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基于中央空调风机水泵节能算法的研究及实现

   日期:2015-10-30     来源:论文网    浏览:43    

  随着国民经济的发展、人民生活水平的提高,空调应用日益广泛。在各类建筑物中,中央空调已是现代建筑创造舒适高效的工作和生活环境所不可缺少的重要基础设施,已成为现代建筑的重要标志之一。然而,空调系统用电量在总用电量中的比例也在不断上升,中央空调用电量的激增已经引起了电网供电紧张。在能源日益紧缺的当今社会,对空调进行节能是一个很热门的话题。虽然目前市面上的空调节能技术很多,但绝大多数都是针对空调主机进行节能,而忽视了空调的其它两个重要组成部分——风机和水泵的节能潜力。针对这一现实状况,本文提出了一种基于实测数据对空调风机和水泵进行节能的方案,并设计了相应的控制器,最终达到节能效果。

  1 中央空调风机和水泵的节能方案

  1.1 节能控制器总体架构

  中央空调风机、水泵节能控制器的总体架构如图1所示,图的左半部分是需要采集的各种信号,以便核心算法的处理;图的右半部分是输出信号,主要输出的是频率信号,以便各个风机、水泵变频之用,详细介绍如下。

  1.1.1 温度数据

  在算法中,需要将冷量值转换为相应的水泵流量值和风机送风量值,这就需要利用图2所示的公式进行转换。由公式可知,需要测量温度数值,采用温度传感器采集所需的温度信号并且通过串口转换成数字信号并传输到工控机内,单位为摄氏度(℃)。

  1.1.2 预测冷量

  利用现有的冷量预测技术,获取室内所需的冷量,单位为瓦(W)。

  1.1.3 功率和频率采集

  采用ART2010数据采集卡(图3)采集各个风机、水泵当前的运行的电压值,并且通过自带的AD转换函数实现电信号和数字信号的转换,转换成相应的功率值,单位为瓦(W),传输到工控机中。

  频率采集采用频率计数器,单位为(HZ),同样传输到工控机中。

  1.1.4 工控机

  工控机就是整个控制器的核心部件,主要包含了整套算法的软件部分,集成了Java虚拟机,Mysql数据库等软件环境。

  1.1.5 变频器

  变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置,能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。在这里,根据工控机输出的变频信号,通过变频器,可以改变风机、水泵的运行频率,实现变频节能。

  1.2 节能方案的介绍及实施

  1.2.1 预测室内所需的冷量

  利用现有的冷量预测技术,获取在室内所需的冷量。

  1.2.2 冷量和送风量、水流量的转换

  利用图2的公式将冷量值换算为相应的送风量值和水流量值。

  1.2.3 建立控制优先级

  通过冷量的预测和冷量对送风量(或流量)的转换,得到对于一个预测好的冷量,可以转换为水泵的流量W或者是风机的送风量G,设水泵的可以达到的最大流量为W',风机可以达到的最大的总送风量为G',此时控制系统会对此做出并相应的优先级设定并进行控制调整,步骤如下:

  1)将冷量转换为风机的送风量G

  (1)若,则表示通过风机的调整可以满足冷量的要求,因此,将G送入规则表并进行相应的变频控制调整。

  (2)若,则表示所需的冷量已经超出风机的可调整范围,无法通过风机实现要求,此时,保持风机原频率不变。

  2)将冷量转换为水泵的流量W

  (1)若,设,做逆运算将M转换成冷量QM,再将QM转换成风机送风量GM

  ①若,则表示可以先调整风机,再调整水泵来达到需冷量。将GM和M分别送入风机的规则表和水泵的规则表,进行相应的变频调整控制。

  ②若,则表示无需进行风机调整,直接将W送入水泵的规则表进行相应的变频调整控制。

  (2)若,则表示需冷量已经超出水泵的可调整范围,无法通过水泵实现要求,此时,保持水泵原频率不变。

  3)令,做逆运算将转换成冷量,再把冷量转换成水泵流量

  若,则表示可以先调整风机至额定状态在调整水泵来满足需冷量,此时先将风机调制最大送风量状态,然后将送入规则表进行相应的变频控制调整。

  若,则表示无论是风机还是水泵或是通过他们的共同调整,均无法满足需 冷量,此时,只有通过改变制冷主机才可达到要求。因此,保持风机和水泵为原工作状态,调整空调制冷主机。

