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现代空调控制技术 浅谈中央空调节能控制技术 学院：能源与环境工程学院 班级：动力工程 SJ1007班 学号：201030133015 姓名：马康中央空调节能控制技术摘要：本文简要地对中央空调节能控制技术进行分析,主要分析中央空调的控制特点、控制途径及方法。从干扰性、调节对象的特性、湿度的相关性、多工况运行及转换控制和整体控制等几个方面，分析中央空调节能控制途径和节能方法的选择,以保证在满足要求的前提下最大限度地节约能源,真正地发挥楼宇自控系统的作用。关键词:中央空调系统 控制技术 节能技术近年来，各种大、中型供冷、供热的中央空调工程越来越受到各行各业人们的重视。中央空调系统广泛应用于各类大型空调工程，改善和提高了人们工作和居住环境的质量及生活水平。随着功能齐全的现代化新建筑的发展，尤其是高层建筑不断涌现，中央空调已成为人们生活和工作中不可缺少的设备。中央空调是大型商场、超市、写字楼、工厂等许多用电场所里耗电最大的单元，在总电费支出中,中央空调占60%左右，因此中央空调节电显得尤为重要。但节电不是再生能源，而是提高中央空调对室内空气进行统一调节的专用系统，通过室内采样温度、湿度，与设定的温度和湿度比较，按照一定的算法，对比例调节阀、加热器、加湿器、进出气阀门、泵等设备进行控制，调节室内温度、湿度，达到设定的要求，提高人体的舒适度。中央空调系统的分类中央空调系统一般由空气处理设备、介质输送管道以及空气分配装置等组成。按照负担室内负荷所用的介质种类，中央空调系统可分为全空气系统、空气水系统、制冷剂系统和全水系统。在全空气空调系统中，空调房间的负荷全部由来自集中式空气处理设备的空气来负担。空气经集中设备处理后，通过风管送入空调房间。由于空气的密度和比热都很小，因而不得不采用很大的送风管道截面，以满足很大的送风量要求。这不但要占据较多的建筑空间，同时要消耗较多的材料。所以，在不引起特别大的噪声或增加运行费用的前提下，应尽可能提高输送空气的速度。基于这一考虑，研究出了高速系统(如高速双风道系统)。为了节约能源，1960 年以后开始采用变风量系统，这是全空气系统的一大进步。近年来，变风量系统得到了大力推广，预计将成为全空气系统的主要形式。在空气水系统中，空气和水都被送至空调房间，借以共同承担空调房间的冷、热负荷。由于水的密度和比热都较大，从而大大降低了空调房间对空气介质的需求量，使大部分的大截面风道为水管所代替。这样，既节省了风道所占建筑物的空间，又节省了许多金属材料，减少了空调系统的投资。现今世界各国盛行带风机盘管结构的空气水系统，使得这一系统的优越性得以充分体现。 制冷剂系统通过制冷剂的蒸发或凝结负担空调房间的负荷，用于局部场合的空调机组一般属于这一类，如家用空调。 全水系统全部靠水来负担空调房间的负荷，能够适应许多建筑物灵活性的需要，初投资较低，但因卫生条件差而较少被采用。 按照空气处理设备的设置情况，空调系统可分为集中系统、半集中系统和全分散系统。集中系统的所有空气处理设备(包括风机、冷却器、加热器、加湿器、过滤器等)都设在一个集中的空调机房内，全空气系统中的普通集中式空调即属于这一类。在半集中空调系统中，除了集中空调机房外，还设有分散在被调节房间内的二次设备(又称末端装置)，变风量系统、风机盘管系统均属于半集中空调系统。全分散系统也称作局部空调机组。这种机组通常把冷、热源和空气处理、输送设备(风机)集中设置在一个箱体内，形成一个紧凑的空调系统。它不需要集中的机房，安装方便，使用灵活。制冷剂系统一般都属于这一类。根据空调系统使用的空气来源分类，空调系统可以分为直流式系统、封闭式系统和回风式系统。