（机械电子工程专业论文）变风量vav空调系统的ddc控制.pdf

魏安建筑秘技大学硕士学德论文 掣兰皇量基煳, i i m l l ! l l l i i i i f fl i s s ! ! s g ! 量黑 变风量( v a v ) 空调系统豹d d c 控制 专照；机械电子工稷 硕士定：李琳辩 撩导教师：李掇匿 摘妥 隧饕智能建筑的恢速发展，楼字自动纯系统也逐激对建筑内瓣设备进行越采越辩学、 经济、念理匏控露l 帮豢瓒，不仅戆使大楼靛动熊、挡次掇莲，露慧可塔达疑惑效萤戆鹣 效果。爨蔚黧内精业建筑盼空调没计爨越予复皋、庞大，空诞系绶鳜占熬个建筑熊耗蛉 绻重越来越夫。必了辩建绽穗悫郝靛空调系绞避行有效鹣控潮裙繁理，态分爨掰渗能鼓 _ 本，将徽枫控露嶷震予空调是动控铡系绫。本文将讨谂空谖系缝巾空气处理极缌瓣壹接 数字撩铡( d d c ) 设计。 交风量空调黎统熬蒸第戆、荧活谯露饶予其囊空调系统，逐激袋蔻空调系绫浚诗懿 主流。毽交鼹餐颦诿繁绞楚一令复杂的熬力系统，茨爨予旒多，辩象鹣参数易予交往魏 罐黻确定。夔麓量 霎辍科学、控豢l 理论夔发震，产生了精熬簪辘浆裁瑗谂。本文疲蠲了 一静赛会模襁p i d 控露l 舞法，程大德麓辩拜l 搂糊控翻，在，l 、镳麓辩雳辩d 羟铡。禳赣接 裁与p i d 控翻器箍者结套起来螽，扬长遴短，舔矮有横赣控稍灵溱蔼逡液牲强静谯点， 又兵旃p i d 控露l 稽度巍瓣特煮。铁箍勰决控翻系统的稳定性与获褥良静髓能静闯麓，蜷 潦系绕对不确定褴因索黪逶癍穗。 m a t l a b 最近年来流彳亍的软件之一，本文应疆其巾酶s i m u l i n k 工鬟箱辩系统避 孬了仿真。详细阐述了傍粪摸麓鞠建立过程，辩傍真缀莱避霉亍了努折。仿粪结莱说鲳， 簸合模糊p i d 控涮眈常黼p i d 控审i 性髓好，为今艏在工程实践中的应用奠定了基础。 关键词：镑能建撬楼宇自动他变风量空调系统藏按数字控铡p i d 控裁 模糊控制复台模糊p i d 控制仿真 谂文类型；成雳基础 西安建筑科技大学硕士学位论文 工 铲 d i r e c t d i g i t a lc o n t r o l ( d d c ) i nv a r i a b l ea i rv o l u m e ( v a v ) a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m m a j o r ：e l e c t r o n i c m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g n a m e ：l ll i n l i n i n s t r u c t o r ：l i z h e n g u o w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ( i b ) ，b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m 国a s ) h a se , o m et o c o n t r o la n dm a n a g et h ee q u i p m e n t 遗t h eb u i l d i n gm o r ea n dm o l l s c i e n t i f i c a l l y , e c o n o m i c a l l ya n dr a t i o n a l l y , w h i c hc a nn o to n l yr a i s et h ef u n c t i o na n dt h el e v e l o ft h eb u i l d i n g ，b u ta l s os a v et h ee n e r g y a tp r e s e n t , a i r - c o n d i t i o n i n g d e s i g ni n i n t e r n a l c o m m e r c i a l b u i l d i n g i s b e c o m i n g m o l l c o m p l e x a n de l l 0 i i i l o u s t h e p r o p o r t i o n o f a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m i nt h ew h o l e b u i l d i n g i sg e t t i n gl a r g e r i no r d e rt oc o n t r o la n d m a n a g e t h ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e me f f e c t i v e l y , a n dt a k ef u l lu s eo fe n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g y , w e a p p l yc o m p u t e r c o n t r o lt ot h es y s t e mo f a i ra u t o m a t i o nc o n t r 0 1 