变频调速技术在中央空调中的应用

变频调速技术在中央空调中的应用

0交流交流的自动化、低碳经济、社会可持续发展的系统和电机2中央管理局是现代建筑中不可或缺的能源消耗系统。在有中央空调的建筑中,中央空调的能耗约占总能耗的70%,而且呈逐年增长的趋势。由此可见,对中央空调的能耗系统进行控制,可以减少无效能耗、减少热量排放,对于提高能源利用率具有重要的经济效益和社会效益。使用变频器对电动机驱动进行技术改造成为电力企业节能降耗、提高效率的重要手段。变频调速技术用于可变转速的电机上,具有调速性能好、节能效果显著、运行工艺安全可靠等优点。对于提高劳动生产率、降低能耗具有重大的现实意义。变频器的一次投资虽然很大,但它的应用回报率很高。采用变频调速技术改变流量后提高了电机的功率因数,减少了无功功率的消耗,节电在30~60%,直接经济效益非常明显。而且由于电机转速普遍下降,电机运行状况明显改善,延长了设备的使用寿命降低了设备的维修费用。变频器启动和调速平稳,减少了对电网的冲击。变频调速器还具有十分灵敏的故障检测诊断、保护以及数字显示功能,大大提高了电机运行的安全性和可靠性。1中央空调设备的节能方法中央空调系统主要由制冷机,冷却水系统、冷冻水系统和末端能量交换设备(比如风机盘管、新风机组)组成。在夏季,末端能量交换设备吸入建筑中的热空气,与热交换设备进行能量交换。热交换设备把热空气变冷,同时把冷冻水(一般热交换前的温度是7℃)变热,由于建筑中温度的不同,水的流速不同,热交换后的水温也会有所不同。从上述的工作过程可以看出,中央空调系统传输的冷量是与水的流量和温差有关的,流量一定时,温差越大,传输的冷量就越多,而冷冻水和冷却水系统消耗的能量主要表现在水泵上,对于水泵来讲,流量越小消耗的能量就越少,因此对于冷冻水和冷却水系统来讲,减少流量是一重要的节能措施。按照设计要求,中央空调设备既可以通过调节冷冻水的流量保证冷冻水的供回水温差维持在5℃,即7~12℃,如果达不到这一设计要求,温差小于5℃,带走相同的热量需要更多的水,加大流量就会造成浪费。一般要求冷却水的供回水温差也是5℃,即32~37℃,如果达不到这一设计要求,温差小于5℃,同样会产生能量浪费。因此当室外温度较低,冷却水的回水温度低于32℃时,就可以适当减少冷却水的流量,使冷却泵的功耗降低。因中央空调系统传递的热量是冷冻水系统从建筑物中带来的,冷却水系统散失到空气中的热量是冷冻水系统传递过来的热量再加上制冷机自身消耗的能量而产生的热量,这些热量都是通过水来传递的,而水量和温差的变化就反应了能耗的变化,因此消耗最少的能量将建筑物内的热量散失到空气中是最为节能的运行方式。通过变频可以改变流量从而达到节能目的。此外当中央空调的负荷较低的时候,可以考虑关闭其中一两台制冷机组、冷却水泵、冷冻水泵,也能达到节能目的。因此中央空调进行节能改造控制的对象有:(1)控制冷冻水泵的流量;(2)控制冷却水泵的流量;(3)选择关闭一定量的冷却水泵,冷冻水泵和制冷机组。2pid控制器滞后性如图1所示,为冷冻水供回水温差的PID节能控制模型simulink框图。由上节可知,中央空调设备既可以通过调节冷冻水的流量保证冷冻水的供回水温差维持在5℃是最佳的控制方式。从实际生产调查的空调数据观察,供回水温差并没有达到5℃,基本都在3~4℃之间,说明泵的流量还是过快,热量未能充分吸收,节能空间巨大。商场的中央空调供回水温差的模型可以认为是一阶惯性系统,T为惯性时间常数,K为增益系数。而冷量的传输具有滞后性,所以系统中有一个滞后环节,τ为滞后时间常数。被控对象的传递函数:人流量和室外温度的变化都会产生扰动,故系统引入一随机扰动。系统的前半部分是典型的PID控制。PID控制器传递函数:其中:e(t)—冷冻泵供回水温差和设定值5℃的差值;u(t)—流量变化的控制输出;Kp—比例系数;Ki—积分时间常数;Kd—微分时间常数。PID三个常数的整定,在实际操作中,先大致设定一个经验值。再根据实际情况进行调节。一般先调比例系数再调积分系数最后调微分系数。原则是避免震荡,减少超调,缩短上升时间。对冷却水泵的节能控制方法同样也可用PID控制方法。