（检测技术与自动化装置专业论文）基于能量的中央空调节能控制系统开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着大型建筑的不断涌现和中央空调的普遍应用，建筑能耗大大增加，中央 空调的能耗约占建筑能耗半以上。目前，在大型公共建筑中中央空调传统的控 制方法是采用楼宇自控系统( b a s ) ，但是由于b a s 针对各中央空调设备实行分别 监控，它很难实现全局最优控制效果，很难获得最大限度的节能。因此，对中央 空调进行节能研究具有重要意义。 本文在分析原有大型公共建筑中央空调节能控制不足的基础上，以中央空调 全局节能为目标，提出以能量为控制参数的中央空调系统节能控制方法。从理论 上阐述这种方法的节能原理，从实际应用上完成控制系统的开发，并通过实验数 据分析和工程应用表明该方法有助于提高中央空调的节能效果。 首先，根据能量守恒定律，利用冷冻站的输出冷负荷和建筑物室内外的温度 等数据，建立建筑物末端冷负荷的计算模型，并采用这个模型完成建筑物术端冷 负荷的实时计算。提出基准冷负荷概念，分析其计算方法，并作为中央空调的节 能控制参数。 其次，结合中央空调设备传统控制方法，利用建筑末端的冷负荷和动态能耗 指标，实现中央空调能耗设备的单独节能控制和整体节能控制。根据冷负荷需求 量和水泵变流量的传统控制方法( p i d ) ，设计冷冻水泵的控制算法，实现在满足末 端冷负荷需求的要求下使冷冻站输出冷负荷最低，避免水泵超调过大和输出反复 调整等现象；利用水泵变流量的数据、冷冻水路管道的蓄含冷量以及末端冷负荷 需求量，完成制冷机的停机节能控制；通过制冷机c o p 和影响c o p 的相关因素， 建立冷却塔和制冷机的能耗数学模型，并利用这两个模型完成冷却塔功耗与制冷 机功耗整体节能的理论分析和整体最优控制算法设计。 再次，h v a c 节能控制系统的研发。采用m i c r o c h i p 公司的微控制器作为主控 单元，设计包括制冷机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机操作控制和信息采集 在内的控制系统，并对控制系统进行稳定性分析和抗干扰设计。软件方面，采用 嵌入式操作系统进行开发，提高系统的稳定性、可靠性和扩展性；硬件方面，包 括冷冻站设备的控制，h v a c 信号采集、控制柜操作检测、以太网通讯、r s 4 8 5 山东大学硕士学位论文 通讯、实时时钟、外部存储等。电磁干扰方面，采取数字地与模拟地的隔离、电 源的频率补偿、输入信号的滤波、强电与弱电分离以及大电磁干扰元件的隔离等 措施，提高硬件电路的稳定性和抗干扰能力。 最后，利用开发系统对现有中央空调的数据进行能耗分析，试验表明该方法 可以实现2 7 的节能；研发的系统应用于实际项目中对中央空调冷冻泵进行节能 控制，现场运行数据表明节能达n 3 0 。 关键词：中央空调；节能；能效；冷负荷；c o p = 变流量 山东大学硕士学位论文 a b s t 队c t w i t hl a r g eb u i l d i n g se m e r g i n ga n dc e n t r a la i rc o n d i t i o n i n gu n i v e r s a la p p l i c a t i n g ， b u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ni n c r e a s eg r e a t l y a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，t h eh v a c ( h e a t v e n t i l a t i o na i rc o n d i t i o n a r ) e n e r g yc o n s u m p t i o na c h i e v e sm o r et h a nh a l fo fb u i l d i n g e n e r g yc o n s u m p t i o n a tp r e s e n t ，t h eh v a c st r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o di nl a r g e - s c a l e p u b l i cb u i l d i n g si sb a s ( b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m s ) t h eh v a ce q u i p m e n t sa r e r e s p e c t i v e l ym o n i t o r e db yb a s ，s oi t sd i f f i c u l tt oa c h i e v eo p t i m a lc o n t r o le f f e c t ，a n d d i f f i c u l tt oo b t a i nm a x i m u me n e r g ys a v i n g