智能化設(shè)備管理在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、智能化設(shè)備管理在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用鄭潔劉拓周玉禮摘要：分析了 HVAC設(shè)備管理系統(tǒng)的幾種模式，指出了智能設(shè)備管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是系統(tǒng) 集成和智能化，探討了設(shè)備管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中值得注意的問(wèn)題及新一代設(shè)備管理系統(tǒng)的發(fā)展 方向。針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備管理模式下存在的問(wèn)題，闡述了現(xiàn)代 設(shè)備管理、狀態(tài)監(jiān)控和設(shè)備故障狀態(tài)維修的必要性。 分析了暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)故障的 特征，并就建立故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)的方法、實(shí)現(xiàn)步驟、相關(guān)技術(shù)等進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：設(shè)備管理節(jié)能故障診斷建筑能耗隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑內(nèi)設(shè)備數(shù)量和復(fù)雜 性都顯著增加，使得建筑在使用過(guò)程中所消耗的能量(建筑 能耗)越來(lái)越大。建筑能耗在社會(huì) 總能耗中占

2、有很大的比例，而且，社會(huì)經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)，生活水平越高，這個(gè)比例越大。 西方發(fā)達(dá)國(guó)家，建筑能耗占社會(huì)總能耗的30%45%。我國(guó)盡管社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和生活水平都還不高，但建筑能耗已 占社會(huì)總能耗的2025% ,正逐步上升到30%。不論西方發(fā) 達(dá)國(guó)家，還是我國(guó)，建筑能耗狀況都是牽動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展全 局的大問(wèn)題。在建筑的總能耗中，用于采暖、通風(fēng)和空調(diào)的能量占有很大的比重，在一些大城市，夏季空調(diào)已成為電力 高峰負(fù)荷的主要組成部分。 1998 年，上海住宅空調(diào)安裝率超 過(guò) 70% ，空調(diào)用電負(fù)荷高達(dá) 300×104kW 以上， 占高峰 用電負(fù)荷的 1/3 ，產(chǎn)生 166.2×

3、104kW 的供電缺口。所 以，節(jié)約能源，提高能量的利用效率，關(guān)系到整個(gè)社會(huì)的可 持續(xù)發(fā)展問(wèn)題。節(jié)能在很大程度上取決于建筑內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行 狀況。如果采用先進(jìn)的管理方法，使各種設(shè)備安全、有效、 穩(wěn)定地運(yùn)行，出現(xiàn)故障能快速排除，則可以節(jié)約能量；如果 管理方法比較陳舊，出現(xiàn)故障不能及時(shí)排除，則會(huì)浪費(fèi)很多 能量。在傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式中，往往是在有明顯跡象表明 設(shè)備性能變差時(shí)，才去確定這臺(tái)設(shè)備是否應(yīng)該檢修，或根據(jù) 規(guī)程已經(jīng)到了大修期限，才著手組織大修。這樣就存在以下 問(wèn)題：一是其運(yùn)轉(zhuǎn)情況無(wú)法統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確；二是本可不必大修解 決的問(wèn)題拖到了故障累積成必須大修的程度，導(dǎo)致設(shè)備維修 費(fèi)用升高。傳統(tǒng)的維修思路是：當(dāng)設(shè)

4、備不能正常工作甚至無(wú) 法工作后才去尋找故障，找到故障后才去修理。這樣做的結(jié) 果，首先是設(shè)備停止運(yùn)行， 影響 了正常服務(wù)，其次是故障 往往不僅是部件問(wèn)題，甚至到了必須更換主要部件的地步， 使得維修成本劇增；三是故障只在設(shè)備運(yùn)行時(shí)才表現(xiàn)出來(lái)， 當(dāng)設(shè)備停止運(yùn)行后，有些故障特征就不再表現(xiàn)，各種故障數(shù) 據(jù)也再無(wú)法采集，這就給故障排除帶來(lái)很大困難。按老辦法 管理，由于建筑設(shè)備的分散性和復(fù)雜性使設(shè)備工程師勞動(dòng)強(qiáng) 不得用于商業(yè)用途度增大，維護(hù)質(zhì)量跟不上需要。那種靠填寫(xiě)值班日志、抄表 記錄、出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)后才去排除故障等人工方法顯然已經(jīng)不 能適應(yīng)新的形勢(shì)。雖然新的系統(tǒng)有了類(lèi)似黑匣子之類(lèi)的自動(dòng) 數(shù)據(jù)記錄器，但也只能

