设备管理_智能楼宇设备管理系统设计论文

昆昆 明明 学学 院院 2014 届毕业论文（设计） 论文（设计）题目 智能楼宇设备管理系统设计 子课题题目 智能楼宇空调通风系统设计 姓 名 学 号 所属院系 专业年级 指导教师 摘摘 要要 空调系统是现代建筑的重要组成部分，是楼宇自动化系统的主要监控对象， 也是建筑智能化系统主要的管理内容之一。楼宇自动化系统对空调系统的监控 主要是针对集中式中央空调系统，主要包括制冷系统和新风机组控制。 在监控系统的选择上,选择不同的监控系统与此对应的组态软件也不同。例 如，北京三维力控科技有限公司的组态软件是目前工业控制领域先进的监控系 统，结合北京三维力控科技有限公司的特点，可知监控系统的可扩展性和性价 比都很高。再加上运用 PID 算法，利用 MATLAB 仿真技术对经验法建立的中 央空调控制系统模型进行仿真，从而使空调的性能得到很大的提高。有了这些 软件已经能够满足这次毕业设计的需要，选择了这些软件能达到了各个系统的 监控及运算，并且能改变原先人工现场控制方式，从而节约了人力、提高了效 率，增加了数据实时性和可靠性。 关键词关键词：中央空调中央空调 监控系统监控系统 算法算法 MATLABMATLAB 仿真仿真 Abstract Air conditioning system is an important part of modern architecture, is the main building automation systems and monitoring of intelligent building system is one of the main content of management. Building automation systems for air conditioning system is mainly directed against the centralized monitoring of the central air conditioning system, mainly including the refrigeration system and air units In selecting the monitoring system，select a different monitoring system and this corresponds to the configuration software is different. For example, Three- dimensional force control configuration software Beijing Technology Co., Ltd. is an advanced monitoring system of industrial control, combined with the three- dimensional characteristics of Beijing Science and Technology Co, force control, monitoring system known scalability and cost are high. Coupled with the use of the PID algorithm, the use of central air-conditioning control system MATLAB simulation model established by law for the simulation experience, so that the air conditioning performance is greatly improved. With this software has been designed to meet the needs of the graduate, The software can be selected to achieve the control and operation of each system, and manually change the original site control, changed the way of artificial meter, which can save manpower and improve efficiency, increase the data real-time and reliability. Keywords: central air conditioning monitoring system algorithm MATLAB simulation 目目 录录 绪绪 论论 .4 第一章第一章 工程概述工程概述 .5 1.1 选题的意义.5 1.2 对国内外空调系统现状的分析6 1.2.1 国内研究现状.6 1.2.2 国外研究现状.7 