t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed i r e c t d g i 斌c o n t r o l ( d d c ) i n t h ea i r - b e n d i n gu n i to f a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m v a r i a b l ea i r v o l u m e ( v a v ) a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m i s s u p e r i o r t ot h eo t h e r a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m sf o r i t se c o n o m i ca n df l e x i b l ep e r f o r m a n c e , w h i c hh a sb e e nt h em a i n c u r r e n to fa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e md e s i g n b u ta sac o m p l e xt h e r m o d y n a m i cs y s t e m ，v a v s y s t e mh a sm a n yd i s t u r b a n c e sa n di s c a l c u l a t e dp a r a a n e t e r sh a r d l y m a n yf l e wi n t e l l i g e n t c o n t r o lt h e o r i e sc o m ei n t ob e i n gw i l ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e ra n dc o n t r o lt h e o r y t 协s p a p e ri n t r o d u c e sac o m p o u n df u z z y - p i dc o n t r o la l g o r i t h mw h i c h u s e sf u z z yc o n t r o li nb i g e r r o ra n dp 1 dc o n t r o li ns m a l le r r o r a f t e rc o m b i n i n gf u z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r 0 1 t h e c o n t r o la l g o r i t h mh a sb o t ha d v a n t a g e so ft h e m s ow ec a ns o l v et h ec o n t r a c t i o nb e t w e e n s t a b i l i t ya n dg o o dp e r f o r m a n c e o ft h es y s t e m ，a n ds t r e n g t h e nt h es y s t e ma d a p t a b i l i 哆t os o m e u n s t a b l ef a c t o r s 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 m a t l a bi so n eo f t h e p o p u l a r s o , w a r e r e c e n t l y t h i sp a p e r u s e si t ss i m u l l n kt o o l b o x t os i m u l a t et h e s y s t e m i ti n t r o d u c e st h ep r o c e s so f e s t a b l i s h i n gs i m u l a t i n gm o d e le x t r a u s t i v e l y , a n da n a l y s e st h es i m u l a t i n gr e s u l t s t h er e s u l t sl a yaf o u n d a t i o nf o rl a t e re n g i n e e r i n gu s e ， w h i c hi n d i c a t et h a tt h ec o m p o u n df u z z y - p i dc o n 妊- o lh a st h eb e t t e rf u n c t i o nt h a nt h ec o n l r n o n p i dc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ，v a r i a b l ea i rv o l u m e a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，p i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，c o m p o u n d f u z z y - p i dc o n t r o l ，s i m u l a t i o n t h e s h ：a p p l i c a t i o n f u n d a m e n t 3 声明警峨 本人郑重声鞠我所呈交的论文是我个人在导雾嚣指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别鸯羹以标注和致谢的逑方外，论文中不毽含其德入墨经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 卓请学链或为其它瓣途使用过的成果。