5、做事后分析，不能做到提前預(yù)測(cè)故障 和及時(shí)排除故障，能量的利用率低，造成能源極大浪費(fèi)。因 此，傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式已無(wú)法滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展的需求，探索 先進(jìn)的設(shè)備管理方法特別是空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行管理方法、提高 能量的利用率至關(guān)重要。近年來(lái)，已有人 研究 了比較先進(jìn) 的設(shè)備管理方法，其主要思想是監(jiān)控各個(gè)系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備的 運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)采集各設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 將數(shù)據(jù)送入中央處理設(shè)備進(jìn)行處理，判斷出各設(shè)備當(dāng)前的運(yùn) 行情況，若有故障趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)出警報(bào)。在這種設(shè)備管理系 統(tǒng)中，設(shè)備故障檢測(cè)及診斷技術(shù)占有很大比重。所以，本文 著重討論了空調(diào)系統(tǒng)故障檢測(cè)及診斷系統(tǒng)的建立過(guò)程。 1. HVAC 系統(tǒng)工作特征

6、分析 HVAC 系統(tǒng)是由管道連接各種 空調(diào)設(shè)備而組成的一個(gè)相互關(guān)聯(lián)、相互影響的系統(tǒng)，如果系 統(tǒng)中有一個(gè)運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化， 則其它的運(yùn)行參數(shù)也會(huì)變化， 進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的特性?？照{(diào)系統(tǒng)外在參數(shù)的變化是通過(guò) 影響機(jī)組內(nèi)在參數(shù)而引起空調(diào)系統(tǒng)性能變化的。這些內(nèi)在參 數(shù)主要有：蒸發(fā)溫度 、冷凝溫度。 1.1 內(nèi)部參數(shù)與機(jī)組性能的關(guān)系 如圖 1：空調(diào)系統(tǒng)的冷水機(jī)組或熱泵機(jī)組就 如一個(gè)水泵， “揚(yáng)程 ”為 （冷凝溫度蒸發(fā)溫度） ，將熱 不得用于商業(yè)用途量 r 從低溫 處送到高溫 處。蒸發(fā)溫度 越低，冷凝溫 度 越高，制冷量就越低，壓縮功 Aw 越大。研究表明：冷 凝溫度每上升1 c，制冷量就下降 22.5%

7、 ;蒸發(fā)溫度每下 降1C,制冷量就下降23%。圖 1 圖 21.2 影響冷凝溫度的主要因素(對(duì)水冷冷凝 器) 冷卻水流量 如圖 2 為某一冷水機(jī)組的冷卻水流量與冷 凝溫度的關(guān)系圖，從圖中可知，冷卻水流量減小，則冷凝溫 度增加。 冷凝器污垢 冷卻管一旦有了污垢， 傳熱系數(shù)就會(huì)下 降，從圖 3 中可以看出，冷凝溫度及冷凝壓力就變高。圖 3 圖 4 另外，冷卻水溫度、蒸發(fā)溫度及不凝性氣體也 影響冷凝溫度。在一定的冷負(fù)荷條件下，冷卻水溫度越高， 冷凝溫度也越高;當(dāng)制冷負(fù)荷增大時(shí)，蒸發(fā)溫度變大，則冷 凝溫度增大;如果有不凝性氣體， 則冷凝器的傳熱系數(shù)變小， 冷凝溫度升高。 1.3 影響蒸發(fā)溫度的主要因素