  1.2.4 建立控制规则表

  以风机为例,如下表1就是建立的风机变频控制规则表。可以看到,该表对于不同送风量条件下的各个风机的运行频率和运行功率以及总功率都进行了相应的记录。在某一特定的送风量条件下,查找该表,只要排选出送风量相同的数据条进行比较,就可以很容易的得到在总功率最小的情况下,各个风机的运行频率,进而可以实现变频节能的目的。水泵的变频控制规则表也如是建立。

  注:表中例如的数据是指第x个风机的第n组数据,总功率为各个风机的功率之和

  2 中央空调风机和水泵节能方案的实现

  2.1 输入信号转化为数字量

  2.1.1 工业控制计算机

  在本系统中,使用了由上海易控电子科技有限公司的CER-A3527型工业控制计算机。该工控机是基于PC104的CER系列军用全加固计算机平台,该计算机可以实现IP68的静态防水,-40~+85℃的工作温度,满足冲击,振动,复杂电磁环境等要求,同时具有扩展方便等特性。而CER-A3527计算机平台采用INTEL最新的超低功耗ATOM系列CPU ,整机无风扇,可以可靠的工作在-20~+70℃的温度环境。   在工控机中,安装了Java虚拟机(JVM),以便Java主算法程序的运行,并且安装了mysql数据库,用于保存采集到的各种数据,以便查询。

  2.1.2 ART2010数据采集卡

  对于数字量的采集及输出,本系统采用了一块由北京阿尔泰科技发展有限公司开发的ART2010数据采集卡。ART2010模板是PC104总线兼容的数据采集板。ART2010板上设计有12Bit分辨率的A/D转换器,提供了16路单端模拟输入通道,16路开关量输入,一个8255I/O接口(24路可编程I/O口),3路定时/计数器。在本控制系统中,将它与CER-A3527工控机的PC104扩展槽相连,主要用于实现数字数据量的传输。

  ART2010数据采集卡主要采集各个风机、水泵的工作电压值,然后通过其自带的AD转换函数实现电信号和数字信号的转换,转变为功率值,送入工控机中。

  2.2 输出信号转化为变频信号

  当算法程序通过对采集到的各项数据分析后,得到一组对于当前情况下最为节能的风机、水泵工作频率,通过变频器转换为电信号,进而改变各个风机、水泵的工作频率。

  2.3 控制规则表的建立和查询

  在mysql数据库中分别建立风机、水泵控制规则表,然后实现对数据库中数据的查询,找出最优解。

  2.4 界面设计

  数据库和算法都实现以后,最后就要通过界面反映出来,以便进行观测。界面设计采用java的swing技术。

  3 节能效果分析

  在没有使用节能算法的情况下,各个空调会以自身主机的型号和特性为基础,根据室内温度和设定温度的值来调节各个空调部件的运转。由于没有进行优化,空调的实时能耗在绝大多数情况下都是比较大的。

  而在使用了节能算法以后,由于本算法是根据各个空调部件实测的功率和频率来来进行变频操作,从而优化节能的,所以在长时间运行以后,空调的节能效果将会非常显着。

  根据空调各个部件的运行功率和运行时间就可以得到空调运行的总能耗在主程序中插入一段记录空调运行总能耗的语句后,可以实时的记录下空调当前的总能耗值。对数据进行整理以后,画出相应的能耗曲线图,如下:

  由图3可以看到,在空调刚起步运行时,由于采集的数据量并不是很大,节能效果并不是很明显。但是在经过一段时间的运行以后,由于采集的样本容量越来越大,控制规则表也得到相应的优化,进而实际的节能效果也越发显着。当空调长时间运行以后,使用节能算法比未使用节能算法可以节能20%~30%左右。这对中央空调这样的大能耗型电气设备来说,其节能效果已经十分明显,对于节约能源将起到非常关键的作用。

  4 结论

  空调节能是一个与经济、科技都紧密关联的话题,本文提出了对风机和水泵进行节能的方案,并且结合了工业控制计算机、ART2010数据采集卡、温度传感器、变频器等硬件,以及Mysql数据库,Java编程语言,Swing界面设计技术等软件技术完成了该方案的实现过程,取得了良好的效果,对于其节能的实际经济效益还有待进一步地研究和考证。

 
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