1 中央空調(diào)風機和水泵的節(jié)能方案
1.1 節(jié)能控制器總體架構(gòu)
中央空調(diào)風機、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，以便核心算法的處理；圖的右半部分是輸出信號，主要輸出的是頻率信號，以便各個風機、水泵變頻之用，詳細介紹如下。
1.1.1 溫度數(shù)據(jù)
在算法中，需要將冷量值轉(zhuǎn)換為相應的水泵流量值和風機送風量值，這就需要利用圖2所示的公式進行轉(zhuǎn)換。由公式可知，需要測量溫度數(shù)值，采用溫度傳感器采集所需的溫度信號并且通過串口轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳輸?shù)焦た貦C內(nèi)，單位為攝氏度（℃）。
1.1.2 預測冷量
利用現(xiàn)有的冷量預測技術(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）采集各個風機、水泵當前的運行的電壓值，并且通過自帶的AD轉(zhuǎn)換函數(shù)實現(xiàn)電信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成相應的功率值，單位為瓦（W），傳輸?shù)焦た貦C中。
頻率采集采用頻率計數(shù)器，單位為（HZ），同樣傳輸?shù)焦た貦C中。
1.1.4 工控機
工控機就是整個控制器的核心部件，主要包含了整套算法的軟件部分，集成了Java虛擬機，Mysql數(shù)據(jù)庫等軟件環(huán)境。
1.1.5 變頻器
變頻器是利用電力半導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，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟起動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護等功能。在這里，根據(jù)工控機輸出的變頻信號，通過變頻器，可以改變風機、水泵的運行頻率，實現(xiàn)變頻節(jié)能。
1.2 節(jié)能方案的介紹及實施
1.2.1 預測室內(nèi)所需的冷量
利用現(xiàn)有的冷量預測技術(shù)，獲取在室內(nèi)所需的冷量。
1.2.2 冷量和送風量、水流量的轉(zhuǎn)換
利用圖2的公式將冷量值換算為相應的送風量值和水流量值。
1.2.3 建立控制優(yōu)先級
通過冷量的預測和冷量對送風量（或流量）的轉(zhuǎn)換，得到對于一個預測好的冷量，可以轉(zhuǎn)換為水泵的流量W或者是風機的送風量G，設(shè)水泵的可以達到的最大流量為W'，風機可以達到的最大的總送風量為G'，此時控制系統(tǒng)會對此做出并相應的優(yōu)先級設(shè)定并進行控制調(diào)整，步驟如下：
1）將冷量轉(zhuǎn)換為風機的送風量G
?。?）若，則表示通過風機的調(diào)整可以滿足冷量的要求，因此，將G送入規(guī)則表并進行相應的變頻控制調(diào)整。
（2）若，則表示所需的冷量已經(jīng)超出風機的可調(diào)整范圍，無法通過風機實現(xiàn)要求，此時，保持風機原頻率不變。
2）將冷量轉(zhuǎn)換為水泵的流量W
（1）若，設(shè)，做逆運算將M轉(zhuǎn)換成冷量QM，再將QM轉(zhuǎn)換成風機送風量GM
?、偃簦瑒t表示可以先調(diào)整風機，再調(diào)整水泵來達到需冷量。將GM和M分別送入風機的規(guī)則表和水泵的規(guī)則表，進行相應的變頻調(diào)整控制。
?、谌?，則表示無需進行風機調(diào)整，直接將W送入水泵的規(guī)則表進行相應的變頻調(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，無法通過水泵實現(xiàn)要求，此時，保持水泵原頻率不變。
3）令，做逆運算將轉(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)整風機至額定狀態(tài)在調(diào)整水泵來滿足需冷量，此時先將風機調(diào)制最大送風量狀態(tài)，然后將送入規(guī)則表進行相應的變頻控制調(diào)整。
若，則表示無論是風機還是水泵或是通過他們的共同調(diào)整，均無法滿足需 冷量，此時，只有通過改變制冷主機才可達到要求。因此，保持風機和水泵為原工作狀態(tài)，調(diào)整空調(diào)制冷主機。
1.2.4 建立控制規(guī)則表
以風機為例，如下表1就是建立的風機變頻控制規(guī)則表?？梢钥吹剑摫韺τ诓煌惋L量條件下的各個風機的運行頻率和運行功率以及總功率都進行了相應的記錄。在某一特定的送風量條件下，查找該表，只要排選出送風量相同的數(shù)據(jù)條進行比較，就可以很容易的得到在總功率最小的情況下，各個風機的運行頻率，進而可以實現(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個風機的第n組數(shù)據(jù)，總功率為各個風機的功率之和
