浅谈高层建筑暖通空调控制系统设计

摘要：随着我国经济可持续发展进程的不断推进，改善建筑暖通空调能耗已迫在眉睫。本文将对高层建筑暖通空调系统远离以及能耗过高的现状进行论述，并探讨了以PID为基础的控制系统原理，提出相应的节能技术建议与应用措施。

关键词：高层建筑、暖通空调、控制系统、设计

Abstract: With the continuous advance of China's economic and sustainable development process, improve building HVAC energy consumption is imminent. The paper will high-rise building HVAC systems away from as well as high energy consumption of the current situation are discussed, and explore the principle of a PID-based control system, energy-saving technical advice and application of measures.

Keywords: high-rise buildings, HVAC, control systems, design

中图分类号：TU97文献标识码： A 文章编号：

一、前言

由于科技的迅猛发展，智能控制逐渐在各个领域拓展开来。现阶段，空调系统占建筑能耗的半数以上，为减少暖通空调系统能耗，优化暖通空调控制系统不是为一个有效手段。

二、暖通空调系统概述

1、暖通空调主要工作原理

暖通空调主要工作原理是制冷剂在制冷机组的蒸发器里和冷冻水交换热量汽化，进而使冷冻水的温度下降，然后，在压缩机作用下，被汽化的制冷剂形成高温高压气体，在流经制冷机组的冷凝器时来自冷却塔的冷却水将其冷却，又从气体成为了低温低压的液体，而且被降温的冷冻水通过冷冻水水泵被输送至空气处理单元的热交换器里，与混风之间进行冷热交换变成冷风源，借助送风管道送入被调房间。

2、暖通空调的供水系统

一般在冷冻水(其中水是载冷剂)系统使用的冷冻水管道全都是循环式系统，针对用户不同的需求情况，根据水压特性进行划分，一般分为两种：闭式系统和开式系统;根据冷、热水管道的设置方式进行划分，一般划分为四种：双管制系统、三管制系统以及四管制系统;根据各末端设备的水流程进行划分，一般划分为两种：同程式和异程式系统;根据水量进行划分，一般分为两种：定水量和变水量系统。变流量系统一般原则是保持供、回水温度不变，在建筑物负荷变化的情况下，借助改变供、回水的流量来适应，这个水系统输送的水流量要适宜于建筑物需求。由于现代控制技术与电子技术的不断发展，以及自动控制设备的造价的持续下降，变流量系统能够保证系统全年以定温差、变流量的方式稳定运行，最大程度节约冷冻水泵的能耗，目前，该系统越来越广泛的应用与暖通空调系统中。现阶段，一般所讲的变流量系统主要是是指在水路系统的空调末端采用二通阀的系统，是相对于水路系统的空调末端再用三通阀的定流量系统来讲的，一般所指的变流量与定流量都是表示送冷冻水的水路系统的流量，而非经过末端的流量，经过末端的流量变流量与定流量都不是不变的。变流量系统的目标主要是要冷源输出流量所载冷量匹配于经常变化的末端所需的冷量，进而达到节约冷量的输送动力以及冷源运行费用的目的。因为目前大部分冷水机组的水流量要求保持恒定，所以变流量系统实际上是供冷(水)量匹配于需冷(水)量。即是指供冷(水)量只能够随冷水机组的运行台数的变化产生变化。因为空调系统大多数时间都在设计负荷的60%以下运行，并且负荷会随着时间变化而变化，为了保证冷水载的冷量匹配于经常变化的负荷，降低冷量输送动力和冷源的运行费用，最好的做法便是采用变冷水流量控制了。

3、暖通空调的空气处理单元

暖通空调空气处理单元中，最开始是新风与部分回风进行混合，组成混风，混风通过热交换器与冷冻水发生热交换成为送风，冬天时，混风吸收能量，提高了温度；夏天时，混风的温度下降，在风机的作用下，送风通过送风管道进入房间中，与房间内的空气之间进行热量传递，最后，将房间的温度调节至所需要的设定点。同时，在排风机的作用下，房间内的空气被排出，形成回风。一部分回风排出室外，还有部分回风与新风混合重复上述过程。

三、高层建筑暖通空调能耗的现状

1、高层建筑暖通空调能耗特点

（1）能耗太高

由于中央空调的普及,许多高层建筑都安装有中央暖通空调,但中央暖通空调功率巨大,导致高层建筑能耗很高。 根据调查,在高层建筑各项能耗里,暖通空调能耗目前占到了30%甚至更高比例,然而经过合理设计控制系统和运行模式, 可以使暖通空调能耗至少下降8-10个百分点。因此,对高层建筑的暖通空调控制系统的研究具有重要意义。

（2）能耗具有明显的季节性规律

由于季节的变换,暖通空调在夏、冬两季能耗显著过高,这就家驹了城市热岛效应,所以,在进行暖通空调控制系统设计时要与季节变换的规律特点相结合，对暖通空调能耗针对性进行控制和限制。