与我一同工作鼹同恚 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关 费任。 论文作者签名：虏琳机 嚣期： 如吖岁 关于论文使| 幂授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文舱规定，即：学校骞权傺鼠送交论文的复印徉，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采蔫影印、缩曝或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名暑出抛糯签铂 蓦期哪夕，f 踅赫札 扩”。孔 “- 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 智能建筑( i b ) 概述 1 绪论 随着人类科学技术的发展，人类的居住环境也逐步改善。建筑发展到今天，出现了 智能建筑这样一座里程碑，它集中体现了以人为本的建筑思想以及系统工程学的成果， 它是土木工程技术与现代通讯技术、计算机技术、控制技术的结晶。 智能建筑( i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 的内涵至今还在不断的发展变化，所以迄今为止还 没有一个普遍接受的定义。但我们基本可以采用以下的方式来定义： 智能建筑利用计算机技术、网络通信技术及自动控制技术，经过系统综合开发，将 楼宇自动化系统( b a s ) 、通信自动化系统( c a s ) 、办公自动化系统( o a s ) 与建筑和 结构有机的集成为一体，为人们提供理想的安全、舒适、节能、高效的工作和生活空间。 智能建筑是一个综合的概念，其内容不仅限于建筑智能化系统工程的范畴。它是以 建筑为平台，将通信自动化、办公自动化、建筑设备自动化及在此基础上的系统集成和 服务管理进行优化组合，进而形成的高效、舒适、便利的建筑环境。宏观的看，智能建 筑还应包括良好的建筑环境( 如造型、层高、净空、采光等) 、力学结构、机电设备配置 ( 如空调、新风机、电梯、自动化车库等) 等。通常的说法，智能建筑的主要内容是指 3 a ，即：楼宇自动化( b u i l d i n ga u t o m a t i o n ，缩写b a ) 、通讯自动化( c o m m u n i c a t i o n a u t o m a t i o n ，缩写c a ) 、办公自动化( 0 伍c ea u t o m a t i o n ，缩写o a ) 。也有人认为是指 5 a 或者7 a ，5 a 、7 a 之说与3 a 之说的区别在于是否将保安、消防等子系统单独列出。 在一些规模较大的智能建筑中，除了传统的3 a 系统外，一般还会详细考虑建立通 用的“弱电平台”和“网络平台”，为建筑内的各智能化系统提供公用的通信线路和计算 机网络通信设备。 对于智能建筑，统一的“网络平台”可以认为是建筑物理上的“大脑”，所有的智能 控制软件可以在同一个系统中进行工作，共用的计算机网络为它们提供了速度很高的通 信协议，并可以理想的分配网络使用时问和计算机资源。各系统中要求协同工作的部分 不太费事就可以实现相互之间的数据交换，许多过去需要网桥、网关等设备，进行复杂 连接的工作得到了简化，而且当需要增加新的互连功能时不需要花费太多时问进行计划 和安装。专家提出的“一栋建筑一个网络”的思想，已成为现代智能建筑不可缺少的一 西安建筑科技大学硕士学位论文 部分。统一的“网络平台”由高速的中央计算机网络和功能各异的计算机子网络组成。 而对于智能建筑，统一的“弱电平台”可以认为是智能建筑的“神经系统”，现在最 理想化的弱电平台就是结构化综合布线系统。作为弱电平台，就要求为各种智能化系统 提供共同的、高质量的通信线路，可以保证各种通信信号的正常传输。统一的“弱电平 台”同样简化了各种设备的安装工作，提供了移动设备和增添新设备的可能，大大减少 了维护和扩充的费用。同样成为现代智能建筑不可缺少的组成部分。 加入了中央计算机网络系统和结构化综合布线系统的3 a 性智能建筑是现代智能建 筑的典型，我们可以称之为现代智能建筑总体结构，如图1 1 所示。 1 2 楼宇自动化系统( b a s ) 1 2 1 楼宇自动化系统的概述 图1 1 智能建筑结构图 智能建筑的两大支柱是楼宇自动化系统和综合布线信息系统。楼宇自动化系统的主 要任务是对建筑物内的机电设备实行全面的监控，其内容包括给排水、空调通风、采暖 西安建筑科技大学硕士学位论文 供热、动力照明、电梯等。