智能模糊控制技术在某酒店中央空调工程中的节能应用

智能模糊控制技术在某酒店中央空调工程中的节能应用汪秦秦， 陈栋， 康永（陕西奥升环境工程有限公司 西安 710049）摘要 本文通过四川达州凤凰国际大酒店中央空调智能模糊控制技术（BKS系统）应用的案例，就智能模糊控制技术在中央空调系统中的应用，从项目节能分析、技术应用及实施方案等进行技术方面的介绍，并对项目投资的经济收益和社会收益等进行分析和探讨，为同类型酒店、宾馆等商业建筑节能应用提供参考和借鉴。关键词 中央空调节能 建筑节能 模糊控制 BKS系统0引言中央空调系统随着社会生产力的发展以及人民生活水平的提高已经被广泛应用于工业及民用建筑中。另一方面，中央空调系统需要消耗大量的电能和热能，其能耗占建筑总能耗的50%以上。按照国家标准，中央空调的最大负载能力是按照气温最高、负荷最大的工作环境来设计的，空调设计时预留很大的负载。但是，在实际运行中，系统又往往极少在满负荷条件下运行。据统计，中央空调系统97%时间里面运转负荷是在70%以下，所以实际负荷通常达不到满荷运行（即通常所说的“大马拉小车”）， 特别是在冷量需求较少的情况下，主机负荷量更低；此外，与主机相匹配的冷冻泵、冷却泵不能自动调节负载，几乎长期在100%的负载下运行，造成了电能的极大浪费。目前我国单位建筑面积的空调能耗相当于气候条件接近的发达国家的23倍，据不完全统计，截至2006年，我国已安装中央空调的建筑物约有7万栋，其中高级星级酒店约有5000多家，若能全部采用节能技术，预计每年可节电35.7亿千瓦时，节约电费开支27亿元，所以我国酒店空调系统存在相当大的节能空间。因此，对中央空调系统进行节能改造是响应国家要求进行节能减排的重要环节之一。达州市位于我国四川东北部，年平均温度为14.717.6，最高的8月，月平均气温33.1C，最低的2月份，月平均气温12.5C，年极端最高温度41.2，年极端最低温度-4.5，四季温差较大。在这种地理环境和气候条件下，受开机时间变化等多种因素将导致中央空调负荷波动较大，如果仅依靠传统的人工手段对空调系统进行控制和管理，不能实现空调冷量（或热量）的供应随负荷的变化而调节，就会浪费大量能源。尽管空调主机能够根据负荷变化自动随之部分加载或减载，但与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能跟随负荷的变化自动调节负载，始终在100%负载下运行，将会造成能源的很大浪费。本文通过四川达州凤凰国际大酒店中央空调智能模糊控制技术（BKS系统）应用的案例，就智能模糊控制技术在中央空调系统中的应用，从项目节能分析、技术应用及实施方案等进行技术方面的介绍，并对项目投资的经济收益等进行分析和探讨，为同类型酒店、宾馆等商业建筑节能应用提供参考和借鉴。1. BKS智能模糊控制系统原理中央空调系统是一个多变量的、复杂的、时变的系统，其过程要素之间存在着严重的非线性、大滞后及强耦合关系。对这样的系统，无论用经典的PID控制，还是现代控制理论的各种算法，都很难实现较好的控制效果。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，尤其适合于中央空调这样复杂的、非线性的和时变性系统的控制。基于模糊控制的变频调速可以实现中央空调水系统真正意义上的变温差、变压差、变流量运行，使控制系统具有高度的跟随性和应变能力，可根据对被控动态过程特征的识别，自适应地调整运行参数，以获得最佳的控制效果。图1示出了BKS智能模糊控制系统原理框图。图1 BKS智能模糊控制系统原理框图图1中所示的模糊控制器由模糊化接口、数据库、规则库、推理机、解模糊接口等构成。它的输入变量都选用受控变量，它们能够比较准确的反映受控过程中输出变量的动态特性。对于BKS系列中央空调节能控制系统而言，受控变量是系统的供回水温度、流量及压差等。模糊控制的核心是用自然语言来描述被控制系统，利用模糊规则推理对系统的粗略知识进行类似人脑的知识处理，实现对复杂系统的优化控制。在控制过程中，以语言描述人类知识，并把它表示成模糊规则或关系，通过推理、利用知识库，把某些知识与过程状态结合起来，构成一套自寻优的模糊控制策略。