1.3 毕业设计、研究的内容，研究方法和实施方案.8 1.4 设计资料.8 第二章第二章 空调通风系统设计空调通风系统设计 .10 2.1 系统监控功能设计.10 2.2.1 空调冷热源系统监控功能设计.10 2.1.2 VAV 空调系统监控功能设计.12 2.1.3 点位表制作15 第三章第三章 系统监控设备选型及计算系统监控设备选型及计算 .21 3.1 盘管选型.21 3.1.1 盘管可按风量或冷量两个性能指标来选型见表 3-1 21 3.1.2 新风送风口接入型式的选择见表 3-2 .21 3.2 中央空调设备选择.22 3.3 新风负荷计算.22 3.4 空气系统处理过程.23 3.5 风机盘管系统的处理过程.24 第四章第四章 空调控制系统的空调控制系统的 MATLAB 仿真仿真28 4.1 恒温恒湿中央空调系统图.28 4.2 装置的基本原理.28 4.3 各部分的传递函数.29 4.3.1 空调房间内温度控制对象的微分方程.29 4.3.2 反馈回路的传递函数.30 4.4 控制系统的流程图.32 4.5 PID 控制器的设计方法 .32 第五章第五章 结语与展望结语与展望 .36 参考文献参考文献 .39 谢辞谢辞 .40 绪绪 论论 空调系统是现代建筑的重要部分，是楼宇自动化系统的主要监控对象也是 建筑智能化系统主要的管理内容之一。随着经济和社会的发展，中央空调在商 业和民用建筑中的应用越来越广泛，中央空调是现代建筑中不可缺少的能耗运 行系统。中央空调系统在给人们提供舒适的生活和工作环境的同时，又消耗掉 了大量的能源。随着设备功率和数量的增加，其能耗也不断增大。据统计，我 国建筑物能耗约占能源总消耗量的 30%。在有中央空调的建筑物中，中央空调 的能耗约占总能耗的 70%，而且呈逐年增长的趋势。因此，中央空调系统节能 技术意义重大，除了强调使用功能完善外，还应重视节能因素，降低投资、运 行费用。作为能源行业，制冷空调所面临的挑战不可谓不大，节能环保，计费， 噪音，控制技术等等，对空调来说是具有很大的意义。因此我们要在这些方面 更好运用空调。 由于空气调节可以创造一种人工的气候环境，所以其用途日益广泛，除了 为舒适而设置空调以外，在某些场所则要求恒温恒湿空调，其温度、湿度及洁 净度等在一定的范围内需恒定。按空气处理设备的设置位置分类，空调系统分 为集中式空调系统、半集中式空调系统和分散式空调系统三类。 综上所述，在当今社会，摆在我们面前急需解决的一个重要问题就是在致 力于创造舒适健康室内环境的同时，该如何实现能源和室内环境的最优控制， 以最少的能源消耗达到最佳的空调效果，从而降低空调系统的运行费用。 第一章第一章 工程概述工程概述 1.1 选题的意义选题的意义 空调系统是现代建筑的重要部分，是楼宇自动化系统的主要监控对象也是 建筑智能化系统主要的管理内容之一。随着经济和社会的发展，中央空调在商 业和民用建筑中的应用越来越广泛，中央空调是现代建筑中不可缺少的能耗运 行系统。中央空调系统在给人们提供舒适的生活和工作环境的同时，又消耗掉 了大量的能源。随着设备功率和数量的增加，其能耗也不断增大。据统计，我 国建筑物能耗约占能源总消耗量的 30%。在有中央空调的建筑物中，中央空调 的能耗约占总能耗的 70%，而且呈逐年增长的趋势。因此，中央空调系统节能 技术意义重大，除了强调使用功能完善外，还应重视节能因素，降低投资、运 行费用。作为能源行业，制冷空调所面临的挑战不可谓不大，节能环保，计费， 噪音，控制技术等等，对空调来说是具有很大的意义。因此我们要在这些方面 更好运用空调。 智能楼宇空调系统是一个热门话题。如何在现有技术、产品的基础上设计 开发能满足具体要求的自动化系统成为智能楼宇行业技术人员的重要研究内容。 智能楼宇空调系统作为智能建筑的一个重要分支，慢慢体现出它的重要性和需 要性。当今社会对智能楼宇空调系统的需求越来越多，为了对智能楼宇空调系 统有一个清楚的了解，我们有必要对智能楼宇空调系统进行充分的理解和研究。 空气调节技术已成为我国科学技术发展中的重要学科，近年来，空气调节 技术在各个商业领域和人民生活的各个方面得到了广泛应用。空调即空气调节， 主要是通过一定的空调设备和调节手段对空气进行处理。空气调节的任务就是 在任何自然环境下，将室内空气维持在一定的温度、湿度、气流速度以及一定 的洁净度。 由于空气调节可以创造一种人工的气候环境，所以其用途日益广泛，除了 为舒适而设置空调以外，某些场所则要求恒温恒湿空调，其温度、湿度及洁净 度等在一定的范围内需恒定。按空气处理设备的设置位置分类，空调系统分为 集中式空调系统（又称中央空调） 、半集中式空调系统和分散式空调系统三类。 综上所述，在强调可持续发展的今天，摆在我们面前急需解决的一个重要 问题就是在致力于创造舒适健康室内环境的同时，如何实现能源和室内环境的 最优控制，以最少的能源消耗达到最佳的空调效果，从而降低空调系统的运行 费用。 