楼宇自动化系统一般运行在不小于1 0 0 m b p s ( t c p i p ) 的以 太网上，采用无级别的全“集散式”结构，各d d c ( 直接数字控制器) 之间的数据共享 和工作协调完全通过彼此之间直接通信完成。 1 2 2 楼宇自动化系统的分类 楼宇自动化系统控制方法上有传统的模拟量控制系统和集散控制系统两种。模拟量 控制系统一般由中央主机、外围设备、传输通道、数据收集站和检测元件等部分组成， 现今应用较少。 现代的楼控系统依靠计算机和网络通信技术的发展，将感应元件和控制单元制成几 种标准的数字信号元件，将控制矩阵的运算工作分散到分布于智能建筑各处的智能控制 器上，并将所有的控制器至于中央计算机或计算机网络的统一监视和管理之下。这种系 统结构就称为分散型微处理机控制系统( d i s t r i b u t e dm i c r o p r o c e s s o rc o n t r o ls y s t e m ) 简 称集散系统。它是以微型机为核心，采用单元组合方式，根据不同需要灵活组合的一个 完整系统，即基础级是以微型机为核心的基本控制器，实现d d c 控制。 1 2 3 集散式楼宇自控系统的构成和各部分功能 现阶段的集散控制系统通常分为三级控制网络。也就是管理信息级( 中央监控主机) 、 监控级( 通讯网络) 、过程级( d d c 控制器) 三级，有的智能建筑还增加了第四级智能 建筑管理级。 ( 1 ) 管理信息级( 中央监控主机) ： 它采用高可靠性的容错计算机或工业控制机，实现对整个控制系统的集中监测、管 理与最优控制。中央啦控主机以高性能的微型计算机为核心，采取了多种适用于中国具 体环境运行的技术措施，可与现场设备组成机电一体化机组。 ( 2 ) 监控级( 通讯网络) ： 它的任务是利用数字通婚技术，将中央监控主机与空调器、制冷机等现场控制装置 有机的连接为一体，组成节能优化控制系统。 ( 3 ) 过程级( 现场控制器) ： 现场控制器是配有丰富控制软件与完善接口功能的计算机。由于该控制器能与自动 开关、接触器等强电电器安装在同一控制柜中，为实现机电一体化提供了物质基础。该 系统成功的应用了强电、弱电一体化技术，与各种传感器、变送器、执行器及被控设备 西安建筑科技大学硕士学位论文 合理配合，现场控制装置包括d d c 及其相应的变配电设备，与被控的现场工艺设备组 成机电一体化或其他形式的全自动设备，既能独立全自动运行，又能接受中央监控主机 的统一控制与管理。现场设备包括多种空调器、变配电设备及水处理系统等。 集散式系统的构成如图1 2 所示 图1 2集散控制系统的组成框图 1 3 楼宇自动化系统的节能及投资效益 智能楼宇是楼宇发展的高级阶段，它通过对建筑物的结构、系统、服务和管理方面 的功能及其内在的联系，以最优化的设计，提供一个投资合理又拥有高效率的幽雅舒适、 方便快捷、高度安全的环境空间。 楼宇自动化标准提高后，除导致投资的增加外，也必然伴随着能耗与运行费用的增 加，因此节能的意义更显得突出。 大楼设备不能没有电力、天然煤气。随着石油价格的高涨，这些日常花费的节减成 为大厦所有者、建筑设计师、大楼管理员的重大课题。楼宇自动化系统最初产生的原因 也是处于能量管理的需要，经过逐渐的发展，楼宇自动化系统越来越注重节能的要求。 对于能量的节约，也成为了衡量一个楼宇自动化系统设计的重要标准。其节能措施可从 以下几点考虑： 4 t，。i中规模上ti大规模。上 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 3 1 空调系统的节能控制 1 从节能角度确定室内空气的最佳状态 对于舒适性建筑，并非要求室内空气状态恒定于一点，而是允许在较大范围内浮动， 例如温度为2 0 - - , 2 7 c ，相对湿度在4 0 一7 0 内，均满足舒适性要求。这样，当室外状态 偏低时，室内相应靠近此域的下限；室外状态偏高时，室内则靠近此域的上限。当室外 处于此域附近时，则尽可能多用新风，使室内状态随外界空气状态变化。这样既可最大 限度的节能，又可提高室内空气品质和舒适程度。 2 新风量的控制 足够的新风量对于提供良好的室内空气品质( i a q ) ，保证室内人员的舒适感和身体 健康有着直接意义。但新风取量过多，将增加新风能耗。故在满足室内卫生要求的情况 下，减少新风量，有显著节能效果。 3 优化空调设备启动、停止时间 大多数建筑如商场、写字楼等的空调系统，在使用前需要提前进行预冷( 或预热) ， 使楼宇在使用时处于要求的温度范围内。而在停止使用前一段时间关闭空调系统，利用 系统的热惰性和空调设备温差中的剩余冷量，使室温维持在需求值的范围。故优化启动 和停止时间可以大大提高空调的节能效果，使智能建筑在充分发挥其各智能子系统功能 的基础上，以最有效和最节能的方式为用户提供舒适的工作环境。 4 过渡季节采用室外空气作为自然冷源 在空调运行时间内保证卫生的基础上，只有夏季室外空气焓大于室内空气焓、冬季 室外空气焓小于室内空气焓时，减少新风量才有显著的节能意义。当供冷期间出现室外 空气焓小于室内空气焓( 过渡季节或夜间) 时，应该采用全新风运行，这不仅能缩短制 冷机的运行时间，减少新风耗能量，同时可改善室内环境的空气质量。因此，空气系统 设计时，不仅要保证东、夏季的最小新风，而且在过渡季节应能增加和开足新风门。 5 利用变风量系统节约风机能耗 由于空调系统在全年大部分时间里是在部分负荷下运行，而变风量空调系统是通过 改变送风量来调节室温的，因此可大幅度减少送风风机的动力耗能。