当中央空调系统负荷变化造成空调主机及其水系统偏离最佳工况时，模糊控制器根据数据采集得到各种运行参数值，如系统供回水温度、供回水压差、流量及环境温度等，经推理运算后输出优化的控制参数值，对系统运行参数进行动态调整，确保主机在任何负荷条件下，都有一个优化的运行环境，始终处于最佳运行工况，从而保持效率（COP）最高、能耗最低，实现主机节能10%30%。2. 项目实施方案2.1工程项目概况达州凤凰国际大酒店是一座大型五星级酒店，位于四川省达州市凤凰大道，楼高38层，有各类客房198间，建筑面积约57200m2，是达州市标志性建筑之一。根据当地能源状况、技术经济比较及现场情况确定机房主机选用电制冷+真空热水机组的方案，末端选用风机盘管+独立新风系统和空调器通风管道送风系统。中央空调夏季运行约120天，冬季运行约90天，每天平均运行时间在1216小时左右，按照传统的人工手段对空调系统进行控制和管理，预估中央空调系统年平均总耗电约230万kWh，电费支出190万元左右。2.2. 系统配置凤凰国际大酒店中央空调系统的配置如表1：表1 凤凰国际大酒店中央空调系统的配置序号名称基本参数消耗功率（KW）数量（台）1变频离心式冷水机组QL=900RT52912变频离心式冷水机组QL=600RT39413螺杆式冷水机组QL=300RT20514空调冷冻水循环泵Q=364m3/h，H=35m5525空调冷冻水循环泵Q=180m3/h，H=34m3026空调冷却水循环泵Q=430m3/h，H=30m5527空调冷却水循环泵Q=220m3/h，H=30m3028热水循环泵Q=120m3/h，H=30m18.549冷却塔风机22210冷却塔风机112表1中410项为本系统主要控制对象。2.3. 系统控制模型2.3.1. 冷冻水控制模型BKS智能模糊控制系统采用了模糊预测算法对冷冻水系统进行最佳输出能量控制。当环境温度、空调末端负荷发生变化时，冷冻水供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化，流量计、压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至模糊控制器，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，实时计算出末端空调负荷所需的制冷（热）量以及冷冻水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值，并与检测到的参数值进行比较，根据其偏差值，利用现代变频高速技术，调节冷冻水泵的转速，改变其流量使冷冻水系统的温差、供回水温度、压差和流量运行在模糊控制器给定的最优值。由于冷冻水系统采用了输出能量的动态控制，实现空调主机冷媒流量跟随末端负荷的需求供应，使空调系统在各种负荷情况下，都能既保证末端用户的舒适性，又最大限度地节省了冷冻水的输送能耗。2.3.2. 冷却水及冷却塔风机控制模型中央空调系统的运行效率（COP）会受各种因素的影响而变化，通过有效控制系统工质参数（即运行环境），可以优化系统的运行效率，然而，这些参数的运行特征表现为非线性和时变性，因此，传统的或简单的控制技术都难以取得满意的效果。BKS智能模糊控制系统采用了系统模糊优化对冷却水及冷却塔风机系统采用最佳效率控制。当环境温度、空调末端负荷发生变化时，中央空调主机的负荷率将随之变化，主机冷凝器的最佳热转换温度也随之变化。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，计算出主机冷凝器的最佳热转换温度及冷却水最佳进、出口温度，并与检测到的实际温度进行比较，根据其偏差值，利用现代变频高速技术，调节冷却水泵和冷却塔风机转速，动态调节冷却水的流量和冷却塔风机的风量，使冷却水的进、出口温度逼近模糊控制器给定的最优值，从而保证中央空调主机随时处于最佳效率状态下运行。由于冷却水系统采用最佳效率控制，保证了中央空调主机在满负荷和部分负荷的情况下，均处于最佳工作状态，始终保持最佳的能源利用率（即COP值），从而降低了空调主机的能量消耗，同时因冷却水泵和冷却塔风机经常在低于额定功率下运行，也最大限度地降低了冷却水泵和冷却塔风机的能量消耗。3. 系统构成3.1. 系统构成框图主要由模糊控制柜、冷冻水智能控制柜、冷却水智能控制柜、冷却塔风机智能控制箱、热水泵智能控制柜、现场模糊控制箱、各种传感器件以及系统软件组成（见图2）。