隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高，空調(diào)應(yīng)用日益廣泛。在各類建筑物中，*空調(diào)已是現(xiàn)代建筑創(chuàng)造舒適的工作和生活環(huán)境所*的重要基礎(chǔ)設(shè)施，已成為現(xiàn)代建筑的重要標(biāo)志之一。然而，空調(diào)系統(tǒng)用電量在總用電量中的比例也在不斷上升，*空調(diào)用電量的激增已經(jīng)引起了電網(wǎng)供電緊張。在能源日益緊缺的當(dāng)今社會(huì)，對(duì)空調(diào)進(jìn)行節(jié)能是一個(gè)很熱門的話題。雖然目前市面上的空調(diào)節(jié)能技術(shù)很多，但絕大多數(shù)都是針對(duì)空調(diào)主機(jī)進(jìn)行節(jié)能，而忽視了空調(diào)的其它兩個(gè)重要組成部分——風(fēng)機(jī)和水泵的節(jié)能潛力。針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)狀況，本文提出了一種基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)空調(diào)風(fēng)機(jī)和水泵進(jìn)行節(jié)能的方案，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器，zui終達(dá)到節(jié)能效果。
1 *空調(diào)風(fēng)機(jī)和水泵的節(jié)能方案
1.1 節(jié)能控制器總體架構(gòu)
*空調(diào)風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能控制器的總體架構(gòu)如圖1所示，圖的左半部分是需要采集的各種信號(hào)，以便核心算法的處理；圖的右半部分是輸出信號(hào)，主要輸出的是頻率信號(hào)，以便各個(gè)風(fēng)機(jī)、水泵變頻之用，詳細(xì)介紹如下。
1.1.1 溫度數(shù)據(jù)
在算法中，需要將冷量值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的水泵流量值和風(fēng)機(jī)送風(fēng)量值，這就需要利用圖2所示的公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由公式可知，需要測(cè)量溫度數(shù)值，采用溫度傳感器采集所需的溫度信號(hào)并且通過(guò)串口轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸?shù)焦た貦C(jī)內(nèi)，單位為攝氏度（℃）。
1.1.2 預(yù)測(cè)冷量
利用現(xiàn)有的冷量預(yù)測(cè)技術(shù)，獲取室內(nèi)所需的冷量，單位為瓦（W）。
1.1.3 功率和頻率采集
采用ART2010數(shù)據(jù)采集卡（圖3）采集各個(gè)風(fēng)機(jī)、水泵當(dāng)前的運(yùn)行的電壓值，并且通過(guò)自帶的AD轉(zhuǎn)換函數(shù)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的功率值，單位為瓦（W），傳輸?shù)焦た貦C(jī)中。
頻率采集采用頻率計(jì)數(shù)器，單位為（HZ），同樣傳輸?shù)焦た貦C(jī)中。
1.1.4 工控機(jī)
工控機(jī)就是整個(gè)控制器的核心部件，主要包含了整套算法的軟件部分，集成了Java虛擬機(jī)，Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件環(huán)境。
1.1.5 變頻器
變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過(guò)流/過(guò)壓/過(guò)載保護(hù)等功能。在這里，根據(jù)工控機(jī)輸出的變頻信號(hào)，通過(guò)變頻器，可以改變風(fēng)機(jī)、水泵的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能。
1.2 節(jié)能方案的介紹及實(shí)施
1.2.1 預(yù)測(cè)室內(nèi)所需的冷量
利用現(xiàn)有的冷量預(yù)測(cè)技術(shù)，獲取在室內(nèi)所需的冷量。
1.2.2 冷量和送風(fēng)量、水流量的轉(zhuǎn)換
利用圖2的公式將冷量值換算為相應(yīng)的送風(fēng)量值和水流量值。
1.2.3 建立控制優(yōu)先級(jí)
通過(guò)冷量的預(yù)測(cè)和冷量對(duì)送風(fēng)量（或流量）的轉(zhuǎn)換，得到對(duì)于一個(gè)預(yù)測(cè)好的冷量，可以轉(zhuǎn)換為水泵的流量W或者是風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量G，設(shè)水泵的可以達(dá)到的zui大流量為W'，風(fēng)機(jī)可以達(dá)到的zui大的總送風(fēng)量為G'，此時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)此做出并相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)設(shè)定并進(jìn)行控制調(diào)整，步驟如下：
1）將冷量轉(zhuǎn)換為風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量G