直流式系统使用的空气全部来自室外，吸收余热、余湿后又全部排掉，因此室内空气得到百分之百的交换，卫生条件是最好的，但耗费能量也是最多的。封闭式系统恰好相反，它全部采用室内再循环空气，是最节能的系统，但是卫生条件也是最差的，只适用于无人操作，只需保持空气温、湿度的场所及很少进人的库房。回风式系统使用的空气一部分为室外新风，另一部分为室内回风，所以这种系统既经济又符合卫生要求，使用比较广泛。在工程上根据使用回风次数的多少又分为一次回风系统和二次回风系统。中央空调系统的处理方法空调系统的作用就是对室内空气进行处理,使空气的温度、湿度、流动速度及新鲜度、洁净度等指标符合场所的使用要求。为此，需对空气进行冷却或加热、减湿或加湿以及过滤等处理措施。其相应设备有制冷机组，热水炉，空调机组，风机盘管等。当被调房间温度与湿度受内部热源干扰或室外温湿度变化而发生波动时,首先由温度与湿度传感器把信号送给调节器,调节器与设定值进行比较后发出指令给执行器,执行器动作后,不断调整以符合要求。冷水机组由压缩机、冷凝器、蒸发器与节流元件组成,压缩机把制冷剂压缩,压缩后的制冷剂进入冷凝器,被冷却水冷却后,变成液体,析出的热量由冷却水带走,并从冷却塔里排入大气。液体制冷剂由冷凝器经过节流元件进入蒸发器进行蒸发吸收,使冷冻水降温,然后冷冻水进入水冷风机盘管吸收空气中的热量,如此循环把房间的热量带出室外。 空调系统按处理设备及处理方法不同可以分为喷淋与表冷式两种类型。这两种类型又可分为全新风直流系统、一次回风系统与二次回风复合系统及旁路系统。按调节精度要求不同可分为高精度空调,一般精度空调及舒适性空调。舒适性空调一般应按照等效温度(ET)和CO2浓度来进行设计。所谓等效温度是反映人们舒适感觉的一个综合指标,它结合干球温度、湿球温度和空气流速的效应来反映人的冷热感觉。因此等效温度随四季变化有较大的变化。中央空调在设计和设备选型时通常是按照当地历史上气温最高的大气温度来设计，且留有15%-20%的余量，也就是说即使是在大气最热的季节，空调也是有余量的（个别特殊情况外），这部分余量为设计余量。除此之外，一年当中需要开空调的几个月当中，温差也很大，如5月份开空调与8月份空调相比，5月份就有很大的余量。根据统计，中央空调系统的耗电量约占整座大楼总耗电量的60%，空调只要减少耗能10%，就能减少整栋大楼6%的能源成本。建筑节能已经成为环保节能的重大课题。按照国家标准，中央空调系统的最大负载能力是按照气温最高、负荷最大的工作环境来设计的。就中央空调系统本身来说，存在着很大的储备空间，而实际上系统又很少在这些极限条件下工作。根据有关资料统计，中央空调设备97%的时间在70%负荷以下波动运行，所以实际负荷总不能达到满负荷，特别是冷气需求量较少的情况下，主机负荷量就更低。这样就使得空调机组长期处于“大流量小温差”的现象，使大量的电能白白浪费。中央空调系统由空气加热、冷却、加湿、去湿、空气净化、风量调节设备以及冷热源等设备组成。这些设备的容量一般都是设计容量，但在日常运行中的负荷在大部分时间是部分负荷，不会达到设计容量。所以，为了舒适和节能，必须对上述设备进行控制，使其实际输出量与实际负荷相适应。在中央空调系统中，被控参数主要有空气的温度、湿度、压力(压差)以及空气清新度、气流方向等，在冷热源方面主要是冷、热水温度、蒸汽压力，有时还需要测量和控制供回水干管的压力差，测量供回水温度以及回水流量。在对这些参数进行控制的同时，还要对主要参数进行指示、记录、打印，并监测各机电设备的运行状态及事故状态。中央空调的自控系统可以包括如下的自控系统：新风机组控制系统、空调机组控制系统、冷冻站控制系统、热交换站控制系统及有关给排水控制系统等。