模糊控制柜传感器1传感器n现场模糊控制箱1中央空调主机机冷冻水泵智能控制柜冷冻水泵冷冻水泵智能控制柜冷却水泵风机智能控制柜冷却塔风机热水循环泵智能控制柜热水泵传感器1传感器n现场模糊控制箱2图2 系统构成框图BKS2008 型中央空调节能管理系统主要由以下设备组成：MKG2008-3 模糊控制柜 1套；MKX2008-2B 现场模糊控制箱2套；(减少布线,类似采集终端/现场工作站)LWK2008-55-10 冷冻水泵智能控制柜2套；LWK2008-30-10 冷冻水泵智能控制柜2套；LWK2008-18.5-10 热水循环泵智能控制柜4套；LQK2008-55-10 冷冻水泵标准智能控制柜2套；LQK2008-30-10 冷冻水泵标准智能控制柜2套；LFX2008-22-1 风机智能控制箱2套。LFX2008-11-2 风机智能控制箱1套。3.2. 模糊控制器模糊控制器包括MKG2008-3型模糊控制柜1台, 柜内配置模糊控制单元1套、工业控制计算机1台、通讯协议转换单元2套、数字量接口单元2套、保护单元1套以及系统软件1套。模糊控制柜于现场用通讯线缆与冷冻水泵智能控制柜、热水循环泵智能控制柜、冷却水泵智能控制柜、冷却塔风机智能控制柜、现场模糊控制箱以及原有的空调起、停控制柜连接。模糊控制器系统通过协议解析，可与以上各控制柜进行通信，通过对空调系统全面的参数采集，实现对空调系统运行的集中监测、控制和管理。3.3. 冷冻水模糊控制系统冷冻水模糊控制系统设置LWK2008-55-10和LWK2008-30-10水泵智能控制柜各2套；每套柜内分别配置相应变频器各 1台；基本接口单元各1套、数字量接口单元各1套，用于控制冷冻水泵；标准水泵智能控制柜以及各控制单元经传输导线与MKG2008-3模糊控制柜连接。冷冻水系统的供水管上安装水流压力传感器P，于泵后冷冻水供、回水管上分别安装有水温传感器，主机冷冻水出口管上安装有水温传感器，于冷冻水回水管上安装流量计。每只流量计、水温传感器及水流压力传感器经传输导线与MKX 2008-2B现场模糊控制箱连接。原电机控制柜内的主电路不变，断开原控制柜进线断路器与降压起动（或 Y/起动）主电路的导线连接，加导线改接至对应水泵智能控制柜的进线端，水泵智能控制柜的出线再返回原电机控制柜，与降压起动（或 Y/起动）主电路连接，原控制电路的进线仍接至进线断路器的出线端，当需作能耗比较测试或变频器因严重故障短时间内不能恢复或置换时，可方便快捷地切换为原工频状态运行。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，计算出负荷需要制冷量及最佳温度、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。当原电机控制柜起动后，模糊控制器向对应变频器发出控制指令，软起动冷冻水泵（从0Hz升至设定低限频率值约10秒，冷冻水泵的低限频率由现场调试确定），水泵起动频率升至设定低限频率后，按模糊控制器输出的控制参数运行，使系统在保证末端空调用户的舒适度需求的同时，可实现最大限度的节能。机组运行时，如果冷冻水出口温度、流量或供回水压差出现异常时，系统送出报警信号并采取相应的保护措施，保证空调主机的安全正常运行。3.4. 冷却水模糊控制系统冷却水模糊控制系统设置LQK2008-55-10和LQK2008-30-10水泵智能控制柜各2套，每台柜内配置变频器各1台、基本接口单元各1套、数字量接口单元各1套，用于控制冷却水泵4台；变频器、标准水泵智能控制柜以及各控制单元经传输导线与MKG2008-3模糊控制柜连接。在主机冷却水出口管上安装有水温传感器。每只水温传感器经传输导线与MKX 2008-2B现场模糊控制箱连接。原电机控制柜内的主电路不变，断开原控制柜进线断路器与降压起动（或 Y/起动）主电路的导线连接，加导线改接至对应水泵智能控制柜的进线端，水泵智能控制柜的出线再返回原电机控制柜，与降压起动（或 Y/起动）主电路连接，原控制电路的进线仍接至进线断路器的出线端，当需作能耗比较测试或变频器因严重故障短时间内不能恢复或置换时，可方便快捷地切换为原工频状态运行。