空气调节技术作为一门人工环境控制工程技术，包含的内容有：湿空气的 物理性质、室内空气品质的改善、空调负荷的计算、影响人体的热舒适环境条 件、空调房间气流组织的分布规律、合理的空调系统和系统的节能运行、空调 系统运行费用等都是我们重要考虑问题。 我们还需要考虑的是自动控制方式，自动控制方式的原理是系统把采集的 检测数据传送到中控计算机上，中控计算机根据预先设定的控制模型进行滤波、 预测、计算，得到空调系统的状态值，进而计算出相应的控制动作从而去控制 相关阀门。自动控制的关键是应用准确的控制模型，一般不同建筑物控制模型 也不同，因为控制模型要根据建筑物的实际参数，包括建筑物的尺寸、室内人 数分布情况及工作性质、气候等来制定，并需要不断对现场进行检测来调整完 善。 通过这两种控制方式的互补，各自用于不同的场合。在系统故障或进行维 修期间可采用手动控制方式。正常情况下，则采用自动控制方式，减少人力、 物力，节约能源。 1.2 对国内外空调系统现状的分析对国内外空调系统现状的分析 1.2.1 国内研究现状国内研究现状 国产中央空调产业历史至少提前 40 年，因为由美的集团和重庆通用集团合 资成立的重庆美的工业园正式投产，新工厂早在 1964 年就生产出了中国的第一 台离心式制冷机。如今与美的品牌成功嫁接之后，据推算，国产中央空调的产 业化历史进程至少提前了 40 年。 据介绍，随着国内大中型建筑中央空调的更新换代以及户式中央空调的快 速增长，中央空调这块市场越来越吸引人们的关注。以许多城市为例，目前已 有许多高楼大厦采用中央空调机组，但至今 90以上的楼宇装备的都是美日厂 商的产品。一些国内企业虽然也推出了螺杆机等中央空调设施，但由于在整机 上面投入有限，市场份额一直远不能同美日厂商相较，现在，这种格局终于有 望改写。 随着科学技术的不断发展和进步以及人们生活水平的提高，人们在日常的 生活和劳动生产中对空气环境的要求也不断提高，特别是对空气的温度、湿度、 通风以及洁净度的要求，使空调系统的应用越来越广泛。空调控制系统涉及面 广，要实现的任务复杂，它通过空调系统为建筑物的不同区域提供满足不同使 用要求的环境。 其次，空调控制系统需要有冷热源的支持，空调机组内有大功率的风机， 它的能耗很大。在满足用户对空气环境要求的前提下，采用先进的控制策略对 空调系统进行控制，达到节约能作用和降低运行费用成为空调控制系统的最终 目标。特别是近几年来， “绿色建筑” 、 “环保建筑”的提出，使得对空调控制系 统的控制模式的研究显得尤为重要。现阶段的中央空调系统的控制几乎仍采用 传统的控制模式。传统的控制模式主要存在以下几方面的问题。 1) 传统的控制理论都是建立在以微分和积分为工具的数学模型之上的，迄 今为止，还未见直接使用自然语言知识描述系统和解决问题的方法。不能灵活 配置联动控制功能； 2) 在实际工程中，尤其在工业过程控制中，被控对象的严重非线性，数学 模型的不确定性，系统工作点变化剧烈等因素都是传统控制理论无法解决的； 3) 传统的控制系统输入信息比较单一，而现代的复杂系统要以各种形式视 觉的、听觉的、触觉的以及直接操作的方式，将周围的环境信息作为系统输入， 并将各种信息进行融合、分析和推理，相应地采取对策或行动。对这样的控制 系统就要求有自适应、自学习和自组织的功能，因而需要新一代的控制理论和 技术支持。 由于智能控制特别是模糊控制在家用电器方面的发展比较迅速，近年来， 国产的模糊洗衣机、模糊空调器、模糊电冰箱、模糊电视机等的问世报道不时 见诸报端。这些都说明智能控制在我国空调领域的发展还是比较迅速。 1.2.2 国外研究现状国外研究现状 美国是最大的空调市场，占世界总空调设备销售额的 28，大多数是有风 管的单元式空调系统。美国空调市场与其它国家的差别，一些明显的原因是： 大多数人居住在位于有广阔空间的郊区独立房屋内，可以更方便地为整个 室内空间的舒适优先选择安装风管。 能源价格相对要低，全国范围有电力和燃 气可以供应，在冬季可以通过天然气管路网络用燃气炉取暖。大部分陆地在冬 季的寒冷天气并不适用没有辅助电加热的热泵，而辅助电加热是不经济的。强 大工业分销商和经济商网络以相对低的安装费用和维修后缓支持推销有风管的 中央空调系统。 由于人们大多数在生活区居住而只对单个房间的空调有强烈要求，一般不 采用中央系统以节省很昂贵的电力费用。但是，许多人抱怨高的运转噪声和振 动不能为卧室所接受。同时在房间内安装也不大方便。 1.3 毕业设计、研究的内容，研究方法和实施方案毕业设计、研究的内容，研究方法和实施方案 1) 空调冷热源系统设计 主楼空调冷热源为 3 台 DG23M 型燃气直燃型溴化锂冷温水机，制冷能 力为 985KW/台，供热能力为 824KW/台。服务器室采用一拖多型商用空调系统， 计算机房选用机房专用型下送风恒温恒湿机组。集休闲、宾馆、餐饮、健身房 等采用低速定风量空调形式。 中央空调水系统采用二次泵循环形式，水管系统为双管制异程式。供水泵 为 4 台定流量泵，负责冷温水机测的循环；二次泵为 5 台变流量泵，负责空调 末端系统的循环。膨胀水箱采用闭式膨胀管定压机组，位于地下室水泵房。 