針對中央空調(diào)制冷站，詳細介紹并分析了幾種制冷站控制方法，包括變水溫控制方法、冷凍水變流量控制技術(shù)、冷水機組群控策略、冷凍站變流量及變水溫綜合節(jié)能優(yōu)化控制策略。通過對這幾種控制方法的分析可以看出，采用基于負荷預(yù)測的冷凍水流量動態(tài)控制策略可以使得冷凍水系統(tǒng)始終處于的冷量供應(yīng)狀態(tài)，并節(jié)省冷凍水泵的能耗。采用冷凍站變流量、變水溫綜合節(jié)能優(yōu)化控制策略，綜合考慮制冷機的能耗與冷凍水泵的能耗，將二者的運行功率之和小作為優(yōu)化性能指標(biāo)。同時對冷凍水泵的頻率和制冷機的冷凍水出水溫度進行優(yōu)化控制，可以在保證末端負荷冷量需求的同時，大大地降低制冷站的功率損耗，達到制冷站節(jié)能優(yōu)化運行的目的。

隨著中央空調(diào)的普及，建筑物能耗大大增加，而中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗占建筑物總能耗的一半以上，空調(diào)用電需求和所占電網(wǎng)供電比例越來越大。作為中央空調(diào)系統(tǒng)的核心，制冷站的能耗占主要因素，對中央空調(diào)系統(tǒng)制冷站進行節(jié)能優(yōu)化運行控制策略研究具有重要的現(xiàn)實意義。中央空調(diào)系統(tǒng)制冷站主要由制冷機組、冷卻水泵、冷凍水泵和冷卻塔等設(shè)備組成。本文根據(jù)制冷站的特點，對制冷站的控制方法進行了分析。

傳統(tǒng)的空調(diào)制冷站控制方法

在一次/二次泵冷凍水系統(tǒng)中，如果假定負荷與流量成正比，冷凍水供回水溫差恒定，并且系統(tǒng)運行在設(shè)計工況下，傳統(tǒng)的控制方式是：可以根據(jù)系統(tǒng)流量將冷水機組分階段地投入運行，使得冷水機組按照流量進行逐臺加載或卸載。當(dāng)二次回路的流量增加開始超過一次回路時，增開一臺一次泵和冷水機；當(dāng)二次回路的流量減少到超過一臺冷水機的流量時，便關(guān)閉一臺冷水機和一次泵。

但是，由于盤管結(jié)垢、溫控器設(shè)定錯誤和冷凍水供回水溫差過小等因素，系統(tǒng)很少會在設(shè)計的溫差下運行，大部分時間都是在部分負荷下運行。因此，以流量來反映負荷的狀態(tài)并不可靠。所以，在傳統(tǒng)的空調(diào)制冷站控制方法中，控制的假定條件通常是不成立的。通過這種控制方法來控制空調(diào)制冷站的運行，勢必會造成以部分負荷狀態(tài)運行的冷水機組臺數(shù)比實際需要投入運行的臺數(shù)多，使得制冷站的運行效率低下。

例如，使用碳氫類制冷劑的冷水機，隨著冷凝器入口的冷卻水溫度每降低1℃，其制冷量可以增加0.5% ～1.5%。但是，當(dāng)冷水機組按照流量進行逐臺加載或卸載時，卻無法發(fā)揮其在較高能效比運行工況下制冷量增大的好處。在典型的一次/二次泵冷凍水系統(tǒng)中，只要流量超過了一臺冷水機的設(shè)計流量，即使運行中的冷水機組處于部分負荷運行狀態(tài)，下一臺冷水機組便須投入運行。

為了提高運行效率，必須采取措施來避免冷凍水供回水溫差減小，使冷水機組合理加載和卸載。

變水溫控制方法

由于受氣象條件等因素影響，空調(diào)系統(tǒng)在多數(shù)時間都處于部分負荷下運行，空調(diào)負荷遠小于設(shè)計負荷。因此，根據(jù)空調(diào)負荷的全年變化情況，在部分負荷時段調(diào)整制冷機運行參數(shù)，適當(dāng)提高制冷機蒸發(fā)溫度及冷水供水溫度，可以提高機組的運行效率，降低運行能耗。