t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho ne n e r g ys a v i n go f h v a ch a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e b ya n a l y z i n gt h et r a d i t i o n a lh v a cc o n t r o ls y s t e m ss h o r t c o m i n g s ，w ep u t f o r w a r dac o n t r o lm e t h o dw i t ht h ep a r a m e t e ro fe n e r g yf o rg l o b a le n e r g ys a v i n g i nt h e p a p e r , w et h e o r e t i c a l l ye x p o u n dt h ep r i n c i p l eo ft h i sm e t h o d ，a n dd e s i g nn e wc o n t r o l s y s t e m s e x p e r i m e n t sa n da p p l i c a t i o n ss h o wt h a tt h i sm e t h o di m p r o v e sh v a ce n e r g y s a v i n g se f f e c t f i r s t l y , a c c o r d i n gt ol a wo fe n e r g yc o n s e r v a t i o n ，w eu s er e f r i g e r a t i o ns t a t i o n s o u t p u tc o o l i n gl o a da n dt e m p e r a t u r eo ft h eb u i l d i n gi n d o o ra n do u t d o o rt oe s t a b l i s h c o o l i n gl o a d sm o d e lo ft h eb u i l d i n g ，a n dt h e na d o p tt h i sm o d e lt oc o m p l e t et h e t e r m i n a lb u i l d i n gc o o l i n gl o a d sr e a l t i m ec a l c u l a t i o n a c c o r d i n gt ob u i l d i n gs t a n d a r d c o o l i n gl o a da n dd e t a i l e da n a l y s i so ft h ec o o l i n gl o a d ，w ep r o p o s ean e wd y n a m i c e n e r g yi n d e xa sac o n t r o lp a r a m e t e ro fh v a c s e c o n d l y , b a s e so nt h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o do fh v a c ，c o o l i n gl o a do f t e r m i n a lb u i l d i n g ，a n dt h ed y n a m i ce n e r g yi n d e x e ，w ec o m p l e t eh v a ce q u i p m e n t s s e p a r a t e dc o n t r o la l g o r i t h m sa n du n i t e dc o n t r o la l g o r i t h m s a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d o ft e r m i n a lc o o l i n gl o a da n dt r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d so fv w v ，w ed e s i g nn e wp u m p c o n t r o la l g o r i t h m s ，w h i c hc a nm e e tt h eb u i l d i n g sn e e da n dr e a l i z et h el o w e s to u t p u t l o a do fs t a t i o n ，t h i sa l g o r i t h ma v o i dp u m p so u t p u te x c e s s i n go v e r s h o o ta n dp u m p i n g r e p e a t e da d j u s t m e n t ，e t