（控制理论与控制工程专业论文）基于modbus网络的中央空调变频节能控制系统的设计及研究.pdf

摘要 摘要 本研究以参与的一个空调的变频改造项目为基础，作了如何将模糊控制应用 于中央空调的冷冻水和冷却水系统的研究。 目前对中央空调系统控制主要采用用阀门来调节流量压力、选择水泵开启台 数及挡板调节风量等方法，这些方法节能及制冷效果都有限。近年来将变频器应 用于水泵调速的经验为中央空调的变频节能提供有益的借鉴，但如何调速在保证 供冷能力的前提下取得最佳的节能效果需要深入的研究。 首先通过对中央空调的理论分析，验证了以出回水温差为根据对其进行变流 量控制的可靠性。由于无法建立精确模型，选择了模糊控制，以温差及温差的变 化量作为模糊变量进行模糊化，研究模糊控制在中央空调中的应用。采用查询表 使系统控制参数随外界影响因素实时调节。为实现温度及压力的采集信号远距离 传送，设计了m o d b u s 协议的智能化变送器。然后对变频控制系统进行了设计，给 出控制系统的硬件配置、网络结构和各部分的功能，主控系统以网络信号控制变 频器启停和输出频率，既保证控制的精度，同时能在变频器故障时及时将水泵切 换到工频，保证安全性。并介绍了监控软件的制作。提出进一步改进工作的方向。 改控制方案结构简单、灵活、可靠性高，系统投资成本低且易于后期扩展和 升级。 关键词中央空调；变频节能；模糊控制；m o d b u s ；网络控制 a b s t r a c t 1 h et h e s i si sb a s e d0 nar e a lp r o j e c ta b o u tc e n t m la i r _ c o n d i t i o n e r ，d oaf h r t h e r r e s e a r c ho nt h em z z yc o n t r o l i nt 1 1 i sf i e l d a tp r e s e n t ，t h ef 细i l i a r 、v a yt oc o n t r o lc e m r a la i r _ c o r l d i t i o n e ri st ou s ev a l v e u s i n gv a l v ec a f lm a k eac h a l l g et on u ) ( b u ti t 、v i l lw a s t eag r e a td e a lo fe n e 唱y t h e s et o m o r ea 1 1 dm o r et r a n s d u c e rh a v eb e e na p p l i e di np u m p ，i tc a ns a v eal o to fe l e c 砸c i 毋s o t h ea p p l yo f t r a n s d u c e rt oc e n t r a la i r _ c o r l d i t i o ni sas i g n i f l c a t i v et a s k t h es n l d yb e g i nw i t l lt l l e 锄a l y s i so ft i 】e o wa b o mc e n t r a ja j r c o n d i t i o n e l w e 矗n d t 1 1 a td i 丘宅r e n c ei nt e m p e r a t u r ec a nr e n e c tt | l ec o o l i n gl o a dm o r ee x a c t ly ，s oi ts h o u l db e t h eb a s i so fc o n t m i b e c a u s eo f h a v i n gn op o s s i b i l i 移t ob u i l dae x a c tm a t h e m a t i c s m o d e l ，s of u z z yc o n t m li sm o r es u i t a b l et ot h i s6 e l d 1 1 l r o u 曲b u i l d i n gq u e 。yt a b l ew e c a nc o i l i l e c td i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r ct oe r n j m 衄e n te l e m e n t t h e nb e g i nt h es t u d yo f m o d b u sp r o t o c o l ，d e s i g nai m e l l i g e n ts e n s o rt or e a i i z et h er e m o t ec o m m u l l i c a t i o n s m t l l ee n d 、v ed e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e ma g a i l l s tc e m r a la i r c o n d i t i o n e li n t r o d u c e h a r d w a r es t n l