中央空调对温度和湿度精确控制必须用PID控制。系统需要采集温度和湿度两个模拟量信号，需要一个模拟量输出信号控制冷热比例积分阀，并预留一个模拟量输出信号通道（湿度阀有时用比例积分阀，有时用开关量阀）。国产KDN系列PLC是高品质PLC，功能非常强大。中央空调控制用到的高级功能有PID控制功能和浮点运算功能，并且能同时运算6路PID。KDN系列PLC不仅有模拟量输入模块、模拟量输出模块，而且还有RTD模块和NTC模块，能满足中央空调用到的所有功能。中央空调改进方案空调节能控制系统改进技术需要将空调水系统的配套设施进行合理设计，排除不合理匹配造成的电能浪费现象，可使水泵节省一部分电能。在保证空调主机制冷负荷 100% 的情况下，在冷冻水、冷却水额定的最大流量基础上，液体在管网系统内循环必需扬程压力的基础上，以及制冷主机及系统正常运行的基础上设计成一致，对水系统进行的节能技术改造无任何风险的、行之有效的改进措施。一、中央空调的控制特点 空调系统的特性可以归纳如下:(1)干扰性。空调系统在全年或全天的运行中,由于外部条件(如气温、太阳辐射、风、晴、雨、雪)和内部条件(如空调房间中设备、照明的启停和投入运行的多少,以及工作人员的增减)的变化,都将对空调系统的运行形成干扰。例如，通过窗进入的太阳辐射热是时间的函数，也受气象条件的影响。室外空气温度通过维护结构对室温产生了影响。为了换气(或保持室内一定正压)所采用的新风，其温度变化对室温有着直接影响。由于室内人员的变动，照明、机电设备的开停所产生的余热变化，也直接影响室温。此外，电加热器(空气加热器)电源电压的波动，热水加热器热水压力、温度的波动，蒸气压力的波动等，都将影响室温。至于湿干扰，在露点恒湿控制系统中，露点温度的变动波动、室内散湿量的波动以及新风含湿量的变化等都将影响室内湿度的变化。如此之多的干扰，形成空调负荷在较大范围内的变化，而它们进入系统的位置、形式、幅值大小和频率程度等均随着建筑的构造、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适当的抗干扰措施。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上的一种综合工程技术。(2)调节对象的特性。不同的被控对象,在相同的干扰作用下,被控量随时间的变化过程也并不一样。空调自控系统的任务就是为了克服这些干扰因素,维持空调房间一定的温、湿度和空气品质。但温、湿度的控制效果不但取决于自控系统,更主要的是取决于空调系统的合理性及空调的对象特性。(3)湿度的相关性。在空调的控制中,大多数情况下是对空调房间内温度和湿度的控制。这两个参数常常是在一个调节对象里同时进行调节的，而且在调节过程中又相互影响。如果由于某些原因使空调房间内温度升高,引起空气中水蒸气的饱和分压力发生变化。在含湿量不变的情况下,就会引起室内相对湿度的变化，导致温度升高时相对湿度就会降低,温度降低时相对湿度就会增加。在调节过程中,对某一参数进行调节时,同时也引起另一参数的变化。描述空气状态的两个主要参数温度和湿度，并不是完全独立的。当相对湿度发生变化时，要引起加湿(或减湿)动作，其结果将引起室温波动；而当室温变化时，室内空气中水蒸气的饱和压力发生变化，在绝对含湿量不变的情况下，就直接改变了相对湿度(温度升高相对湿度减少，温度降低相对湿度增加)。这种相互关联的参数称相关参数。显然，在温湿度都要求的空调系统中，组成自控系统时应充分注意这一特性。(4)多工况运行及转换控制。由于空调系统是在全年的室内外条件变化下,按照一定的运行方式(即工况)进行调节的。同时在内外条件发生显著变化时要改变运行调节方式,即进行运行工况的转换。(5)整体控制性。