智能化设备管理在暖通空调系统中的应用 5页

　　智能化设备管理在暖通空调系统中的应用郑洁刘拓周玉礼摘要：分析了HVAC设备管理系统的几种模式，指出了智能设备管理系统的关键技术是系统集成和智能化，探讨了设备管理系统开发中值得注意的问题及新一代设备管理系统的发展方向。针对传统设备管理模式下存在的问题，阐述了现代设备管理、状态监控和设备故障状态维修的必要性。分析了暖通空调(HVAC)系统故障的特征，并就建立故障检测与诊断系统的方法、实现步骤、相关技术等进行了探讨。关键词：设备管理节能故障诊断建筑能耗随着经济的快速发展，建筑内设备数量和复杂性都显著增加，使得建筑在使用过程中所消耗的能量（建筑能耗）越来越大。建筑能耗在社会总能耗中占有很大的比例，而且，社会经济越发达，生活水平越高，这个比例越大。西方发达国家，建筑能耗占社会总能耗的30%～45%。我国尽管社会经济发展水平和生活水平都还不高，但建筑能耗已占社会总能耗的20～25%，正逐步上升到30%。不论西方发达国家，还是我国，建筑能耗状况都是牵动社会经济发展全局的大问题。在建筑的总能耗中，用于采暖、通风和空调的能量占有很大的比重，在一些大城市，夏季空调已成为电力高峰负荷的主要组成部分。1998年，上海住宅空调安装率超过70%，空调用电负荷高达300×104kW以上，占高峰用电负荷的1/3，产生166.2×104kW的供电缺口。所以，节约能源，提高能量的利用效率，关系到整个社会的可持续发展问题。节能在很大程度上取决于建筑内设备的运行状况。如果采用先进的管理方法，使各种设备安全、有效、稳定地运行，出现故障能快速排除，则可以节约能量；如果管理方法比较陈旧，出现故障不能及时排除，则会浪费很多能量。在传统的设备管理模式中，往往是在有明显迹象表明设备性能变差时，才去确定这台设备是否应该检修，或根据规程已经到了大修期限，才着手组织大修。这样就存在以下问题：一是其运转情况无法统计准确；二是本可不必大修解决的问题拖到了故障累积成必须大修的程度，导致设备维修费用升高。传统的维修思路是：当设备不能正常工作甚至无法工作后才去寻找故障，找到故障后才去修理。这样做的结果，首先是设备停止运行，影响 了正常服务，其次是故障往往不仅是部件问题，甚至到了必须更换主要部件的地步，使得维修成本剧增；三是故障只在设备运行时才表现出来，当设备停止运行后，有些故障特征就不再表现，各种故障数据也再无法采集，这就给故障排除带来很大困难。按老办法管理，由于建筑设备的分散性和复杂性使设备工程师劳动强度增大，维护质量跟不上需要。那种靠填写值班日志、抄表记录、出现报警信号后才去排除故障等人工方法显然已经不能适应新的形势。虽然新的系统有了类似黑匣子之类的自动数据记录器，但也只能做事后分析，不能做到提前预测故障和及时排除故障，能量的利用率低，造成能源极大浪费。因此，传统的设备管理模式已无法满足社会发展的需求，探索先进的设备管理方法特别是空调系统的运行管理方法、提高能量的利用率至关重要。近年来，已有人研究了比较先进的设备管理方法，其主要思想是监控各个系统中每个设备的运行状况，实时采集各设备的运行数据，通过数据采集系统将数据送入中央处理设备进行处理，判断出各设备当前的运行情况，若有故障趋势，及时发出警报。在这种设备管理系统中，设备故障检测及诊断技术占有很大比重。所以，本文着重讨论了空调系统故障检测及诊断系统的建立过程。1.HVAC系统工作特征分析HVAC系统是由管道连接各种空调设备而组成的一个相互关联、相互影响的系统，如果系统中有一个运行参数发生变化，则其它的运行参数也会变化，进而影响整个系统的特性。空调系统外在参数的变化是通过影响机组内在参数而引起空调系统性能变化的。这些内在参数主要有：蒸发温度、冷凝温度。1.1内部参数与机组性能的关系如图1：空调系统的冷水机组或热泵机组就如一个水泵，“扬程”为（冷凝温度－蒸发温度），将热量r从低温处送到高温处。蒸发温度越低，冷凝温度越高，制冷量就越低，压缩功Aw越大。研究表明：冷凝温度每上升1℃，制冷量就下降2～2.5%；蒸发温度每下降1℃，制冷量就下降2～3%。　