户式中央空调系统优化技术分析
摘要:本文对户式中央空调系统的特性进行简单介绍。对系统的优化设计及运行控制方法进行分析。结合变频水管户式中央空调系统，对系统的优化设计方法和运行控制技术进行了讨论。
1．引言随着城镇居民生活水平的提高和住房面积的改善，人们的居住观点从单一注重居住的实用性、功能性等底水平要求向注重舒适性、室内空气品质等高层次需求转变。因而户式中央空调得到迅速的发展。户式中央空调已经被中国空调行业中的大多数人士公认为未来住宅空调的主流产品。与普通空调器相比较，户式中央空调具有舒适、美观、节能等特点；不仅可以引入新风、改善空气品质，消除“空调病”的烦恼，而且使居住室内空气分布更加均匀、温度波动小，舒适感好。
户式中央空调根据输送介质的情况通常可分为三类， 即以空气为介质的风管式空调系统、以水为介质的水管式空调系统和制冷剂直接蒸发的一拖多多联机。风管式空调系统与集中全空气中央空调系统原理相似。它具有良好的新风空调系统，且投资较小，但风管占用空间体积大，要求较高的层高是其不足。水管式空调系统由室外机组产生的冷热水,经水管系统输送到室内各个末端装置。该系统可以对每个空调室进行单独调节，满足各个空调室的要求，因而具有较好的节能效果。但该系统对新风系统布设有些困难。制冷剂直接蒸发空调系统一般采用一台室外机通过制冷剂管路向多个室内机输送循环。基于变频和电子膨胀阀技术的一拖多多联机具有节能、运转平稳等优点，但对引进新风困难、长管路系统低流量的回油问题及现场安装要求是其不足。由于户式中央空调系统在中国的发展起步较晚，在设计和运行中还存在着许多问题。随着对节约能源、减少运行费用、环境保护及室内空气环境要求的提高，对户式中央空调的提出了更高的要求。因而优化设计和运行户式中央空调系统，使其保证运行效率高、减少环境污染及提高居住的舒适性是目前亟待解决的问题。本文将对以变频水管式空调系统为例，对系统的设计参数进行分析，并对系统优化设计和运行进行探讨。 2． 变频水管户式中央空调系统优化设计方法 水管式空调系统由室外机组产生的冷热水,经水管系统输送到室内各个末端装置。该系统可以对每个空调室进行单独调节，满足各个空调室的要求，因而具有较好的节能效果。变频水管式空调系统加上独立的新风系统是一很有发展前景的理想的节能舒适型户式中央空调系统。因而其优化设计具有极其重要的价值。 传统的制冷系统设计方法是基于经验加实验为主。通常经验设计方法简便易行，对理论知识和实验条件等依赖性相对较小。然而经验设计方法不可避免地具有直接和可靠性低、稳定性差的缺点，只适于产品的初步开发。而基于理论预测的优化设计技术可以有效地弥补经验设计和实验的不足，不仅为提高产品的设计可靠性和效率提供保障，而且对产品的优化提供了有效的途经。 最优化方法就是在一切可行方案中选出最优方案的方法。在最优化设计中，表征方案的一切独立变量为设计变量。最优化方法就是研究如何合理地确定这些变量的方法。而评价方案优劣的指标决定于该方案所选定的设计变量，即该指标为设计变量的函数-目标函数。在系统优化设计中，设计变量的取值常常受到种种条件的限制，即约束条件。 变频水管式空调系统由变频压缩机、冷凝器、蒸发器、电子膨胀阀、室内机、制冷剂管路和水泵水管路系统组成。根据制冷系统热力学理论，利用参数动态分布、相互关联的方法，建立系统各部件数学模型和运行参数动态方程，组成系统运行参数的方程组，并对该系统进行动态模拟。模拟系统的动态特性，为优化设计提供依据。 为满足空调系统的节能、热舒适性及制冷制热好的效果，空调系统的能效比、降(升)温速率和降(升)温幅度要达到指标要求。因而在优化设计时，分别选取能效比、降(升)温速率和降(升)温幅度为目标函数的多目标优化方法。同时考虑满足冷凝器和蒸发器结构、面积范围、迎面风速范围、系统温度和压力变化范围、水和制冷剂流量范围、过冷过热度范围和室内机数量等约束条件的要求，利用优化方法进行对上述目标多目标优化计算。因而变频水管式空调系统的优化问题可表达为如下形式 (1) 将多目标优化计算问题转化为单目标优化问题。并对单目标问题构造一个新的函数： (2) 其中 为递减的正数序列，即： 随着 的增大， 的值逐渐趋向于零。这样通过构造惩罚函数的方法将原有约束最优化问题变换为一系列无约束最优化问题。