同时在确定系统总 风量时还可以考虑一定的同时使用情况，所以能够节约风机运行能耗和减少风机装机容 量。 6 使用热回收装置 对于空调系统，总是需要部分或全部排走室内空气，补充室外新风。在排风的过程 西安建筑科技大学硕士学位论文 中，必然会把一部分有用的能量( 热量或冷量) 白白放走，同时为了对新风进行处理又 要投入新能量。若在系统中安装热回收装置( 包括热量或冷量的回收) ，就能回收排风中 的能量，用以预热或预冷新风，从而减少处理新风使用的能量。 另外，选择高性能的设备及适当的控制策略，也可以达到节能的目的。 1 3 2 给排水系统的节能 高层建筑的高度大，一般城市管网中的水压力不能满足用水要求，除了最下几层可 由城市管网供水外，其余上部各层均需提升水压供水。为了节省能量，应充分利用室外 管网水压，在最低区可直接采用城市管网供水，并将大用户如洗衣房、餐厅、理发室、 浴室等分布在低区，以便城市管网直接供水，充分利用室外管道压力，节约能源。 1 3 3 灯光控制系统的节能 灯光系统主要分为室内和户外的灯光。对于户外灯光，主要为装饰用，如彩灯、霓 虹灯、广告灯、喷泉灯、屋顶灯等，可根据日期自动确定每日灯光系统开启和关闭的时 间，也可在用电量过大时自动切断。对于室内灯光，主要为大厅、走廊、楼梯、停车场 等，可在人流高峰时打开全部灯光，夜间打开部分或少量灯光，紧急情况下打开报警灯 光，也可根据日期自动确定每日灯光系统开始运行和关闭时间，以此节约耗电量。为特 殊日期，诸如节假日，提供日期和时间的安排计划。监视并累计设备运行时间( 开或关 的时间) ，并发出预先设定的、设备使用水平的信息。发生命令或根据启动、停机计划， 点报警或点状态变化，触发标准的或定制的d d c 程序。 1 3 4 楼宇自动化系统的投资效益 智能建筑工程建成后，将会取得巨大的效益，如： 1 经济效益 智能建筑的特点是高投入，高回报。正常运行可在三四年内收回成本。其中，最 重要的经济效益之一是节能效益。在智能化系统建设中，将建立空调、照明等方面的智 能控制系统。根据国外经验，在类似的室内人工环境条件的前提下，与传统建筑相比， 可节能1 5 3 0 ，经济效益十分可观。 在智能建筑的建设过程中，由于采用系统集成和过程控制等方法，故与传统建筑 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 各系统独立建设方法相比，大约可节省2 0 的投资。 通过严格的系统设计，提高整个智能建筑的优化设计水平和实用性，可大大提高 大厦的运行管理效率，从而减少人工投资。与传统的管理方法相比，可提高管理效率 l5 2 0 。 2 社会效益 智能建筑的社会效益是多方面的，有的明显，有的隐蔽而影响深远，可概括为以下 几个方面： 智能建筑工程建设，将改变传统建筑的建设方式，克服技术不规范、实用性差、 投资不合理、市场混乱等不良现象，推动建筑业朝着健康、有序和协调的方向发展，形 成具有中国特色的新的建筑产业，从而在整体上有利于我国建筑业的科技进步。 通过智能建筑工程的建设，将逐步形成一个完整、科学和实用的智能化信息网， 这对建立和完善我国城市现代化管理体系，促进建筑技术学科发展，具有重要的推动作 用。 在智能大厦的建设过程中，可形成大量的工程技术研究成果，这些成果对有关部 门制定智能建筑建设的各项政策、法规具有重要作用。 3 环境效益 智能建筑的环境效益至少体现在两方面，一是在大厦内部，自动控制的温度、湿度 及新风量，可为人们提供安全舒适、通信现代化的办公环境，提高办公效率；二是对外 而言，智能建筑的节能效益可直接减少能耗，从而对减少环境污染做出贡献。国外的所 谓绿色照明工程，其实质就在于此。所以搞智能建筑，是发展我国环保技术、美化城市 环境的一项行之有效的措施。 1 4 空调系统自动控制概述 空气调节( 简称空调) 是使室内的空气温度、相对湿度、空气流动速度和洁净度等 参数保持在一定范围内，以满足生产工艺和生活条件要求的技术。空气调节在国民经济 的许多工业部门得到了极为广泛的应用，并随着科学技术的发展，空调技术也得到了不 断的改进和提高。 空调系统是由若干空气处理设备组成的，这些设备的工作能力是按负荷计算确定的。 在实际运行中，负荷的变化就会引起被控变量的变化，为了自动的保持被控变量在一定 范围内，必须采用自动化系统。空调自控的任务是当被控变量偏离设定值时，依据偏差 西安建筑科技大学硕士学位论文 自动的控制设备的实际输出量，使被控变量保持在一定范围内，以满足空调的要求。 空气调节自动化是现代自动控制的一部分，只有实现空调自动化，才能更好的满足 生产和生活的需要，更好的节省能源。因此，根据各种气候条件，工艺要求和空气处理 过程，采用不同的空调方案与自动控制系统就具有重要的意义。 1 5 变风量空调系统 1 5 1 变风量空调系统的发展 变风量空调系统( v a r i a b l ea i rv o l u m ea i rc o n d i t i o ns y s t e m ，简称v a v 系统) 是 目前国内大中型建筑工程种新型的一种空调方式。在国外及香港地区，v a v 系统的应用 十分普遍，但是在我国却经历了应用停滞在应用的阶段。由于在国内v a v 系统的早期 应用多数不尽人意，造成设计者或建设者在是否采用v a v 系统上犹豫不决。