研究表明，隨著冷水機組的出口冷水溫度升高，冷水機組的制冷量逐漸增加，COP值逐漸增加。冷水溫度的升高使冷水機組的蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度升高，從而改善主機的制冷性能，使得制冷量和COP 值增加。當(dāng)空調(diào)負荷變化時，可以通過調(diào)節(jié)離心式制冷機進口導(dǎo)葉或調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，改變蒸氣吸入量，以適應(yīng)供冷量的要求。冷水溫度與供冷量分階段呈線性關(guān)系，冷水溫度越低，供冷量越大。當(dāng)冷水流量較低時，提高冷水流量能夠顯著增大供冷量；當(dāng)冷水流量較大時，再提高冷水流量并不能使供冷量明顯增大。冷凍水出水溫度每升高1℃，COP提高2%～4%。因此在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上盡量提高制冷機組出水溫度可達到節(jié)能的目的。所以，根據(jù)氣象條件和空調(diào)負荷的變化，確定合理的供水溫度，在部分負荷時段實行分階段變水溫運行，即在不同的時間段采用不同的制冷機組出水溫度，可以提高制冷機運行效率，降低運行能耗，達到節(jié)能運行的目的。

中央空調(diào)冷凍水變流量控制技術(shù)

目前，常見的中央空調(diào)冷凍水變流量控制技術(shù)，主要有恒壓差控制和恒溫差控制兩種。

1.恒壓差控制

恒壓差控制是指通過恒定冷凍水供回水壓差來調(diào)節(jié)冷凍水流量。通過安裝在冷凍水系統(tǒng)管路上的壓差傳感器檢測到冷凍水供回水壓差，將實測壓差與設(shè)定壓差進行比較，然后根據(jù)二者之間的偏差采用PID 控制技術(shù)來對變頻冷凍水泵進行變頻控制，從而對冷凍水泵進行流量調(diào)節(jié)。

由于壓差響應(yīng)的時滯性比較小，當(dāng)負荷側(cè)流量波動頻繁時，壓差能夠較快跟隨流量的變化而變化，調(diào)節(jié)時間較短。但是，由于冷凍水系統(tǒng)的負荷與壓差之間沒有直接的關(guān)系，空調(diào)負荷的變化不能準(zhǔn)確地通過壓差的變化來描述；同樣，壓差的變化也不能準(zhǔn)確地反映負荷的變化。因此，將壓差作為被控變量來調(diào)節(jié)冷凍水流量，不可能保證冷凍水流量準(zhǔn)確地隨著負荷變化而變化。冷凍水系統(tǒng)中供回水管路之間的壓差是由其阻力產(chǎn)生的。當(dāng)冷凍水流量沒有發(fā)生明顯變化時，水流阻力也不會發(fā)生明顯變化，此時壓差是不會改變的。但是，如果冷凍水流量不變，當(dāng)空調(diào)負荷變化時，冷凍水溫度會隨之改變，而壓差卻沒有改變。此時，恒壓差控制便失去對冷凍水流量的有效控制。因此，恒壓差控制僅僅適用于負荷變化并伴隨有明顯的冷凍水流量變化，從而有壓差變化的場合。

2.恒溫差控制

恒溫差控制是指通過恒定冷凍水供回水溫差來調(diào)節(jié)冷凍水流量。通過安裝在冷凍水系統(tǒng)管路上的溫度傳感器檢測到冷凍水供回水溫差，將實測溫差與設(shè)定溫差進行比較，然后根據(jù)二者之間的偏差采用PID控制技術(shù)來對變頻冷凍水泵進行變頻控制，從而對冷凍水泵進行流量調(diào)節(jié)。