?。?）若，則表示通過(guò)風(fēng)機(jī)的調(diào)整可以滿足冷量的要求，因此，將G送入規(guī)則表并進(jìn)行相應(yīng)的變頻控制調(diào)整。
（2）若，則表示所需的冷量已經(jīng)超出風(fēng)機(jī)的可調(diào)整范圍，無(wú)法通過(guò)風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)要求，此時(shí)，保持風(fēng)機(jī)原頻率不變。
2）將冷量轉(zhuǎn)換為水泵的流量W
?。?）若，設(shè)，做逆運(yùn)算將M轉(zhuǎn)換成冷量QM，再將QM轉(zhuǎn)換成風(fēng)機(jī)送風(fēng)量GM
?、偃簦瑒t表示可以先調(diào)整風(fēng)機(jī)，再調(diào)整水泵來(lái)達(dá)到需冷量。將GM和M分別送入風(fēng)機(jī)的規(guī)則表和水泵的規(guī)則表，進(jìn)行相應(yīng)的變頻調(diào)整控制。
②若，則表示無(wú)需進(jìn)行風(fēng)機(jī)調(diào)整，直接將W送入水泵的規(guī)則表進(jìn)行相應(yīng)的變頻調(diào)整控制。
?。?）若，則表示需冷量已經(jīng)超出水泵的可調(diào)整范圍，無(wú)法通過(guò)水泵實(shí)現(xiàn)要求，此時(shí)，保持水泵原頻率不變。
3）令，做逆運(yùn)算將轉(zhuǎn)換成冷量，再把冷量轉(zhuǎn)換成水泵流量
若，則表示可以先調(diào)整風(fēng)機(jī)至額定狀態(tài)在調(diào)整水泵來(lái)滿足需冷量，此時(shí)先將風(fēng)機(jī)調(diào)制zui大送風(fēng)量狀態(tài)，然后將送入規(guī)則表進(jìn)行相應(yīng)的變頻控制調(diào)整。
若，則表示無(wú)論是風(fēng)機(jī)還是水泵或是通過(guò)他們的共同調(diào)整，均無(wú)法滿足需 冷量，此時(shí)，只有通過(guò)改變制冷主機(jī)才可達(dá)到要求。因此，保持風(fēng)機(jī)和水泵為原工作狀態(tài)，調(diào)整空調(diào)制冷主機(jī)。
1.2.4 建立控制規(guī)則表
以風(fēng)機(jī)為例，如下表1就是建立的風(fēng)機(jī)變頻控制規(guī)則表?？梢钥吹?，該表對(duì)于不同送風(fēng)量條件下的各個(gè)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率和運(yùn)行功率以及總功率都進(jìn)行了相應(yīng)的記錄。在某一特定的送風(fēng)量條件下，查找該表，只要排選出送風(fēng)量相同的數(shù)據(jù)條進(jìn)行比較，就可以很容易的得到在總功率zui小的情況下，各個(gè)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能的目的。水泵的變頻控制規(guī)則表也如是建立。
注：表中例如的數(shù)據(jù)是指第x個(gè)風(fēng)機(jī)的第n組數(shù)據(jù)，總功率為各個(gè)風(fēng)機(jī)的功率之和
2 *空調(diào)風(fēng)機(jī)和水泵節(jié)能方案的實(shí)現(xiàn)
2.1 輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量
2.1.1 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)
在本系統(tǒng)中，使用了由上海易控電子科技有限公司的CER-A3527型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。該工控機(jī)是基于PC104的CER系列軍用全加固計(jì)算機(jī)平臺(tái)，該計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)IP68的靜態(tài)防水，-40～+85℃的工作溫度，滿足沖擊，振動(dòng)，復(fù)雜電磁環(huán)境等要求，同時(shí)具有擴(kuò)展方便等特性。而CER-A3527計(jì)算機(jī)平臺(tái)采用IN的超低功耗ATOM系列CPU ，整機(jī)無(wú)風(fēng)扇，可以可靠的工作在-20～+70℃的溫度環(huán)境。 在工控機(jī)中，安裝了Java虛擬機(jī)（JVM），以便Java主算法程序的運(yùn)行，并且安裝了mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，用于保存采集到的各種數(shù)據(jù)，以便查詢。
2.1.2 ART2010數(shù)據(jù)采集卡
對(duì)于數(shù)字量的采集及輸出，本系統(tǒng)采用了一塊由北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司開(kāi)發(fā)的ART2010數(shù)據(jù)采集卡。ART2010模板是PC104總線兼容的數(shù)據(jù)采集板。ART2010板上設(shè)計(jì)有12Bit分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，提供了16路單端模擬輸入通道，16路開(kāi)關(guān)量輸入，一個(gè)8255I/O接口（24路可編程I/O口），3路定時(shí)/計(jì)數(shù)器。在本控制系統(tǒng)中，將它與CER-A3527工控機(jī)的PC104擴(kuò)展槽相連，主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)量的傳輸。