c t u r ea n dt h em n c t i o no fe v e r yp a no ft m ss y s t c m i tr e a l i z et h ec o n o lo f t r a r i s d u c e rp o w e rb yd i g j t a ls i g n a l t h e ni n t r o d u c eh o wt od e s i g nt h ec o n t r 0 1i n t e r f a c e o f t o u c hp a n e l t h i sc o n t m lh a sas t m n g p o i mo fb e i n gn e x i b l e ，e a s yt o u p 口a d e a n dab e t c e r c o n t r 0 1e f f e c tn e e df h n h e rs t u d y k e y w o r d s ：c e m r a la i r - c o n d i t i o n e r ；t y a n s d u c e r ；f u z z yc o n t l 砒m o d b u s ；n e t w o r k c o n t m 】 i t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景与实际意义 随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，中央空调系统已广泛应用 于工业与民用建筑域，如宾馆、酒店、写字楼、商场、厂房等场所，用于保持整 栋大厦温度恒定。对中央空调控制系统运行效果的优劣评价标准也随着时代发生 了很大的变化。早期的中央空调系统的运行效果好坏取决于是否够“冷”。如今， 人们对中央空调系统提出新的要求就是舒适节能，要求在能耗更低的情况下保持 室内合适的温度、湿度，让使用者感觉最舒适。新建的中央空调系统在按照舒适 节能的目标设计，而越来越多的使用多年的中央空调控制系统在进行改造以实现 节能、舒适的目的。 据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的6 0 以上，其中，仅水泵 的耗电量约占到空调系统耗电量的2 0 4 0 ，存在巨大的能源浪费。采用新技术降 低系统能耗成为当务之急n ，。 传统的设计中，中央空调的制冷机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、 冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量基本是按照建筑物最大制冷、制热负荷 或新风交换量需求选定的，且留有充足余量。1 。无论季节、昼夜和用户负荷的怎 样变化，各电机都长期固定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系统功率的特性，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。近年来节能降耗被国家摆到空前重要的位 置。而国家供电紧张形势依然没有根本缓解，电价不断上调，造成中央空调系统 运行费用上升，如何控制空调系统的电能费用已经成为越来越多空调的经营管理 者所关注的问题”“”。 故采用变频调速技术节约低负荷时主压缩机系统和水泵、风机系统的电能消 耗，具有极其重要的经济意义。寻找一种节能效果明显，性能稳定可靠的控制系 统成为当务之急。 本课题所研究的基于m o d b u s 网络的中央空调变频节能控制系统即是在这样 广东工业大学工学硕士学位论文 的背景下进行的。其对冷冻和冷却水系统实施变频调速技术，可以根据负荷变化 情况适时降速或增速，提高了系统自动化控制水平，避免长期固定在工频运行。 这样不仅可以节能增效，而且利于营造恒温舒适的环境，减轻设备机械磨损，易 于维护，降低生产成本。m o d b u s 现场控制网络的引入，实现了变频器、p l c 等设 备之间的可靠通讯，并为工业网络与企业网络的无缝链接做准备，管理者不必亲 临现场就可对机房运行情况实施监控。 基于以上分析可以看出，随着负荷变化而自动调节的中央空调控制系统显示 其相当的性能优越性和经济性。目前国家大力提倡建设和谐社会，发展节能降耗 技术，所以该系统有着积极的现实意义。 1 2 中央空调控制系统的现状 在将变频器用于中央空调控制系统改造之前，由于电机的转速无法方便调节， 为了达到对空调系统的温度、供水系统的水压、通风系统的风量的控制，人们采 用一些简单的传统方法，如用挡板调节风量，用阀门来调节流量压力及选择开启 台数等w 。还有种方法采用人工设定的钟控装置控制中央空调系统，使系统定时 启动和定时关闭，这种方法与将水泵长时问全开相比有一定优势，但空调运行时 的能耗并不会降低。这些控制方法不仅达不到很好的调节效果，而且大量的电能 被挡板和阀门自白浪费。据统计，目前我国的中央空调中使用的风机、水泵大约 有2 5 的能量是无谓消耗u 1 。 这些对中央空调系统的控制方法主要存在以下问题： 1 ) 无法满足空调负荷变化的不均匀性。