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

關鍵詞：設備管理節(jié)能故障診斷建筑能耗

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，建筑內(nèi)設備數(shù)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(jīng)濟越發(fā)達，生活水平越高，這個比例越大。西方發(fā)達國家，建筑能耗占社會總能耗的30%～45%。我國盡管社會經(jīng)濟發(fā)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(fā)達國家，還是我國，建筑能耗狀況都是牽動社會經(jīng)濟發(fā)展全局的大問題。

在建筑的總能耗中，用于采暖、通風和空調(diào)的能量占有很大的比重，在一些大城市，夏季空調(diào)已成為電力高峰負荷的主要組成部分。1998年，上海住宅空調(diào)安裝率超過70%，空調(diào)用電負荷高達300×104kW以上，占高峰用電負荷的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，關系到整個社會的可持續(xù)發(fā)展問題。節(jié)能在很大程度上取決于建筑內(nèi)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(wěn)定地運行，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)故障不能及時排除，則會浪費很多能量。

在傳統(tǒng)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(jù)規(guī)程已經(jīng)到了大修期限，才著手組織大修。這樣就存在以下問題：一是其運轉情況無法統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)出來，當設備停止運行后，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(zhì)量跟不上需要。那種靠填寫值班日志、抄表記錄、出現(xiàn)報警信號后才去排除故障等人工方法顯然已經(jīng)不能適應新的形勢。雖然新的系統(tǒng)有了類似黑匣子之類的自動數(shù)據(jù)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(tǒng)的設備管理模式已無法滿足社會發(fā)展的需求，探索先進的設備管理方法特別是空調(diào)系統(tǒng)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(jiān)控各個系統(tǒng)中每個設備的運行狀況，實時采集各設備的運行數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)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(fā)出警報。在這種設備管理系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)故障檢測及診斷系統(tǒng)的建立過程。

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)設備而組成的一個相互關聯(lián)、相互影響的系統(tǒng)，如果系統(tǒng)中有一個運行參數(shù)發(fā)生變化，則其它的運行參數(shù)也會變化，進而影響整個系統(tǒng)的特性。

空調(diào)系統(tǒng)外在參數(shù)的變化是通過影響機組內(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)與機組性能的關系

如圖1：空調(diào)系統(tǒng)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(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(shù)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(fā)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(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進為冷凍水進水溫度；

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(fā)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(fā)溫度上升。

蒸發(fā)器污垢蒸發(fā)器污垢會使蒸發(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)、自動控制系統(tǒng)等等。所以，故障發(fā)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(shù)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(shù)和結果參數(shù)進行分類，從而實現(xiàn)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(shù)。下面是幾個有代表性的特征選擇方法。

2.1對制冷系統(tǒng)

因為空調(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)求出諸如機組或其元件的效率、換熱量等間接特征參數(shù)，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(shù)的變化范圍。下面即采用了間接特征參數(shù)來判斷一冷水機組的故障。

各故障對應的特征參數(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

,

壓縮機內(nèi)部故障

,,

電機/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

類型

用于檢測及診斷冷水機組故障的各特征參數(shù)

蒸發(fā)器

冷凝器

壓縮機

機組

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

－

壓縮機內(nèi)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(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(shù)。

從上面的表中可以看出：冷水機組的大部分故障所表現(xiàn)出來的癥狀都比較明顯，各自對應的特征參數(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故障。

這兩個故障中，蒸發(fā)器、壓縮機中的各個參數(shù)及機組的整體性能參數(shù)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(shù)這三個參數(shù)差別比較明顯，所以，可從這三個參數(shù)的變化上判斷出究竟是那個故障。

除了利用內(nèi)在參數(shù)進行故障檢測及診斷外，還可以采用外在參數(shù)進行故障檢測的研究?？梢酝ㄟ^監(jiān)測水泵、風機等電機的用電負荷進行HVAC系統(tǒng)故障檢測，通過分析諸如空氣流量、電機轉速等外在參數(shù)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(diào)系統(tǒng)的故障。

2.2對供暖系統(tǒng)

在對HVAC系統(tǒng)的故障檢測及診斷技術的研究中，對供暖系統(tǒng)的研究相對較少。表6給出了針對供暖系統(tǒng)故障與特征參數(shù)的對應關系。圖4給出了供暖系統(tǒng)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(nèi)溫度過低

加熱曲線不合理

室內(nèi)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(nèi)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(nèi)溫度過高

加熱曲線不合理

室內(nèi)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(tǒng)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(shù)（室內(nèi)溫度、室內(nèi)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(shù)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(tài)數(shù)據(jù)庫

通過以上分析，我們就找到了針對不同的空調(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，建立數(shù)據(jù)庫，以便使通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集來的數(shù)據(jù)與之相對照，從而判斷出系統(tǒng)的運行狀況。

4編制系統(tǒng)軟件，對數(shù)據(jù)庫進行訓練和改進

以上步驟完成以后，就要編制系統(tǒng)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(tǒng)進行訓練，使系統(tǒng)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(fā)的智能診斷系統(tǒng)必須先經(jīng)過實驗系統(tǒng)的運行，在此過程中，對診斷系統(tǒng)中的錯誤之處加以改正，不足之處加以改進，使診斷系統(tǒng)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(tǒng)的設備管理模式早已經(jīng)不適應智能建筑的要求，實現(xiàn)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(tǒng)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(diào)、制冷方面的專業(yè)知識，又需要計算機、自動控制方面的知識，還需要運用數(shù)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(jīng)濟角度還是從整個建筑的性能以及對節(jié)能的貢獻來考慮，都應積極開展HVAC系統(tǒng)故障檢測及診斷技術的研究。

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