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摘要：分析了HVAC設備管理系統的幾種模式，指出了智能設備管理系統的關鍵技術是系統集成和智能化，探討了設備管理系統開發中值得注意的問題及新一代設備管理系統的發展方向。針對傳統設備管理模式下存在的問題，闡述了現代設備管理、狀態監控和設備故障狀態維修的必要性。分析了暖通空調(HVAC)系統故障的特征，并就建立故障檢測與診斷系統的方法、實現步驟、相關技術等進行了探討。

關鍵詞：設備管理節能故障診斷建筑能耗

隨著經濟的快速發展，建筑內設備數量和復雜性都顯著增加，使得建筑在使用過程中所消耗的能量（建筑能耗）越來越大。建筑能耗在社會總能耗中占有很大的比例，而且，社會經濟越發達，生活水平越高，這個比例越大。西方發達國家，建筑能耗占社會總能耗的30%～45%。我國盡管社會經濟發展水平和生活水平都還不高，但建筑能耗已占社會總能耗的20～25%，正逐步上升到30%。不論西方發達國家，還是我國，建筑能耗狀況都是牽動社會經濟發展全局的大問題。

在建筑的總能耗中，用于采暖、通風和空調的能量占有很大的比重，在一些大城市，夏季空調已成為電力高峰負荷的主要組成部分。1998年，上海住宅空調安裝率超過70%，空調用電負荷高達300×104kW以上，占高峰用電負荷的1/3，產生166.2×104kW的供電缺口。

所以，節約能源，提高能量的利用效率，關系到整個社會的可持續發展問題。節能在很大程度上取決于建筑內設備的運行狀況。如果采用先進的管理方法，使各種設備安全、有效、穩定地運行，出現故障能快速排除，則可以節約能量；如果管理方法比較陳舊，出現故障不能及時排除，則會浪費很多能量。

在傳統的設備管理模式中，往往是在有明顯跡象表明設備性能變差時，才去確定這臺設備是否應該檢修，或根據規程已經到了大修期限，才著手組織大修。這樣就存在以下問題：一是其運轉情況無法統計準確；二是本可不必大修解決的問題拖到了故障累積成必須大修的程度，導致設備維修費用升高。傳統的維修思路是：當設備不能正常工作甚至無法工作后才去尋找故障，找到故障后才去修理。這樣做的結果，首先是設備停止運行，影響了正常服務，其次是故障往往不僅是部件問題，甚至到了必須更換主要部件的地步，使得維修成本劇增；三是故障只在設備運行時才表現出來，當設備停止運行后，有些故障特征就不再表現，各種故障數據也再無法采集，這就給故障排除帶來很大困難。

按老辦法管理，由于建筑設備的分散性和復雜性使設備工程師勞動強度增大，維護質量跟不上需要。那種靠填寫值班日志、抄表記錄、出現報警信號后才去排除故障等人工方法顯然已經不能適應新的形勢。雖然新的系統有了類似黑匣子之類的自動數據記錄器，但也只能做事后分析，不能做到提前預測故障和及時排除故障，能量的利用率低，造成能源極大浪費。

因此，傳統的設備管理模式已無法滿足社會發展的需求，探索先進的設備管理方法特別是空調系統的運行管理方法、提高能量的利用率至關重要。

近年來，已有人研究了比較先進的設備管理方法，其主要思想是監控各個系統中每個設備的運行狀況，實時采集各設備的運行數據，通過數據采集系統將數據送入中央處理設備進行處理，判斷出各設備當前的運行情況，若有故障趨勢，及時發出警報。在這種設備管理系統中，設備故障檢測及診斷技術占有很大比重。所以，本文著重討論了空調系統故障檢測及診斷系統的建立過程。