2) 空调风系统设计 办公主楼主要采用变风量空调形式（VAV 系统） ，内区空调负荷由 AHU+VAV 装置负担，外区负荷由窗边布置的 FCU 负担。 服务器室全部采用风冷热泵一拖多商用空调系统。 网络机房采用机房专用恒温恒湿机组空调机组，气流组织为地板下送风， 机组上方回风 3）介绍中央空调的负荷计算及 MATLAB 仿真结果等 1.4 设计资料设计资料 某依山伴水、濒临海滨的休闲建筑，地下 1 层、地上 8 层，建筑面积 18000 平方米，是集休闲、宾馆、餐饮、健身于一体的独立性、服务性的建筑， 具有较高档次的内部装修设施，要求建一个既能实现节能，又能满足高效、舒 适环境的楼宇设备监控系统。如图 1-1 所示为休闲建筑空调系统监控图。 图 11 休闲建筑空调系统监控图 第二章第二章 空调通风系统设计空调通风系统设计 2.1 系统监控功能设计系统监控功能设计 楼宇自控系统监控功能设计是工程设计人员在完全了解建筑设计理念及工 艺流程的基础上，合理地对监控点位及控制逻辑进行设计，以辅助并优化建筑 设备实现各种工艺功能。 这次设计以目标工程冷热源系统及 VAV 空调系统介绍楼宇自控系统工程 设计的基础方法，然后直接给出整个工程的监控点位表。 2.2.1 空调冷热源系统监控功能设计空调冷热源系统监控功能设计 服务器室采用风冷热泵一拖多商用空调系统、计算机房的机房专用恒温恒 湿机组空调机组以及冷热源中的闭式膨胀管定压机组均由独立系统控制，不纳 入楼宇自控系统监控范围。楼宇自控系统所需监控的主要冷热源设备包括 3 台 直燃型溴化锂冷温水机、4 台供水定流量一次泵、5 台变频二次泵。其中，冷温 水机组与其冷却塔之间的联动控制由机组厂商自行完成，楼宇自控系统通过接 口实现机组起/停控制与基本状态控制。工程冷热源系统图如图 2-1。 图 2-1 工程冷热源系统图 工程冷热源系统监控原理系统图如图 2-2。 图 2-2 冷热源系统监控原理系统图 具体监控内容及控制方法如下 冷温水机组：通过干接点与网关通信两种方式对冷温水机组实施监控。对 于起/停控制、运行故障手动状态等重要参数采用干接点方式实施监控，以保证 可靠性；其他的运行参数通过通信网关获取。 冷温水机组进出水：机组进出水管安装蝶阀及水流开关 以控制并监视进出 水状态。 供水一次泵：对一次泵的进行起/停控制及故障/手动状态检测。同时为保证 准确获得一次泵的运行状态，在各水泵支管路加装水流开关。 变频二次泵: 二次泵采用变频控制。主流变频器均具有智能判别及网络通 信功能，变频器可自动判别负载运行状态、故障原因并计算能源消耗，通过通 信网络可实现所有频率控制及运行参数监视功能。因此，在设备选配时只需考 虑变频功能及与 DDC 的通信方式，而不用考虑 DDC 的 I/O 点数。 空调供回水总管：对空调的供回水温度及供水流量进行监控，对这些参数 是进行能源计算和机组台数控制的重要依据。 机组起停顺序：起停顺序：首先开起机组出水蝶阀，然后开起供水一次泵， 待机组进水管水流开关检测到水流后方可开起冷温水机组。停止顺序：首先停 止冷温水机组，延时后关闭供水一次泵，在关闭机组出水蝶阀。 故障处理：当单个设备出现故障，应马上产生报警信号，同时起动备用设 备。如果备用设备无法起动，影响整个系统运行时，应马上停止其他设备的运 行，并发出紧急报警信号。 机组运行时间累计：自动系统机组、水泵等的累计工作时间，并提示定时 维修。 机组运行参数：监测和计算系统内各检测点温度、压力、流量、能耗等参 数，自动显示、记录和统计，及系统报警信息。 2.1.22.1.2 VAVVAV 空调系统监控功能设计空调系统监控功能设计 主要采用定静压 VAV 系统,内区空调负荷由 AHU+VAV 末端负担,外区由窗 边布置的 FCU 负担。VAV 末端及 FCU 均采用联网控制器进行一对一控制，因 此无需纳入 I/O 点数设计,只需根据功能选择合适的末端控制器。 1.AHU 监控功能设计 AHU 系统图如图 图 2-3 AHU 系统图 具体监控内容及控制方法如下 送/回风机监控:对于服务于 VAV 系统的 AHU，其送/回风机组变频控制。 都采用变频器与 DDC 通过网络通信进行监控，不用考虑任何 DDCI/O 点数。根 据定静压 VAV 系统控制原理，风机频率将根据风管静压进行 PID 调节。 空气控制：VAV 系统的总送风量随负荷变化，因此一般不采用新风、回风 比方法控制新风门。为准确测量和控制新风量，在新风、排风管道分别安装 CAV 末端，采用专用 CAV 控制器进行一对一联网控制。只要新风、排风量得 到精确控制，回风量也自然确定。此外，考虑到空气要求较高，在典型区域设 置 CO2 传感器，根据空气对新风量进行重设，以兼顾能耗与舒适度。 过滤网状态监控：通过压差开关对过滤网状态监控，当过滤网阻塞时，压 差开关动作，提示工作人员清洗。 送风温度控制：根据送风温度设定值与实际值之间的差值对盘管回水阀进 行 PID 控制，将送风温度稳定在设定值附近。 环境湿度控制：在回风管设置回风湿度传感器，并以此为依据对加湿器进 行起停控制。 