数值成正比关系。根据这一系列的正比关系可以得出一个结论，即空调系统在使用中不会保持100%的负载，而是通常保持在70%左右，这就表明，目前的空调存在进行优化升级的空间。所以本文基于水泵负载的空间应用自动化技术以实现节约能源。具体实验结果如表1。

表1

通过上述的实验可以看出，需要对没有利用的负载空间进行整合利用，提高使用效率，减少能耗的同时提供更好的解决方案，这就需要通过大量的资料收集和数据分析建立起符合实验室需求的节能控制模型，根据实验室对空调的使用习惯进行建模，预测未来可能出现的温度变化。建模的主要依据是以多元的方法收集数据，整合采集实验室空调的多项数据，再依照建模结果制定预测方案，通过控制水泵的形式达到节能的要求。主要的控制模型建立过程如图2 所示。

图2

4 结语

综上所述，我国的科学技术水平不断提升，实验室实验精度要求不断提高，空调技术不断发展，为了使空调在实验室中的使用过程发挥更好的作用，提高效率与质量，为实验室提供更恒定、可靠的实验环境的同时，还能够在尽量不牺牲使用质量的基础上，尽量减少不必要的能源消耗，响应国家节能减排政策，就需要将自动化技术融入空调的运行与控制中，减少不必要的能耗，还能够更加智能地对环境做出反应，为实验室中实验的顺利完成提供环境条件。要实现这一目标，就需要将模糊控制技术、神经网络控制技术运用在空调的自动化进程中，提高空调的服务质量，延长空调使用寿命，促进实现节能环保目标。