c s w eu s ev a r i a b l ef l o wp u m pd a t a , c h i l l e rw a t e rp i p e s s t o r a g el o a da n dt e r m i n a lc o o l i n gl o a d sd e m a n dr e a l i z i n gt h ec h i l l e re n e r g yc o n t r o l a l g o r i t h m t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ee f f e c ta n de f f i c i e n c yo fc o pa n dr e l a t e df a c t o r s ， w ee s t a b l i s h et h ec h i l l e ra n dt h ec o o l i n gt o w e r sm a t h e m a t i c a lm o d e l s w eu s et h e s e t w om o d e l st oc o m p l e t et h ec h i l l e ra n dc o o l i n gt o w e r se n e r g yc o n s u m p t i o na n a l y s i s ， i i i 山东大学硕士学位论文 a n dc o m p l e t et h e i ru n i t e do p t i m a lc o n t r o la l g o r i t h m sd e s i g n t h i r d l y , b a s e do nt h ee n e r g ya sp a r a m e t e ro fe n e r g ys a v i n gc o n t r o lm e t h o d ，w e c o m p l e t et h ee n e r g y - s a v i n gc o n t r o ls y s t e m sd e v e l o p m e n t w eu s em i c r o c h i pi n c s m c u d e s i g nt h ec o n t r o l l e rb a s e so nt c p i pa n dr s 4 8 5n e t w o r k ，w h i c hi n c l u d e s c h i l l e r , c h i l l e rp u m p ，c o o l i n gp u m p ，a n dc o o l i n gt o w e r sv e n t i l a t o r t h i sd e v e l o p m e n t b o a r d si n c l u d ea l lh v a cd a t as a m p l i n g ，d e t e c ta n dc o n t r o la l ld e v i c e si nt h es t a t i o n i n t h es o f t w a r ed e s i g n ，t h em e t h o r do fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mh a sb e e nu s e d ；i t i m p r o v e st h es o f t w a r ed e s i g n ss p e e da n di n c r e a s e st h es o f t w a r e ss t a b i l i t y ，r e l i a b i l i t y ， a n de x p a n s i b i l i t y i nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h ed e v e l o p m e n tb o a r d si n c l u d eh v a cd a t a s a m p l i n g ，c o n t r o l c a b i n e t s s i g n a ld e t e c t i o n ，t c p i pc o m m u n i c a t i o n ，r s 4 8 5 c o m m u n i c a t i o n ，r t c c ，o u t s i d em e m o r y , a n ds oo n i ne l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) d e s i g n ，w et a k eas e r i e so fm e a s u r e st oi m p r o v et h es y s t e mh a r d w a r e ss t a b i l i t y a n dc a p a c i t yo fr e s i s t i n gd i