风门/水阀连锁控制：当风机停止后，新/回风门、盘管水阀应到关闭位置； 仅当风机起动后，各风门、水阀才按控制程序进行开度控制。 盘管防冻保护：因地区冬季温度可低至-5，此外若 AHU 处于停止状态， 盘管有冻结危险。因此在盘管后加装防冻开关，当风管温度在降低是就会产生 报警，并强制加大盘管水阀开度进行保护。 VAV 系统 AHU 控制原理图如图 2-4 图 2-4 VAV 系统 AHU 控制原理图 2.VAV 末端控制功能设计 为了保证控制的效果，采用专用控制器对 VAV 末端实施一对一监控。 VAV 系统只负责空调内区，即 VAV 系统常年供冷。对于专用控制器的选择只 需确定功能需求，然后按需求进行控制器选择即可，无需逐个进行点数统计。 VAV 末端示意图如图 2-5 所示。 图 2-5 VAV 末端示意图 具体监控内容及控制方法如下 室内温度设定及监测：对于好的建筑环境，安装在室内的温度控制面板不 仅需要具备温度采集及设定等基本功能，还应可以选择运行模式、对设备状态 进行强制控制并通过液晶方式显示所有信息。 室内温度控制功能：这次设计内区常年供冷，一次风量随室内负荷进行调 整。见图 2-6 图 2-6 VAV 系统控制逻辑图 风量检测与风门控制：为监测风量并进行风门控制，VAV 末端控制还需要 提供微压差监测及风门驱动功能。 控制模式：可预设多种控制模式，如白天、夜间、夜间换气等，并根据时 间表、操作员命令进行切换，以保证任何时候的优化控制。 故障处理：可预设多重故障应急模式，如静压检测故障时自动用温度单 PID 代替串级 PID 控制，同时产生报警等，以保证设备可靠运行。 优化控制：采用 VAV 末端的基本设计，能很好的实现自动切换正常供冷/ 强制通风，有人/无人等控制模式，实现最优控制。 2.1.3 点位表制作点位表制作 按上述步骤确定所有监控设备的监控功能后，需将过设备的监控点位按一 定逻辑组织起来，以便进行点数统计和监控器设备选型。设备一般先按区域/楼 层分类，以保证选配同一控制器内的监控点位距离较近，避免模拟不限距离过 长；随后同一区域/楼层的设备再按系统进行分类，尽可能将联动关系复杂的点 位选配在同一控制器内，以减少控制器之间的网络通信量。监控点位表 21 如 下 第三章第三章 系统监控设备选型及计算系统监控设备选型及计算 3.1 盘管选型盘管选型 3.1.1 盘管可按风量或冷量两个性能指标来选型见表盘管可按风量或冷量两个性能指标来选型见表 3-1 表 3-1 风机盘管选型比较表 选型 方法 优点缺点 按风 量选 确保风量，保证室内的空气湿度 不会过高，适用于人员多或者其 他散湿量大的场合 在选风机盘管机型时会取偏大 的冷量的机型，需对盘管加调 节阀控制，设备投资偏大 按冷 量选 在保证冷量的条件下，节省设备 投资，适合人员少或者其他散湿 量小的场合 无法保证风量影响是内除湿， 如散湿量过大，会使人有闷热 的感觉 综合考虑后取美克维尔空调产品 FP 系列,各房间风机盘管选型根据不同的 条件选择。 均用高静压带下回风箱不带过滤网冷冻水进出口水文 7/12热水进口水温 60水量与制冷工况相同。 3.1.2 新风送风口接入型式的选择见表新风送风口接入型式的选择见表 3-2 表 3-2 新风接入形式比较表 型式优点缺点 在吊顶上接入风机 盘管送风管道 节省送风口，美观，新风 与风机盘管送风混合均匀 弯头，三通多，安装较麻烦。新 风 与风机盘管送风点压力要控制好 新风另加送风口送 入室内 弯头，三通少，无压力不平衡 问题，安装维护简单 多个送风口，且要合理布置 使其与风机盘管送风均匀混合 通过上表 3-2 决定采用： 对新风采用在吊顶上接入风机盘管送风管道送入室内，新风与风机盘管处 理的回风混合后进入房间，采用方型散流器使用风机盘管加新风系统。 3.2 中央空调设备选择中央空调设备选择 中央空调设备选型包括机构规划、软件模块选型、计算机选型、打印机选 型、UPS 选型以及其他附件选型等。 1.中央监控结构规划：中央监控站将设在地下一层消防监控中心。 2. 软件模块选型：软件模块选择应考虑以下几点： 1)今后将楼宇自控系统维护服务外包，因此无需订购软件的配置、编程等 模块。 2）为了保证系统的可扩展性，因订购标准版软件，而不考虑单机版。 3）此次设计网络通信接口较多，其中高/低压变配电系统将通过 OPC 接口 与楼宇自控系统集成，因此软件模块中需曾配 OPC 客户端模块。 3.计算机选型：现在市场上的多数商用 PC 配置均可满足楼宇自控系统服务 器需求，选型尽可能大一些，系统保证稳定，显示器尺寸可根据需求选择。 4.打印机选型：为打印各种报警、时间记录及报表，中央监控站应至少选 配针式打印机一台。 5.UPS 选择：UPS 应选用在线式，容量至少满足断电情况下保证服务器及相 关配件半小时正常工作。 