在中央空凋设计过程中为保证能在 大气温度最高、需冷量最大的情况下满足使用要求，所以按最大负荷设计并有1 5 左右的富裕量5 1 ，平时使用时并不能达到满负荷，所以存在较大裕度。现在的 新型制冷主机可以根据负载变化自动加载、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。 2 ) 水系统中通过节流阀或调节阀来调节流量、压力，存在较大节流损失。 不仅浪费大量电能，而且还可能造成空调运行大幅度偏离额定设计的情形，对系 统设备带来不利的影响w 。 第一章绪论 3 ) 通过水泵开启台数的控制，造成电机起停频繁，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、接触器触点、空气形状触点产生电弧冲击，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。 原国家经贸委于1 9 9 4 年下发了7 6 3 号文件关于加强风机、水泵节能改造的意 见，鼓励支持变频节能技术在各行各业推广使用，使变频节能获得政策上的支 持“1 。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，变频器是将标准的交流电转成频率、电压可变的交流电，供 给电机并能对电机转速进行调节的装置。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，而且还会极大提高控制和调节 的精度，从而方便地实现恒温空调系统和恒压供水系统。 在近年来出现一些对中央空调系统实施变频改造的项目，取得不错的节能效 果。而如何采用更先进的控制方法实现系统更加节能而高效的运行值得进一步研 究。 设计优良的控制系统要能在各种供冷负荷条件下高效运行，水泵风机等的流 量可以随着负荷变化而自动调节变化，用户侧室温保持稳定。而更重要的是能给 投资者带来良好的投资回报。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题是以参与的一个中央空调变频节能改造项目为基础，经过部分改进， 采用模糊控制实现对冷冻水及冷却水的控制，对基于m o d b u s 的网络控制系统进行 了研究，设计了中央空调变频节能控制系统。 研究工作的具体内容如下： 1 ) 对空调系统变频进行理论分析。验证了以出回水温差为依据对系统进行 变流量控制的可靠- 陛。 2 ) 由于无法建立精确模型，选择模糊控制，以温差及温差的变化量作为模 糊变量进行模糊化，对模糊控制应用于空调系统控制进行研究。通过建立查询表 使系统控制参数随外界影响因素实时调节。 广东工业大学工学硕士学位论文 3 ) 对m o d b u s 协议进行研究，设计了基于m o d b u s 网络的智能变送器，可将采 集的出回水压力温度、室温和大气温度等信号通过网络送到主控系统，实现远距 离传送。 4 ) 对变频控制系统进行设计。控制系统为主从级控制结构，即：主级为主 p l c ，从级为从p l c 和变频器。给出各部分实现功能，实现主p l c 和从p l c 对变频 器控制，及工频废频切换和故障切换功能。完成监控软件的设计。提出对系统其 他部分变频控制的改进思路。 第二章中央空调的原理及变频控制的依据 第二章中央空调的原理及变频控制的依据 2 1 中央空调运行的基本原理 我国目前民用建筑中采用水一空气空调系统较多，以水作为载体将冷热量送到 各个楼层冷却盘管，再由风机吹送气流经过盘管使室内空气降温或升温。中央空 调有冷源和热源之分。热源系统用于气温低需要供热的情况，多采用蒸汽锅炉和 热交换器供热。冷源系统则恰好相反，其核心制冷部件为制冷机组”1 。由于工程 实施地位于广东，为冷源空调，文中针对冷源空调进行具体分析。 通常的冷源中央空调系统主要由制冷机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系 统、风机盘管系统和冷却塔组成，膨胀水箱用于调整系统水量。系统结构图如图 2 1 所示。 图2 1中央空调系统结构图 f i g 2 1 t h es t m c t u r e so f c e r l t r a la i r _ c o n d i t i o n 中央空调制冷的工作原理为：制冷机组通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送 到蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷。冷冻水泵将冷冻水加压送到各 房间风机风口的冷却盘管中。盘管充当热交换器，和室内空气进行热交换。风机 广东工业大学工学硕士学位论文 把室内空气吸入，流经盘管表面，进行冷却，再送入室内达到降温的目的。热交 换过程中冷冻水温度升高，被送回冷冻主机后又成为冷冻水，继续循环。而在制 冷过程中制冷剂蒸发后会释放出大量热量，通过冷凝器与冷却循环水进行热交换， 冷却水温度升高，再由冷却水泵将带走热量的冷却水送到冷却塔上。冷却塔也相 当于一个热交换器，冷却水在这里进行喷淋，由冷却塔风扇加快其与大气之问的 热交换，最终将热量散发到大气中去，冷却水温度降低进入冷却水管路继续循环。 如此周而复始就实现了建筑物内的空气调温。