1、智能控制在暖通系统中的应用研究摘要：暖通空调在大型建筑采暖设计中占有越来越重要的地位，但由于能耗大，与建筑的节能环保要求和低碳建筑发展趋势相悖，而暖通空调的智能控制可以有效降低暖通空调的运行能耗。正是围绕这一问题，本文对智能建筑中暖通系统的智能控制应用进行了仿真研究和分析。 关键词：智能控制；暖通系统；节能；仿真；应用 Abstract: HVAC occupies an increasingly important position in large building heating design, but because of large energy consumption, the b
2、uilding energy conservation and environmental protection requirements was not follow low carbon development trend, and HVAC intelligent control can effectively reduce the energy consumption of heating ventilation and air conditioning. It was around this problem, the intelligent building HVAC system
3、intelligent control application of simulation research and analysis. Key words: intelligent control; HVAC system; energy saving; simulation; application 中图分类号：TU832.1 文献标识码：A 文章编号: 暖通空调作为耗能较大的行业，在节能环保的大背景下，低碳环保的生活方式对暖通空调市场影响深远。随着暖通空调行业不断发展，产品布局正在悄然发生变化。低碳节能已经成为暖通空调产品的基本诉求。节能减耗已经是当今世界主要受关注问题之一。我国政府也对
4、节能工作高度重视，始终坚持把节约能源作为经济发展的重要指导方向，实行全面、严格的节约能源制度和措施，充分提高能源的利用效率。目前智能建筑是建筑发展的主要方向，而暖通空调系统在智能建筑的智能化方面占有重要比重，一方面智能控制是实现暖通空调和建筑智能化的重要手段，另一方面，由于空调系统是建筑能耗的大户，而智能控制则有利于进一步降低暖通空调系统的运行能耗，实现建筑的节能目标。 一、暖通系统应用问题及发展方向 造成能源消耗严重和建筑物内空调运行状态不合理现象的主要原因一是暖通空调控制器设计不合理。由于空气潜热交换热处理器存在非线性环节,当载荷、湿度、气压、冷冻水温度和压力变化时,空气线性系统控制器很难
5、达到房间温度的控制精度和舒适度要求,造成浪费能源的现象1。二是由于空调系统一般按最大负载计量,且暖通空调系统通常全负荷运转时间很短,长时间是在低负荷情况下运行，由于外部环境的温度、湿度、阳光照度和内部发生热负荷扰动时,如用工作点控制模式、暖通空调的每一环节传热的效率就会大大降低,使系统运行效率同时降低,导致能源浪费的行为。 针对现有暖通空调强非线性时变、大惯性、延迟、强干扰等特点,需对它进行精确的控制,以获得较好的控制效果,这是个艰巨的任务。尤其是对于模型较复杂的暖通空调, 在许多外界干扰以及工作环境不断变化的情形下运行,怎样发挥智能控制在暖通空调控制系统方面的优势,成为专家学者研究的热点。
6、因为智能控制对所被控对象模型的要求并不是太高，并且能够适应外界的强烈干扰和不断变化的工作环境，因此未来的暖通空调的控制必将朝着智能控制的方向发展。 二、暖通系统应用研究思路 本文所研究的动态建模的暖通空调对象主要是指对暖通空调的空气处理部分的动态建模。模型主要包括空气处理单元和调节房间温度,所说的暖通空调控制主要是指通过改变冷却水的电压调节器改变冷冻水流量,并改变混合空气温度,实现了房间的温度控制。控制效果的主要影响因素有冷冻水温度、湿度、新风和的空气的露点温度、回风送风量、房间负荷和其他因素。当空气混合物通过热交换器时,由于低于露点温度引起的换热系统的非线性关系,特别是当相对湿度较大时，换热