空调自动控制系统一般是以房间内的空气温度和相对湿度为中心,通过工况转换与空气处理过程紧密联系在一起的整体控制系统。空调系统中空气处理设备的启停都要根据系统的工作程序,按照有关的操作规程进行,处理过程的各个参数调节及联锁控制都不是孤立进行,而是与室内温、湿度密切相关的。空调技术中对空气的处理过程具有很强的季节性。一年中，至少要分为冬季、夏季和过渡季。近年来，由于集散型系统在空调系统上的应用，为多工况的空调应用创造了更好的条件。由于空调运行制度的多样化，使运行管理和自动控制设备趋于复杂。对此，要求操作人员必须严格按照包括节能技术措施在内的设计要求进行操作和维护，不得随意改变运行程序和拆改系统中的设备。二、中央空调节能控制途径 1、空调机组 空调机组是智能建筑中耗能最多的设备,其运行方式不同,应从以下几个方面考虑空调机组的节能:(1)全年运行系统的工况自动转换。根据室外气候条件和空调系统的不同结构及其工艺的不同要求进行工况的转换,一般以焙值作为转换的判断条件,通过调节空调运行参数来实现。(2)控制器参数选择。合理选择每个回路的PID参数,使之具有良好的响应性能,或选择各种先进的控制算法,提高控制系统的性能指标。避免控制回路总处于不断调节或响应过程慢等不利状态,既浪费能量又影响执行器的寿命。(3) 多级控制的有效配合。对有些系统具有中央空调机组外,在房间配有再加热盘管(特别是工艺空调)实现单独调节,此时应合理地选择控制方法及配合关系控制送风温度,防止中央空调的送风温度过低,造成房间再加热的能量浪费现象发生,应考虑整体系统的节能效果。(4) 选用高质量温度传感器。室内空气每相差1的调节都要消耗很多的能量,选用传感器的精度差,产生的节能效益远大于传感器的价格。(5)温度设定值应随室外温度自动调节。对于舒适性空调系统,可在夏季随室外温度的升高,适当提高温度的设定值,减小室内、外的温差,既能保证人的舒适度的要求,又能实现节能，同样也适合冬季情况。 2、热水系统 (1)锅炉系统。首先,根据供暖需求量,通过开关锅炉的台数进行控制;其次,根据室外温度对供水水温重新进行设定,减小能量消耗;第三,采用变频泵调节供水量,以适合负荷变化。 (2)热交换器系统。首先,根据空调负荷的大小,通过变频泵调节供水量;其次,通过一个室外恒温器,当负荷减少时重新设定供水温度,当热水泵不运行时,通过流量开关联锁把两通阀关闭。 3、变风量系统(VAV) 智能建筑空调自控主要包括建筑物内的空调机组控制、新风机组控制、变风量末端控制等。它们在楼宇自动化系统的监控和管理下，使建筑物内的温、湿度达到预期的目标，同时以最低的能源和电力消耗来维持系统和设备的正常工作，以求取得最低的运行成本和最高的经济效益。 ） 空调机组。控制空调机组系统包括新回风阀门驱动器、风管式温湿度传感器、过滤网压差报警开关、防冻报警开关、恒速风机、电动调节阀、配电装置和空调机组控制等硬件。该系统包括新风、回风和送风三部分。 ） 新风机组。控制新风机组系统主要由新风阀门驱动器、风管式温湿度传感器、过滤网压差报警开关、防冻报警开关、电动调节阀、恒速风机、配电装置和新风机组控制等硬件组成。该系统包括新风、送风两部分。3 ）变风量末端控制功能（1）风机控制： 由手动开关控制风机的启停，有风机状态的输出网络变量。（2）温度控制：根据室内温度测量值， 调节风阀的开度值勤， 使室内温度保持恒定。 （3）湿度控制：根据室内湿度测量值， 控制水阀的开关，使室内湿度保持恒定。变风量空调系统是以节能为目的发展起来的一种空调系统形式，它的设计是真正基于逐时负荷的设计，系统可根据需要随时调节分配到各区域的送风量或供冷、供热量，系统总送风量（冷、热负荷）为各时段中所有区域要求的风量（冷、热量）之和的最大值。