中央空调变 风量是指空调系统根据区域负荷变化和要求自动调整送风量的一种空调系统。最大优点 是节能显著，同时，还具有使用舒适、灵活、可用新风作冷源等优点。其起源于美国， 在日本得到发展，现在许多发展国家得到广泛应用。 随着空调专业在建筑行业中的迅速发展，目前国内商业建筑的空调设计更区域复 杂、庞大，空调系统所占整个建筑物能耗的比重越来越大，业主对建筑物内的舒适度及 节能的要求也越来越高。为了对建筑物内部的空调系统进行有效的控制和管理，使空调 设备的运行维护费用降至最低，充分利用节能技术，在近十几年来，空调自动控制系统 得到了突飞猛进的发展。从大的意义上来说，就是建立楼宇自动控制系统( b a s ) 。此系 统对建筑物内包括空调系统在内的所有设备进行控制和管理。作为b a s 的一个子系统， 在中央空调的自控系统中经常用到了直接数字控制( d d c ) 的技术。本文主要讨论西安 烟草公司办公培训大厦的变风量中央空调系统的d d c 控制。 1 5 2 变风量空调自控系统的节能性 定风量式的全空气空调系统中，一般按房间最大热湿负荷确定风量，风量确定后 全年不变。实际上，在大多数情况下，空调房间的负荷低于最大负荷。但实际负荷低于 最大负荷时，为了维持室温设计水平，必须减少送风温差，其方法是通过再热或混合， 以热量抵消部分冷量。这样无论在热量上还是在冷量上都造成一定的浪费。其次，兰室 西安建筑科技大学硕士学位论文 内负荷不是最大负荷时，送风量大于实际需要量。为了输出多余风量，风机要多消耗能 量。为了克服定风量系统的这些缺点，发展了变风量系统。 变风量空调系统通过自动控制可以达到舒适性高，节能显著。因为在设备的能源消 耗中，空调耗能占有了7 0 左右。而其中风机能耗占较大一部分。变风量空调自控系统 较好的降低了风机的能耗，在目前智能建筑节能中，起到了重要的作用。 1 6 本文要解决的主要问题及作者的主要见解 随着智能建筑的迅速发展，舒适与节能成为了当今智能建筑发展的趋势。作为智能 建筑的节能措施之一的变风量空调系统不仅可以节约风机的能耗，而且运行灵活，能够 很容易的进行该、扩建。因此被越来越多的空调设计者所选择。 变风量空调系统能否正常运行在很大程度上要依赖于控制系统。只有将空调系统设 计和控制系统设计两部分融合起来，同时考虑，才能设计出成功的变风量空调系统。要 解决变风量空调控制系统中的控制问题，需确定控制参数、控制策略和控制算法。 考虑到对于市委内温度的控制，由于其有许多干扰因素，所以对室温控制的设计是 变风量空调控制系统中的一个重要问题。只有合理、有效的控制系统设计，才能最大程 度的体现变风量系统的优势，即舒适与节能的特点。本文采用复合f u z z y - p i d 控制，增 强系统对不确定性因素的适应性，来实现对室内温度的控制并取得一定的节能效果。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 1 工程概况 2 课题背景 2 1 1 西安烟草公司办公培训楼工程概况 西安烟草公司办公培训楼是一座设施先进、服务多元化的高级商业大厦，及商业、 娱乐、宾馆、办公于一体，该大厦包括地下两层，地面十五层，地下1 层为停车场，地 下2 层为库房，l 4 层为商业营业场所，5 8 层为宾馆住宿场所，9 - 1 3 层为办公场所， 1 4 1 5 层为基础设备间。 2 1 2 西安烟草公司办公培谰楼的楼宇自动化内容 1 空调智能化管理 1 1 冷冻机组系统 ( 1 ) 冷冻水供回水之水温、流量、压力监测。 ( 2 ) 冷冻机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机及电动阀门启停控制、时 序控制、逻辑控制以及状态故障监测。 ( 3 ) 制冷机运行台数控制。 ( 4 ) 多台主机运行时问自动调整和群控。 ( 5 ) 冷冻水供回水总管压差旁路调节。 ( 6 ) 节能运行模式最优控制。 ( 7 ) 变流量控制。 1 2 冷冻水系统设备和冷却水系统设备的联动控制 ( 1 ) 冷却水、冷冻水供回水之水温、流量监测。 ( 2 ) 冷却泵、冷却水泵、冷却塔自动控制及故障报警。 ( 3 ) 冷冻水泵、冷却水泵停负电程序启动停止。 ( 4 ) 冷却塔运转台数控制。 ( 5 ) 冷却水、冷冻水温监控纪录。 1 3 空调系统 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 空调过滤网的监测报警。 ( 2 ) 空调机时序开停控制与运行状态监控。 ( 3 ) 最优化控制空调机的运行。 1 4 新风系统 ( 1 ) 新风级过滤网侦测预警。 ( 2 ) 新风机时序与开停控制运行状态监视、记录运行时间。 ( 3 ) 最优化控制新风机运行。 ( 4 ) 变风量控制。 1 5 供暖系统 ( 1 ) 锅炉进出口水温监视。 ( 2 ) 热水送回水水温监视。 ( 3 ) 热水送水温度调节。 ( 4 ) 供暖循环泵时序开停控制，运行状态监视及故障报警。 ( 5 ) 供热器控制。 ( 6 ) 压力监测。 1 6 送排风系统智能化管理 ( 1 ) 停车场通风机开停控制、运行状态监视、故障报警、记录运行时间。 ( 2 ) 屋顶通风机开停控制、运行状态监视、故障监视、记录运行时间。 ( 3 ) 定期自动开列通风机保养工作单。 1 7 电梯啦控系统 ( 1 ) 客梯故障监控，时序控制启停，夜间时段仅保留一部运行。 ( 2 ) 自动扶梯监控，时序控制启停，夜间时段自动停止。 ( 3 ) 货梯故障报警，消防梯故障报警。 ( 4 ) 电梯定期自动开列保养工作单。 ( 5 ) 电梯故障显示。 ( 6 ) 电梯内设求救按钮，连接c c d 启动录像并自动报警及降到一层。 ( 7 ) 电梯火警紧急时刻自动停于一层或二层。 ( 8 ) 通过操作员电梯可直达某一层。 1 8 其它 ( 1 ) 水泵启停控制、故障及状态监视。 ( 2 ) 膨胀水箱水位高低的检测。 ( 3 ) 电磁阀故障监测。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 各楼层公共走廊的风机盘管时序控制。 2 给排水系统智能化管理 ( 1 ) 各水箱高低限预警、极高极低限( 消防水位) 报警及磁簧开关异常监视。 ( 2 ) 各水池高低限预警及极高限报警。 ( 3 ) 生活泵、潜水泵程序启动、停止、运行状态监视及故障报警。 ( 4 ) 各水池、水箱定期自动开列清洗工作单。 ( 5 ) 各水泵定期自动开列保养工作单。 ( 6 ) 电脑屏幕动画显示水泵系统运转现状。 ( 7 ) 恒压供水控制和监测。 3 照明智能化管理 ( 1 ) 大厅、走廊、公共活动区、楼梯减、停车场机会议室照明控制。 ( 2 ) 节日灯光、泛光照明、广告霓虹灯、航空障碍照明灯等的定时开关控制。 4 设备维修保养自动化 ( 1 ) 设立维修勤务管理系统、指挥定期维修工作。 ( 2 ) 管理中心电脑自动打印保养清单。 ( 3 ) 累计设备运行时间，时间到达预定值时，打印维护表单。 2 2 课题研究的目的意义 空调系统自动控制的设计，主要是为了在设备运行过程中节约能耗。变风量空调 系统以其优越的节能性普遍为商家所用。 西安烟草公司办公培训大厦楼宇自动化系统的设计将采用变风量空调控制。因此对 于变风量空调控制系统的设计研究就有重要的实际意义。 变风量空调系统在国外已有很大的发展，在国内许多大城市也有较广泛的应用。但 由于种种原因，在西安还没有得到有效的使用，v a v 控制系统的技术尚处于探讨时期。 本文对变风量空调控制系统在今后的实际应用具有参考价值，为变风量控制系统的设计 提供了有用的依据，并向工程设计单位提出了建议。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 空调自动控制系统 3 1 空调自动控制系统的组成 空调系统中的自动控制是为了提高调节质量，降低冷量和热量的消耗，节约能源。 同时减轻操作人员的劳动强度，提高劳动生产率和技术管理水平。 在通常的中央控制系统中，要使空调房间的空气参数稳定在允许的波动范围内，就 必须对机器路点、加热后的空气温度、加湿后的空气温度、室内空气的相对湿度进行全 面的控制。根据控制目的不同，设置不同的控制环节组成完善的自动控制系统。 对于相对独立的各控制环节，一般具备敏感元件，调节器( 有时加送变送器) ，执 行结构，调节机构等几个部件。 3 1 1 敏感元件( 又称传感器) 在控制系统中，把需要调节的一些参数( 如温度、湿度) 称为被参数。敏感元件 就是感受被调参数的大小，并及时发出信号给调节器。若敏感元件发出的信号与调节器 接收的标准信号不相符时，则需要增设变送器进行转换。在空调系统中常用的敏感元件 有温度敏感元件，湿度敏感元件和压差敏感元件等。 3 1 2 调节器 调节器感受敏感元件输出的信号，并与给定值进行比较。然后将检测出的偏差经过 放大变为调节器的输出信号，指挥执行结构，对调节对象起调节作用。按被调参数的不 同，有温度调节器、湿度调节器和压力调节器。按调节规律不同可分为位式调节器，比 例调节器，比例积分调节器和比例积分微分调节器等。 3 1 3 执行机构和调节机构 执行机构和调节机构一般紧密相连，有时合为一体。执行机构接受调节器的信号驱 动调节机构。 西安建筑科技大学硕士学位论文 图3 1 自动控制环节典型原理图 图3 1 为自动控制环节的典型原理图。由于扰量的作用，调节对象的被调参数发生 变化，经敏感元件测量并传送给调节器，调节器根据被调参数和给定值的偏差，指令执 行机构，使调节机构动作，使调节对象的被控参数保持在给定值的规定偏差范围内。 3 2 空调自动控制系统的特点 3 2 1 多千扰性 例如：通过窗户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( 或保持室内一定的正压) 所采用的新风，其温度的变化对室温有着直 接的影响。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 响室温的变化。此外，电加热器( 空气加热器) 电源电压的波动以及热水加热器的热水 压力、温度的波动，蒸汽压力的波动等，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。 3 2 2 调节对象的特性 空调自动控制系统的主要任务是维持空调房间一定的温湿度。对恒温恒湿控制的效 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 果如何，在很大程度上往往取决于空调系统，而不是自控部分。所以，在空调自控设计 时，首先要了解空调对象的特性，以便选择最佳控制方案。 3 2 3 温、湿度相关性 描述空气状态的两个主要参数温度和湿度，并不是完全独立的两个变量。