由于冷凍水供回水溫差的變化可以直接反映空調(diào)負荷的變化，因此，將冷凍水供回水溫差作為被控變量，可以獲得比較好的控制效果。但是，由于溫度采集點離空調(diào)末端有的距離，并且空調(diào)管路比較長，冷凍水要經(jīng)過一個循環(huán)(時間)后，其溫度變化才能反映出來。因此，恒溫差控制也具有時滯性，當(dāng)前時刻所檢測到的冷凍水供回水溫差，實質(zhì)上反映的是一段時間以前的溫度變化。將其作為被控變量來調(diào)節(jié)冷凍水流量，也不可能保證冷凍水流量準(zhǔn)確地隨著負荷變化而變化。當(dāng)空調(diào)負荷發(fā)生突變時，由于溫度變化的時滯性導(dǎo)致冷凍水流量不能及時地跟隨負荷的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作，存在較大的控制時間滯后，影響了控制的及時性和快速性。

以上兩種控制方法都采用了經(jīng)典的PID控制。PID控制需要通過對比例系數(shù)Kp積分時間常數(shù)Ti和微分時間常數(shù)TD進行整定。這種整定過程實質(zhì)上是對比例、微分和積分三部分控制作用的折中，整定過程中三個參數(shù)之間互相影響，很難收到預(yù)期的效果。PID控制無法解決穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性之間的矛盾。加大控制作用，可以使偏差減小，準(zhǔn)確性提高，但卻降低了穩(wěn)定性；反之，如果限制控制作用，可以保證穩(wěn)定性，但是卻又降低了控制作用的準(zhǔn)確性。

3.變水量控制策略

變水量節(jié)能控制是要使冷水所載的冷量及冷卻水所帶走的熱量與不斷變化的末端負荷相匹配，從而能夠節(jié)約水輸送環(huán)路水泵的運行費用。隨著溫度和濕度以及其他環(huán)境因素的變化，空調(diào)系統(tǒng)的負荷會發(fā)生變化，所需的水量也會隨著負荷的變化而變化。

通常情況下，由于冷水機組絕大多數(shù)都在低負荷的情況下運行，如果水泵的頻率與負荷的變化不匹配，會造成嚴重的大流量小溫差現(xiàn)象。在進行變水量節(jié)能控制時，要保證各設(shè)備在大范圍內(nèi)變流量運行的同時，將出水溫度控制在允許的范圍內(nèi)。

在冷凍水泵變頻、冷卻水泵定頻的情況下，采用變水量控制策略，通過控制冷凍水泵的頻率來改變冷凍水的流量，達到減少冷凍水泵的耗能的目的。由于僅僅通過溫差控制來實現(xiàn)水泵的變頻，會使水泵頻率波動較大，影響控制的穩(wěn)定性。因此，可以在溫差控制的同時，對末端空調(diào)機組的水閥開度進行控制，通過末端空調(diào)機組水閥開度和末端溫差來控制水泵的頻率，可以在保證末端負荷冷量需求的同時，大大減小冷凍水泵的能耗，從而達到較好的控制效果和節(jié)能效果。

4.基于負荷預(yù)測的冷凍水流量動態(tài)控制

負荷預(yù)測控制是指基于對空調(diào)系統(tǒng)負荷的預(yù)測而對冷凍水流量進行控制。負荷預(yù)測控制是一種超前控制，它通過對冷凍水系統(tǒng)供水溫度、回水溫度、流量、溫差和室外環(huán)境溫度等參數(shù)進行檢測，對數(shù)據(jù)進行分析、處理，采用的負荷預(yù)測方法，推理出空調(diào)系統(tǒng)“未來時刻”的負荷，提前對冷凍水泵進行變頻控制，對冷凍水流量進行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)提供的冷量與負荷需求的冷量相匹配，限度地減小偏差。