可以看出，中央空涧系统的工作过 程是一个不断地进行热交换的能量转移过程”4 ，。系统的循环过程如图2 2 所示。 室 空 r、 【 外 气 图2 2 中央空调系统的循环过程 f i g 2 - 2t h ec i r c u l a t i o np r o c e s so fc e n t r a la i r _ c o n d i t i o n 在热量转移过程，冷冻水和冷却水循环系统是热量的主要传递者，在中央空 调系统中起到一个大型的热交换装置的作用。它以水作为介质，在建筑物内部或 建筑物之间传递冷量或热量。冷冻水管路遍布建筑中的每个供冷场所，一般安置 在房顶。冷冻水管路直接到达冷却塔。冷却塔的位置一股位于楼顶等对通风散热 有利的地方。一般情况下，管路中会配置相应的普通阀门和电动阀门，调节流量保 证管网系统的平衡。对冷冻水和冷却水的管路采取隔热措施，可以减少传输途中 的能量损失，如在管路上缠绕塑料泡沫等隔热层。 在中央空调系统中，风机盘管机组是应用最普遍的机组。风机盘管控制一般 采用房间温控器来进行，它是一种比较简单的温度现场控制。其控制设备是由房 间温控器和电动二通阀组成的。电动二通阀安装在冷却盘管的盘管出水端，用以 控制进入房间的盘管内冷冻水的通断。房间温控器是安装在室内的，其上有温度 设置旋钮和高、中、低速三档的风机开关。通过温度设置旋钮可以方便地设定房 间温度。当房削实际温度高于设定值时，房间温控器会输出开关信号，打开电动 第二章中央空调的原理及变频控制的依据 二通阀，让冷冻水流过盘管，进行冷却降温。反之，则输出信号关闭电动二通阀， 截断冷冻水流动。通过拨动房间温控器上的三速开关，则可以手动控制风机盘管 的风机运行在高、中、低速三档上“。 在风机盘管处可加入空气处理机组，增加过滤、加除湿的功能。有的中央空 调还具有新风处理机组，能将室外空气引入室内，改善室内空气质量。 在现代楼宇中，中央空调系统是必不可少的基本设施，也是耗电量极大的设 备。影响空调系统使用效果、运行费用以及运转寿命的因素，除了产品质量外， 最主要的是空调系统的设计及运行管理。从节能的角度来看，这是一个开源节流 潜力很大的场所。 2 2 目前的空调系统控制方法 冷冻水和冷却水循环系统统称为水系统，是中央空调控制系统的重要组成部 分。空调水系统通常有以下几种划分方式： 1 ) 按水压特性划分，可分为开式系统和闭式系统。 2 ) 按水管道的设置划分，可分为双管制系统、三管制系统和四管制系统。 3 ) 按各末端设备的水流程划分，可分为同程式系统和异程式系统。 4 ) 按水量特性划分，可分为定水量系统和变水量系统。 5 ) 按水的性质划分，可分为冷冻水系统、冷却水系统和热水系统n ”。 空调水系统有定流量系统与变流量系统之分，是就负荷侧而言的，对于冷源 侧，则应根据制冷方式不同具体分析对待。 由于定流量系统不能随负荷调节流量，制冷效果也不佳，很多系统进行了变 流量改造。 变流量系统根据其组成装置不同，又可分为相对的变流量系统和真正的变流 量系统。前者的冷量制备环路是定流量，而冷量输送环路是变流量的，而后者的 制冷机组蒸发器也是变流量的，流过蒸发器的水量由负荷侧( 即用户侧) 的需求确 定，后者能充分发挥变流量系统的节能潜力“。 在冷水系统设计中，在蒸发器中维持恒定流量是普遍采用的设计方法。因为 通过蒸发器的水流必须保持一定的流速，才能保持在系统状态而避免层流，从而 使蒸发器有较高的热交换效率且防止低流量冻结。如果流量减少，必然造成水流 厂东工业大学工学坝十学位论文 速不均匀，尤其是在一些转弯处更容易使流速减慢，甚至形成不流动的“死水”。 由于蒸发温度较低，在蒸发器不断制冷的过程中，低流速水或“死水”极容易产 生冻绪隋况，从而对制冷机组造成破坏n “。 一方面，制冷机组的特性要求定水量运行：另一方面，用户侧要求冷水系统 作变水量运行，这两者构成一对矛盾。为保证系统的稳定运行，人们想出了多种 解决方案。一级泵( 末端) 变流量系统是目前我国高层民用建筑中采用最广泛的空 调水系统。这种系统的末端盘管处使用电动二通调节阀，根据室温的变化调整其 丌度或状态，从而引起冷水系统流量的变化，改变供冷量。部分负荷时，水泵多 余的压头靠关小管路阀门消耗掉，达不到节能的目的m ，。图2 3 为最简单的变水 量系统。 图2 3 二通调节阀系统 f i g 2 31 1 1 ef i r s tv a t v es y s t e m 图2 - 4 旁通阀变流量系统 f 培2 4t h em u l t i - v a l v es y s t e m 还有一种解决方法是在供、回水总管上设置压差旁通阀，保证进入制冷机的 第二章中央空凋的原理及变频控制的依据 流量保持不变，如图2 4 。通过安装在供、回水管上的压差控制器输出信号控制 旁通管上的调节阀开度予以补偿压差变化，当供、回水压差超过设定的范围，就 调节流经旁通管的流量来稳定系统的水力工况。而制冷机侧的水泵仍然定水量运 行。这种方法虽可实现用户末端盘管处随负荷变流量，但水泵能耗基本不变，电 能浪费严重“。 在部分水系统中，采用了二级泵实现流量调节，如图2 5 。这种系统在制冷 机侧采用一级泵定速运行，而负荷侧采用二级泵。一级泵组用来克服制冷机组、 旁通管路、一级泵及其支路附件的阻力，保证制冷机组的定流量运行。二级泵组 用来克服用户侧水阻力，根据末端负荷变化进行变流量运行。