s t u r b a n c e s u c ha ss e p a r a t i n gd i g i tc i r c u i t s g r o u n da n d a n a l o gc i r c u i t sg r o u n d ，t h e 丘e q u e n c yc o m p e n s a t i o no fp o w e r ，f i l t e r a t i o no fi n p u t s i g n a l ，s e p a r a t i n go fh i g hp o w e ra n dl o wp o w e r ，i s o l a t i n gb i ge l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ec o m p o n e n t s ，a n ds oo n f i n a l l y , b ya n a l y z i n gh v a c se n e r g y - s a v i n gs i t u a t i o nu s i n gt h i sm e t h o r d ，t h e a n a l y t i cd a t as h o w st h eh v a cs y s t e mh a s2 7 e n e r g ys a v i n g ，w eu s et h ed e v e l o p m e n t s y s t e mi nap r o j e c t ，w h i c ht h eh v a c sc h i l l e rp u m ph a sb e e nr e c o n s t r u c t e d t h ed a t a s h o w st h a tt h ec h i l l e rp u m ph a s3 0 e n e r g ys a v i n g ，i th a sg o o de f f e c t i v e k e y w o r d ：h v a c ，e n e r g ys a v i n g ，e n e r g ye f f i c i e n c y , c o o l i n gl o a d ，c o p , v w v i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垄重! 塞! 日期：名删 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：查盘盏导师签名： 超日期：2 啦7 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 我国在经济高速发展的同时，资源也十分严重。与发达国家相比，我国的单 位国民生产值能耗是发达国家的6 1 0 倍。生产单位产品的能耗也比发达国家高 5 0 1 0 0 t 。因此，国家对节能降耗越来越重视。国民的环保节能意识也日益加 强。节能降耗，降低生产、办公成本，成为了许多企业提高市场竞争力的主要途 径之一。 在节能降耗的措施当中，减少中央空调的耗能就是一个被普遍重视的重要途 径。中央空调系统在工业厂房和商业楼宇中被广泛应用，它是工业生产和商业建 筑的基础配套设施的一个非常重要的组成部分，其能耗在工业生产和建筑物日常 总能耗中占了相当庞大的份额。在工业中，中央空调能耗占总能耗的4 0 以上； 在商业建筑中，能耗的8 0 以上是由建筑物中的机电设备、照明灯运行产生的， 其中现代化中央空调能耗又占总能耗的6 0 左右。如何在保证环境舒适的同时降 低中央空调的能耗，成为了一个科学界与工程界都十分关注的问题。 1 1 课题的提出 空调系统由冷水机组、水泵、冷却塔风机、末端风机盘管等设备组成。这些 设备在最近十几年都得到了较大的发展，工作效率得到较大的提高。中央空调的 控制算法也经历了p i d 控制、自适应控制、最优控制、解耦控制、模糊控制以及 神经网络控制等，并取得了很好的控制效果。但是通过观察中央空调节能发展的 速度并没有因为空调设备性能的提高和控制算法的改进而得到相应的提高，相 反，目前中央空调存在的问题是越来越多。 由此可见，中央空调现在的问题不是技术上的问题，也不是控制算法上的问 题，那么其问题到底出在哪里? 又该如何解决? 这是本课题提出研究的原因和需 要解决的工作。 山东大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状、发展动态 中央空调节能技术因其巨大的经济效益和社会效益，受到广泛的关注。许多 公司与科研工作者对中央空调节能技术进行研究，已经经历了多次技术革新【2 j ： 第一代技术以水泵节能改造为主，采用中央空调水泵变频节能控制技术，单 一的压差或温差控制，压差控制一般节能幅度在水泵上能达到1 0 3 0 ，而温差 控制相对于压差控制更进一步，能实现泵系统4 0 的节能幅度。这在整个中央空 调系统的节能通常占5 1 0 。 第二代技术通过先进的计算机软件处理、模块化控制结合变频技术，多点信 号的采集与处理，在传统的变频技术的基础上实现了智能控制，使该控制系统能 跟随温度的变化动态调整所需的实际负荷。