8、 冷凍水流量 從熱平衡原理得知： 冷凍水在蒸發(fā)器中的吸熱量等于制冷量。 如式 1 ： (1) c (2)其中： W 為冷凍水流量; t 進(jìn) 為冷凍水 進(jìn)水溫度; t 出 為冷凍水出水溫度; t 0 為蒸發(fā)溫度。 c 為 水的比熱；$ 0為制冷量；由1式可看出：假設(shè)制冷量$ 0 不變，冷凍水流量 W 減小，當(dāng)冷負(fù)荷條件不變時(shí)， t 進(jìn)不變， 則 t 出必然下降，在由 2 式可知蒸發(fā)溫度就會(huì)下降。冷負(fù)荷 不得用于商業(yè)用途條件 同樣由1、2式可以看出：假設(shè)冷凍水流量 W及t進(jìn)不 變時(shí)，$ 0減小會(huì)導(dǎo)致t出 上升，就會(huì)使蒸發(fā)溫度上升。 蒸發(fā)器污垢 蒸發(fā)器污垢會(huì)使蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)變小， 蒸發(fā)溫 度降低。

9、 2 特征參數(shù)的選擇 雖然 HVAC 系統(tǒng)非常復(fù)雜， 但也是由不同層次的子系統(tǒng)組成。譬如：冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等等。所 以，故障發(fā)生時(shí)，它總是隸屬于某一層次，在這一層次中， 總有一個(gè)或幾個(gè)特征參數(shù)的變化與之相對(duì)應(yīng)。利用故障的這 一特性，我們可以提出診斷模型，并對(duì)原因參數(shù)和結(jié)果參數(shù) 進(jìn)行分類(lèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的正確診斷。針對(duì)不同的研究對(duì) 象，應(yīng)該選擇不同的特征參數(shù)。下面是幾個(gè)有代表性的特征 選擇方法。 2.1 對(duì)制冷系統(tǒng) 因?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)的內(nèi)在參數(shù)是直接 反映系統(tǒng)性能的參數(shù)，所以很多研究者在選擇特征參數(shù)時(shí)都 選擇了像蒸發(fā)溫度， 冷凝溫度等內(nèi)在參數(shù)作為故障特征參

10、數(shù)。 但不同的故障能使內(nèi)在參數(shù)產(chǎn)生相同的變化，以致有時(shí)直接 用內(nèi)在參數(shù)的變化不容易分辨不同的故障。因此，可以利用 內(nèi)在參數(shù)求出諸如機(jī)組或其元件的效率、換熱量等間接特征 參數(shù)，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)及 理論 分析確定出各故障對(duì)應(yīng)的間接特 征參數(shù)的變化范圍。下面即采用了間接特征參數(shù)來(lái)判斷一冷 水機(jī)組的故障。各故障對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)如下（表 1 ）表 1 故 障名稱(chēng) 特征參數(shù) 冷凍水流量下降 , 冷卻水流量下降 , 蒸發(fā)器盤(pán)管污垢 , 冷凝器盤(pán)管污垢 , 壓縮機(jī)內(nèi)部故障 , , 電機(jī) /傳輸故障 , , 下表為各故障的判斷規(guī)則 （表 2） ：表 2 操作條件 趨勢(shì) 類(lèi)型 用于檢測(cè)及診斷冷水機(jī)組故障的各特征參數(shù) 蒸發(fā)

11、器 冷凝 器 壓縮機(jī) 機(jī)組 Q evap CHWTD APPR e UA e Q cond CWTD APPR c UA c n isentropic n motor COP 基 本 狀 態(tài) 正 Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø 放 熱 量 變 化 升 正 &

12、amp;amp;Oslash; Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø 降 正 Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø &amp

13、;Oslash; 負(fù)荷變化 升 正 降 正 冷凍水流量變 化 升 誤 Ø ØØ Ø Ø ØØ 降 誤 Ø Ø Ø Ø ØØ Ø 冷卻水流量變化 升 誤 &Oslas

14、h; Ø Ø ØØ Ø Ø 降 誤 Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø 蒸發(fā)器盤(pán)管污垢 升 誤 Ø Ø Ø &O

