智能模糊控制技术在航站楼中央空调系统中的应用 詹园青

智能模糊控制技术在航站楼中央空调系统中的应用

The application of Intelligent_fuzzy control technology in Terminal Central AC system

中国民航机场建设集团公司规划设计总院    詹园青 ☆

China Airport Construction Group Corporation of CAAC

Planning & Design lnstitute      By zhan yuanqing ☆

贵州汇通华城楼宇科技有限公司            李增柱    li zengzhu

摘要  航站楼中央空调系统具有巨大的节能潜力，采用传统、常规的PID控制有其局限性，难以获得较好的节能效果。现代、先进的智能模糊控制模式应运而生，为提高中央空调系统的能源利用效率，节能减排，提供了一项科学、可行的技术措施。经部分机场航站楼空调系统的应用实例验证：采用此项技术后，空调系统节能效果显著。

Abstract

The terminal central AC system has big potentials of energy saving. The utilization of the traditional and regular PID control scheme has its own limitations and it is hard for them to better achieve energy efficient effects. Therefore, the modern and advanced intelligent fuzzy control model is developed. It provides a scientific and feasible technical measure for improving central AC system energy utilization efficiency, energy saving and emission reduction. The new technology has been applied to some airport terminal AC systems, and energy saving effects are significant.

关键词   智能模糊控制技术     动态优化控制      空调系统综合节能率

Keyword    Intelligent fuzzy control technology    

          Dynamic optimal control

          AC system integral energy saving rate

1 引言

随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，中央空调的应用越来越普遍。在机场航站楼建筑中，中央空调系统已经成为现代化建筑技术的重要标志之一，是创造舒适、高效的工作和候机环境不可缺少的重要基础设施。但中央空调又是建筑物中能耗最大的设备，它给人们带来舒适的内部环境的同时，也带来了巨大的能源消耗，其电耗一般占整个航站楼用电负荷的40~60%，而且还有不断上升的趋势，大大增加了机场运营成本。同时舒适性空调又具有使用时间集中、季节性负荷大的特点，不但加重了机场电网负荷峰谷差的矛盾，也导致能源供需矛盾的加剧。因此降低建筑能耗是机场可持续发展必须解决的一个重大问题，也是中国能源战略的重要组成部分。为了有效降低建筑能耗，采用高新技术和装配提高中央空调的能源利用效率，已成为建筑节能的重要途径，也是建设节约型社会的一项重要措施。

2  空调系统节能控制技术的发展

要保证空调系统建成后，在寿命期内长期运行的稳定性、经济性，关键在于运行控制技术的选择，选用先进的运行控制技术和设备，对提高制冷设备的能源利用效率至关重要。目前多数机场航站楼的中央空调系统大多沿用传统的人工管理方式和简易开关控制设备，不能实现空调冷媒流量跟随末端负荷的变化而动态调节，在部分负荷运行时造成能源浪费很大，建筑用能效率低下。近年来尽管航站楼空调系统开始采用BA系统及运用变频调控方式，但由于中央空调系统是一个具有时滞、时变、非线性和大惰性的复杂系统，系统结构的多样性、负荷和环境因素的不确定性以及它的多参数、多参量间的强耦合等，使控制难度增大，传统、常规的PID控制有其局限性，对中央空调系统难以获得较好的节能效果。                    

节能的根本出路在于技术进步，目前一种先进、新型的控制模式应运而生，逐渐显示出优良的调节品质和节能效果。该技术以丰富的实践经验和实测数据为基础将现代模糊控制技术、计算机技术、系统集成技术和变频调速技术集合应用于中央空调系统控制，开创了中央空调控制技术发展的一个重要方向-----智能模糊控制。智能模糊控制技术基于负荷预测、利用模糊规则推理，对系统进行动态优化控制。其系统构成原理方框图如下所示：

基于负荷预测的模糊控制，是让计算机模拟人脑的智能决策行为实现冷冻水流量的动态控制，它没有一个事先确定的固定不变的被控参量给定值，而是以负荷预测的输出值作为模糊控制器的控制依据（给定值）。优点是：

