摘要： 本文對戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的特性進(jìn)行簡單介紹。對系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及運行控制方法進(jìn)行分析。結(jié)合變頻水管戶式中央空調(diào)系統(tǒng)，對系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法和運行控制技術(shù)進(jìn)行了討論。 
 
 
1． 引言
 
　　隨著城鎮(zhèn)居民生活水平的提高和住房面積的改善，人們的居住觀點從單一注重居住的實用性、功能性等底水平要求向注重舒適性、室內(nèi)空氣品質(zhì)等高層次需求轉(zhuǎn)變。因而戶式中央空調(diào)得到迅速的發(fā)展。戶式中央空調(diào)已經(jīng)被中國空調(diào)行業(yè)中的大多數(shù)人士公認(rèn)為未來住宅空調(diào)的主流產(chǎn)品。與普通空調(diào)器相比較，戶式中央空調(diào)具有舒適、美觀、節(jié)能等特點；不僅可以引入新風(fēng)、改善空氣品質(zhì)，消除“空調(diào)病”的煩惱，而且使居住室內(nèi)空氣分布更加均勻、溫度波動小，舒適感好。
 
　　戶式中央空調(diào)根據(jù)輸送介質(zhì)的情況通常可分為三類， 即以空氣為介質(zhì)的風(fēng)管式空調(diào)系統(tǒng)、以水為介質(zhì)的水管式空調(diào)系統(tǒng)和制冷劑直接蒸發(fā)的一拖多多聯(lián)機(jī)。風(fēng)管式空調(diào)系統(tǒng)與集中全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)原理相似。它具有良好的新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，且投資較小，但風(fēng)管占用空間體積大，要求較高的層高是其不足。水管式空調(diào)系統(tǒng)由室外機(jī)組產(chǎn)生的冷熱水,經(jīng)水管系統(tǒng)輸送到室內(nèi)各個末端裝置。該系統(tǒng)可以對每個空調(diào)室進(jìn)行單獨調(diào)節(jié)，滿足各個空調(diào)室的要求，因而具有較好的節(jié)能效果。但該系統(tǒng)對新風(fēng)系統(tǒng)布設(shè)有些困難。制冷劑直接蒸發(fā)空調(diào)系統(tǒng)一般采用一臺室外機(jī)通過制冷劑管路向多個室內(nèi)機(jī)輸送循環(huán)?；谧冾l和電子膨脹閥技術(shù)的一拖多多聯(lián)機(jī)具有節(jié)能、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點，但對引進(jìn)新風(fēng)困難、長管路系統(tǒng)低流量的回油問題及現(xiàn)場安裝要求是其不足。由于戶式中央空調(diào)系統(tǒng)在中國的發(fā)展起步較晚，在設(shè)計和運行中還存在著許多問題。隨著對節(jié)約能源、減少運行費用、環(huán)境保護(hù)及室內(nèi)空氣環(huán)境要求的提高，對戶式中央空調(diào)的提出了更高的要求。因而優(yōu)化設(shè)計和運行戶式中央空調(diào)系統(tǒng)，使其保證運行效率高、減少環(huán)境污染及提高居住的舒適性是目前亟待解決的問題。本文將對以變頻水管式空調(diào)系統(tǒng)為例，對系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析，并對系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和運行進(jìn)行探討。
 
 
2． 變頻水管戶式中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法
 
　　水管式空調(diào)系統(tǒng)由室外機(jī)組產(chǎn)生的冷熱水,經(jīng)水管系統(tǒng)輸送到室內(nèi)各個末端裝置。該系統(tǒng)可以對每個空調(diào)室進(jìn)行單獨調(diào)節(jié)，滿足各個空調(diào)室的要求，因而具有較好的節(jié)能效果。變頻水管式空調(diào)系統(tǒng)加上獨立的新風(fēng)系統(tǒng)是一很有發(fā)展前景的理想的節(jié)能舒適型戶式中央空調(diào)系統(tǒng)。因而其優(yōu)化設(shè)計具有極其重要的價值。
 
　　傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)設(shè)計方法是基于經(jīng)驗加實驗為主。通常經(jīng)驗設(shè)計方法簡便易行，對理論知識和實驗條件等依賴性相對較小。然而經(jīng)驗設(shè)計方法不可避免地具有直接和可靠性低、穩(wěn)定性差的缺點，只適于產(chǎn)品的初步開發(fā)。而基于理論預(yù)測的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)可以有效地彌補經(jīng)驗設(shè)計和實驗的不足，不僅為提高產(chǎn)品的設(shè)計可靠性和效率提供保障，而且對產(chǎn)品的優(yōu)化提供了有效的途經(jīng)。
 