1.HVAC系統工作特征分析

HVAC系統是由管道連接各種空調設備而組成的一個相互關聯、相互影響的系統，如果系統中有一個運行參數發生變化，則其它的運行參數也會變化，進而影響整個系統的特性。

空調系統外在參數的變化是通過影響機組內在參數而引起空調系統性能變化的。這些內在參數主要有：蒸發溫度、冷凝溫度。

1.1內部參數與機組性能的關系

如圖1：空調系統的冷水機組或熱泵機組就如一個水泵，“揚程”為（冷凝溫度－蒸發溫度），將熱量r從低溫處送到高溫處。蒸發溫度越低，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（對水冷冷凝器）

冷卻水流量如圖2為某一冷水機組的冷卻水流量與冷凝溫度的關系圖，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，傳熱系數就會下降，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、蒸發溫度及不凝性氣體也影響冷凝溫度。在一定的冷負荷條件下，冷卻水溫度越高，冷凝溫度也越高；當制冷負荷增大時，蒸發溫度變大，則冷凝溫度增大；如果有不凝性氣體，則冷凝器的傳熱系數變小，冷凝溫度升高。

1.3影響蒸發溫度的主要因素

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進為冷凍水進水溫度；

t出為冷凍水出水溫度；t0為蒸發溫度。

c為水的比熱；φ0為制冷量；

由1式可看出：假設制冷量φ0不變，冷凍水流量W減小，當冷負荷條件不變時，t進不變，則t出必然下降，在由2式可知蒸發溫度就會下降。

冷負荷條件同樣由1、2式可以看出：假設冷凍水流量W及t進不變時，φ0減小會導致t出上升，就會使蒸發溫度上升。

蒸發器污垢蒸發器污垢會使蒸發器的傳熱系數變小，蒸發溫度降低。

2特征參數的選擇

雖然HVAC系統非常復雜，但也是由不同層次的子系統組成。譬如：冷卻水循環系統、冷凍水循環系統、制冷劑循環系統、自動控制系統等等。所以，故障發生時，它總是隸屬于某一層次，在這一層次中，總有一個或幾個特征參數的變化與之相對應。利用故障的這一特性，我們可以提出診斷模型，并對原因參數和結果參數進行分類，從而實現對故障的正確診斷。針對不同的研究對象，應該選擇不同的特征參數。下面是幾個有代表性的特征選擇方法。

2.1對制冷系統

因為空調系統的內在參數是直接反映系統性能的參數，所以很多研究者在選擇特征參數時都選擇了像蒸發溫度，冷凝溫度等內在參數作為故障特征參數。但不同的故障能使內在參數產生相同的變化，以致有時直接用內在參數的變化不容易分辨不同的故障。因此，可以利用內在參數求出諸如機組或其元件的效率、換熱量等間接特征參數，再通過實驗及理論分析確定出各故障對應的間接特征參數的變化范圍。下面即采用了間接特征參數來判斷一冷水機組的故障。

各故障對應的特征參數如下（表1）

表1故障名稱

特征參數

冷凍水流量下降

,,

冷卻水流量下降

,,

蒸發器盤管污垢

,

冷凝器盤管污垢

,

壓縮機內部故障

,,

電機/傳輸故障

,,

下表為各故障的判斷規則(表2)：

表2操作條件

趨勢

類型

用于檢測及診斷冷水機組故障的各特征參數

蒸發器

冷凝器

壓縮機

機組

Qevap

CHWTD

APPRe

UAe

Qcond

CWTD

APPRc

UAc

ηisentropic

ηmotor

COP

基本狀態

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

－

壓縮機內部故障

升

誤

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

－

Ø

－

電機/傳輸故障

升

誤

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

－

－

表中的各個參數分別表示(某些參數如圖4所示)：

蒸發器的換熱量；

蒸發器中冷凍水進出口溫差；

蒸發器中冷凍水與制冷劑間的最小溫差；

蒸發器的傳熱系數（蒸發器傳熱面積×單位面積傳熱系數）；

冷凝器的換熱量；

冷凝器中冷卻水的進出口溫差；

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（冷凝器傳熱面積×單位面積傳熱系數）；

壓縮機的定熵壓縮效率（實際壓縮的耗功量與理論耗功量之比）；

電機效率；

機組總的性能系數。

從上面的表中可以看出：冷水機組的大部分故障所表現出來的癥狀都比較明顯，各自對應的特征參數的變化差別比較大，但有些故障的特征參數變化的差別比較小。如冷凝器污垢與冷卻水量下降這兩個故障。