(1)基于負荷預(yù)測的冷凍水流量模糊控制技當(dāng)系統(tǒng)運行時，首先通過負荷預(yù)測技術(shù)對空調(diào)負荷進行預(yù)測，通過當(dāng)前時刻的冷凍水系統(tǒng)供水溫度、回水溫度、流量、溫差、空調(diào)區(qū)域?qū)嶋H冷量、室外環(huán)境溫度和室外太陽輻射強度等參數(shù)，預(yù)測出下一時刻的空調(diào)負荷(即空調(diào)區(qū)域所需冷量)，將其傳送給模糊控制器。模糊控制器通過比較得到被控空調(diào)負荷偏差及偏差變化率，利用模糊控制規(guī)則庫中的一系列控制規(guī)則，經(jīng)過模糊推理，得到可以獲得預(yù)期冷量的系統(tǒng)優(yōu)化運行參數(shù)(如冷凍水流量) 的模糊控制值，并對其進行清晰化處理，將其轉(zhuǎn)換為的控制量，通過執(zhí)行器去控制冷凍水泵(被控對象)的運行臺數(shù)和轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)冷凍水流量，為下一時刻提供空調(diào)設(shè)備所需的冷量。

將當(dāng)前時刻的實際負荷與預(yù)測負荷進行比較，根據(jù)二者的偏差對預(yù)測負荷控制效果進行評估，并根據(jù)比較和評估情況，對負荷進行實時在線修正：當(dāng)空調(diào)實際負荷大于預(yù)測負荷時，提高冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，從而增大冷凍水流量，以增加冷量供應(yīng)，保證空調(diào)末端對冷量的需求；當(dāng)空調(diào)實際負荷小于預(yù)測負荷時，降低冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，從而減小冷凍水流量，以減小冷量供應(yīng)，減少多余的冷量輸送。將負荷預(yù)測控制技術(shù)與模糊控制技術(shù)結(jié)合起來，對冷凍水泵進行變頻控制，通過不斷地反復(fù)檢測、反復(fù)比較和反復(fù)調(diào)節(jié)，就可以實現(xiàn)空調(diào)負荷所需冷量與冷凍水泵所提供的冷量相適應(yīng)，使得冷凍水系統(tǒng)始終處于的冷量供應(yīng)狀態(tài)，節(jié)省冷凍水泵的能耗。

(2)冷凍水流量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊預(yù)測優(yōu)化控制技術(shù)

作為一類優(yōu)化控制算法，預(yù)測控制與通常的離散控制算法不同，不是采用一個不變的全局優(yōu)化目標(biāo)，而是采用滾動式的有域優(yōu)化策略。這意味著優(yōu)化過程不是一次離線進行的，而是反復(fù)在線進行的。這種有限優(yōu)化目標(biāo)的方法，在理想情況下只能得到全局的次優(yōu)解。但其滾動實施，卻能顧及由于模型失配、時變和干擾等引起的不確定性，及時進行彌補，始終把新的優(yōu)化建立在實際的基礎(chǔ)上，使控制保持實際上的。預(yù)測控制的三個特征，即預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正，正是一般控制論中模型、控制和反饋概念的具體體現(xiàn)。預(yù)測控制的滾動優(yōu)化和反饋校正始終建立在實際控制過程的基礎(chǔ)上，能夠有效地克服控制系統(tǒng)中模型不、非線性和時變等不確定性的影響。

可以將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制與非線性預(yù)測優(yōu)化控制結(jié)合起來，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊預(yù)測優(yōu)化控制方法對冷凍水流量進行預(yù)測控制。采用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為預(yù)測模型，以自調(diào)整模糊控制器作為優(yōu)化控制器，采用多步預(yù)測方式，系統(tǒng)的優(yōu)化性能指標(biāo)綜合考慮負荷偏差(即空調(diào)負荷實際冷量與預(yù)測冷量之間的偏差)小和冷凍水泵的能耗小這兩方面因素。