在负荷较小时可以 停开制冷机和冷源侧泵，用二次泵保持用户流量恒定及少量的冷量供给，当水温 升至规定值后再启动制冷机u ”。 图2 5 二级泵变流量系统 f i g 。2 - 5t h es e c o n dp u m ps y s t e m 常见的负荷侧变流量方法是通过出回水压差对二次泵进行台数控制，实现变 流量调节，运行能耗大大降低。但据有关调查研究表明，国内一些二次泵水系统 运行效果并不理想，主要原因是压差信号对实际水系统的流量变化不敏感m ，。从 流量调节角度看，台数控制只能实现有级的流量调节，而且由于水泵实际工作点 往往不能处于效率最高点，所以，即使流量减少了，实际用电量减少并不多，节 能效果不显著。 这几种控制方法实现用户侧的流量控制，但并没有多少节能效果。由于即使 是台数控制，循环水泵始终处于工频下运行，绝大部分时间里水泵在低效率点工 广东工业大学工学硕士学位论文 作，耗能严重。 变流量空调水系统中的各末端装置，例如每个风机盘管所在支路的出回水干 管之间的压差，不但在二次泵组总供水量发生变化时而变化，而且即使在二次泵 组总供水量不发生变化，而其它一些末端装置或其他一些环路供水流量发生变动 时也要发生变化。不但管网各处的水压每时每刻、随时随地在发生变化，而且各 末端装置的供、回水管压差每时每刻在发生变化。各部分的供、回水压差的变化， 最终使总供、回水压差发生变化，导致水泵的工作点发生偏移n ”“。 针对这些情况，最好的解决办法就是采用变频器对水泵进行流量控制，控制 系统能随系统负荷调节水泵转速。真正意义上的变流量系统，应该不改变管略特 性，而靠移动水泵工作点使之沿管路特性曲线移动，保持水泵在最高效率点运行， 达到最大节能效果。 现在，变频调速技术日趋成熟，在给水工程中已大量应用，其最大的优点是 适合任何水泵，虽然价格较高，但增加的投资完全可以通过节省能耗费用在几年 内予以回收。使用变频水泵有许多有利条件，如设备仞投资和占地比较少，对运 行调节和自控系统要求较低。较之二次泵系统，一次泵系统变流量在运行中更为 高效。 2 3 系统变频控制的可进- i - 生依据 中央空调可以进行变频控制节省能耗是由多方面因素决定的。 2 3 1 设计上的裕量就是可节能量 像中央空调这样的集中制冷大型设备，载冷液体是水，输送冷冻水和冷却水 的泵机是重要的组成部分，因而泵机的选择比较谨慎。在中央空调系统设计时， 为满足系统最高负荷的情况，选择的泵机功率必须留有余地。并且以下两个原因 也造成泵机功率过大： 1 ) 在空调设计时，负荷计算理论还不完善，很多时候要靠经验估计，设计 人员计算负荷往往留有余地。 2 ) 末端设备选型过大。设计者在根据负荷选取水泵，很难选到功率恰好的 型号，通常选取比设计值大一些的。 因此水泵的流量和扬程设计往往偏大。功率的偏大设计必然造成能量的浪费。 第二章中央空调的原理及变频控制的依据 在实际情况中，甚至还有采取增加旁通阀或者回流阀来减轻压力或流量的余量过 大的矛盾。有资料统计表明，一般泵机所耗功率中，被工艺物流吸收作有用功功率， 满足工艺过程需要的仅占3 0 一4 0 ，而对于定速泵，其6 0 7 0 电能消耗于 调节阀、截流控制压降和因为处理量变化及设计裕量大而导致的泵出口阀降上m ，。 2 3 2 制冷机组可适应变流量要求 传统的观点认为，为保证制冷机组的制冷效率及避免蒸发器被冻裂，要求流 过蒸发器的冷水流量保持恒定。理论分析和实践证明，常规制冷机组可在定范 围内改变通过蒸发器的冷水流量n 。 g e o 唱eh r e d d e n 通过理论分析、计算机模拟及实验验证表明，蒸发器中水 流量在一定范围内改变不会影响制冷机组的性能n 。 随着制冷机技术的发展，目前的制冷机蒸发器和冷凝器内流量都已经允许在 一定范围内变化，一般允许流量不低于设计流量的3 0 5 0 ，这就为水系统变频节 能的实现提供了依据。 表2 一l 制冷机组冷量调节m ， t 曲| 2 1t h ea 枷u s t m e mo f r e 衔g e r a t i o nm a c h i n e 制冷机组型式调节方法调节范围 活塞式气缸卸载能量调节3 0 、6 6 、 1 0 0 螺杆式 卸载滑阀调节1 0 l o o ( 无级) 离心式入口导流叶片开启度调3 0 1 0 0 ( 无级) 吸收式 蒸汽量阀门开度调节无级 目前中央空调系统中所用到的大型制冷机组本身都具有冷量调节装置。这些 装置能使制冷机组的制冷量随冷负荷的要求而变化。以达到恒定室温和节能的要 求。制冷机组的冷量调节，除吸收式外，其它制冷机组均是在不改变制冷工况的 前提下，改变压缩机的输气量，进而达到改变供液量以调节蒸发器产冷量的目的。 根据制冷机组的不同，其调节方法和调节范围也有所差别。如表2 1 所示。 从表2 - 1 可以看出，无论制冷机组采用何种制冷方式，其单机冷量都能在很 大范围内进行调节，可以适用变流量的情况。再配以冷冻水流量控制，完全可以 广东工业大学工学硕士学位论文 适应负荷的变化要求，达到节能目的。 2 3 3 盘管流量小幅减少仍可满足负荷 盘管通过的流量和提供的冷负荷的关系如图2 6 ： 盘管通过的流量和提供的冷负荷的关系不是成正比的，5 0 的设计流量至少 能提供7 5 的设计负荷n 。同时末端设备如盘管风机一般有三个速档，增加风速 也可以削弱由于流量减小带来的负荷变化。