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， 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( 温度增高相对湿度减少，温度降低相对湿度增加) 。 3 2 4 多工况性 有空调使按工况运行的，所以空调自动控制设计中包括工况自动转换部分。例如夏 季工况在表冷气工作时( 若仅调节温度) ，通过工况转换，控制冷水量，调节温度。而在 冬季需转换到加热器工作，控制热媒，调节温度。此外，从节能出发进行工况转换控制。 全年运行的空调系统，由于室外空气参数及室内热湿负荷变化，采用多工况的处理方式 能达到节能的目的。为了尽量避免空气处理过程的冷热抵消，充分利用新、回风和发挥 空气处理设备的潜力，在空调自控设计师，除了疑问湿度为主的自动调节外，还必须考 虑与其相配合的工况自动转换的控制。 3 2 5 整体控制性 空调自控系统是以空调室的温度控制为中心，通过工况转化与空气处理过程每个环 节紧密联系在一起的整体控制系统。空气处理设备的启停要严格根据系统的工作程序进 行，处理过程的各个参数调节与联锁控制都不是孤立进行，而是与温湿度控制密切相关。 但是，在一般的热工过程控制中，例如一台设备的液位控制与温度控制并不相关，温度 控制系统故障并不会危及液位控制。而空调系统则不然，空调系统中任一环节有问题， 都将影响空调室的温湿度调节，甚至使调节系统无法工作。所以在自控设计时要全面地 考虑整体自控方案。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 3 空调自控系统的分类和功能 3 3 1 空调自控系统的分类 从空调自控系统所使用的控制器的种类，可分为以下几类： 1 模拟仪表自控系统 空调自控系统中使用模拟控制仪表( 电气式或电子式) ，此系统按其组成又可分为单 回路控制系统与多回路控制系统。适用于小规模空调系统。 2 直接数字控制系统 利用直接数字控制器、现场硬件( 传感器、执行器) 及其相应软件可以完成多台机 组的自动控制。它适用于供热、制冷、空调工程中各类热交换站、冷冻站、新风机组、 空调机组等常用设备的现场多参数、多回路的控制。它有完善的控制软件，即可以独立 工作，也可以接受中央站的监督控制，成为集散控制系统中的分站。 3 集散控制系统 由分站、现场硬件、中央站及数据通信信道组成集散控制系统，对于一般空调系统， 完成集中监控管理与现场分散控制的需要。中央站各空调系统进行中央管理，不断的监 视风机、过滤器等的运行状态，收集有关温度、湿度、压力等有关参数，并打印报表。 对加热、冷却等空调设备进行p i d 控制，维持空调参数稳定。分站的工作不受中央站停 止工作的影响。 3 3 2 空调自控系统的功能 1 创造了舒适宜人的生活与工作环境 通过空调自动控制系统，对室内空气的温度、相对湿度、清晰度等加以自动控制， 保持空气的最佳品质；具有防噪音措施( 采用低噪音机器设备) ，加之建筑物自动化系统 中开放背景轻音乐等措旌，使人们生活、工作在这种环境中，心情舒畅，从而能大大提 高工作效率。对工艺性空调而言，可提供生产工艺所需要的空气的温度、湿度、洁净度 的条件，从而保证产品的质量。 2 节约能源 在建筑物的电气设备中，制冷空调的能耗是很大的，因此，对这类电气设备需要进 行节能控制。现已从个别环节控制，进入到综合能量控制，形成基于微机控制的能量管 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 理系统，达到最佳化控制，其节能效果非常明显。 3 创造了安全可靠的生产条件 自动控制的监测与安全系统，使空调系统正常工作，在发现故障时能及时报警并进 行事故处理。由于空调自动控制带来诸多功能和优越性，因而使其具备了很高的收益回 报率，这是现在投资者与设计者所共识的。 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 变风量空调设计 4 1 变风量空调系统的概述 4 1 1 变风量空调系统的概念 当送风量一定时，为适应各空调房间的负荷，要相应改变送风温度，这种系统成为 定风量系统，从调节角度来说成为“质调节”。相反，如送风温度一定，为适应负荷需要 而改变送入各房间的风量，这种系统称为变风量系统，又称为“量调节”系统，它们统 称v a v 系统。按处理空调负荷所采用的输送介质分类，变风量空调系统是属于全空气式 的一种空调方式，即全空气系统的一种。该系统是通过变风量箱调节送入房间的风量或 新回风混合比，并相应调节空调机的风量或新回风混合比来控制某一空调区域温度的一 种空调系统。 4 1 2 变风量空调系统的原理 普通集中式空调系统是定风量系统，而且送风量是按空调房间最大时设计的。实际 上房间负荷不可能总是最大值。因此，当热负荷减少时就要靠提高送风温度的方法，当 湿负荷减少时就要靠提高送风含湿量的方法来满足室内温、湿度的要求。显然，热负荷 减少时，需要增加再热量以提高送风温度，其结果是既浪费了热量也浪费了冷量。 然而从风量计算公式g 2 可翻及g 2 瓦三万可以看出为了适应负荷变化， 除了维持g 不变，改变岛或磊之外，也可以采用维持“一t o ) 或p 。一d o ) 不变，而改变 g 的方法。这就是变风量系统的基本原理。但是从风量计算公式也可以看出，当房间负 荷发生变化时，要想通过变风量的方法来适应负荷的变化，并使“一t o ) 及p ，一d o ) 均 不