中央空調空氣處理系統優化研究

隨著現代人們生活水平的不斷提高，中央空調普遍深入人們生活當中，但是中央空調的日常量耗能非常巨大，嚴重制約著中央空調的進一步推廣應用。本文針對中央空調的能耗巨大的情況提出針對性的解決措施，以期為中央空調空氣處理系統優化提供參考。

　　改革開放以來，我國的經濟得到了飛速的發展，人們的生活水平也得到了很大的提高。人們日益增長的經濟基礎促使人們追求更高水平的生活，現在人們希望在室內能夠享受到一個舒適、安詳的一個工作和住宿環境。中央空調的出現正好能夠滿足現代人對于室內舒適的追求，但是隨之而來的是中央空調能耗過大的問題。下面將重點講述中央空調的空氣處理系統優化問題。

　　1中央空調系統組成和工作原理

　　1.1中央空調系統的組成

　　中央空調根據用途可以分為家用中央空調和商用中央空調。家用中央空調是指一臺主機運用氟路管道制冷，來帶動多個設備運行；商用中央空調是指一臺或者多臺主機通過冷熱水管或者風道來帶動多個設備運行，同時還能夠調節空氣的質量。

　　中央空調系統是由智能建筑中對生活環境中的空氣進行調節的所有設備所組成的系統[1]。中央空調的系統結構簡圖如圖1所示：

　　中央空調系統主要組成部分為冷熱源設備、風機、水泵、風閥、水閥、末端裝置及各種傳感器裝置。

　　1.2中央空調的工作原理

　　中央空調主要有兩種工作方式：制冷和制熱，下面對這兩種工作方式的工作原理進行分析。

　　1.2.1中央空調的制冷過程

　　在中央空調的系統內部存在一種制冷劑，它經膨脹閥進行節流，到達室內機的蒸發器后該制冷劑發生氣化，然后通過風扇將冷風吹進室內，同時吸收空氣中的熱能。當制冷劑流經壓縮機后，制冷劑的溫度升高，流經冷凝器將其轉化為液態，在這個過程中，會釋放大量的熱能，可以通過室外機的風扇將熱能排除，這就是制冷的一個過程，這樣循環進行，就達到了制冷的效果。

　　1.2.2中央空調的制熱過程

　　中央空調系統內的制冷劑經過壓縮機后形成高溫高壓的液體，這些液體進入冷凝器，通過風扇將釋放出的大量熱能排到室內，同時將室內的冷空氣吸走。制冷劑流經膨脹閥進行節流，到達室內機的蒸發器后該制冷劑發生氣化，將吸收的冷空氣經室外機的風扇排出室外，然后制冷劑再流回壓縮機進行下一次循環。這樣循環進行，就達到了制熱的效果。

　　2中央空調空氣處理系統控制特點分析

　　對于中央空調而言其控制系統主要存在以下一些特點：

　　首先是多干擾性，濕度、溫度的干擾性和多工況運行。多干擾性，即是中央空調在實際運行過程中比較容易受到外界條件的影響。任何的外部條件或者是內部條件的變換比如太陽的輻射、氣候條件的變化和室內辦公設備的變化都將會對中央空調造成比較大的干擾。

　　其次，對于中央空調的溫度和濕度的相互干擾性而言，這兩個參數在實際控制過程中都不是完完全全相互獨立的，溫度和濕度在實際控制過程中既相互影響又相互制約。室內溫度升高時，會導致室內水蒸氣飽和分壓下降，在室內濕度不變的條件下，室內溫度會下降。如果將室內的溫度調低的話則會導致室內的相對濕度相應提升。

　　后面，中央空調系統是需要在全年根據外界氣候的變化來進行調節的，并且需要根據外界氣候的變化改變中央空調系統的運行方式。對于通常情況而言，全年一般分為夏季、過度季和冬季三個階段。通過這種系統運行方式的改變能夠合理的處理空氣。

　　3中央空調空氣處理系統優化

　　根據相關資料可以得知中央空調空氣處理系統中主要的能耗部件為冷凍水泵(如圖2)和供風風機(如圖3)，因此本文接下來將建立一個模型來詳細模擬空氣處理系統中的能耗問題模型。由于供風機的空氣質量的流量和供風機的輸出功率之間存在著嚴格的單調性，并且冷凍水的質量流量和冷凍水中的水泵輸出功率之間也存在著嚴格的單調性，因此可以采取多項式逼近的方式來建立系統模型，并且通過小二乘法得到系統模型中的主要參數。水泵和風機的功率模型如下所示：

　　上式中的是水泵的功率，是水泵的額定功率，指的是實時冷凍水的質量流量，是水泵運行時額定冷凍水質量流量，風機的功率，風機的額定功率，為空氣質量流量，為額定空氣質量流量，水泵負荷運行下的系數，為風機符合運行下的系數。

　　因此本文接下來可以利用上述建立的模型來對空氣處理系統進行優化研究。在實際建筑中，制冷機和冷凍水泵通常都是放在同一個空調房中，因此在研究過程中選取一臺冷凍水泵進行研究即可。首先根據中央空調空氣處理系統的組成，提出系統的能耗優問題，之后建立系統的優解的目標函數和相應的外界約束條件。其中目標函數也即是：中央空調空氣處理系統中的關鍵能耗部件冷凍水泵和多個風機的功率之和。目標函數可適應函數為：

　　其中的約束條件為：

　　通過上面公式可以看出影響風機和水泵功耗的主要因素有供風流量，冷凍水流量和冷凍水溫度以及進入到風機盤管的混風溫度四個因素。假設中央空調的風機和水泵都配備了變頻器，并且其頻率在實際運行過程中是可以進行調節的。下面對各種情況進行節能優化工作點的詳細計算。

　　如果需要保持冷凍水在供水過程中的溫度不發生改變，需要在系統運行過程中控制壓縮機的出口壓力，即改變系統中壓縮機的運行頻率；如果在系統運行過程中需要保證通風管道中的溫度不會發生較大的改變，則需要控制中央系統中回風風扇的運轉頻率。另外，對于供風風扇的運行頻率和冷凍水泵的運行頻率，需要設置專門的控制器來對它們進行控制。為了在實際運行過程中達到較為滿意的效果可以采用PID控制算法運用到里面。

　　中央空調的能耗較大一直是人們普遍關注的問題，本文首先從中央空調的系統組成出發，詳細分析了中央空調系統的工作原理和工作特點，并且針對中央空調系統在運行過程中出現的能耗較大的問題提出相應的優化研究策略，對中央空調系統空氣處理的關鍵設備進行了模型分析，并通過相應的計算找到了中央空調的空氣處理系統的佳工作點。相信通過對于中央空調系統的優化能在很大程度上減少中央空調系統的能耗，進一步緩解能源危機帶來的迫切感和壓力感，切實提高老百姓的生活水平和生活質量。