15、slash; Ø Ø Ø Ø 降 Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø 冷凝器盤(pán)管污垢 升 誤 Ø Ø Ø Ø &am

16、p;Oslash; Ø Ø Ø 降 Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø 壓縮機(jī)內(nèi)部故障 升 誤 Ø Ø Ø Ø Ø &

17、;amp;Oslash; Ø Ø Ø 電機(jī) / 傳輸故障 升 誤 Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø 表中的各個(gè)參數(shù)分別表示 （某些參數(shù)如圖 4 所示 ）： 蒸發(fā)器的換熱量；蒸發(fā)器中冷凍水進(jìn)出口溫差；蒸發(fā)器中冷 凍水與制冷劑間的最小溫差；蒸

18、發(fā)器的傳熱系數(shù)（蒸發(fā)器傳熱面積 × 單位面積傳熱系數(shù)） ；冷凝器的換熱量； 冷凝器 中冷卻水的進(jìn)出口溫差；冷凝器中冷卻水與制冷劑間的最小 溫差；冷凝器的傳熱系數(shù)（冷凝器傳熱面積 × 單位面積 傳熱系數(shù)）；壓縮機(jī)的定熵壓縮效率 （實(shí)際壓縮的耗功量與 理 論 耗功量之比） ；電機(jī)效率；機(jī)組總的性能系數(shù)。從上面的 表中可以看出：冷水機(jī)組的大部分故障所表現(xiàn)出來(lái)的癥狀都 比較明顯，各自對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)的變化差別比較大，但有些 故障的特征參數(shù)變化的差別比較小。如冷凝器污垢與冷卻水 量下降這兩個(gè)故障。這兩個(gè)故障中，蒸發(fā)器、壓縮機(jī)中的各 個(gè)參數(shù)及機(jī)組的整體性能參數(shù)都對(duì)這兩個(gè)故

19、障不敏感，而冷 卻水進(jìn)出口溫差、冷卻水與制冷劑間的最小溫差及冷凝器的 總傳熱系數(shù)這三個(gè)參數(shù)差別比較明顯，所以，可從這三個(gè)參 數(shù)的變化上判斷出究竟是那個(gè)故障。除了利用內(nèi)在參數(shù)進(jìn)行 故障檢測(cè)及診斷外， 還可以采用外在參數(shù)進(jìn)行故障檢測(cè)的 研 究 ?？梢酝ㄟ^(guò)監(jiān)測(cè)水泵、 風(fēng)機(jī)等電機(jī)的用電負(fù)荷進(jìn)行 HVAC 系統(tǒng)故障檢測(cè)，通過(guò) 分析 諸如空氣流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速等外在 參數(shù)與電功率消耗之間的關(guān)系去檢測(cè)、診斷故障，或者在電 機(jī)剛啟動(dòng)后，分析電機(jī)的機(jī)械動(dòng)力物理模型，從而得出空調(diào) 系統(tǒng)的故障。 2.2 對(duì)供暖系統(tǒng) 在對(duì) HVAC 系統(tǒng)的故障檢測(cè)及 診斷技術(shù)的研究中，對(duì)供暖系統(tǒng)的研究相對(duì)較少。表 6 給出 了針對(duì)供暖系

20、統(tǒng)故障與特征參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖 4 給出了供 暖系統(tǒng)故障判斷結(jié)構(gòu)圖。 表 6 總結(jié) 果 癥狀 可能的故障 居 不得用于商業(yè)用途住者感到不舒服 在房間被使用時(shí)室內(nèi)溫度過(guò)低 加熱曲線不 合理 室內(nèi)溫度補(bǔ)償器失靈 控制閥阻塞 室外溫度傳感器 損壞 能耗過(guò)大 在房間剛開(kāi)始被使用時(shí)室內(nèi)溫度過(guò)低 突然 加熱過(guò)晚 水離開(kāi)鍋爐的溫度最高值定得過(guò)低 閥門(mén)阻塞 在房間被使用時(shí)室內(nèi)溫度過(guò)高 加熱曲線不合理 室內(nèi)溫度 補(bǔ)償器失靈 控制閥阻塞 圖 5 從表 6 及圖 5 可以看出，對(duì)供暖系統(tǒng)故障的這項(xiàng)研 究主要包括兩個(gè)部分。一是預(yù)處理器，將三個(gè)參數(shù)（室內(nèi)溫 度、室內(nèi)溫度、供水溫度）的 72 個(gè)值預(yù)處理，求出日平均溫 度

