中央空调系统的设计
一、本课题的研究意义、研究现状和发展趋势
1、本课题研究的目的和意义 随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高 为了保证温度恒定 中央 空调系统已广泛应用于工业与民用建筑领域 例如酒店、 宾馆、办公大厦、商场、 工厂厂房等场所。
随着时间的推移 人们对中央空调控制系统运行效果的评价也 改变了。舒适节能才是最符合人们对中央空调系统提出新的要求 希望在能耗更 低的情况下保持室内合适的温度、 湿度。统计数字显示 传统的中央空调控制系 统耗电量极大且存在巨大的能源浪费。中央空调系统普遍存在着 30％以上的 -
无效能耗有些中央空调系统的无效能耗甚至可以提高 50％以上。采用新技术
降低系统能耗成为当务之急。
因为能源是发展国民经济的重要因素 我国近年来 能源短缺的现实 节能减排才是重中之重。
建设节能型社会 促进经济可持续发 展是实现全面建设小康社会宏伟目标 构建和谐社会的重要基础保障。
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在传统 的设计中中央空调的制冷机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、冷却塔风 机系统、风机盘管系统等都是按照建筑物最大负荷制定的 且留有充足余量。
不 管在什么时间 负荷的多少 各电机都长期处在工频状态下全速运行 虽然可满 足最大的用户负荷但不具备随用户负荷动态调节的功能而在大多数时间里 用户负荷是较低的这样就造成很大的能源浪费。
有个例子可以很好的说明这些 中央空调系统中的冷冻水泵和冷却水泵一年四季长期在固定的最大流量下工 作但由于季节、昼夜和用户负荷的变化在绝大部分时间内空调的实际热负 载与决定水泵流量和压力的最大设计负载相比一年中负载率在 50％以下的小
时数约占全部运行时间的60%以上。一般冷冻水设计温差为5?7C,冷却水的设 计温差为4?5C,在系统流量固定的情况下全年绝大部分运行时间温差仅为 1?3C,即在低温差、大流量情况下工作从而增加了管路系统的能量损失严 重浪费了水泵运行的输送能量。也就是说,中央空调系统存在着至少
30％以上
的节能空间。这至少 30%的节能空间来源于很多方面： 第一负荷估算值偏大 系统消耗能量大大增加 现在的新型制冷主机可以 根据负载的变化自动加载、 卸载 而水泵的流量却不能随制冷主机而调节 必然 存在很大的能量浪费；除此之外每年
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的气象条件是随季节呈周期性的变化的 系统并不能做出相应的调节许多环节上都留有节能空间。
第二空调主机选型容量加大 在冷负荷估算值加大后 空调主机制冷量也 相应的加大。
第三水系统中通过节流阀或调节阀来调节流量、 压力 冷冻水系统和冷却 水系统中消耗了水泵较大的输送能量。
在传统的运行方式下 只要启动水泵 就 会在工频满负荷状态下运行。
第四起停频繁对设备长期安全运行带来不利影响。 起动电流通常为额定值 的 5 倍左右电机在如此大的电流冲击下进行频繁的起停对电机、接触器触 产生电弧冲击 也会给电网带来一定冲击 起动时带来的机械冲击和停止时的承 重现象也会对机械传动、轴承、阀门等造成疲劳损伤。
为此如果能通过冷冻水供回水温度、 压差 冷却水泵的流量等工艺参数进 行调整并对空调设备进行优化起停 使空调系统高效、 节能运行 将产生非常明 显的经济效果。另外根据交流电机的特性要实现连续平滑的速度调节最佳 的方法就是采用变频器调速 采用变频器进行风机、 水泵的节能改造 不仅避免 了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费而且还会极大提高调节和控制的精度 从而方便地实现恒温空调系统空调节能的目的是有效利用能源 以最小的能耗创 造出一个适合人居住、 工作的室内环境。
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空调水系统实现节能运行可以有效地减 少空调系统能耗和建筑总能耗 提高能源利用率 对减少温室气体排放 减轻环 境污染实现人类社会的可持续发展。
空调系统是现代建筑中的主要设备系统 是楼宇自动控制系统的主要监控对 象之一。空调系统耗能在建筑总能耗中占 40%左右通过楼宇自动控制系统实现 其节能运行 意义重大。空调控制系统是要对室内温湿度等参数进行控制 使之 很好地跟踪设定值 同时尽可能减少能源消耗 达到节能的目的。
而其对象是不 可预知的如人员的多少、设备的发热量空调系统又具有很大的滞后特性系 统中又有很多的检测、 控制点。
空调系统在运行过程中 控制系统要对其进行实 时调控对空调系统的控制系统性能要求较高。
所以要达到很好的控制效果 又 要节能就必须设计一个良好的控制系统。
目前空调系统应用越来越广泛几乎所有的新建建筑物都有空调系统人 们对空调舒适度的要求越来越高同时由于空调耗能大节能问题日益突出
所以研究空调系统的控制具有广泛的意义。
对不同的工程 空调系统虽然有所不 同控制方案也会有所不同但其基本的分析方法、原理是相同的。故本次设计 对于类似项目还具有普遍意义。
2、国内外相关研究现况和发展趋向
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随着人们生活水平的不断提高 智能大厦的不断涌现 智能建筑得到了迅猛 发展并已成为 21 世纪建筑业的发展主流。所谓智能建筑就是给传统建筑加上 “灵敏”的神经系统和“聪明”的头脑以提高人们生产、生活环境给人们带 来多元化信息和安全、 舒适、便利的生活条件。