3.3 新风负荷计算新风负荷计算 夏季空调新风冷负荷 Qc = Mo（hoh） （3-1） 式中: Qc-夏季新风冷负荷，kW； Mo - 新风量，kg/s； ho -室外空气的焓值，kJ/kg； h -室内空气的焓值，kJ/kg； 例如根据夏季空调室外计算干球温度 35.2，湿球温度 26，由湿空气焓 湿图查得室外空气焓值 ho=81.5kJ/kg 当 tR=26，=72时，室内空气焓值 h=55.8kJ/kg；ho=81.5-55.8=25.7 kJ/kg 表 3-3 新风量计算表 房间类型每人最小新风量 m/（h人） 集休闲、宾馆、餐饮、等25 以集休闲为例进行计算，其新风负荷为： Qc = Mo（hoh） 8301.2（81.555.8）/3600 2KW 2000W 其它空调房间新风负荷算法相同。 3.4 空气系统处理过程空气系统处理过程 热湿比计算公式： （3-2） r c W Q 式中：该层的总热负荷，W C Q 该层的散湿量，g/s r W 送风量计算公式 由全热平衡计算 （3- SR c s hh Q M 3） 由湿平衡计算 （3- SR W s dd M M 1000 4） 式（3-2） （3-3） （3-4）中各个符号的含义： 送入房间的风量，称送风量，kg/s s M 房间的全热冷负荷，kW c Q 房间的湿符合，kg/s W M 分别为室内空气和送风的比焓，kJ/kg sR hh . 分别为室内空气和送风的含湿量，g/kg sR dd . 本系统并没有采用全空气系统。 3.5 风机盘管系统的处理过程风机盘管系统的处理过程 此次设计采用工程中最常用的将新风处理至室内空气焓值，并直接供入房 间的方案，其夏季供冷设计工况下的空气处理过程可简示为： 关于夏季供冷设计工况的确定与设备选择按以下步骤进行。 确定新风处理状态： 新风机组处理空气的机器露点 L 达 90%湿度线，结合一定的风机，风道温 升和 nk ii 的处理要求，即可确定 W 状态的新风集中处理后的终状态 L 和考虑 温升后的 K 点。新风机组处理的风量即空调房间设计新风量的总和，故由 w G WL 过程得到新风机组设计冷量为： ow Q lwwow iiGQ 选择新风机组： 根据考虑一定安全裕量后，机组所需风量，冷量及机外余压，由产品资料 初选新风机组类型与规格。而后，根据新风初状态和冷水初温进行表冷器的校 NO MN KLW M 核计算，并通过调节水量使新风处理满足 N i 的要求。 确定房间总送风量： 房间设计状态 N 及余热 Q，余湿 W 和 线均已知，过 N 点做作 线与 90%湿度线相交，即可得风机盘管在最大送风温差下的送风状态 O，于是房间 总送风量 G 可由这一关系求得。 on i -iQG 确定风机盘管处理风量及终状态： 由于从中可求得风机盘管的风量。风机盘管处理状态 M 点 wf GGG f G 理应处于 KO 线的延长线上，由新回风混合关系即可确定KOGGOM fw M 点。 风机盘管处理空气的 NM 过程所需的设计冷量可随之确定： of G mnfof iiGQ 选择风机盘管机组： 根据考虑一定安全裕量后的机组所需的风量，冷量值，结合建筑装修所能 提供的安装条件，即可确定风机盘管的种类，台数，并初定其型号与规格。 风机盘管处理过程的校核计算：所选设备在与设计状态相同的条件下所 得的焓差应大于设计时的焓差，否则应重新选型。 室外设计参数： ， kJ/kg； 7 . 32 w i 5 . 81 w i 室内设计参数： ，kJ/kg26 w i 8 . 50 w i 以八层某办公室为例 图 4-2 风机盘管加新风系统处理过程 夏季相关数据计算如下： (新风处理到等焓线) = 送风量 kg/h: 648.589 新风量 kg/h: 96.431 回风量 kg/h: 552.158 新风比%: 14.8678 热湿比: 17764.4 - FCU 冷量 kW: 1.78945 FCU 显热冷量 kW: 1.35835 新风 AHU 冷量 kW: 1.11507 房间冷负荷 kW: 1.734 新风管温升负荷 kW:0.0554464 注: 新风不承担室内冷负荷. - 送风点-O: 大气压力 Pa: 100220 干球温度: 18.0 湿球温度: 16.4 相对湿度%: 85.5 含 湿 量 g/kg: 11.2 焓 kJ/kg: 46.4 露点温度: 15.4 密度 kg/m: 1.2 - 露 点-L: 大气压力 Pa: 100220 干球温度: 20.6 湿球温度: 19.5 相对湿度%: 90.0 含 湿 量 g/kg: 13.9 焓 kJ/kg: 56.1 露点温度: 18.8 密度 kg/m: 1.2 - 回风点-M: 大气压力 Pa: 100220 干球温度: 17.2 湿球温度: 15.7 相对湿度%: 86.2 含 湿 量 g/kg: 10.7 焓 kJ/kg: 44.4 露点温度: 14.7 密度 kg/ m: 1.2 - 温升后点-L: 大气压力 Pa: 100220 干球温度: 22.6 湿球温度: 20.1 相对湿度%: 79.6 含 湿 量 g/kg: 13.9 焓 kJ/kg: 58.1 露点温度: 18.8 密度 kg/ m: 1.2 - 由上述数据选择暗装卧式风机盘管系列 FP-68WA。 