由于盘管的热力特性和设备选型较大， 当流量减小不大时，盘管所能提供的冷负荷还可以满足实际需要的负荷。 4 0 流量( ) 图2 6 盘管流量与冷负荷的关系 f i g 2 6r e l a l i o no f t u b e sf l u ) ( a n d1 0 a d 2 4 中央空调系统变频的控制方式 在水系统的变频调速方案中，可行的控制方式主要有两种： 1 压差为主的控制方式 即以制冷主机的出水压力和回水压力之间的压差作为控制依据，使循环于各 楼层的冷冻水能够保持足够的压力，进行恒压差控制。如果压差低于规定下限值， 电动机的转速将不再下降。当压差较小，说明系统负荷不大，减小水泵的转速， 压差上升；当压差较大，说明系统负荷较重，增加水泵的转速，压差下降。这样 一来，既考虑到了系统负荷的因素，又改善了节能效果m 】。 2 温差为主的控制方式 这种方式同样对压差进行检测，压差低于规定下限值，电动机的转速将不再 第二章中央空调的原理及变频控制的依据 下降，确保各楼层的管路具有足够的压力。但所不同的是非恒压差控制。以制冷 主机的回水温度和出水温度之间的温差信号为反馈信号，使循环于各楼层的冷冻 水能够保持足够的低温，进行恒温差控制。当温差较小，说明系统负荷不大，减 小水泵的转速，温差上升；当温差较大，说明系统负荷较重，增加水泵的转速， 温差下降w 。 不论使用何种调节方法，其流量调节的范围不应低于系统的报警阈值。 严格地说，排除冷冻水在传输途中的损失的话，制冷主机的回水温度和出水 温度之差表明了冷冻水从房间带走的热量，相比压差更能反映系统供冷负荷，应 该作为控制依据。因此决定在控制系统中采用温差为主的控制方式。制冷主机的 出水温度一般较为稳定，一般为设定值，在7 1 0 。因此实际上，也可以只根 据回水温度进行控制。 2 5 以温差为主的控制方式的优点 采用以温差为主的控制方式，非常适合对已有空调的变频改造。相比其他控 制方式，无需在各支路增加电动二通调节阀，又能保证系统运行的可靠性。各支 路并没有采用自主调节的电动二通阀门，阀门的开度还是根据初调节决定的。这 样经过改造后的变流量系统，在泵进行调速时，流量还是按照原先的比例进行分 配。绝大多数情况下，各个房问的负荷急剧变化的情况很少出现，可以近似认为 是相似工况，所以按照过去比例分配流量是可行的。”。 采用这种控制方式将定流量系统改造为变流量系统有以下优点： 1 ) 改造费用低。可利用原有阀门，节省电动二通阀的费用，更重要的是没 有改变管路的原有特性。在经过校核计算冷冻机最小流量的前提下，设 定泵的转速的最小频率，不需要增加二次泵。”： 2 ) 施工难度低。不需要对系统进行大的改造，全部改造在机房内就可完成： 3 ) 运行管理和维修保养相对简便。由于改造涉及部分只有变频器、温度和压 力传感器等少数设备，并不增加管理人员的工作量。 采用这种控制方式也需具备几个基本条件m _ ： 1 ) 制冷机和水泵有多台，至少有一台可做备有的； 2 ) 系统的出回水温差大多数时间小于设计温差，末端设备多数时间在低速 广东工业大学工学硕士学位论文 就可满足绝大多数工况： 3 ) 各个房间负荷快速变化的情况较少。 由上述分析可知，以温差为主的控制方式是一种相对简便有效的变流量控制 方式。而且由于电机的功率与频率或转速的三次方成正比，从理论上讲，在采用 变频器之后，如果水系统的流量下降为水泵工频时的9 0 ，水泵电机功率只有工 频时的7 3 ，能耗下降十分明显，因而变频改造之后有很大的节能潜力。 以温差作为被调量，在设计上要考虑管路的传热时间延迟、房间存在的热惰 性和末端设备的非线性，整个管网构成了复杂具有惯性、延迟、非线性系统，其 控制上考虑的因素比进行单纯的流量控制要复杂”“。 第三章中央空调模糊控制的研究 第三章中央空调模糊控制的研究 在确定以温差为主的系统控制方式之后，研究如何根据温差对水泵频率进行 控制，既保证供冷负荷，又是水泵频率尽量降低，实现节能的目的。 变频控制系统要实现的目标有以下几点： 1 ) 负荷变化时冷冻水温度保持基本恒定。 2 ) 水泵能在系统负荷最大和最小时为所有盘管提供足够的供水压力。 3 ) 在满足供冷负荷情况下，冷冻和冷却水泵都能在尽可能低的转速下工作， 保持运行能耗最小。 4 ) 制冷机组运行能耗随负荷的减少而减少。 3 1 用户侧的供冷负荷 系统负荷包括两个方面，方面是流量负荷，一方面是冷量负荷。用户侧盘 管的关断与开通以及开通的大小都会影响流量的变化，系统要满足所有盘管开通 最大的流量要求。盘管中的冷冻水要对房间有供冷能力，既要水湿够低，又要流 量够大。 以热力学第一定律为基础，用户侧的供冷负荷为m ，： q = 形c &( 3 1 ) 式中：q 为系统冷负荷，k w ；为通过盘管的冷水流量，州3 j ：c 为水的比 热，砌( k g ) ；f 为出回水温差，。 这是从冷冻水系统角度的系统冷负荷的计算方法。由此公式可知用户侧的供 冷负荷相同的情况下，如果冷水流量w 增大，则出回水温差t 减小；如果要减 小出回水温差t ，则需增大冷水流量w ，冷水流量w 与出回水温差t 成反比。 因此当系统负荷发生变化时，可以通过改变、出回水温差或者同时改变流量和出 回水温差来适应系统负荷的变化。 通常可用表3 1 来概算一下不同场所的冷负荷。 