這兩個故障中，蒸發器、壓縮機中的各個參數及機組的整體性能參數都對這兩個故障不敏感，而冷卻水進出口溫差、冷卻水與制冷劑間的最小溫差及冷凝器的總傳熱系數這三個參數差別比較明顯，所以，可從這三個參數的變化上判斷出究竟是那個故障。

除了利用內在參數進行故障檢測及診斷外，還可以采用外在參數進行故障檢測的研究。可以通過監測水泵、風機等電機的用電負荷進行HVAC系統故障檢測，通過分析諸如空氣流量、電機轉速等外在參數與電功率消耗之間的關系去檢測、診斷故障，或者在電機剛啟動后，分析電機的機械動力物理模型，從而得出空調系統的故障。

2.2對供暖系統

在對HVAC系統的故障檢測及診斷技術的研究中，對供暖系統的研究相對較少。表6給出了針對供暖系統故障與特征參數的對應關系。圖4給出了供暖系統故障判斷結構圖。

表6總結果

癥狀

可能的故障

居住者感到不舒服

在房間被使用時室內溫度過低

加熱曲線不合理

室內溫度補償器失靈

控制閥阻塞

室外溫度傳感器損壞

能耗過大

在房間剛開始被使用時室內溫度過低

突然加熱過晚

水離開鍋爐的溫度最高值定得過低

閥門阻塞

在房間被使用時室內溫度過高

加熱曲線不合理

室內溫度補償器失靈

控制閥阻塞

…….

…….

圖5

從表6及圖5可以看出，對供暖系統故障的這項研究主要包括兩個部分。一是預處理器，將三個參數（室內溫度、室內溫度、供水溫度）的72個值預處理，求出日平均溫度等值。二是分類器，將求出的值進行分類，從而得到“使用時加熱不足”等6個故障。

對不同的研究對象可以采用不同的方法、選用不同的特征參數進行故障檢測研究，以能夠準確的判斷出故障原因。

3建立故障及正常狀態數據庫

通過以上分析，我們就找到了針對不同的空調系統各種特征參數，有了這些特征參數后，就需要將之匯總起來，建立數據庫，以便使通過數據采集系統采集來的數據與之相對照，從而判斷出系統的運行狀況。

4編制系統軟件，對數據庫進行訓練和改進

以上步驟完成以后，就要編制系統軟件，建立友好的人機對話界面，并將各個模塊有機地連接起來。然后，利用專家知識對系統進行訓練，使系統達到預期效果。

5驗收、鑒定、試運行

為滿足故障檢測及診斷的實際需要，所開發的智能診斷系統必須先經過實驗系統的運行，在此過程中，對診斷系統中的錯誤之處加以改正，不足之處加以改進，使診斷系統能更加滿足實際工程的需要。

結束語

通過以上分析可以知道，傳統的設備管理模式早已經不適應智能建筑的要求，實現設備預測維修和設備主動式智能化管理已迫在眉睫。HVAC系統故障檢測及診斷技術是建筑設備領域的一個新課題，其中涉及多個學科的知識，既需要有空調、制冷方面的專業知識，又需要計算機、自動控制方面的知識，還需要運用數學知識。目前，這一技術的應用還有很多問題值得探討，也還有不少技術難題沒有解決。但是，無論從經濟角度還是從整個建筑的性能以及對節能的貢獻來考慮，都應積極開展HVAC系統故障檢測及診斷技術的研究。

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