由于建立中央空調(diào)系統(tǒng)的負荷預(yù)測模型需要的相關(guān)變量很多，各變量之間的關(guān)系相互耦合，錯綜復(fù)雜，而且中央空調(diào)系統(tǒng)具有很強的非線性和時變性，采用傳統(tǒng)的機理建模方法不容易實現(xiàn)。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模方法避開了傳統(tǒng)意義上具有確定數(shù)學(xué)關(guān)系的模型，它利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具有的自學(xué)習(xí)能力和良好的逼近非線性映射的能力，在非線性系統(tǒng)建模中有明顯的優(yōu)勢。因此首先利用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立對象的負荷預(yù)測模型。采用三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為中央空調(diào)系統(tǒng)的負荷預(yù)測模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型由輸入層、隱層和輸出層組成。將k時刻的室外太陽輻射強度、室外溫度、室外相對濕度、冷凍水系統(tǒng)供水溫度、回水溫度、流量、溫差、空調(diào)區(qū)域?qū)嶋H冷量和冷凍水泵的變頻器控制電壓等作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的輸入，將k+1時刻的空調(diào)負荷冷量作為模型的輸出。在對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型參數(shù)進行辨識時，應(yīng)注意到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化問題。為了提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力，采用貝葉斯正則化方法來對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型進行辨識。

然后采用多步預(yù)測性能指標(biāo)來訓(xùn)練自調(diào)整模糊控制器，對于每一個采樣時刻，性能指標(biāo)只在涉及從該時刻起的未來有段內(nèi)進行優(yōu)化。到了下一采樣時刻，優(yōu)化時段同時向前推移，這樣便可以保證點的獲得，也能減輕搜索點過程中的計算量，使控制策略反應(yīng)更及時。

后將自調(diào)整模糊控制器與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型相結(jié)合，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊預(yù)測控制策略對冷凍水流量進行預(yù)測控制。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊預(yù)測控制策略對中央空調(diào)冷凍水流量進行控制，可以取得良好的控制效果，同時又能根據(jù)性能指標(biāo)的要求降低冷凍水泵的能耗，從而在滿足空調(diào)負荷要求的同時，也達到了節(jié)省冷凍水泵能耗的目的。

冷水機組群控策略

對冷水機組實施群控優(yōu)化控制，可以節(jié)約能源，在滿足末端負荷的基礎(chǔ)上減少制冷機的運行數(shù)量，并且可以對制冷機的使用時間進行優(yōu)化控制。上位機通過與冷水機組實時通信獲得冷水機組的負載率、運行狀態(tài)等參數(shù)，根據(jù)單臺制冷機的負載率或多臺制冷機的平均負載率來控制冷水機組起動或停止的臺數(shù)，根據(jù)每臺冷水機組的總運行時間決定優(yōu)先關(guān)閉或是優(yōu)先起動幾號冷機。冷水機組群控策略流程圖如圖2所示。

冷凍站變流量和變水溫綜合節(jié)能優(yōu)化控制策略

冷水機組高的COP一般不出現(xiàn)在滿負荷時，而是出現(xiàn)在部分負荷時。制冷機的出水溫度設(shè)定值對COP 有著重要的影響。提高制冷機的出水溫度(即冷凍水出水溫度)可以提高COP的值，二者基本呈線性關(guān)系。冷凍水出水溫度每升高1℃，COP 提高2%～4%。因此在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上盡量提高冷機出水溫度可達到節(jié)能的目的。但是為了滿足末端機組對環(huán)境的要求，通常應(yīng)設(shè)定冷機出水溫度的上下限，這個限值可根據(jù)冷機長期運行的結(jié)果獲得。

在變流量系統(tǒng)中，隨著冷凍水溫度的變化，水泵能耗與制冷機能耗在程度上相互影響。

冷機與冷凍水泵的能耗關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出，制冷機的能耗隨著冷凍水溫度的提高線性降低。同時，由于需要較大的流量來滿足末端的需求，水泵能耗會隨之非線性上升。冷機與水泵能耗之和先下降到低點然后上升。因此，在某一部分負荷下，會存在一個冷凍水供水溫度，使冷機和水泵的能耗之和小。