由概算表通过下式可粗略计算不同场合的空调冷负荷： 广东工业大学工学硕士学位论义 q = m g( 3 2 ) 式中：q 为总冷负荷，w ：m 为空调使用面积，肌2 ；q 为概算指标，w m 2 。 表3 1 空调冷负荷指标概算表， t a b 3 1b u d g e t a r yi n d c xo f s y s t e m1 0 a d 建筑类型冷负荷概算指标( w m 2 ) 变频节能空调系统一般空调系统 一般办公楼7 0 一9 39 3 1 1 6 高层写字楼 8 1 1 2 81 0 5 1 4 5 旅馆、饭店 5 2 7 07 0 9 3 商店 1 7 5 1 9 82 0 9 2 4 4 医院 8 4 1 1 21 1 2 1 4 0 电影院1 7 5 2 3 3 2 3 3 3 4 9 由于参与的项目中空调要为发热量较大的设备机房降温，空调要全年开通， 即使冬天气温较低的时候。一般情况下，空调的供冷负荷是随季节和一天中的不 同时段而规律性的变化的。1 月和1 2 月气温最低，供冷负荷也很低。7 月和8 月气温 最低，供冷负荷也达到最高。供冷负荷的年变化如图3 1 所示。 ，。 | ?； ，、 、 1 0 0 7 5 2 5 o 1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月l o 月1 1 月1 2 月 图3 1 供冷负荷年变化示意图m ， f i g _ 3 1t h ev a r i e t yo f s y s t e ml o a di no n ey e a r 在一天之中供冷负荷最低出现在凌晨2 4 时，最高出现在1 4 时左右。供冷负荷 6 垫三塞! 塞塞堡丝塑堡型墼坚圣 的日变化如图3 2 所示。 由供冷负荷年变化示意图和供冷负荷日变化示意图可以看出，供冷负荷的变 化范围相当大，如果系统一直以最大负荷状态运行，电能的浪费是很大的。 7 、 ， t | ? 、- 图3 2 供冷负荷日变化示意图1 2 ” f i g 3 - 2t h ev a r i e 可o fs y s t e ml o a dm o n ed a y 3 2 制冷机组的制冷能力 3 2 1 制冷机组单位时间的制冷量 制冷机组在单位时间( 1 秒) 内制冷量可通过单位时间流进制冷机的冷冻水 下降的计算出“叱 q o = c 所( 加一如w )( 3 3 ) 式中：q 0 为制冷机产生的冷量，k w ；c 为冷水比热容，k j ( 1 ( g ) ；为冷水 流量，k g s ；如为制冷机冷水进口温度，：如w 为制冷机冷水出口温度，。 3 2 2 制冷机的能耗 p = 3 叫c 傩( 3 4 ) 式中：p 为制冷机的电耗；u 为交流电压值：，为交流电流值；c 侧为功率 因数。 32 3 制冷机能效比 = ：一一： 奎兰兰奎兰三i 堑垒譬篁篁i ：= = ：一= ：一 e 艘：鱼 p 3 3 水泵的流量、扬程和功率关系 3 3 1 水泵的功率 ( 3 5 ) 离心水泵在实际应用中的使用率很高，我们工程中使用的也是离心水泵，所 以在这里我们主要讨论离心水泵的情况。下面给出离心泵有效功率、轴功率和输 入功率的计算式m “： 离心泵有效功率：。( 后) = 兰堕竺2 1 卫型熹掣 ( ，6 ) 离心泵的轴功率：虬2 詈 ( 3 7 ) ，7 v 叫 离心泵的输入功率：。= 。 ( 3 8 ) t m 式中：q 为离心泵输送流体的体积流量，忉，s ：h 为离心泵的扬程，m ；c 为 流体的密度，k m ，；矾为离心泵的效率，；7 7 。，为马达效率，： 3 3 2 水泵流量、扬程和功率与转速的关系 当水泵的运行速度发生变化的时候，其性能参数也将发生变化。根据相似的 理论，可以根据要求的流量和扬程计算出符合水泵性能的转速，反之，在特定的 转速下同样可以求出符合于水泵性能的流量和扬程。水泵的电功率可以认为是水 泵流量和扬程的乘积。因此水泵的流量、扬程和电功率均与水泵的叶轮转速之间 存在着一定的比例关系。由流体动力学理论可知，流体流量与泵的转速的次方 成正比”，可得到： q g = ( 0 )( 39 ) 其中q ，n 分别表示流量和转速。泵的扬程h 与转速二次方成正比，而其功率 p 则与转速三次方成正比，即： 日日o = ( o ) 2( 3 1 0 1 第三章中央空调模糊控制的研究 j p 昂= ( 0 ) 3 ( 3 1 1 ) 上述各式中脚标“o ”均表示额定工况参数。转速减小时，电机的能耗将以其三 次方的速率下降，因此变频调速的节电效果非常显著。 3 4 对空调系统的p i d 变频控制 在近几年对中央空调系统的变频控制中多采用p i 或p i d 来实现出回水定温差 或定压差的水泵频率控制。对冷冻水控制通过检测制冷主机蒸发器的进水口处的 回水温度和出水口处的出水温度，将其温差与设定值比对，通过p l c 的p i d 控制 功能或p i d 控制器，调节冷冻泵变频器的频率值，最终使温差值保持在设定值。 