第四章第四章 空调控制系统的空调控制系统的 MATLAB 仿真仿真 运用 PID 算法，利用 MATLAB 仿真技术对经验法建立的中央空调控制系 统模型进行仿真，通过 MATLAB 仿真分析。运用 PID 算法来进一步的提高空 调系统的控制精准性，从而使空调的性能得到提高。 4.1 恒温恒湿中央空调系统图恒温恒湿中央空调系统图 M DPS PTd T HT DPS M VVVF M 新风 表冷 初效过滤 送风 加热 加湿 中效过滤 回风 送风 空调自动化控制器 图 4-1 恒温恒湿中央空调系统图 4.2 装置的基本原理装置的基本原理 在现实中装置的组成如下图 模拟房间 温湿度传感器 送风机 电气操作面板 过滤网 风门 表冷器室 压缩机 水泵 压 缩 机 干式蒸发器 压力控制器及压力表 图 4-2 装置组成图 4.3 各部分的传递函数各部分的传递函数 4.3.1 空调房间内温度控制对象的微分方程空调房间内温度控制对象的微分方程 空调房间唯一温度对象，空调房间的温度对控制象如图 43 所示： 图 4-3 温度参数控制图 根据能量守恒定律，单位时间流入房间的热量减去单位时间内流出房间的 热量等于空调房间内热量的蓄存量的变化率。因此：室内蓄存热量的变化率 =（单位时间加热器向室内提供的热量+单位时间进入加热器的显热量+单位时 间通过维护结构由室外向室内的传热量+单位时间内室内其他散热物体散热量） （单位时间从房间排出空气的显热量） 由此可得如下关系式: 22401124011 dt d QRCGrqCGQQCGrq a C SaSS 式中：房间的容量系数；室内的空气温度； 蒸汽的气化潜 1 C a r 热；单位时间进入加热器的蒸汽流量；房间的送风量；空q S G 1 C 气比热；蒸汽加热器前的空气温度；室内散热体的散热量； 0 2 Q 围护结构对室内的传热量；围护结构的温度；房间内表 4 Q 4 QR 面的热阻。 整理上式得： （11） fqa a K dt d T 11 调节对象的放大系数，；调节对象的时间常 1 K 1 1 1 1 1 CRG K S 1 T 数，；调节量换算成送风温度的变化，; f 1 1 1 1 C CRG R T S q CG rq S q 干扰量换算成送风温度的变化，；送风干扰， 42ffff f ；室内干扰，；室外干扰，。 0 f2f 1 2 2 CG Q S f 4f 1 4 4 CRGS f 当与都为常数时，；根据热平衡原理，单位时间 q f 0qq 0ff 内流进与流出房间的热量相等，即，；（10 dt d a 0aa 0q010fa K 2） ；当空调房间处于变化状态时，则有：， aaa 0qqq 0 （13） ；将（13）式代入（11）式得： fff 0 （14） ； fqfqaa a KK dt d T 100101 将（12）式代入（14）式得：。干扰通 fqa a K dt d T 11 道的增量微分方程式为：； fa a dt d T 1 调节通道的增量微分方程式为：； qa a K dt d T 11 分别求得传递函数为：； 1 1 1 1 ST K SW 1 2 2 2 ST K sW 4.3.2 反馈回路的传递函数反馈回路的传递函数 (1)传感器与变送器共同构成自动调节系统的返回回路部分： 温度传感器的传递函数 根据热平衡原理，热电阻每小时从周围介质所吸收的热量与每小时由周围 介质所传入的能量相等，故无套管热电阻温度计的热量平衡方程为： （21） ； zc F dt d C 2 2 热电阻的热容量；热电阻的温度；热电阻周围介质的温度； 2 C Z a F热电阻的表面积；热电阻周围介质对热电阻的换热系数； 由式（21）得：，如果令传感器的放大倍数，则 az dt d T 2 2 1 2 K 上式可写为： （22） ；传感器的时间常数，其 a2z 2 2 dt d KT 222 CRT 中为传感器的热阻力系数。式（22）的解为： F R 1 2 (23)； 2 1 2z T t e a K 式（22） （23）为无套管热电阻温度的微分方程及其解。由于这类元件 可用一阶微分方程描述，故这类元件称为一阶惯性元件，由于，故 12 TT （23）可化为：；无保护套管的热电阻温度计的传递函数为： az K 2 1 1 2 3 ST K sW （2）变送器的特性及其传递函数 当采用电子式组装仪表或电动单元组合仪表，以及直接数字控制器 （DDC）时，常需要将被检测到的信号转化成统一的标准电信号，由于采用电 子线路进行信号变换，时间常数和滞后都比较小，因此可将其看成是比例环节， 即：；变送器输出的标准信号；变送器的放大系数； zz B KB z B B K z 传感器测量信号；其传递函数可写为：； B KWs 4 4.4 控制系统的流程图控制系统的流程图 图 4-4 控制系统的流程图 4.5 PID 控制器的设计方法控制器的设计方法 忽略干扰回路，则设，；则未校正系统1 2 K5 2 T9 43 KK4 3 T 的响应曲线如图 45 图 4-5 未校正系统的响应曲线图 未校正系统的根轨迹图如图 4-6 图 4-6 未校正系统的根轨迹图 由此可见该系统不稳定，运用 PID 校正使其稳定，因此使用临界比例度法 的 PID 控制器设计。