21、等值。二是分類(lèi)器，將求出的值進(jìn)行分類(lèi)，從而得到 “ 使 用時(shí)加熱不足 ”等 6 個(gè)故障。對(duì)不同的研究對(duì)象可以采用不 同的 方法 、選用不同的特征參數(shù)進(jìn)行故障檢測(cè)研究，以能 夠準(zhǔn)確的判斷出故障原因。 3 建立故障及正常狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù) 通過(guò)以上分析，我們就找到了針對(duì)不同的空調(diào)系統(tǒng)各種特征 參數(shù)，有了這些特征參數(shù)后，就需要將之匯總起來(lái)，建立數(shù) 據(jù)庫(kù)，以便使通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集來(lái)的數(shù)據(jù)與之相對(duì)照， 從而判斷出系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。 4 編制系統(tǒng)軟件，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù) 進(jìn)行訓(xùn)練和改進(jìn) 以上步驟完成以后，就要編制系統(tǒng)軟件， 建立友好的人機(jī)對(duì)話(huà)界面，并將各個(gè)模塊有機(jī)地連接起來(lái)。 然后，利用專(zhuān)家知識(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練， 使系統(tǒng)達(dá)到

22、預(yù)期效果。 5 驗(yàn)收、鑒定、試運(yùn)行 為滿(mǎn)足故障檢測(cè)及診斷的實(shí)際需 不得用于商業(yè)用途要，所開(kāi)發(fā)的智能診斷系統(tǒng)必須先經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行，在 此過(guò)程中，對(duì)診斷系統(tǒng)中的錯(cuò)誤之處加以改正，不足之處加 以改進(jìn)，使診斷系統(tǒng)能更加滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要。 結(jié)束語(yǔ) 通 過(guò)以上分析可以知道，傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式早已經(jīng)不適應(yīng)智 能建筑的要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)測(cè)維修和設(shè)備主動(dòng)式智能化管理 已迫在眉睫。 HVAC 系統(tǒng)故障檢測(cè)及診斷技術(shù)是建筑設(shè)備領(lǐng) 域的一個(gè)新課題， 其中涉及多個(gè)學(xué)科的知識(shí)， 既需要有空調(diào)、 制冷方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，又需要 計(jì)算 機(jī)、自動(dòng)控制方面的知 識(shí)，還需要運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)。 目前 ，這一技術(shù)的 應(yīng)用 還有 很多 問(wèn)題

23、 值得探討，也還有不少技術(shù)難題沒(méi)有解決。 但是， 無(wú)論從 經(jīng)濟(jì) 角度還是從整個(gè)建筑的性能以及對(duì)節(jié)能的貢獻(xiàn) 來(lái)考慮，都應(yīng)積極開(kāi)展 HVAC 系統(tǒng)故障檢測(cè)及診斷技術(shù)的研 究。參考 文獻(xiàn) ： 1.John M.House,Won Yong Lee,Dong Ryul Shin.Classification Techniques for Fault Detection and Diagnose of an Air-handing Unit.ASHARE Transactions,105,19992.Meli Stylianou,Darius Nikanpour.Performancemonitorin

24、g, Fault detection, anddiagnosis of Reciprocating Chillers.ASHARE Transactions,102,1996(I )3.lan JohnDetectionandDiagnosis in chillers-Part I :Model Development and Application.ASHARETransactions,106,2000( n),268-2824.Edwars S J ， etc.Expert system for real-time monitoring and fault diagnosis.NASA-CR,19895.Xiaoming Li,Ph.D.,Jean-Chri