因此，变风量空调系统可显著减少系统总送风量和装机容量，达到节能和减少投资的目的。变风量系统是当房间的热湿负荷低于设计值时,保持送风参数不变而通过减少送风量的办法来保持室内的温度恒定。与定风量空调系统相比,它减少了再热量及相应的冷量,而且,随着各房间的送风量的变化,系统总送风量也相应变化,可以节省风机运行能耗。此外,根据变风量空调系统运行的特点,在计算空调系统总负荷时,可以考虑各房间负荷发生的同时性,还可适当减少风机容量。在我们日常的定风量系统中，采用风机盘管通过温控器控制，容易产生环境温度过冷或过热、冷凝水过多对吊顶造成污染、噪声大影响工作或休息等。而设计如采用变风量系统则不会出现此类问题，除了能保证恒温运行外，噪声等其他问题也能得到很好的解决。系统可根据实际需求实现按需提供、按需分配、按需运行等。系统运行灵活，调节合理，使用便捷。变风量系统的基本控制要求主要包括如下几个方面：（1）房间温度控制：它是通过末端装置对送风量的控制来实现的。任何一种末端装置都携带这类控制部件。（2）系统的静压控制：这是变风量系统十分重要的控制环节。实现这一控制，才能使系统保持一个稳定的运行压力，从而保证整个系统的运行可靠。（3）空气处理装置的控制：实现这类控制，则可在运行最为经济的情况下，既保证送风温度符合设计要求，又使送风量紧随着系统负荷的变化而变化。基于模糊控制的变频调速可以实现中央空调水系统真正意义上的变温差、变压差、变流量运行，使控制系统具有高度的跟随性和应变能力，可根据对被控动态过程特征的识别，自适应地调整运行参数，以获得最佳的控制效果。变风量系统控制可以分为两个部分，变风量末端控制和变风量空调机组控制。一个好的变风量空调系统,除了精确的设计计算、合理的系统布置,、位的施工安装外,选择一个最佳的控制方法也很关键。变风量系统控制的核心是对总风量进行控制。在工程实际运用中,采用较多的有:定静压控制法、变静压控制法、直接数字控制法和风机总风量控制法。 定静压控制法是送风温度保持不变，但保证系统风管中某一点或几个固定点处平均静压为一定值，通过控制调整变频器转速，将以上诸参考点的平均静压控制在给定值，以实现总风量的调节控制。该方法多选送风管末端的参考点平均静压做调节参量，采用控制机组风机转速来稳定末端静压。当为被调控区域的热负荷匹配增加供风量时，风管压降增加，末端静压降低，末端定压传感器测得的静压值送往DDC的Al口，与设定值比较后的偏差值，按特定调节规律运算并输出控制信号到变频器调节转速稳定静压。定静压控制方法是当变风量系统末端负荷发生变化时，在保持参考点平均静压不变的条件下，通过调节空调机组送风温度来实现末端负荷变化，从而引起变风量系统总负荷的动态跟踪变化。变静压方法是当末端负荷变化时，同时调节末端静压和送风温度，即末端静压和送风温度均是可调节的参数。变风量系统总风量控制法是因为控制末端静压的变风量系统工作运行存在着不稳定因素，因此采用总风量与末端负荷匹配的总风量控制法，可以有效地进行变风量系统中的节能控制。通过自动计量和统计求出末端风量总量，通过送风机相似特性及相关的计算求出送风机转速，并控制送风机在此转速运行，使送风量与负荷匹配。变风量系统有如下特点：（1）节能：由于空调系统在全年大部分时间内都在部分负荷下运行，而变风量空调系统是通过改变风量来调节室温的，因此可以大幅度减少送风机的动力耗能。当全年空调负荷率为60%时，它可以节约风机动力能耗78%。全年节约风机能耗55%-65%。附带的好处：节约空调设备容量、管道、空调电力增容量、电力设备、管道空间。在冬季及过渡季节新风经济循环，节约运行费用60%-80%。（2）新风做冷源：因为变风量空调系统是全空气系统，在过渡季可以大量采用新风作为天然冷源，相对于风机盘管系统能大幅减少制冷机的能耗，而且改善室内空气质量。