这样能达到主机节能1 0 3 0 ，水系 统节能6 0 8 0 ，从而使整机节能达到2 0 4 0 左右。 由第二代技术开始，控制软件处理已经成为了节能系统的核心技术。专家系 统、模糊系统、最优化控制等新技术广泛运用到节能装置中。一个适合实际需要 的控制核心模块成为了中央空调节能技术研究和实施的关键。传统的p i d 控制只 适用于单变量的线性控制系统，对于中央空调机组这种多变量、多扰动的控制系 统而言它是无能为力的。 在中央空调系统中采用变流量控制是中央空调节能技术的另一个发展方向。 变流量系统在运行过程中各分支环路的流量随着外界环境负荷的变化而变化，既 保证空调系统的舒适性，又能实现节能的目的。在变流量控制的过程中，对流量 的控制一般采用p i d 参数调节和定压差技术调节。 第三代技术，基于第二代的节能控制系统，采用整体优化的思想，对中央空 调整体进行改造，其中包括空调主机制冷剂的替换、风机盘管清洁、抗耐磨剂的 添加等等且可以实现远程控制，然后选择第二代的变频控制系统，使中央空调整 体达到2 5 0 o , - 5 0 的节能效果，是最新兴的节能研究方向之一。 1 3 中央空调系统的特点和问题 中央空调作为一个复杂的系统，由数目庞大的部件组成，且各部件往往分布 在整个建筑物的各处。要使系统发挥出保障室内环境的空气调节能力，各部件必 2 山东大学硕士学位论文 须有效地协同工作，因而中央空调的系统控制显得非常重要。 中央空调系统目前主要特点【3 】： 1 、多干扰性。空调系统的功能就是为了维持要求的室内环境，而这一环境 受着太阳辐射、室外空气传热、室内散热以及室内人员的散热、散湿的 影响，因而空调系统具有多干扰性。 2 、控制对象的多样性。由于室内环境本身受诸多因素的影响，同时由于建 筑形式和使用状况的不同，被控的环境各不相同。 3 、被控变量的相关性。一般空调系统的控制变量为房间的温度和湿度，常 常在一个对象里对这两个被调量同时进行调节，但这两个参数既相互制 约又相互影响。调节温度会改变空气中水蒸气的饱和分压力，引起室内 相对湿度的变化；而对湿度进行调节时( 一般为表面冷却去湿或喷水、 喷水蒸气加湿) ，又会改变空气的温度。 4 、对象的可变性。一般的空调系统都有夏季和冬季两种工况，两种工况下 对象的要求和工作原理都不尽相同。由于这些特性，使得空调系统的控 制往往显得复杂，但也同时由于这个原因，空调系统的控制具有多样性， 并且在不断的研究和工程实践中发展、进步。 当前中央空调存在的主要问题可以总结为如下几方面： 1 、中央空调系统设计余量过大，出现“大马拉小车”现象，系统效率不高； 2 、系统管路布局不甚合理，人为增大了系统本身阻力，引起耗能增加； 3 、运行过程的控制欠佳，大多没有进行有效的能量管理。 1 4 空调系统的节能措施 空调系统的节能措施【4 1 可以分为三方面： l 、建筑设计节能，它是一种降低“热量”来源的节能思想； 2 、调节末端空调的质量，从而降低冷负荷需求的节能措施； 3 、空调系统方面节能，通过改善中央空调的设计，协调设备之间的控制， 从而达到提高整个系统工作效率的节能思想。 山东大学硕士学位论文 1 4 1 建筑设计节能 建筑物的空调负荷主要受建筑条件的影响，因而要做到空调系统的节能，首 先应该使建筑节能，降低空调负荷。在建筑设计时要做到节能【5 】，主要有以下一 些方面要注意： l 、围护结构的传热系数应符合相关规范的要求，改善建筑物维护结构的保 温性能，使用保温节能材料。 2 、空调建筑尽量避免东西朝向，减小外表面积并采用浅色外表饰面。 3 、尽量减小外窗面积，窗墙面积比在单层窗时不宜超过3 0 ，双层窗或单框 双玻窗时不宜超过4 0 ；对向阳面的窗户，尽量采用热反射玻璃、反射阳 光镀膜能有效减少阳光透射的措施，或使用内外遮阳等措施。 4 、空调房间应集中布置，温湿度要求相近的空调房间宜相邻布置；尽量避 免布置在转角房间和有变形缝处；避免布置空调房间在顶层，当必须布 置在顶层时，屋顶应有良好的隔热措施。 5 、外窗的气密性等级应满足相关规范的要求，外窗的部分窗扇应能开启， 当有频繁开启的外门时，应设置门斗或空气幕等防渗透设施。 6 、间歇使用的空调建筑，其外围护结构内侧和内围护结构宜采用轻质材料； 连续使用的空调建筑，其外围护结构内侧和内围护结构宜采用重质材料。 1 4 2 合理降低室内温、湿度标准 夏季室内温度和相对湿度越低，冬季室内温度和相对湿度越高，系统设备耗 能就越大。资料显利7 1 ，夏季室内温度从2 4 c 改为2 8 c ，冷负荷可减少3 6 ；冬 季室温从2 2 改为1 8 热负荷可减少5 5 左右。 改变一次空气的露点温度( 亦即改变室内相对湿度) 。夏季，从i o 。c 提高到 1 2 可节省冷量1 7 。冬季从1 0 降低到8 可节省热量5 。可见，为了节约能 耗，在满足生产要求和人体健康舒适的情况下，室内温、湿度在夏季应尽可能提 高，冬季应尽可能降低。 1 4 3 空调系统方面节能 4 1 设备选型要合适，并尽量选用节能高效的产品。水泵的流量和扬程、风机 山东大学硕士学位论文 的风量和风压应与系统要求相适应，选择最佳经济点运行，制冷机组最好大小搭 配以方便调节1 8 j 。 