而中央空调系统是智能建筑中楼 宇自动化的一个非常重要的组成部分在各个行业各个部门中得到了广泛的应 用。一方面在空调系统中通过对空气的净化和处理使其温度、湿度、流动 速度、新鲜度及洁净度等指标均符合场所的使用要求 以满足人们的生产、 生活 需要；另一方面据统计空调系统的能耗通常占楼宇能耗的 60%以上空调系
统要以最小的能耗达到最佳的运行效果 即满足国际上最新的 “能量效率” 的要 求。
中央空调系统是楼宇控制系统监控的重点往往占总监控点的
60%以上其
投资超过水电等其余监控系统的总和。中央空调系统管路复杂运行工况多变 是建筑物能耗大户一般耗电占建筑物总用电量的 40%以上。
随着科技的飞速发展 智能控制的应用范围在逐渐拓展 并且引起了空调控 制方案的变革同时信息技术的飞速发展引起了自动化系统结构的变革逐 步形成了以网络自动化系统为基础的控制系统。
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而现场总线就是顺应这一形势发 展起来的新技术。现场总线中的 Lonworks 总线技术为智能控制的实施提供了广 泛的发展空间 促使智能控制向着分散化 网络化方向发展 并且智能控制由于 不依赖于系统的精确模型 而且具有超调小、 调节迅速、 上升时间短和很好的鲁 棒性的特点使得智能控制应用非常的广泛。
良好的控制器的设计和控制参数的调节有赖于系统的数学模型 所以近年来 国内外学者都热衷于建立空调系统的模型。早在 1985年美国学者 ClarkDR 等就 已经在ASHRA上发表文章建立了送风管道的数学模型。1900年Underwood和 Crawford 合作依据非线性控制理论的发展在大量实验的基础上提出了水加 热器的数学模型。同一时期 Ma_well 也在实验的基础上获得了冷却器的模型。
由于国内外建筑风格、 空气参数、 空气质量及室内空气控制的指标要求不同 所 以国外对空调系统建立的数学模型不完全适合我国的空调系统 但是他们建模的 一些方法及思想对我们研究空调系统很有价值。
国内的许多学者也做了大量的的空调建模方面工作。 香港理工大学王盛卫等
在1999年通过分析空调系统各个环节的热力学特性 模型代替空调系统各
个环节的模型 此模型便于实验分析。
用RC
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南京建筑工程学院的王建明工程师在 20__ 年通过对空调房间的热力学特性分析给出了变风量系统空调房间的数学模型。
随 着控制系统的发展 人们开始关注基于现代智能控制理论的各环节模型 建立了 基于人工神经网络的表冷器模型。同济大学孟华老师在 20__ 年从热力学和传热 传质的基本原理出发以TANSY为仿真平台建立了表冷器的数学模型。
伴随着计算机控制技术的发展世界上 HVAC---供热通风与空调工程
( Heating Ventilation and Air Conditioning )系统的控制从五十年代就开始采 用气动仪表控制系统 六十年代改进为电动单元组合仪表 七十年代采用小型专 用微型计算机进行集中式控制系统直到 1984年。美国哈特福德市第一幢采用 微型计算机集散式控制系统大厦的出现 标志着智能建筑时代的开始。
集散式(即 集中管理分散控制)自控系统目前技术趋于成熟主要技术特征是采用了 DDC( Direct Digital Control )。
作为控制系统中的主要单元控制器目前国内外主要采用的是常规 PID 控
制因其控制简单、实用、成本低、技术成熟、易于实现、参数调整方便并且 具有一定的鲁棒性 --- 系统的健壮性在空气调节中的应用比较广泛。1982 年
Shavit 和 Brandt 等对由控制阀门和执行器实现温度和湿度控制的不同特性做了 研究。1984年Brandt和Shavit对PID控制
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的废弃温度控制系统的单位阶跃响 应做了仿真研究。1995年Kalman等人将PID控制用于压缩机和蒸发器的电极速 度调节以实现制冷去湿并建立了系统的数学模型以及 PID算法的三个参数的 解析整定方法 同时给出了系统的两种控制策略。
实际上 现在大多数空调系统 都是采用PID控制。虽然PID控制在空气调节中广泛使用但是由于PID算法只 有在系统模型参数不随时间变化的情况下才取得理想效果。
当一个已经调好参数 的 PID 控制器被应用于另外一个具有不同模型参数的系统时。系统性能就会变 差甚至不稳定。再加上空调系统的高度非线性以及温湿度之间的强耦合关系 研究者们又转向其他高级控制方法 如最优控制、 自适应控制、 模糊控制及神经 网络控制。
智能控制与传统的PID控制相比它不完全或不依赖于被控对象的精确数学 模型同时具有自寻优特点 并且在整个控制过程中 计算机在线获取信息和实 时处理并给出控制决策 通过不断的优化参数和寻找控制器的最佳结构形式 以 获取整体最优控制性能。由于空调系统是一个大滞后、多干扰、大惯性的系统 获取它的精确模型很困难所以智能控制器成为中央空调系统中研究的热点。
1985年日本“三菱重工”就开发出了以温度恒定为目标的模糊变频空调控制器。
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香港的 Albert.P.SO 等人于 1994年开发出空调机组的热舒适性模糊逻辑控制器。
同年香港的 S.Huang 和美国的 Nelso 对基于规则的模糊逻辑控制在空调系统的 应用做了实验研究 给出了建立和校正模糊控制规则的策略 并分析了控制器的 多阶继电器特性。1999年Kasahara等设计了自适应PID控制器此控制器可以 应用于被控模型不太精确的场所。