7、过程显热和潜热的冷热源温度的不同,使温度上升和降的特性不同,也存在非线性环节。空气处理单元和被调控温度的房间通过较长的送风管道连接,导致了该工程的空调的时滞和大惯性。还应考虑因长期使用管道造成管道阻值变化的这一部分和时变链接再加上一些强干扰,如冷热水流量、压力和初始水温度的波动变化如阳光、室外气温、外部空气进入空气和温度变化、房间频繁的人员和各种各样的能量损耗发热设备房内部使用等等。 如上所说的这一切,暖通空调,具有较强的非线性时变延迟、大惯性和强干扰等特点。因为存在这样的特征,决定了该工程的空调动态建模的难点和暖通空调控制的复杂性2。因此,为了得到一个令人满意的居室环境,降低能耗、研究新空调
8、系统的优化控制方法适合尤为重要。 （1）了解暖通空调的工艺过程以及关键设备的一些动静态的特性，结合其特点，建立基于模糊控制的暖通空调的空气处理部件的数学模型；（2）根据暖通空调控制系统发展趋势以及空气处理部分热交换物理的一些特性，提出了实现温度最佳控制和节约能耗的措施； （3）结合 PMV (人体舒适性指标)，利用模糊控制对房间温度进行最佳设定，从而获得满意的房间温度。 三、暖通系统应用仿真研究 1PID 控制仿真及分析 目前，对中央空调系统的控制，PID 控制方式广泛应用在实际的项目中，采用 PID 控制算法首先是水阀的作用,然后对控制区的效果，通过MATLAB 软件中去建立空调系统的温度控
9、制仿真的模型，然后在通过仿真结果从而可以分析系统的相关的性能。 我们可以根据实际工程去建立冷冻水阀数学模型为: ，(1) 空调房间的数学模型表示为: ， (2) 如图 3.1 所示的空调房间温度的 PID 控制的原理图3，中央空调系统空调房间温度 PID 控制在 MATLAB/SIMULINK 能表示为如图 3.2 所示，我们可以通过取仿真时间为 5000 秒，和阶跃温度设定在温度为 24oC 时的 PID 控制仿真曲线如图 3.3 所示。 图 3.1 空调房间温度的 PID 仿真 图 3.2 空调房间温度的 PID 仿真图 图 3.3 空调房间设定温度 24oC 时的 PID 控制仿真曲线
10、从仿真结果图 2.3 中可以看出中央空调系统的 PID 控制方法,响应曲线与房间温度的上升是设定一个给定的秩序后跳转的温度,在一个小的快速上涨后的滞后,经过一定下过冲和逐渐接近设定值,慢慢地变得稳定状态,这比较符合实际情况的空调系统。 四、模糊 PID 控制仿真及分析 空调房间温度的模糊 PID 控制的原理图如图 4.1 所示。 图 4.1 模糊 PID 控制原理图 我们设定温度在 24oC 也就是输入的阶跃温度 24o C 时侯的仿真曲线如图 4.2 所示： 图 4.2 在 24oC 时侯模糊 PID 阈值控制的仿真曲线 e 模糊 PID 控制较传统 PID 控制超调量小、动态响应速度快。响
11、应时间快的模糊 PID 控制将优于常规的 PID 控制以及纯模糊控制。 五、本论文主要的研究结论 由于暖通空调系统具有的时变性、大滞后、强非线性、大惯性以及强干扰等系列特点，决定了暖通空调动态建模和暖通空调控制的难度，从而导致了大部分暖通空调控制系统所控制的房间舒适程度不够，同时还消耗了大量的能量。所以对于暖通空调节能系统的设计及实现，对于缓解我国能源瓶颈，提高能源的利用率具有一定的价值。通过本文的仿真应用研究，初步达成了下列成果。 1实现了动态负荷的跟随，保障末端的服务质量 打破了传统空调冷水系统的运作方式，实现了最佳输出能量的控制，也就是空调主机冷水流量自动跟随末端负荷需求而同步变化，所以
12、，对于暖通系统的任何负荷状况下，都能够既保障暖通系统末端的服务质量，又能够实现最大限度的节能。 2具有自适应、自寻优的智能模糊控制 适用于暖通空调如此多参数相互影响的复杂系统,实现冰水和冷却水变流量空调系统同时运行。利用模糊控制技术,使得系统具有自学习的算法,具有优化和自适应优化控制的功能,从而实现了该工程的空调系统各种荷载工况下的最大限度的节能,使空调水系统节能到达 16%-20%。 3空调主机运行环境得到优化 系统全面采集了暖通空调的各种运行参量，然后再利用先进的模糊控制技术对这些相互关联、相互影响的运行参量进行动态优化控制，以满足暖通空调系统非线性和时变性的要求，使空调主机始终运行在最佳工况，以保持最高的热转换效率，从而减少主机的能耗 5%-10%。 参考文献： 1 建筑节能:暖通空调系统J.中国住宅设施,2010,(12):14-23. 2 强兆燕.大型公共建筑暖通空调系统设计评价研究D.天津大学,2011. 3 黄烜.楼宇中央空调自控系统的研究D.湖北工业大学,2009.