2 提高系统的施工质量，尽量减少管路系统的漏水、漏风现象，加强保温措 施，减少冷量在输送过程中的损失。 3 合理控制和正确利用室外新风，这是空调系统最有效的节能措施之一。对 于夏季需供冷、冬季需供热的空调房间，室外新风量越大，系统能耗越大。在这 种情况下，室外新风应控制到卫生要求的最小值。冬季和过渡季，对于那些室内 周边负荷影响小，而内区发热量较大的建筑，如大的商店、会堂、剧场等，室内 需要提供冷风时，要充分利用室外新风具有的冷量，可全部引入室外新风，推迟 人工冷源使用的时间，节约人工冷源的能耗。 4 减少输送系统的能耗。加大管路尺寸和尽量减少弯头阀门等可以减少空气 和水在输送过程的阻力，增大送风温差和供、回水温差可以减少流量，这都可使 系统输送能量大大下降。 5 送风方式上，高速喷口诱导送风方式，送风速度大，诱导室内空气量多， 可加大送风温差，减少送风量，节省能量。在高大空间中，利用空气密度随着垂 直方向温度变化而自然分层的现象，仅对下部工作区间空调，与全室空调相比， 一般可节能冷量3 0 0 o , , 5 0 。下送风或座椅送风等局部送风方式。只考虑工作区或 人员所在处的负荷，可减少送风量并降低空调负荷。 6 采用热回收技术。空气热回收设备有显热回收器和全热回收器两种，它主 要用于回收空调系统中排风的能量，并将其直接传递给新风。热回收设备可单独 设置在空调新排风系统中，也可作为组合式空调机组的一个功能段，一般可节省 新风负荷量7 0 左右。 7 确保空调系统运行管理的自动，不仅可以保证空调房间温、湿度精度要求， 节省人力，而且是防止空调系统能量损失、节约能耗的重要环节，主要有以下几 个方面： ( 1 ) 室内温、湿度控制：调节空调系统的热量、改变风机盘管冷( 热) 水 量、改变风机转速等都控制室温。同理，改变盘管冷水量，调节供回水三通阀门， 改变新回风混合比等，都可以控制室内相对湿度( 或控制冷却器、喷水室后露点 温度) 。如果室温或室内相对湿度不控制，夏季会出现室内过冷、过干；冬季出 现室内过热、过湿现象，造成过多地消耗能量。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 最佳启动和停机时间控制：对于间歇运行的空调系统，当空调设备停 止运行时，室内空气温度发生变化，同时围护结构储存了一定的热量或冷量；房 间再次开始使用之前，为了将室内温度调到给定值，必须提前向房间供入多于设 计状态下房间冷( 热) 负荷的冷( 热) 量。根据空调机( 或冷、热源) 停止运行 后室温的变化规律，得出可以维持室温最低要求制冷机最早停机时间， ( 3 ) 利用微处理机控制空调系统的运行：用微处理机控制空调系统自动运 行，主要是由这些微处理机通过预测室内、外空气的状态参数，以维持室内的舒 适环境( 即室内需要的空气温、湿度) 为约束条件把最小耗能量作为基本的评价 函数，根据空调负荷大小来判断和确定供冷( 热) 量多少，指挥冷( 热) 源机组 ( 或空调机) 、水泵、风机、的运转台数，工作方式及运转周期。 第一种方法是在“根源”上考虑中央空调的节能，从源头做起，杜绝中央空 调末端冷负荷的浪费，减少冷负荷进入室内，可以大大减少空调冷负荷的需求， 节能效果比较明显，但需要涉及的范围比较广，目前在我国实现起来困难比较大。 第二种方法可以在一定程度上降低中央空调的能耗，但它只是在“表面”上 做工作，不能解决中央空调的本质问题。 第三种方法是在“系统上考虑中央空调的节能，通过控制中央空调设备的 合理运行，能够比较好解决当前中央空调的问题，也是非常实际的一种方法。 1 5 本课题的研究内容和意义 本论文的研究是从空调系统方面考虑节能，其中主要的工作是设计合理的空 调系统运行管理方案，从系统上、整体上实现中央空调的节能。 中央空调是由制冷机子系统、冷冻泵子系统、冷却泵子系统、冷却塔子系统 等构成的以能量为传输和交换对象的复杂系统。因此，如果想要比较好的完成中 央空调设备的控制和节能，不仅需要清楚中央空调每个子系统的特征，还需要掌 握中央空调的整体系统特性和各个子系统之间的耦合关系，只有从整体与局部、 中央空调与外部环境之间的相互联系、相互制约的关系中综合地、动态地考察和 研究，才能实现中央空调整体上最佳节能。 本研究课题是采用以能量为控制对象，完成中央空调大系统节能优化的理论 分析和控制系统的开发，并在实验和工程改造证明该方法的节能效果。 6 山东大学硕士学位论文 本文主要分为五个章节，具体如下： 第一章，绪论。介绍当前智能建筑能耗现状以及我国中央空调发展的状况和 不足之处，提出本课题研究的内容和意义。 第二章，冷负荷模型建立和基准冷负荷的提出。介绍了基于能量守恒定律， 对中央空调末端冷负荷进行建模的思想，给出了具体实现的方法，阐述了该冷负 荷模型对整个中央空调节能的意义。根据建筑冷负荷的定义，对建筑物冷负荷进 行详细分析，提出基准负荷以及新的动态能耗控制指标，作为控制参数进行控制。 第三章，基于能量的节能原理及控制算法。详细介绍以能量为控制对象的中 央空调节能控制方法的原理，以及结合传统控制思路设计新的控制算法。主要包 括：冷冻泵变流量节能控制，冷却泵变流量节能控制，冷却塔与制冷机整体节能 控制以及制冷机停机节能控制等几个部分。 