圖3 冷機與冷凍水泵的能耗關(guān)系

采用冷凍站變流量、變水溫綜合節(jié)能優(yōu)化控制策略，將冷凍泵的運行功率和制冷機的運行功率之和小作為優(yōu)化性能指標(biāo)，在冷凍水泵的頻率不斷變化的基礎(chǔ)上計算出的制冷機的冷凍水出水溫度。在滿足末端負荷要求和保證設(shè)備前提下，通過提高冷凍水的出水溫度來提高制冷機的COP，達到制冷機節(jié)能的目的。

這種控制策略將變流量控制與變水溫控制結(jié)合起來，綜合兩種控制方法的優(yōu)勢，綜合考慮制冷機的能耗與冷凍水泵的能耗，將二者的運行功率之和小作為優(yōu)化性能指標(biāo)，同時對冷凍水泵的頻率和制冷機的冷凍水出水溫度進行優(yōu)化控制。可以在保證末端負荷冷量需求的同時，大大地降低制冷站的功率損耗，達到制冷站節(jié)能優(yōu)化運行的目的。

結(jié)束語

中央空調(diào)系統(tǒng)制冷站主要由制冷機組、冷卻水泵、冷凍水泵和冷卻塔等設(shè)備組成。空調(diào)冷負荷是隨著外部條件的變化而變化的，空調(diào)系統(tǒng)滿負荷運行的時間僅占總運行時間的15%～20%，使制冷機組大部分時間都處于低負荷的運行狀態(tài)，很難保證制冷機組在率下工作。影響空調(diào)系統(tǒng)能耗的主要因素是制冷機本身的性能以及冷凍水的流量和供回水溫差，影響水泵和風(fēng)機能耗的主要因素是輸送水或空氣的流量和水或空氣在輸送過程中的阻力。因此對建筑物空調(diào)冷負荷的變化規(guī)律、制冷機組部分負荷性能、制冷機組選配方案和制冷站運行模式優(yōu)化的研究越來越受到研究人員的重視。

本文介紹了幾種常用的中央空調(diào)制冷站的控制方法，由于系統(tǒng)大部分時間都是在部分負荷下運行，傳統(tǒng)的空調(diào)制冷站控制方法會使得制冷站的運行效率低下。在變水溫控制方法中，可以根據(jù)氣象條件和空調(diào)負荷的變化，確定合理的供水溫度，在部分負荷時段采用不同的制冷機組出水溫度，實行制冷機分階段變水溫運行，可以提高制冷機運行效率，降低運行能耗，達到節(jié)能運行的目的。

在中央空調(diào)冷凍水變流量控制技術(shù)中，基于負荷預(yù)測的冷凍水流量動態(tài)控制首先對空調(diào)負荷進行預(yù)測，推理出空調(diào)系統(tǒng)“未來時刻”的負荷，然后采用模糊控制技術(shù)對冷凍水泵進行預(yù)測優(yōu)化控制，提前對冷凍水流量進行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)提供的冷量與負荷需求的冷量相匹配，限度地減小偏差。

冷水機組群控策略可以根據(jù)單臺制冷機的負載率或多臺制冷機的平均負載率，來控制冷水機組運行或停止的臺數(shù)，控制冷水機組的起停。將溫差控制與對末端空調(diào)機組的水閥開度進行控制結(jié)合起來，可以消除僅僅采用溫差控制可能會導(dǎo)致的冷凍水泵頻繁起動的問題，達到較好的控制效果。采用冷凍站變流量、變水溫綜合節(jié)能優(yōu)化控制策略，將變流量控制與變水溫控制結(jié)合起來，綜合了兩種控制方法的優(yōu)勢，可以達到良好的制冷站節(jié)能優(yōu)化運行效果