结合变频水管式空调系统动态模拟技术进行空调系统单目标优化计算的主要程序为: (1) 选定初始惩罚因子 及收敛精度 和 ； (2) 利用变频水管式空调系统动态模拟，计算系统能效比、降(升)温速率和降(升)温幅度； (3) 极小化 ，得最优解 ； (4) 根据事先规定的两个很小的正数 和 检验 和 ； 是否成立，如成立则 ，否则取 ， 为小于1的正数，一般可取 ； (5)令 ，转至第(3)步。 这样完成了变频水管式空调系统的综合优化设计。 3. 变频水管户式中央空调系统运行的优化控制 节能和舒适是变频水管户式中央空调系统优化的目标。在系统的实际运行过程中，由于气候的变化、使用情况的复杂性，系统始终在非标准工况下运行。如何对变频水管式空调系统优化运行控制，是解决系统运行的可靠性和节能的关键所在。智能化主要是采用现代人工智能技术来控制水管户式中央空调系统的运行，使之能在最佳的状态下工作。信息化是制冷空调系统发展的必然趋势，目的是使其能拥有收集信息、处理和加工信息、以及发出信息的功能，包括与网络的连接。由于变频制冷压缩机、电子膨胀阀等执行机构的研制成功和不断完善，使得制冷空调系统电器上采用先进的智能控制成为可能。变频水管户式中央空调系统是一个多变量、非线性时变的系统，经典的控制方法如PI、PID等都需要有系统的精确数学模型，而建立合理且精确的数学模型又比较困难，因此这些控制技术难以在空调系统中应用。模糊控制技术采用模糊推理方法而且不需要系统的数学模型，具有其它控制方法无法比拟的优势。而在户式中央空调系统上采用模糊控制技术的前提是必须装有变频压缩机。 模糊控制的控制方案是由某些"如果-那么"这样的条件语句构成。这些条件语句都是模糊语句，表示了系统状态和控制行为之间的关系，称之为"行为规则集"。行为规则集不是一个简单的查询集，是要从目前的实际状态出发，通过行为规则集的推理得到控制方案，即产生"模糊推理算法"。模糊控制系统的关键部分是"行为规则集"和"模糊推理算法"两大部分。前者是人工操作的经验，后者涉及模糊集的运算与理论。模糊控制系统还必须有感知目前状态的传感器系统及控制行为指令的输出系统。传感器系统是通过光电信号对控制对象的目前状态进行测量的系统，控制行为指令输出系统是改变控制对象未来状态的系统，它们都是控制器的硬件部分。 变频水管户式中央空调系统的模糊控制就是快速感知空调房间和环境的各主要参数，即通过传感器获得室温变化、室内外温湿度、房间使用情况和人的状态等大量数据，将这些实测数据与大量经验数据相比较，应用模糊理论使变频压缩机、电子膨胀阀和风机转速及水系统的流量调节阀等这些执行机构做出相应的快速调节。在舒适性空调中，影响舒适度的六个因素是人体的活动量，着衣量，室内外温、湿度，气流的强度和方向，以及辐射热的大小。模糊控制根据这六个要素综合判断，得出最优的控制方案。在控制目标方面从早期的温度控制发展到以PMV（Predicted Mean Vote）作为控制基准，即：
(3) 利用变频模糊控制，可以使变频水管户式中央空调系统具有以下功能： (1) 快速制冷制热功能，控制除湿运行； (2) 高温制冷及除霜优化控制； (3) 系统巡检，调节压缩机转速； (4) 结合"人体PMV感知器"进行综合判断分析比较； (5) 系统节能运行且噪音低。 因而具有以上功能的模糊变频的优化控制技术为空调器带来的主要优点有： (1) 高效节能。由于压缩机大部分时间处于变频控制的工作状态，减少了空调器起停时的能量损失；基于优化的模糊变频控制技术系统的室外机的运行与室内的负荷及参数变化趋势相匹配，因而提高了系统运行的能效比。 (2) 稳定可靠。采用模糊变频控制技术后，系统长期处于平稳的动态运转状态，大大减少了压缩机启停次数,增强了压缩机寿命。 (3) 范围宽广。采用模糊变频控制技术后，变频水管户式中央空调系统的制冷(热)量有较大的变化范围，可以适用于多种工况及系统的优化除霜。 (4) 超级舒适。基于"人体PMV感知器"进行综合判断分析,使连续可调的户式中央空调系统达到设定温度快，不仅温度波动小，而且满足了人体的综合舒适要求。 (5) 运转噪音低。系统处于连续的动态中低工况运转，大大减少压缩机的启停，减少了噪音 4. 结论 对户式中央空调系统特点进行简单的介绍。以制冷系统热力学理论为基础，根据系统的参数动态分布、相互关联的理论对变频水管户式中央空调系统的多目标优化方法进行分析。系统优化计算方法与系统动态模拟相结合，不仅实现了变频水管户式中央空调系统的模拟优化，而且对系统的设计具有重要价值。基于数字模糊变频技术的优化控制的设计对系统的运行具有快速制冷、安全可靠、舒适和节能的作用。