⑴具有强大的在线计算功能，它通过检测的冷冻水流量及温差计算空调的负荷（需冷量），并直接采用空调冷量作为被控变量，有效解决了现有控制技术中以温差或压差来表征空调负荷的不足之处。

⑵是一种“超前控制”，基于过去时段内的空调负荷及其变化趋势，并考虑到内部空调负荷特性、室外环境温度、冷冻水循环周期等因素的影响，对未来时段的空调负荷进行预测，按预测负荷“提前”调节冷冻水流量，有效解决了大时滞、大惰性系统的控制滞后问题，提高了系统运行的稳定性。

⑶是一种“最佳输出能量控制”，根据空调负荷的预测值与实测值的偏差，调节冷冻水的流量，并对调节效果进行动态评估及修正，在保证服务质量的前提下实现了冷量供给与冷量需求的匹配，最大限度地降低了系统能量消耗。

⑷控制系统增加了冷冻水供水低温保护、冷冻水低流量保护、冷冻水供回水低压差保护和冷冻水供回水高压差保护等措施，提高了变流量工况下空调系统运行的安全性。

2011年7月国家质监总局和国标委联合发布了《中央空调水系统节能控制装置技术规范》GB/T26759-2011，填补了我国中央空调节能产品尚无技术标准的空白，对推动我国中央空调节能技术进步具有重大意义，模糊控制技术在空调领域即将迎来一个更广泛、更深入的发展空间。

3  机场中央空调系统的节能潜力

目前国内大中型机场的航站楼建筑多与制冷站分地建设，冷源远距离输送。冷冻水系统为多级泵方式，控制方式采用常规的PID控制；末端空调机组采用常规的定风量系统。在实际运行中，空调自控系统失灵多，往往是投入资金、不见成效，空调能耗未降，系统的时滞、时变已成为普遍现象。若应用模糊控制原理，对现有的中央空调控制系统进行技术改造，将会取得显著的经济效益。以某机场航站楼为例，作如下分析：

3.1. 概况

该机场航站楼建筑面积15万M2，夏季空调总冷负荷约24000KW，采用中央空调系统。冷源采用电动制冷水机四台，冷冻水系统为二次泵变流量方式，一次泵为工频泵、二次泵为变频泵组、冷却水泵及冷却塔风机均为工频，各设备配电功率见下表：

航站楼末端设备：空调机组、新风机组共计38台，均为定风量系统。各设备配电功率见下表：

3.2 系统运行情况

⑴ 无论末端负荷大小如何变化，冷冻水一次泵及冷却泵均在设计的额定状态下运行，系统能耗始终处于设计的最大值。

⑵ 冷冻二次泵组安装有变频器，但由于缺乏先进的调控手段，没能实现随负荷变化自动变频运转，只是由人工手动工频运行。

⑶ 由于冷机长期在部分负荷下全工频运行，偏离最佳工作状态点，导致制冷效率（COP值）降低、能耗大。

⑷ 空调末端设备不能根据负荷变化自动调节风机工况，部分负荷时，供大于求，浪费电能现象严重。

终上现状可以看出：中央空调系统设备（不含制冷主机）配电负荷达4735 kw，不论是能源侧还是负荷侧，均存在较大的节能空间。

4  将模糊控制技术运用于该中央空调系统的改造方案

（1 冷源侧模糊控制系统

4.1  系统设备组成：

⑴ 模糊控制柜（内配工业控制计算机、通信协议转换单元、智能数字单元、保护单元、系统软件）

⑵ 现场模糊控制箱（内配传感器接口单元、铂电阻输入单元）

⑶ 水泵智能控制箱（内配变频器、智能模糊控制单元、智能数字单元）与系统中相应位置设置的流量计、水温传感器、水流压差传感器相连，原冷冻一次泵、冷却水泵均能实现变频启动及调速。