ART2010數(shù)據(jù)采集卡主要采集各個(gè)風(fēng)機(jī)、水泵的工作電壓值，然后通過(guò)其自帶的AD轉(zhuǎn)換函數(shù)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)楣β手?，送入工控機(jī)中。
2.2 輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為變頻信號(hào)
當(dāng)算法程序通過(guò)對(duì)采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析后，得到一組對(duì)于當(dāng)前情況下zui為節(jié)能的風(fēng)機(jī)、水泵工作頻率，通過(guò)變頻器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而改變各個(gè)風(fēng)機(jī)、水泵的工作頻率。
2.3 控制規(guī)則表的建立和查詢
在mysql數(shù)據(jù)庫(kù)中分別建立風(fēng)機(jī)、水泵控制規(guī)則表，然后實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的查詢，找出*解。
2.4 界面設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)庫(kù)和算法都實(shí)現(xiàn)以后，zui后就要通過(guò)界面反映出來(lái)，以便進(jìn)行觀測(cè)。界面設(shè)計(jì)采用java的swing技術(shù)。
3 節(jié)能效果分析
在沒(méi)有使用節(jié)能算法的情況下，各個(gè)空調(diào)會(huì)以自身主機(jī)的型號(hào)和特性為基礎(chǔ)，根據(jù)室內(nèi)溫度和設(shè)定溫度的值來(lái)調(diào)節(jié)各個(gè)空調(diào)部件的運(yùn)轉(zhuǎn)。由于沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化，空調(diào)的實(shí)時(shí)能耗在絕大多數(shù)情況下都是比較大的。
而在使用了節(jié)能算法以后，由于本算法是根據(jù)各個(gè)空調(diào)部件實(shí)測(cè)的功率和頻率來(lái)來(lái)進(jìn)行變頻操作，從而優(yōu)化節(jié)能的，所以在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行以后，空調(diào)的節(jié)能效果將會(huì)非常顯著。
根據(jù)空調(diào)各個(gè)部件的運(yùn)行功率和運(yùn)行時(shí)間就可以得到空調(diào)運(yùn)行的總能耗在主程序中插入一段記錄空調(diào)運(yùn)行總能耗的語(yǔ)句后，可以實(shí)時(shí)的記錄下空調(diào)當(dāng)前的總能耗值。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理以后，畫出相應(yīng)的能耗曲線圖，如下：
由圖3可以看到，在空調(diào)剛起步運(yùn)行時(shí)，由于采集的數(shù)據(jù)量并不是很大，節(jié)能效果并不是很明顯。但是在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行以后，由于采集的樣本容量越來(lái)越大，控制規(guī)則表也得到相應(yīng)的優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)際的節(jié)能效果也越發(fā)顯著。當(dāng)空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行以后，使用節(jié)能算法比未使用節(jié)能算法可以節(jié)能20%～30%左右。這對(duì)*空調(diào)這樣的大能耗型電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)，其節(jié)能效果已經(jīng)十分明顯，對(duì)于節(jié)約能源將起到非常關(guān)鍵的作用。
4 結(jié)論
空調(diào)節(jié)能是一個(gè)與經(jīng)濟(jì)、科技都緊密關(guān)聯(lián)的話題，本文提出了對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵進(jìn)行節(jié)能的方案，并且結(jié)合了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、ART2010數(shù)據(jù)采集卡、溫度傳感器、變頻器等硬件，以及Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，Java編程語(yǔ)言，Swing界面設(shè)計(jì)技術(shù)等軟件技術(shù)完成了該方案的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，取得了良好的效果，對(duì)于其節(jié)能的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益還有待進(jìn)一步地研究和考證。
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