Ghiaus 则证明了热交换过程这一非线性过程 可以用模糊控制来较好的实现并且可以克服 PID控制过程出现的超调。
国内学者对智能控制在空调中的应用研究成果也有很多。 吴爱国等研究了参 数自寻优模糊控制器在中央空调温度控制系统中的应用 该控制器在综合了输入 的比例因子和输出的比例因子对系统的影响后 采用了在输入的比例因子后加权 因子的方法 优化了控制效果。
同时很多文献也给出了广义预测控制、 神经网络 控制在空调系统中的应用。
综上可知智能控制是今后控制界发展的必然趋势 随着计算机技术和智能 控制理论的发展智能PID控制必将在空调系统中得到广泛的应用。
二、主要设计（研究）内容
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空调控制系统就是为了营造室内温度适宜、 温度恰当和空气洁净良好的工作 与生活环境 对建筑物大量空调设备进行全面管理和控制的系统 是智能建筑控 制系统的重要组成部分。
它主要包括新风机组的控制、 空调机组的监控、 冷热源 及其水系统的监控、变风量系统的监控。
下面就是要实现的功能： 1 、温度控制
（1 ）夏季制冷 分站根据其内部时钟确定夏季的设定温度比较温度传感器采集的回风温 度采用PID算法调节制冷盘管的三通调节阀以使回风温度与设定温度一致。
（2）冬季制热 分站根据其内部时钟确定冬季的设定温度比较温度传感器采集的回风温 度采用PID算法调节制热盘管的三通调节阀以使回风温度与设定温度一致。
2 、风机控制 根据其内部软件及时钟按时间程序或事件来启动或停止风机。
3、安全控制 只有风机确定启动后空气流量开关探测到风压后温度控制程序才会 启动。
4、加湿 分站测试回风的温度并与设定温度比较以控制加湿阀门的开启或关
闭。
5、连锁保护控制
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连锁：风机停止后新风风门、电动调节阀、电磁阀自动关闭；
保护：风机启动后其前后压差过低时故障报警并连锁停机。 三、研究方案及工作计划 1、控制系统的比较 （1） PLC系统的特点
1） 可靠性高PLC作为一种通用的工业控制器它必须能够在各种不同的 工作环境中正常工作。
对工作的环境要求较低 抗外部干扰能力强 平均无故障 时间长。
2） 使用方便灵活PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式因 此输入 / 输出信号的数量形式驱动能力等都可以根据实际控制要求进行选 择与确定而且在需要时可以随时更换近年来 PLC的特殊模块增多这些可以 满足不同的控制要求使 PLC的使用更加灵活与多变。
3） 编程简单PLC的优越性主要体现在它采用了独特的多种面向广大工 程设计人员的编程语言如指令表梯形图逻辑功能图顺序功能图等程序 简洁明了适合各类技术人员的传统习惯 即使是没有计算机知识的人员也很统 一掌握特别是梯形图与逻辑功能图形象直观动态监测效果逼真且与计算 机控制容易。
（2） 单片机系统的特点：
）要求环境单片机对环境的适应能力较低可靠性差。
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）编程和PLC相比难以学习主要是单片机采用汇编语言或者是 C语言, 这些高级语言和PLC语言相比难以学习。
3）功能单一即使具有使用中所需要的功能。但是它结构简单处理速度 快。
对比PLC与单片机的特点我们发现PLC在性能上远远超单片机故我们用 PLC来设计中央空调空调控制系统这样符合目前社会所提倡的节能减排图3-1 是设该系统的原理图：
图3-1为中央空调控制原理图 2、主程序设计
在本系统中PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号（按钮、继电器） 的输入判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、 继电器等器件以完 成相应的控制任务。
PLC程序设计共有四个模块：
（1） 控制按钮模块主要处理各电机和电磁阀的启停控制。 （2） 报警处理模块主要处理变频器的故障报警和报警信息。 （3） 变频器给定模块将处理变频器的工作模式调用变频器设定模块。
（4） 变频器设定模块是接受由模拟量输入模块接受速度传感器转换而来
的信号与频率给定值进行比较后再作为输入信号经 D/A转换成模拟量给变频器 PLC主程序设计当PLC的主程序开始运行之后就处于反复的循环执行之中 每一次循环被称为一次扫描：即对主
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程序的语句逐条扫描执行。主程序主要完成 初始化、遥信自处理、通信处理三方面的工作。只有第一次扫描才执行初始化程 序然后进行遥信自处理程序若有通信要求则进行通信处理否则结束主程 序完成一次扫描工作。
PLC程序的运行方式为循环扫描式因此将主要功能模块设计成主程序如 图3-2在每一扫描周期内该主程序均被执行而压缩机启停顺序生成模块则设 计成子程序供调用。
Y制冷?制冷参数 ＞工作区制暖参数 ＞工作区Y Y 制冷?
制冷参数 ＞工作区 制暖参数 ＞工作区 Y N
置相关标志
图3-2系统结构流程图 3、工作计划
第1~2周：查阅相关资料并翻译外文资料。
第3~4周：了解课题目前在国内外的研究现状、 发展趋势确实中央空调索
要实现的功能和了解整个系统的结构框架。
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第5~6周：进一步了解中央空调的所要实现的具体功能 确定系统中所要用