　　最優(yōu)化方法就是在一切可行方案中選出最優(yōu)方案的方法。在最優(yōu)化設(shè)計中，表征方案的一切獨立變量為設(shè)計變量。最優(yōu)化方法就是研究如何合理地確定這些變量的方法。而評價方案優(yōu)劣的指標(biāo)決定于該方案所選定的設(shè)計變量，即該指標(biāo)為設(shè)計變量的函數(shù)-目標(biāo)函數(shù)。在系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中，設(shè)計變量的取值常常受到種種條件的限制，即約束條件。
變頻水管式空調(diào)系統(tǒng)由變頻壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、電子膨脹閥、室內(nèi)機(jī)、制冷劑管路和水泵水管路系統(tǒng)組成。根據(jù)制冷系統(tǒng)熱力學(xué)理論，利用參數(shù)動態(tài)分布、相互關(guān)聯(lián)的方法，建立系統(tǒng)各部件數(shù)學(xué)模型和運行參數(shù)動態(tài)方程，組成系統(tǒng)運行參數(shù)的方程組，并對該系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)模擬。模擬系統(tǒng)的動態(tài)特性，為優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。
 
　　為滿足空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能、熱舒適性及制冷制熱好的效果，空調(diào)系統(tǒng)的能效比、降(升)溫速率和降(升)溫幅度要達(dá)到指標(biāo)要求。因而在優(yōu)化設(shè)計時，分別選取能效比、降(升)溫速率和降(升)溫幅度為目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化方法。同時考慮滿足冷凝器和蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)、面積范圍、迎面風(fēng)速范圍、系統(tǒng)溫度和壓力變化范圍、水和制冷劑流量范圍、過冷過熱度范圍和室內(nèi)機(jī)數(shù)量等約束條件的要求，利用優(yōu)化方法進(jìn)行對上述目標(biāo)多目標(biāo)優(yōu)化計算。因而變頻水管式空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化問題可表達(dá)為如下形式
 
(1)將多目標(biāo)優(yōu)化計算問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題。并對單目標(biāo)問題構(gòu)造一個新的函數(shù)：
 
(2)其中 為遞減的正數(shù)序列，即：隨著 的增大， 的值逐漸趨向于零。這樣通過構(gòu)造懲罰函數(shù)的方法將原有約束最優(yōu)化問題變換為一系列無約束最優(yōu)化問題。結(jié)合變頻水管式空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)模擬技術(shù)進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)單目標(biāo)優(yōu)化計算的主要程序為:
      (1) 選定初始懲罰因子 及收斂精度 和 ；
      (2) 利用變頻水管式空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)模擬，計算系統(tǒng)能效比、降(升)溫速率和降(升)溫幅度；
      (3) 極小化 ，得最優(yōu)解 ；
      (4) 根據(jù)事先規(guī)定的兩個很小的正數(shù) 和 檢驗 和 ；是否成立，如成立則 ，否則取 ， 為小于1的正數(shù)，一般可取 ；
      (5)令 ，轉(zhuǎn)至第(3)步。
這樣完成了變頻水管式空調(diào)系統(tǒng)的綜合優(yōu)化設(shè)計。
 
 
3. 變頻水管戶式中央空調(diào)系統(tǒng)運行的優(yōu)化控制
 
   節(jié)能和舒適是變頻水管戶式中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)。在系統(tǒng)的實際運行過程中，由于氣候的變化、使用情況的復(fù)雜性，系統(tǒng)始終在非標(biāo)準(zhǔn)工況下運行。如何對變頻水管式空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化運行控制，是解決系統(tǒng)運行的可靠性和節(jié)能的關(guān)鍵所在。智能化主要是采用現(xiàn)代人工智能技術(shù)來控制水管戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的運行，使之能在最佳的狀態(tài)下工作。信息化是制冷空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，目的是使其能擁有收集信息、處理和加工信息、以及發(fā)出信息的功能，包括與網(wǎng)絡(luò)的連接。由于變頻制冷壓縮機(jī)、電子膨脹閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研制成功和不斷完善，使得制冷空調(diào)系統(tǒng)電器上采用先進(jìn)的智能控制成為可能。變頻水管戶式中央空調(diào)系統(tǒng)是一個多變量、非線性時變的系統(tǒng)，經(jīng)典的控制方法如PI、PID等都需要有系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，而建立合理且精確的數(shù)學(xué)模型又比較困難，因此這些控制技術(shù)難以在空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用。模糊控制技術(shù)采用模糊推理方法而且不需要系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，具有其它控制方法無法比擬的優(yōu)勢。而在戶式中央空調(diào)系統(tǒng)上采用模糊控制技術(shù)的前提是必須裝有變頻壓縮機(jī)。
 