图3 3 冷冻水p i 控制示意图 f 唔3 3p ic o n lo f r e 衔g e r a t i n gw a t e rs y s t e m 图3 4 冷却水p i 控制示意图 f i g 3 4p ic o n t r o lo f c o o l i n g 、 ，a t e rs y s t e m 对冷却水控制通过检测制冷主机冷凝器的进水口处的回水温度和出水口处的 广东工业大学工学硕士学位论文 出水温度，将其温差与设定值比对，通过p l c 的p i 控制功能，调节冷却泵变频 器的频率值，最终使温差值保持在设定值。其比例积分系数凭经验设定。图3 3 和图3 4 为冷冻水和冷却水的p i 控制示意图。 但是由于中央空调系统是一个大时滞的系统，系统的冷负荷随着昼夜和季节 的不同有很大的差异，并且还有很多影响因素，不确定性强，因而对这样的系统 建立建立精确的数学模型是十分困难的，用传统的控制方法难以获得最佳的控制 效果。 最新的研究成果和应用情况表明，对于精确数学模型难以建立，特别是那些 时变的、非线性的、大时滞的复杂系统采用先进的控制方法如模糊控制可以达到 满意的效果。模糊控制不仅可以利用量化数据，而且可以将操作人员的经验以规 则的形式表达出来，并转化成可以在计算机上运行的算法。 3 5 模糊控制的特点 模糊逻辑控制方法就是模仿人的思维方式和人的控制经验来实现的一种控 制，这种控制方法是利用人脑提取被控对象的物理特性，并用自然语言总结抽象 成一系列的概念和控制规则，从而将人对机器的控制经验形式化并引入控制过程， 再运用严密的数学处理，实现模糊推理，进行模糊判决，己达到满意的控制效果。 工程实现上，则使用模糊逻辑语言分析方法，用这种语言规则可以转换为计算机 能够识别的算法语言，以实现对被控对象的控制过程m 。 由于模糊控制主要是建立在人对机器系统的直觉和经验的基础上，而不必要 通过精确的数学表达式，即摆脱了传统控制方法必须依赖于被控系统的数学模型 束缚这一缺陷。所以说对于那些非线性、时变性、环境干扰强且不易获得精确数 学模型以及数学模型不确定或多变的一类被控过程，若采用模糊控制一般都能得 到较好的动态响应过程；而且模糊控制规则不受任何约束，可以完全是不可解析 的，便于同有实践经验的操作者一起讨论和修改，定性地采纳各种好的控制思想。 应用计算机实现模糊控制，便于人们采用自然语言对被控过程的运行施加影响； 另外，采用这种控制规则具有极大的通用性，通过较小的修改和组合就可使用于 多种不同的被控过程m “。 2 0 第三章中央空调模糊控制的研究 3 6 对中央空调模糊控制的研究 3 6 1 对冷冻水的模糊控制研究 由于冷冻泵泵系统采用变频器控制冷冻泵的转速以实现最大限度的节能运 行，因而该系统的输出是可以连续调节的。项目中的空调系统泵机，即使在最大 负荷情况下也只需开启一台制冷机组和一台冷冻泵，不存在开启一台制冷机组， 而同时开启两台冷冻泵的情况，因此只需控制冷却泵的运行频率即可。然而如何 确定冷冻泵的运行的频率是一个需要解决的问题，因为我们无法建立冷冻泵子系 统精确的数学模型，所以，冷冻泵系统拟采用先进的模糊逻辑方法。 首先对系统进行定量的分析。正常运行时，制冷机出回水温差可以反映各个 房间当前冷负荷的实际需求量，出水温度基本恒定，回水温度越高，热能交换越 多，说明实际需求量越大：回水温度越低，热能交换越少，说明实际需求量越小。 然而冷冻水回水温度差与冷冻泵转速有一定的联系，比如，在其它条件( 外界温 度、冷冻出水温度、制冷机组工况等，由于影响因素太多，无法详细罗列全部的 条件) 相同的情况下，回水温度较低，表明输送额定水量大，管道冷冻水流速高， 导致单位冷冻水量热能交换较少，因而可以推出冷冻泵转速较高，可降低一些； 反之亦然。冷冻泵的转速是控制器的控制输出量，所以冷冻泵的转速是各个房问 实际冷负荷量的反映。所以，对于冷冻水泵系统，在保证最高层有充足的冷冻水 的前提下，调节冷冻泵转速，使冷冻进出水温度差满足要求即可。通常冷冻进出 水温度差设置范围在5 8 * w 。 图3 5 冷冻水出回水温差模糊逻辑控制结构 f i g | 3 5s t m c t u r eo ff 岫一p i dc o n t r o l l e ri 1 1c o o l i n gw a t e rs y s t e m 广东工业大学工学硕士学位沦文 根据模糊控制器中控制规则和参数对控制效果的影响，可以设计一种模糊参 控制器，其结构见图3 5 所示。冷冻出回水温差7 1 和两个相临的控制周期的温差 之差值7 为控制器的二维输入量，经过模糊化、模糊推理机和反模糊化用于整 定水泵的频率输出。 1 相关模糊变量 1 ) 根据水泵的技术参数，将冷冻水泵当前冷冻出回水温差r 的模糊集以设 定值为中心分成含义为负大、负小、零、正小和正大五个模糊子集，分别用n b 、 n s 、o k 、p s 、p b 表示。“负大”表示当前温差的值大大小于设定温差值，“零”表 示当前温差与设定值几乎相等，而“正大”则表示当前温度差值远远大于设定温差 值。 2 ) 由于冷冻出回水温度差是有波动的量，其变化不是非常快，再加上本系统 的大时滞性，所以确定其控制周期时，可以先定在五秒至一分钟级水平，最后的 确定应在现场调试过程中。本系统可取冷冻进出水温差的5 为分割点，将两个 相临的控制周期的温差之间的差值7 1 ( 当前温差减上一个周期的温差) 作为被 控量的变化率，以零为中心分成含义为负高、负低、零、正低和证高五个模糊子 集，分别用n h 、n l 、o k 、p l 、p h 表示。 2 论域与隶属度函数 。p ( p 1 0