到的元器件并进行最初的硬件电路的设计为软件编程做准备。
第7~8周：学习PLC程序的设计与开发确定最终的硬件电路的设计。
第9~10周：编写PLC的程序并和硬件一起进行程序调试
来检查程序的可 行性。
第11~12周：修改必要的程序部分来完善系统并书写论文的初稿。
第13~14周：修改并完成论文准备答辩。 四、参考文献
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施利春.PLC操作实训(西门子)?北京：机械工业出版社20__ 赵承获.电机与电气控制技术.北京：北京高等教育出版社20__
⑸ 宋孝春?民用建筑制冷空调设计资料集?北京：中国建筑工业出版社 20__.
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蔡卫东刘桂平 李斌?家用小型中央空调研究进展及应用展望 ?制
冷20__
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马最良姚杨.民用建筑空调设计.北京：化学工业出版社20__. Michel . A. Bemier,Ber nard Bourret . Pump ingen ergy an d variable fr equency drives . December1999: 20~21
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ve cooling air-conditioning system ' automation Journal of _ian University of Technology20__28(1): 45~56
Steven F.BarrettQaniel J.Pack.Embedded System[M].北京：电子工业
出版社20__: 10-11 附录英文翻译 1.英文原文
The central air conditioning control
system
“Gree n build ing” focus on en vir onmen tal protect ion, en ergy sav ing, ef ficient use of resources and materials, especially focus on requirements f
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or air temperature, humidity, ventilation and cleanliness. Therefore, the
use of air conditioning system is more widely. Air-conditioning control s
ystem invoIves manyaspects, but more ple_ tasks to be achieved. It need s support of cold and heat. There are high-power air conditioning unit fan, but it's a great energy. Underthe premise of meeting the
requirements of users to air environment, only the use of advaneed control strategies to control air-conditioning
system, can achieve energy conservation and red uce cost of operation. Such as central air conditioning system for large
,ple_ process (or object) of the control implementation,
usually by so
meki nd of guideli nes, the lower its depositi on in to a nu mberof subsyst emsto e_ercise control, co-ordination
in the top performanee amongthe va
After the
rious subsystems, making integration system is in somesense the
optimal state.
Problems in control mainly in:
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uncertainty Traditional highly nonlinear
semi-structured and unstructured system ple_ity Reliability
Theu ncerta inty of ple_ systems, since the c on trolled object (proc ess) is difficult to use the characteristics of the mathematical model acc urately described. The traditional PIDcontrol theory based on classical
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