　 　模糊控制的控制方案是由某些"如果-那么"這樣的條件語句構(gòu)成。這些條件語句都是模糊語句，表示了系統(tǒng)狀態(tài)和控制行為之間的關(guān)系，稱之為"行為規(guī)則集"。行為規(guī)則集不是一個簡單的查詢集，是要從目前的實際狀態(tài)出發(fā)，通過行為規(guī)則集的推理得到控制方案，即產(chǎn)生"模糊推理算法"。模糊控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是"行為規(guī)則集"和"模糊推理算法"兩大部分。前者是人工操作的經(jīng)驗，后者涉及模糊集的運算與理論。模糊控制系統(tǒng)還必須有感知目前狀態(tài)的傳感器系統(tǒng)及控制行為指令的輸出系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)是通過光電信號對控制對象的目前狀態(tài)進(jìn)行測量的系統(tǒng)，控制行為指令輸出系統(tǒng)是改變控制對象未來狀態(tài)的系統(tǒng)，它們都是控制器的硬件部分。
 
　　變頻水管戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的模糊控制就是快速感知空調(diào)房間和環(huán)境的各主要參數(shù)，即通過傳感器獲得室溫變化、室內(nèi)外溫濕度、房間使用情況和人的狀態(tài)等大量數(shù)據(jù)，將這些實測數(shù)據(jù)與大量經(jīng)驗數(shù)據(jù)相比較，應(yīng)用模糊理論使變頻壓縮機(jī)、電子膨脹閥和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及水系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)閥等這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的快速調(diào)節(jié)。在舒適性空調(diào)中，影響舒適度的六個因素是人體的活動量，著衣量，室內(nèi)外溫、濕度，氣流的強(qiáng)度和方向，以及輻射熱的大小。模糊控制根據(jù)這六個要素綜合判斷，得出最優(yōu)的控制方案。在控制目標(biāo)方面從早期的溫度控制發(fā)展到以PMV（Predicted Mean Vote）作為控制基準(zhǔn)，即：
 
 
(3)利用變頻模糊控制，可以使變頻水管戶式中央空調(diào)系統(tǒng)具有以下功能：
 
(1) 快速制冷制熱功能，控制除濕運行；
(2) 高溫制冷及除霜優(yōu)化控制；
(3) 系統(tǒng)巡檢，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；
(4) 結(jié)合"人體PMV感知器"進(jìn)行綜合判斷分析比較；
(5) 系統(tǒng)節(jié)能運行且噪音低。
 
 
因而具有以上功能的模糊變頻的優(yōu)化控制技術(shù)為空調(diào)器帶來的主要優(yōu)點有：
 
(1) 高效節(jié)能。由于壓縮機(jī)大部分時間處于變頻控制的工作狀態(tài)，減少了空調(diào)器起停時的能量損失；基于優(yōu)化的模糊變頻控制技術(shù)系統(tǒng)的室外機(jī)的運行與室內(nèi)的負(fù)荷及參數(shù)變化趨勢相匹配，因而提高了系統(tǒng)運行的能效比。
(2) 穩(wěn)定可靠。采用模糊變頻控制技術(shù)后，系統(tǒng)長期處于平穩(wěn)的動態(tài)運轉(zhuǎn)狀態(tài)，大大減少了壓縮機(jī)啟停次數(shù),增強(qiáng)了壓縮機(jī)壽命。
(3) 范圍寬廣。采用模糊變頻控制技術(shù)后，變頻水管戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷(熱)量有較大的變化范圍，可以適用于多種工況及系統(tǒng)的優(yōu)化除霜。
(4) 超級舒適?；?人體PMV感知器"進(jìn)行綜合判斷分析,使連續(xù)可調(diào)的戶式中央空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定溫度快，不僅溫度波動小，而且滿足了人體的綜合舒適要求。
(5) 運轉(zhuǎn)噪音低。系統(tǒng)處于連續(xù)的動態(tài)中低工況運轉(zhuǎn)，大大減少壓縮機(jī)的啟停，減少了噪音
 
 
4. 結(jié)論
 
   對戶式中央空調(diào)系統(tǒng)特點進(jìn)行簡單的介紹。以制冷系統(tǒng)熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)的參數(shù)動態(tài)分布、相互關(guān)聯(lián)的理論對變頻水管戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)行分析。系統(tǒng)優(yōu)化計算方法與系統(tǒng)動態(tài)模擬相結(jié)合，不僅實現(xiàn)了變頻水管戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的模擬優(yōu)化，而且對系統(tǒng)的設(shè)計具有重要價值?；跀?shù)字模糊變頻技術(shù)的優(yōu)化控制的設(shè)計對系統(tǒng)的運行具有快速制冷、安全可靠、舒適和節(jié)能的作用。