（3）空调负荷运行平稳

往往高层建筑大多是面向办公楼、写字楼等应用场合而言的,在这一类场合,暖通空调的开放时间一般固定在8点至19点之间,在这一段时间范围内,空调的运行负荷一般不会发生变化,所以就空调而言,其负荷是平稳的。

2、暖通空调控制系统以及技术应用现状

就我国高层建筑暖通空调的控制系统技术的应用发展而言,有以下几个发展阶段:

（1）PID控制阶段

PID调节控制是最先出现的,同样是最传统的暖通空调控制技术之一,还是应用最为成功的控制技术。PID控制系统可以对反馈跟踪空调的能耗,适当调节系统的各项参数,可以得到较为稳定和可靠的控制效果,所以直至今日PID控制系统依旧是暖通空调应用最广泛的控制系统之一。

（2）模糊控制阶段

由于中央暖通空调的发展,和人们对舒适性的要求,暖通空调的控制要求也越来越高,希望有越来越高的控制的精度,所以就有了模糊控制技术的出现。模糊控制技术家主神经网络和数学模糊集的概念,把对暖通空调的状态控制进行状态集的定义,进行模糊逻辑控制,可以是能耗消耗大幅减少,使空调运行效率大大提高。

（3）网络化控制阶段

由于计算机网络技术的迅猛发展,许多高层建筑就有了对暖通空调实施远程化控制、 网络化控制的要求,要研究暖通空调进行网络化控制系统的设计。虽然现阶段网络化控制暖通空调还在起步研究阶段,但是由于具有稳定可靠的控制性能以及良好的节能效果使其得到了快速的研究与应用发展。

四、高层建筑暖通空调控制系统及节能措施

1、进行控制系统设计研究

针对中央暖通空调的控制系统,传统的控制系统并未对设备启动阶段的能耗和运行阶段的能耗问题加以考虑,所以近年来发展起来的暖通空调控制系统都是以变频器软启动暖通设备,以减少暖通空调的能耗。虽然软启动可以有效减少暖通空调的启动能耗,但是在其运行阶段,暖通空调仍然需要依靠控制系统的控制模式实现运行,所以有必要对控制系统进行研究。这里以PID为基础的参数整定实现的控制系统。以PID为基础实现的节能控制系统的设计思想是,针对长时间处于轻载甚至空载的暖通设备,借助自寻优程序的在线搜索,来自适应地降低电动机的定子端电压,找出电动机在相应负载下的最佳节能工作点,使电动机能够尽量处于最优的节能工作状态。 在保证异步电动机能够正常工作的前提下,电机降压过程中转速会略有变化。因此电机节能控制的假定前提是:异步电动机工作时对转速的要求不太严格,且处于轻载甚至空载的时间相对比较场,以电机电流作为PID整定参数,并进行闭环反馈控制,可以有效降低暖通空调设备的能耗。

2、高层建筑暖通空调采用的节能措施

现阶段，高层建筑普遍采用中央供暖空调,中央供暖空调最大优点就是取暖效果很好,但是功率巨大,所以对于高层建筑而言,采用一定的节能技术措施是很有必要的。一般来讲,主要从以下两点进行中央供暖空调的节能应用:

(1)使用变频设备使空调启动能耗与运行能耗得以降低

因为中央供暖空调功率巨大,启动阶段电流很高,导致很高的能耗值,所以通过于变频设备降低中央供暖空调的启动频率,从而减少启动阶段的能耗,与此同时借助于变频设备可以对空调运行期间的电流平稳度进行改善，使中央空调的能耗大大降低。

(2)对空调机组运行模式加以改善

在过去，中央暖通空调控制模式非常简单,仅仅是单纯启停控制,该运行模式很费电,并对于暖通空调本身来讲,降低了自身的工作效能,其实可以家主变频设备分组运行暖通设备,保证正在工作的空调冷水机组满负荷运行。当蒸发器的出水温度在其设定值的允许偏差范围内上下波动时,群控控制柜不应启动另一台冷水机组。只有蒸发器的出水温度超出了设定值允许的偏差上限且其水流量超过了该机组允许最大流量时才可自动启动下一台机组。这样不仅可以提高设备的工作效能,还可以使建筑暖通设备的能耗大幅降低。此外,暖通空调的节能还需要以来大家的共同努力,比如在夏季，空调温度不要设定太低,在冬季是，温度不要设定太高等,只有大家共同努力,才能够保证中央暖通空调真正节能。

五、结语

高层建筑能耗过高是目前面临的重要挑战，不仅要对空调系统运行模式进行改善，还必须优化暖通空调控制系统，切实降低暖通空调能耗，为我国节能减排事业做出新的贡献。

参考文献：

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