第四章，控制系统的开发与测试。主要内容包括：冷冻站机房控制系统的构 架设计，基于嵌入式操作系统软件开发，冷冻站控制系统具体完成的功能和工作 流程，基于m i c r o c h i p 公司的微控制器控制板的开发，利用p i c l 8 f 8 7 2 2 完成机房服 务器的设计，利用2 4 f j 6 4 g a 0 0 6 完成节点控制器的设计。对中央空调数据进行节 能分析和工程应用的节能效果分析。 第五章，总结与展望。 7 山东大学硕士学位论文 第二章冷负荷模型建立 建筑物使用中央空调的目的是在夏季向室内输送冷量，在冬季向室内输送热 量，进而使室内的温度维持在比较舒适的状况。由于末端空气状况变化无常，所 以要求中央空调的控制器满足以下功能： l 、根据建筑末端引起冷负荷变化，如昼夜时段与季节变化引起冷负荷变化、 设备与员工引起的冷负荷变化等，实现主动调整冷冻站冷负荷输出的功能，即“按 需供能”。 2 、满足系统动态响应的实时性。 为了较好的实现中央空调节能控制系统的实时性和动态性，需要清楚中央空 调的工作原理，如图2 1 ： 图2 一l ：中央空调工作原理 由图得知中央空调工作原理，本质上是完成冷负荷交换和传递过程，末端冷 负荷是中央空调处理的对象，是中央空调控制实现大系统优化的一个重要因素。 在进行中央空调控制时，如果获得末端冷负荷变化的状况，比如冷负荷的需求量 和冷负荷的变化趋势，那么实现整个系统的动态控制就变得比较容易。 一般计算建筑末端冷负荷的方法，基本上是先通过一系列实验，先获得需要 的数据，然后再根据数据计算各个“冷负荷源 引起建筑内冷负荷的变化量，最 后将所有“冷负荷源所引起建筑内冷负荷变化相加得到建筑屋内总的冷负荷， 不同之处是考虑“冷负荷源引起的得热显热不同。最终通过计算获得建筑冷负 荷计算的模型，再利用这个模型，根据不同的参数计算建筑冷负荷。 山东大学硕士学位论文 目前计算冷负荷的方法有很多，但是从原理上可以分为两种，一种是机理建 模法，另一种是辨识建模法。 l 、机理建模法：机理建模主要是从质量守恒，能量守恒，运动学，动力学， 热力学，流体力学等基本原理出发，列出有关的方程式。这样建立的模型，一般 比较复杂。 2 、辨识建模法：系统辨识方法则主要根据系统的输入一输出数据，对被建 模对象的结构，模型参数进行辨识与估计。这类方法近年来由于控制工作者的努 力，已经比较成熟。但如何将这些方法具体用在中央空调系统中，文献中的报道 还不多。因此，如何针对中央空调系统的特点，在存在数据噪声的情况下，得到 准确的模型还需要进一步研究。 2 1 辐射时间序列法计算冷负荷 该方法属于机理建模，在1 9 9 7 年由a s h r a et c 4 1 ( 设计负荷计算委员会) 提出了一种新的设计负荷简化算法，该方法由热平衡法而来，是一种新的计算空 调冷负荷的方法【1 2 】。 2 1 1 基本假设 在进行负荷计算时，可作以下基本假设： 1 ) 室内和室外所有扰动量都是以2 4 d 时为周期进行变化的，空气温度为常 数； 2 ) 所有表面得热最终都转化为冷负荷，即不存在从室内到室外的热损失； 3 ) 周期响应因子和辐射时间因子是预先计算确定的； 4 ) 太阳辐射仅分布在地板上，而其他短波和长波辐射均匀地分布在区域的各 个内表面上； 5 ) 内外表面的复合传热系数不随时间的变化而变化。 2 1 2 计算流程 空调动态冷负荷计算流程如图2 2 所示，所有得热量可分为辐射部分和对流部 分，其中对流部分直接转变为逐时冷负荷，辐射部分可通过适当的辐射时间因子 9 山东大学硕士学位论文 序列处理后得到辐射冷负荷，总的逐时冷负荷则由对流冷负荷与辐射冷负荷组 成。其中，墙体、屋顶的导热得热量可通过周期响应因子和空气综合温度计算得 到。 i 禚滕h 谶。卜 把 上 所 计算每个窗广每时刻 有 的太阳辐射得热量 使用周期响应因子计 得 算每一外表面每时刻热 l 时刻的综合温度i ， 旦 的导热得热晕里 、r 分 厶 成 ( ) 逐时冷 辐 一 计谋的得热导热景l ， 射 jl 部 分 和 使用周期响应因子计 备每时刻的得热量l ， 对 算每一外表面每时刻 流 的导热得热量 部 分 得热量寡鐾l 透 l 图2 2 ：空调动态冷负荷计算流程 2 1 3 表面导热得热量和辐射冷负荷的计算 i o 表面导热得热量为： 吼p ) ：量也_ p 一。占一k ) 公式说明： 荷 ( 2 - 1 ) 是以2 4 小时为周期的第门个响应因子，w ( m 2 k ) ； t e , y , o - n 8 为第p 小时算起刀小时前的综合温度，； f 。室内空气设定温度，。 逐时辐射冷负荷为： 公式说明： 第甩辐射时间因子； q e - 占刀前的得热量的辐射部分，w 。 ( 2 2 )占n一口 g ”脚 i i lc口g 山东大学硕士学位论文 2 1 4 周期响应因子的计算 逐时得热方程组为： 公式说明： r 。w 室外空气综合温度，； f 。室内空气设定温度，。 将上式子写成矩阵乘积的形式： 其中，b k 、d k 由文献【1 2 】查的。 _ t 。 瓯 玩 玩 瓯 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 对式( 2 4 ) 进行矩阵变换可得： q 。