⑷ 风机智能控制箱（内配变频器、数字量接口单元及相应控制电路），原冷却塔风机能实现变频启动及调速。

模糊控制柜由通讯线缆与现场模糊控制箱、水泵智能控制箱、风机智能控制箱及系统原有启停控制柜相连，通过协议解析，模糊控制柜可以与各控制箱通讯、采集制冷系统各参数，实现对系统运行的集中监测、控制和管理。系统中监测对象为冷水机组；控制对象为冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机。

系统构成框图如下：

4.2 主要采集的参数

⑴ 载冷剂参数：冷冻水进出口温度、冷冻水供回水压差、冷冻水流量

⑵ 冷却剂参数：冷却水进出口温度

⑶ 环境参数：室外环境温湿度

⑷ 冷水机组和各水泵的运行状态

⑸ 冷水机组和各水泵的运行能耗

4.3 控制方式---变流量模糊控制

⑴ 基于能量输出与需求相匹配的模糊预测控制

对冷冻水采用模糊预测控制模型及算法实现最佳输出能量控制。模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，计算出负荷需用制冷量及最佳温度、温差、压差和流量值，并与检测到的实际参数作比较，根据其偏差值控制冷冻水泵的转速，改变其流量使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量趋于模糊控制器给定的最优值，达到能量输出与末端需求相匹配，最大限度地降低水泵能耗，实现节能。

⑵ 基于系统效率综合优化的自适应模糊优化控制

  对冷却水采用自适应模糊优化算法实现效率最佳控制。智能控制器在动态预测系统负荷的前提下，根据气候条件、系统特性和自适应模糊优化算法模型，推理、计算出所需的冷却水温度最佳值，并以此调节冷却水泵和冷却塔风机转速，动态调节冷却水流量和风机风量，使冷却水温度趋近于智能控制器给出的最优值，即在各种负荷条件下找到一个能保持冷机效率最佳工作点，实现整体系统能效比最高。

制冷水系统控制原理图如下：

（二）负荷侧空调机组变风量控制系统

4.4  系统设备组成

风机智能控制柜（电机变频驱动及节能控制一体化装置，由智能控制器、人机接口、变频调速器、断路器、电抗器等组成），原空调机组风机能实现变频启动及调速。

4.5  控制对象

三十八台空调机组送风机及表冷器入口处电动调节阀。

4.6  控制方式

采用计算机技术、控制技术及变频调速技术，实现对被控过程参数（温度、湿度、压力、流量）的优化调节，使末端设备可以随空调房间实际负荷的变化改变送风量、水量，节约能耗。

空调机组控制原理图如下：

5  预期回报效益分析（该项目已实施，实际效果与预测基本吻合。）

5.1 制冷站系统

社会效益分析

经济效益分析                                  电价按0.85元/kwh计算

5.2 航站楼空调机房

社会效益分析

经济效益分析                                  电价按0.85元/kwh计算

6  结语

采用先进的智能模糊控制技术，从中央空调系统的总体方案入手，节能潜力非常可观。目前在海口美兰机场、长沙黄花机场、武汉天河机场、哈尔滨太平机场的中央空调系统中已进行了不同程度的改造及应用，运行测试结果：空调系统综合节能率美兰机场达到25%、黄花机场为26.8%、天河机场为51.24%，太平机场为74.4%，节能效果显著。

“十二五”期间，国内计划新建及改、扩建机场171座，航站楼规模会不断增大，中央空调系统的用电负荷也将大幅度增长。按GB/T26759-2011标准要求，对其空调系统应用现代控制技术，实施优化设计，则可使空调能耗进一步降低，节能减排，为机场带来显著的经济和社会效益，为建设节约型社会做出巨大贡献。

参考文献：

【1】 中央空调水系统节能控制装置技术规范 GB/T 26759-2011

【2】 中央空调系统模糊控制节能技术及应用   中国建筑工业出版社2009

【3】 美兰、黄花、天河、太平机场“中央空调系统综合节能率”测试结论报告

作者简历

詹园青，女，1954年12月生，籍贯：湖南  教授级高级工程师，国家注册设备工程师，从事工程设计工作。

单位： 中国民航机场建设集团公司规划设计总院