（3）不会产生冷凝水：因为它是全空气系统，冷水管不经过吊顶空间，可以避免产生冷凝水造成的滴漏污染吊顶和霉菌问题。（4）系统的灵活性较好：易于改、扩建，尤其适用于格局多变的建筑，如出租写字楼等。当室内参数改变或重新隔断时，可能只需要更换支管和末端装置、移动风口位置，甚至仅仅重新设定一下室内温控器。（5）系统噪声低：不存在现场噪声。系统噪声主要集中在机房，办公区可达到较低噪声水平。（6）不会过冷或过热：带变风量空调箱的变风量空调系统与一般定风量系统相比，能更有效地调节局部区域的温度，实现温度的独立控制，避免在局部区域产生过冷或过热的现象。（7）减少综合性投资：带变风量空调箱的变风量空调系统可以提高楼宇智能化程度，提高区域舒适化程度，减少综合性初期投资，而且维修量小，寿命长，全年保持恒温。智能建筑的发展，是建筑技术与信息技术相结合的产物，是电子技术、通信技术、网络技术、计算机技术、自动控制技术、传感技术等一系列先进技术飞速发展的结果，它是随着科学技术的进步而逐步发展和充实的。众所周知，节能可以说是智能建筑楼宇自动控制系统的出发点和归宿。在智能建筑中，HVAC（采暖、通风和空调）系统所消耗的能量要占到大楼消耗的总能量的极大部分，而变风量系统由于其降低了设备和系统的能耗，而被得以大量采用，变风量系统运行工况是随时间变化的，它的运行工况是随时间变化的，它的运行必须依靠自动控制给以保证。变风量空调系统（VAV）及其计算机控制系统是紧密结合的。节能效果对于楼宇自控系统是非常重要的指标，应在设计系统时充分进行考虑，以保证在满足要求的前提下最大限度的节约能源，真正发挥楼宇自控系统的作用。4、冷水机组 通过计算机对楼宇内外环境温度、湿度实时测量及对楼宇热惯性的预测,确定最优化的设备启停时间。此项措施预计可使主机、水泵、冷却塔风机平均每天减少运行时间。同时根据楼宇冷负荷变化,通过变频装置调节冷冻水、冷却水的流量及风机类设备的风量,也可使主机负荷下降,从而控制机组运行台数。5、电能控制程序 电能消耗的计费主要取决两个因素：耗电量和需求系数,即峰、谷电价不同。因此,合理地启动或停止能耗较高的暖通空调设备,以使用电量保持平稳值,或在用电的高峰期使设备的用电量低、运行时间较短,而在用电低谷期设备的用电量高、运行时间较长,使总的电费最低。 6、中央空调变频调速系统的控制依据 中央空调系统的外部热交换由两个循环系统来完成。循环水系统的回水与进（出）水温度之差，反映了需要进行热交换的热量。因此，根据回水与进水（出）水温之差来控制循环水的流动速度，从而控制了进行热交换的速度，是比较合理的控制方法。 （1）冷冻水循环系统的控制 由于冷冻水的回水温度是冷冻机组“冷冻”的结果，常常是比较稳定的。因此，单是回水温度的高低就足以反映房间内的温度。所以，冷冻泵的变频调速系统，可以简单地根据回水温度进行如下控制：回水温度高，说明房间温度高，应该提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度；反之，回水温度低，说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，以节约能源。简言之，对于冷冻水循环系统，控制依据是回水温度，即通过变频调速，实现水的恒温度控制。 （2）冷却水循环系统的控制 由于冷却塔的水温是随环境温度而变的，其单侧水温度不能准确地反映冷冻机组内产生热量的多少。所以，对于冷却泵，以进水和回水间的温差作为控制依据，实现进水和回水的恒温差控制是比较合理的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度