2 中央空調(diào)風機和水泵節(jié)能方案的實現(xiàn)
2.1 輸入信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量
2.1.1 工業(yè)控制計算機
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)控制計算機。該工控機是基于PC104的CER系列軍用全加固計算機平臺，該計算機可以實現(xiàn)IP68的靜態(tài)防水，-40～+85℃的工作溫度，滿足沖擊，振動，復雜電磁環(huán)境等要求，同時具有擴展方便等特性。而CER-A3527計算機平臺采用INTEL最新的超低功耗ATOM系列CPU ，整機無風扇，可以可靠的工作在-20～+70℃的溫度環(huán)境。 在工控機中，安裝了Java虛擬機（JVM），以便Java主算法程序的運行，并且安裝了mysql數(shù)據(jù)庫，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路開關(guān)量輸入，一個8255I/O接口（24路可編程I/O口），3路定時/計數(shù)器。在本控制系統(tǒng)中，將它與CER-A3527工控機的PC104擴展槽相連，主要用于實現(xiàn)數(shù)字數(shù)據(jù)量的傳輸。
ART2010數(shù)據(jù)采集卡主要采集各個風機、水泵的工作電壓值，然后通過其自帶的AD轉(zhuǎn)換函數(shù)實現(xiàn)電信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)楣β手担腿牍た貦C中。
2.2 輸出信號轉(zhuǎn)化為變頻信號
當算法程序通過對采集到的各項數(shù)據(jù)分析后，得到一組對于當前情況下最為節(jié)能的風機、水泵工作頻率，通過變頻器轉(zhuǎn)換為電信號，進而改變各個風機、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)庫中分別建立風機、水泵控制規(guī)則表，然后實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的查詢，找出最優(yōu)解。
2.4 界面設(shè)計
數(shù)據(jù)庫和算法都實現(xiàn)以后，最后就要通過界面反映出來，以便進行觀測。界面設(shè)計采用java的swing技術(shù)。
3 節(jié)能效果分析
在沒有使用節(jié)能算法的情況下，各個空調(diào)會以自身主機的型號和特性為基礎(chǔ)，根據(jù)室內(nèi)溫度和設(shè)定溫度的值來調(diào)節(jié)各個空調(diào)部件的運轉(zhuǎn)。由于沒有進行優(yōu)化，空調(diào)的實時能耗在絕大多數(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)各個空調(diào)部件實測的功率和頻率來來進行變頻操作，從而優(yōu)化節(jié)能的，所以在長時間運行以后，空調(diào)的節(jié)能效果將會非常顯著。
根據(jù)空調(diào)各個部件的運行功率和運行時間就可以得到空調(diào)運行的總能耗在主程序中插入一段記錄空調(diào)運行總能耗的語句后，可以實時的記錄下空調(diào)當前的總能耗值。對數(shù)據(jù)進行整理以后，畫出相應的能耗曲線圖，如下：
由圖3可以看到，在空調(diào)剛起步運行時，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)過一段時間的運行以后，由于采集的樣本容量越來越大，控制規(guī)則表也得到相應的優(yōu)化，進而實際的節(jié)能效果也越發(fā)顯著。當空調(diào)長時間運行以后，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。這對中央空調(diào)這樣的大能耗型電氣設(shè)備來說，其節(jié)能效果已經(jīng)十分明顯，對于節(jié)約能源將起到非常關(guān)鍵的作用。
4 結(jié)論
空調(diào)節(jié)能是一個與經(jīng)濟、科技都緊密關(guān)聯(lián)的話題，本文提出了對風機和水泵進行節(jié)能的方案，并且結(jié)合了工業(yè)控制計算機、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，Java編程語言，Swing界面設(shè)計技術(shù)等軟件技術(shù)完成了該方案的實現(xiàn)過程，取得了良好的效果，對于其節(jié)能的實際經(jīng)濟效益還有待進一步地研究和考證。
