智能化設(shè)備管理論文

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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20～25%，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166.2×104kW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)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)度增大，維護(hù)質(zhì)量跟不上需要。那種靠填寫值班日志、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)有了類似黑匣子之類的自動(dòng)數(shù)據(jù)記錄器，但也只能做事后分析，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。

空調(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℃，制冷量就下降2～2.5%；蒸發(fā)溫度每下降1℃，制冷量就下降2～3%。

圖1圖2

1.2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

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)

℃(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；t0為蒸發(fā)溫度。

c為水的比熱；φ0為制冷量；

由1式可看出：假設(shè)制冷量φ0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)，φ0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。

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，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

特征參數(shù)

冷凍水流量下降

,,

冷卻水流量下降

,,

蒸發(fā)器盤管污垢

,

冷凝器盤管污垢

,

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)器

冷凝器

壓縮機(jī)

機(jī)組

Qevap

CHWTD

APPRe

UAe

Qcond

CWTD

APPRc

UAc

ηisentropic

ηmotor

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

Ø

Ø

Ø

Ø

－

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

＋

降

正

Ø

Ø

Ø

Ø

－

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

－

負(fù)荷變化

升

正

＋

＋

＋

－

＋

＋

＋

＋

＋

＋

＋

降

正

－

－

－

＋

－

－

－

－

－

－

－

冷凍水流量變化

升

誤

Ø

－

－

＋

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

＋

降

誤

Ø

＋

＋

－

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

－

冷卻水流量變化

升

誤

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

－

－

＋

Ø

Ø

＋

降

誤

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

＋

＋

－

Ø

Ø

－

蒸發(fā)器盤管污垢

升

誤

Ø

Ø

＋

－

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

－

降

Ø

Ø

－

＋

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

＋

冷凝器盤管污垢

升

誤

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

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

Ø

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。可以通過(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，求出日平均溫度等值。二是分類器，將求出的值進(jìn)行分類，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)話界面，并將各個(gè)模塊有機(jī)地連接起來(lái)。然后，利用專家知識(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期效果。

5驗(yàn)收、鑒定、試運(yùn)行

為滿足故障檢測(cè)及診斷的實(shí)際需要，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。

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