干扰回路通过补偿装置来抑制干扰的影响，从而忽略干扰 回路，只对主回路进行 PID 校正。 PID 校正时的流程图： 图 4-7 PID 校正时的流程图 临界比例度法的 PID 控制器设计： 临界比例度法（又称为稳定边界法）是基于稳定性分析的 PID 参数设计方 法。该方法的思路是首先令，然后增大，直至系统震荡，记0 D T I T p K 录此时的临界稳定增益及临界稳定角频率，代入经验公式即可得到 PID m K m 控制器参数。经验公式见下表 4-1 表 4-1 PID 的控制规律 控制规律 p K I T D T P m K5 . 0 PI m K45 . 0 m 7 . 1 PID m K59 . 0 m m 25 . 0 由根轨迹与虚轴的交点即可读出和，如图 419 . 1 m K s rad 00815 . 0 m -8 所示 图 4-8 临界参数根轨迹图 故根据公式经验可求取 PID 参数：，702 . 0 P K471.385 I T 。所以，PID 控制器的传递函数为：368.96 D T s 0026. 0ss37.96702 . 0 s368.96 s471.385 1 1702 . 0 s 2 C G 对校正后的系统绘制单位阶跃响应曲线，如图 4-9： 图 4-9 校正后的系统绘制单位阶跃响应曲线图 第五章第五章 结语与展望结语与展望 通过本次设计，实现了中央空调参数的自动监视与调节，通过对各种空调 设备的运行状态的监控, 确保设备的稳定启动与停止，使空调始终处于良好状 态。此外, 采用系统组态软件进行了集中监控, 大大减少工程维护管理人员的劳 动强度, 减少设备运行能耗, 提高设备运行的可靠性, 全面的提高了空调维护机 组员工的维护管理水平。 空调系统中的控制对象多属热工对象，从控制角度分析，具有以下特点： (1) 多干扰性 例如，通过窗户进来的太阳辐射热是时间的函数，受气候条件的影响；室 外空气温度通过围护结构对室温产生影响；通过门、窗、建筑缝隙侵入的室外 空气对室温产生影响；为了换气所采用的新风，其温度变化对室温有直接影响。 此外，空气加热器电源电压的波动以及热水加热器热水压力、温度、蒸汽压力 的波动等，都将影响室温。 如此多的干扰，使空调负荷在较大范围内变化，而它们进入系统的位置、 形式、幅值大小和频繁程度等，均随建造物的构造、用途的不同而异，更与空 调技术本身有关。在设计空调系统时应考虑到尽量减少干扰或采取抗干扰措施。 因此，可以说空调工程是建立在建筑热工、空调技术和自控技术基础上的一种 综合工程技术。 (2) 温、湿度相关性 描述空气状态的两个主要参数为温度和湿度，它们并不是完全独立的两个 变量。当相对湿度发生变化时会引起加湿(或减湿)动作，其结果将引起室温波 动；而室温变化时，使室内空气中水蒸气的饱和压力变化，在绝对含湿量不变 的情况下，就直接改变了相对湿度即温度增高相对湿度减少，温度降低相对湿 度增加。这种相对关联着的参数称为相关参数。显然，在对温、湿度都有要求 的空调系统中，组成自控系统时应充分注意这一特性。 4.2 控制中存在的主要问题 目前中央空调系统主要采用的控制方式是 PID 控制，即采用测温元件(温感 器)+PID 温度调节器+电动二通调节阀的 PID 调节方式。夏季调节表冷器冷水管 上的电动调节阀，冬季调节加热器热水管上的电动调节阀，由调节阀的开度大 小实现冷(热)水量的调节，达到温度控制的目的。为方便管理，简化控制过程， 把温度传感器设于空调机组的总回风管道中，由于回风温度与室温有所差别， 其回风控制的温度设定值，在夏季应比要求的室温高(0510)，在冬季 应比要求的室温低(0510)。PID 调节的实质就是根据输入的偏差值，按 比例、积分、微分的函数关系进行运算，将其运算结果用于控制输出。现场监 控站监测空调机组的工作状态对象有：过滤器阻塞(压力差)，过滤器阻塞时报 警，以了解过滤器是否需要更换；调节冷热水阀门的开度。以达到调节室内温 度的目的；送风机与回风机启停；调节新风、回风与排风阀的开度，改变新 风、回风比例，在保证卫生度要求下降低能耗，以节约运行费用；检测回风机 和送风机两侧的压差，以便得知风机的工作状态；检测新风、回风与送风的温 度、湿度，由于回风能近似反映被调对象的平均状态，故以回风温湿度为控制 参数。根据设定的空调机组工作参数与上述监测的状态数据，现场控制站控制 送、回风机的启停，新风与回风的比例调节，盘管冷、热水的流量，以保证 空调区域内空气的温度与湿度既能在设定范围内满足舒适性要求，同时也能使 空调机组以较低的能量消耗方式运行。PID 调节能满足对环境要求不高的一般 场所，但是 PID 调节同样存在一些不足，如控制容易产生超调，对于工况及环 境变化的适应性差，控制惯性较大，节能效果也不理想，所以对