图1　　　　　　　　　图2　　1.2影响冷凝温度的主要因素（对水冷冷凝器）冷却水流量如图2为某一冷水机组的冷却水流量与冷凝温度的关系图，从图中可知，冷却水流量减小，则冷凝温度增加。冷凝器污垢冷却管一旦有了污垢，传热系数就会下降，从图3中可以看出，冷凝温度及冷凝压力就变高。图3　　　　　　　　　　图4 另外，冷却水温度、蒸发温度及不凝性气体也影响冷凝温度。在一定的冷负荷条件下，冷却水温度越高，冷凝温度也越高；当制冷负荷增大时，蒸发温度变大，则冷凝温度增大；如果有不凝性气体，则冷凝器的传热系数变小，冷凝温度升高。1.3影响蒸发温度的主要因素冷冻水流量从热平衡原理得知：冷冻水在蒸发器中的吸热量等于制冷量。如式1：(1)℃(2)其中：W为冷冻水流量；t进为冷冻水进水温度；t出为冷冻水出水温度；t0为蒸发温度。c为水的比热；φ0为制冷量；由1式可看出：假设制冷量φ0不变，冷冻水流量W减小，当冷负荷条件不变时，t进不变，则t出必然下降，在由2式可知蒸发温度就会下降。冷负荷条件同样由1、2式可以看出：假设冷冻水流量W及t进不变时，φ0减小会导致t出上升，就会使蒸发温度上升。蒸发器污垢蒸发器污垢会使蒸发器的传热系数变小，蒸发温度降低。2特征参数的选择虽然HVAC系统非常复杂，但也是由不同层次的子系统组成。譬如：冷却水循环系统、冷冻水循环系统、制冷剂循环系统、自动控制系统等等。所以，故障发生时，它总是隶属于某一层次，在这一层次中，总有一个或几个特征参数的变化与之相对应。利用故障的这一特性，我们可以提出诊断模型，并对原因参数和结果参数进行分类，从而实现对故障的正确诊断。针对不同的研究对象，应该选择不同的特征参数。下面是几个有代表性的特征选择方法。2.1对制冷系统因为空调系统的内在参数是直接反映系统性能的参数，所以很多研究者在选择特征参数时都选择了像蒸发温度，冷凝温度等内在参数作为故障特征参数。但不同的故障能使内在参数产生相同的变化，以致有时直接用内在参数的变化不容易分辨不同的故障。因此，可以利用内在参数求出诸如机组或其元件的效率、换热量等间接特征参数，再通过实验及理论分析确定出各故障对应的间接特征参数的变化范围。下面即采用了间接特征参数来判断一冷水机组的故障。各故障对应的特征参数如下（表1）表1故障名称 特征参数冷冻水流量下降,,冷却水流量下降,,蒸发器盘管污垢,冷凝器盘管污垢,压缩机内部故障,,电机/传输故障,,下表为各故障的判断规则(表2)：表2操作条件趋势类型用于检测及诊断冷水机组故障的各特征参数蒸发器冷凝器压缩机机组QevapCH.House,eliStylianou,DariusNikanpour.Performancemonitoring,Faultdetection,anddiagnosisofReciprocatingChillers.ASHARETransactions,102,1996(Ⅰ)3.IanB.D.Mclntosh,Johnitchell.FaultDetectionandDiagnosisinchillers-PartⅠ:ModelDevelopmentandApplication.ASHARETransactions,106,2000(Ⅱ)，268-2824.Edforreal-timemonitoringandfaultdiagnosis.NASA-CR,19895.XiaomingLi,Ph.D.,Jean-ChristopheVisier,Ph.D.,HossEinVaezi-Nejas,Ph.D.ANeuralNetsASHARETransactions,103,1997(Ⅰ)，634-6446.BinChen,JamesE.Braun,Ph.D.,P.E.SimpleRule-BasedMethodsforFaultDetectionanddiagnosticsAppliedtoPackagedAirConditionersASHARETransactions,107,2001(Ⅰ)，847-8577.郑洁.周玉礼.李兴友.暖通空调系统故障诊断技术及应用.《机电一体化》.2003年第3期.8.源生一太郎.制冷机的理论和性能.北京.农业出版社，1982