当原电机控制柜起动完毕后，起动完毕信号送至模糊控制器，由模糊控制器向对应变频器发出指令，软起动冷却水泵（从0 Hz升至设定低限频率值约10秒）。冷却水泵起动后，按模糊控制器输出的控制参数值，调节各冷却水泵变频器的输出频率，控制冷却水泵的转速，动态调节冷却水的流量，使冷却水的进、出口温度逼近模糊控制器给定的最优值，从而保证中央空调主机随时处于最佳转换效率状态下运行。以实现冷却水泵和空调主机在最佳工况下节能运行。由于模糊控制器设定了冷却水泵的最低运行频率（设定低限频率值为略大于中央空调主机冷却水容许最低流量时对应的水泵运行频率），故确保了中央空调主机冷却水的安全运行。机组运行时如果冷却水出口温度超过高限温度，系统送出报警信号并采取相应的保护措施，保证空调主机的安全正常运行。3.5. 冷却塔风机模糊控制系统 冷却塔风机控制系统设置LFX2008-22-1和LFX2008-11-2冷却塔风机智能控制箱2台，箱内分别配置数字量接口单元1套以及相应控制电路1套，用于冷却塔风机的起、停控制。冷却塔风机智能控制箱经通讯总线与MKG2008-3模糊控制柜连接。在冷却水进水总管上安装有水温传感器。水温传感器经传输导线与现场模糊控制箱MKX2008-2B连接。原冷却塔风机控制柜的主电路不变，控制电路按“原冷却塔风机控制电路更改原理图”进行更改。冷却塔风机智能控制箱于现场经多组导线与原冷却塔风机控制柜连接，实现对10组冷却塔风机进行远程起、停控制和就地起、停控制以及对冷却塔风机的运行状态进行监测。当接收到启动指令后，模糊控制器向对应的冷却塔风机发出控制指令，起动冷却塔风机。风机起动后按模糊控制器输出的控制参数值，动态调整风机的运行台数和运行时间，使冷却水的进口温度逼近模糊控制器给定的最优值，使冷却水入口温度保证空调主机处于最佳运行工况。当第一台冷却塔的风机起动正常后，模糊控制器向对应风机智能控制箱发出指令，起动第二台冷却塔的风机。倘若空调主机冷却水进口水温低于模糊控制器确定的优化值，风机在运行10分钟后，则自行停止或自动减少运行台数。直到水温升至模糊控制器确定的动态优化值后再自行起动。3.6. 系统原理图（见图3）图3 系统原理图4. 应用效果4.1. 安全可靠性和节能效果凤凰国际大酒店中央空调系统通过安装BKS智能模糊控制系统，实施节能控制后，实际运行结果表明：系统运行安全、稳定、可靠，功能指标达到设备技术要求；系统直观、自动化程度较高，能及时、准确地自动跟踪末端空调负荷运行；系统实现了空调泵组的软启动、软停止、运行平滑稳定，较大地改善了设备的启停性能和运行磨损；系统具有强大的管理功能和安全保护功能，确保整个空调系统优化、安全的运行；实现了中央空调系统最大限度的节能，系统（主机、冷冻水泵、热水循环泵、冷冻水泵、冷却塔风机）综合节电率达26.42%。4.2. 节能效果及社会效益如不实施BKS智能模糊控制系统，该项目年耗电230万kWh，电费190万元。实施BKS智能模糊控制系统后，每年节约电量60.8万kWh，每年减少电费支出50万元人民币（系统综合节能率26.42%，综合电价0.8224元/kWh计算）。按照现行标准折算，即每年可节约243.2吨标准煤，每年可减排：CO2 排放：608000*900/106= 547.2吨；SO2 排放：608000*11/106 = 6.69吨；N2O3排放：608000*3/106 = 1.82吨；由此可见，本项目的实施不仅节约了大量的能源，还大大减少了煤炭燃烧所产生的废气排放和温室气体排放，对环境保护起到了巨大的作用。5. 结语随着国内的高档酒店、宾馆、大型商场等商业建筑的大量兴建，中央空调能耗已成为商业建筑设计和运营过程中亟待解决的重要课题。先进节能技术的成功引入和推广，为各行业客户带来巨大的节能经济收益和社会效益，同时也必将推动我国节能投资机制的深入变革，为节能产品在建筑节能领域的推广和应用提供良好的发展前景。参考文献：1. 中央空调，何耀东 何青主编，冶金工业出版社，2001 2. 旅馆建筑空调设计，何青 何耀东，中国建筑工业出版社，19953. 2004年中国星级饭店统计公报，国家旅游局，20054. BKS中央空调管理专家系统技术规范，贵州汇通华城楼宇科技有限公司，20055. 酒店中央空调节能原理及应用，管宏，深圳市建筑设计研究总院有限公司，20106. 中央空调模糊控制技术，李玉街，贵州汇通华城楼宇科技有限公司，2005