= d b t o 埘一d b t 。= d b ( t o 圳- t 。) ( 2 - 5 ) 式中说明i g 。一天室内侧逐时导热得热列向量，w ； f 伽，室外逐时空气综合温度列向量，； f 。各元素均为室内空气温度的列向量，。 另外，将式( 2 1 ) 写成如下矩阵形式： q e ( 1 ) q 。( 2 ) g 。( 3 ) q , ( 2 4 ) 巧( o ) 耳( 2 3 ) y p ( 2 2 ) 耳( 2 ) 耳( 1 ) 耳( 1 )昂( o )耳( 2 3 ) 巧( 2 2 ) 昂( 2 ) 耳( 2 )斥( 1 )耳( o )乓( 2 3 ) y e ( 2 2 ) 耳( 2 3 ) 耳( 2 2 ) 昂( 2 )巧( 1 )昂( 0 ) 乙“( 1 ) t o t ( 2 ) f 洲( 3 ) f 删( 2 4 ) 一t c 耳 耳l 耳i ： i 。 l 耳j ( 2 6 ) 玩 。脚 陀 f一 、l ， 七一 p吼 d 。料 一 、l， k 一 pw乞 。枷 | | 、l ，p吼 、，、，、， 、4， ”； 加北；以 丌iiioiiiijiij= 研吐以 吐吃 研 以0 吐 o o ；以 o o 1 0 4 o 研以 0 ；“水拍；凛 丌iijijiiii且 觑现既 阮 色岛 轨 以o 也 0 0 岛 0 0 ； 0岛 0 如磊如 o 山东大学硕士学位论文 对( 2 - 6 ) 式进行变换有t q 。= v p t o 甜一耳，阳= 0 叫一t 。) 式中：耳为周期响应因子矩阵。 2 1 5 辐射时间因子的计算 ( 2 - 7 ) 辐射时间因子的计算有两种方法：一是利用热平衡方法；二是应用现有的 a s h r a e 数据库直接从权系数求出对应的辐射时间因子。前者计算方法复杂且需要 预先做出很多假设条件，不适合做工程应用研究。因此本文仅研究从后者来产生 辐射时间因子的方法。 当前时刻的辐射冷负荷为 1 2 ( 2 8 ) 公式说明： 伤当前时刻辐射冷负荷，w ： ，、w 为权系数；在求得太阳辐射得热的房间反应系数后， 可由系统辨识法得到。 q o - j a r j 小时前房间得热量的辐射部分，w ； a r 取1 h ； 伤一尬，k 小时前的辐射冷负荷，w 。 将式( 2 8 ) 写成矩阵形式有： 10 嵋 1 w 2w l 00 0 0o lo 。w 2 嘶 。 w 2 0 w l 1 9 q q q 。 v o 0 0 吃 hv o 00 v 2v lv o 00 0 0 v 2v i ( 2 9 ) 对式子( 2 9 ) 进行矩阵变换，得： q = g 1 c l q( 2 1 0 ) 式中说明： q 一天内房间逐时辐射冷负荷列向量，w ： g 一天内房间逐时得热量的辐射部分列向量。 丛一绋 ： 一 舾 吖 ：脚 = 伤 吼吼吼； =iiiiiiiiji且 h 屹 山东大学硕士学位论文 另外将( 2 2 ) 式写成如下矩阵形式： 蜴 q 奶 ： q 2 。 吃3厂2 2 吒3 吃 r 2 3 吒2 眨 r 2 2 吒 r 2 3吒2 吒1 q l 曰2 口3 ： q 2 4 q = r q 式中：r 为辐射时间因子系数矩阵。 由式子( 2 - 1 0 ) 和( 2 1 2 ) 可得辐射时间因子与权系数的关系： r = 9 1c l 其中q 1c 1 第一列为辐射时间因子列向量。 2 1 6 总结 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 辐射时间序列法比其他机理建模方法要简单不少，是目前比较流行的一种建 模方法。但是通过上述计算公式，比如表面导热得热量、辐射冷量、周期响应因 子、辐射时间因子的计算等，可以看出该方法的计算量仍然比较大，而且求取的 各个因子比较繁琐，在应用中脱离不了计算机，难以在嵌入式系统中开发应用， 这样保证不了中央空调控制系统实时性的需求。 此外，该方法从机理上看计算的冷负荷没有任何问题，但是目前我国中央空 调建筑物预算的冷负荷过大( 排除人为加大的保险系数) 与计算建筑物冷负荷的 数学模型脱离不了关系。从控制角度上看是缺少“反馈环节”，是一个开环结构， 而不是“闭环负反馈”，缺少建筑物实际应用时所消耗的冷负荷对计算模型进行 修正，这也是目前中央空调欠缺之处。 2 2 基于能量守恒的末端冷负荷计算 基于能量守恒的末端冷负荷计算方法属于辨识建模法，是针对目前我国中央 空调预算冷负荷过大和控制系统实时控制需求而提出的，以能量守恒为依据，即 冷冻站输出的冷负荷与建筑物未端消耗的冷负荷“相等”，通过冷冻站“反馈” 数据建立冷负荷模型。首先，根据冷冻水流量、冷冻水供水温度、冷冻水回水温 1 3 山东大学硕士学位论文 度得到冷冻站的输出冷负荷。其次，分析影响建筑末端冷负荷的相关因素，找出 影响建筑末端冷负荷的因变量。最后，通过“能量平衡”将冷冻站的输出冷负荷 与影响建筑末端冷负荷的因变量联系起来，来建立建筑末端冷负荷计算的数学模 型【1 3 】【1 4 】【1 5 1 。该方法的特点是利用冷冻站输出的冷负荷对模型计算的结果进行实时 验证和修正，保证模型计算得到的冷负荷最大限度的符合实际