面向冷冻水供回水温差PID控制的优势:冷量供给是否满足需求最终是体现在冷冻水的供回水温差,控制器可以对供回水温差进行准确实时的采集,获得控制的准确性。面向冷冻水供回水温差PID控制的不足:中央空调系统从制冷机产生冷量到传送至末端发挥作用,有较大的延迟,通常为20~30min。另外由于大型商场的人流变化很大,瞬时就会引起冷负荷的较大变化。正是这个滞后性影响了面向冷冻水供回水温差PID节能控制的节能效果。面向冷冻水供回水温差PID控制的不足,影响了面向冷冻水供回水温差PID节能控制的节能效果。因此,考虑在加入模糊控制方法进行控制。3计算模糊变量由上述可知人流量和室外温度是影响冷量需求的主要因素,实现冷量的供求平衡就实现了最佳的能耗效能。因此针对人流量和室外温度产生的冷量需求,利用模糊控制的思想建立模糊节能控制模型。由Matlab模糊控制工具箱得到的结构框图。输入量为人流量和室外温度,输出量为水流量。模糊变量的论域定义为:(1)人流量论域[0.6,1.4]万人/时;(2)室外温度论域℃;(3)输出水流量论域[0.75,1]%的额定流量。为保证系统安全,每台制冷机冷却水、冷冻水的水泵最低的允许流量可按照设计流量的75%计算。模糊变量的语义定义如下:(1)人流量:visitorflowrate={少(SS),较少(SM),中等(MM),较多(MB),多(BB)}。用zmf型隶属函数来刻画“少”这个语义。用pimf型隶属函数来刻画“较少”,“中等”,“较多”这三个语义。用smf型隶属函数来刻画“多”这个语义。(2)室外温度:outsideTemperature={低(L),中(M),高(H)}。用zmf型隶属函数来刻画“低”这个语义。用pimf型隶属函数来刻画“中”这个语义。用smf型隶属函数来刻画“高”这语义。(3)水流量:waterflowrate={低(WL),中(WM),高(WH)}。用zmf型隶属函数来刻画“低”这个语义。用pimf型隶属函数来刻画“中”这个语义。用smf型隶属函数来刻画“高”这个语义。模糊规则确定如表1所示模糊控制模型就建好后。生成一个control.fis文件。将模型导入仿真系统后得到的如图2所示的仿真图。输入不同的visitorflowrate和outsideTemperature可以得到相应的水流量控制数值。该模型能够连续得到各种值下的控制值,部分整数结果参见表2。该模型用的反模糊化方法为重心法。面向人流量和室外温度的模糊节能控制的优势:对引起冷量需求的直接因素进行控制,更加有针对性的反应系统状态,对系统进行有效节能控制。面向人流量和室外温度的模糊节能控制的不足:该控制模型是开环控制,缺少反馈环节。由人流量和室外温度建立起来的冷量模型是时点模型,对于控制而言实时性不足。同时该模型的还受到其它的因素制约,冷量只是一个整体估计值,影响实际节能效果。4冷冻水和冷却水供回水高差pid模型面向冷冻水供回水温差的PID节能控制模型和面向人流量和室外温度的模糊节能控制模型都能做为中央空调节能控制系统的有效控制模型。各有各自的优势和不足,利用两个模型的互补性建立如图3所示的高效节能模型。该节能控制系统输入有:(1)冷冻水供回水温差;(2)人流量;(3)室外温度。利用基于冷量供求模型的模糊控制进行冷量需求预测,来弥补基于冷冻水供回水温差PID模型的时滞现象。反过来用基于冷冻水供回水温差PID模型的闭环控制来弥补基于冷量供求模型的模糊控制模型开环的弊端。上述模型是针对冷冻水泵的节能控制模型,只是整个节能控制系统中的一部分。对于冷却水部分。同样可以使用上述模型,只需对模糊控制部分做一些更改。冷却水循环系统部分,是接收冷冻水循环传递过来的热量与外界环境进行热交换。影响这个热交换过程的因素是室外温度。因此在模糊控制部分只有一个输入量—室外因素,由Matlab模糊控制工具箱可仿真。其它的模糊控制处理方式同上文所述,不再赘述。假设该模型达到最高效节能,即在温度稳定的情况下,冷冻水和冷却水供回水温差为5℃。由实际生产中的空调数据统计可知,冷冻水供回水温差一般均值为3.6℃左右,冷却水供回水温差均值为4.2℃左右。因此,按一般情况来算,冷冻水泵节能