（材料加工工程专业论文）基于dcs结构的蓄能空调计算机控制与管理系统的研究.pdf

武汉理工大学硖j 学位论文 摘要 随着经济的发展和人民生活水平的提高，我圈城市用电量e l 益增加，使 得电力供应越来越紧张。要解决电力紧张的问题，除了加快电力建殴，还要 充分利用现有电力资源，鼓勋角户节约用电。为此，国家电力部门适时制定 了蜂谷电价政策，将峰股电价差拉开，这就为蓄能空调技术的发展带来r 契 机。所渭蓄能空调就是利用蓄能设务在夜间电阏低谷时段将制冷主机制冷( 或 电锅炉制热) 所得鹃能量储存起来，在白天电网高峰时段将这部分能量释放 出来。蕾能空调和电力系统的分时电价敢策结合，从宏观上可以起到平衡电 网的诉，用，微观上可以为空调用户节省大量运行赞躅，因此已成为我国今后 进行电力负棼需求侧管理、改善电力供稼矛盾、促进能源、经济和环境协调 发展的最主要节能技术之。 蓄能空调与常舰空调相比，增加了套蓦能设冬襁相应的辅助没鍪和管 路系统，其运行模式除常规制冷( 热) 之夕 ，还有蓄冷( 热) 、放冷( 热) 等。这 些都使得蓄能空调系统的运彳亍管理变键复杂，丽旦空调设备l 乍为建筑物的糕 电大户，其节能控制也菲常重要，因此有必要建立一套蓄能空调的集中控制 和管理系统，在确保设备正常启停与傈护、系统安全运行的基础上，合理确 定蓄能方式和运行策略，正确控制工况的转换，优化设备利用状态，达到空 调系统的无入化、自动化、节能化运行。 为此，我们与武汉禚兴辊电公司合作，针对菜办公大厦蓄能空调研究开 发了拿基于d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 体系结构的计算枕控制管理系 统。该系统采用中央控制枫( 上位枧) 通过逶讯网络与现场控制梳( 下位枫) 相结 台，分： 块 乍宠戏对藿能空调系统的远程控制和集中管理。 本艾在分辑蓄能空调鼓术的基破之上，确定运行策略和工作模式，从而 确定控制管理方案，并摄此构建了硬僻系统。在软件设计上，上位枫利用力 控组态软件进行煦控程序开发实现了数据的采集与管理、运行状态显示、 设备的远程控制、故障诊断和报警以及工况的自动切换等功能。阉时剥用模 糊控制技术实现了末端供水温度的恒定控制。下使机的选用则在分板其控剑 武汉理工大学硕士学位论文 要求的基础上，根据所需1 1 0 点数的要求，选择o m r o n 公司的c 2 0 0 hp i ，c ， 通过梯形图程序设计，实现现场数据的检测上传、上位机下传数据的接收与 输尚控制，以及在上饶视脱机或敌障时实施手动控制等功能。由于力控缀态 软件内嵌有o m r o np l c 的驱动程序，因此在通讯接口设计上，本文主要就 ：位计算祝与p l c 之间的通讯接汹物理连接、通信参数设置、数据链路的建 芷等进行了研究和灞述。 本文黎后稍用研蔓 未板卡迸行了数据通讯接口模毅实验，验证了本系统数 据通讯抟可实现性、准确性帮时效性。嗣时通过对上位祝监控软件的运行设 巢分板，系统熬设计达到了颥凝静功能要求。 奉文开发鳃基于d c s 体系结梅酌计算梳控制管邂系统赛萄蠢观、操作方 便、功能丰富，透过上位计算橇帮一f 位枫抟有视结合，实臻了蓄鹾空调全系 统的集中爨控管理及搜冬远程控制，大大降低了运行管璜入爨的劳动量；并 且避过运行方案熬优化分毒厅指导，充分发挥了蓄能空调黢节能佬势，达到了 削峰填谷、节套运毒亍爨用的垦魄。l 关键词：蓄能空调，d c s ，讨算机控划，组态软l 譬，摸糊控誊 一壁坚堡兰盔堂堡圭兰垡堡茎 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fe c o n o m i c sa n dp e o p l e sl i v i n gc o n d i t i o n s ，t h e u s a g eo fp o w e ri nc i t yg r o w sr a p i d l y ，w h i c hb r i n g sm a n yp r o b l e m so fp o w e r s u p p l e m e n t ，2 os o l v et h e s ep r o b l e m s ，e x c e p ts p e e d i n gu pt h ec o n s t r a c t i o no f p o w e ri n s t a l l a t i o n ，w es h o u l dm a k eg o o du s eo fo u rp r e s e n tp o w e rf a c i l i t i e sa n d e n c o u r a g ec o n s u m e r st o s a v ep o w e r s ot h ep o w e rd e p a r t m e n t so fs t a t et i m e l y i s s u ea p o l i c yo nt h ed i f f e r e n tp o w e rp r i c eb e t w e e nt h ec l i m a xa n dt h ee b bo f p o w e ru s a g e t h i sp o l i c y si m p l e m e n tb r i n g sc h a n c e s t o e n e r g y s t o r a g e a j r c o n d i t i o n i n ge n e r g y s t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gi s t h a t d u r i n gt h e e b bp e r i o do t p o w e rw e bs y s t e mu t i l i z e s t h e e n e r g y - s t o r a g ee q u i p m e n t t os t o r ei c eo rh e a t w a t e r sm a d eb yw a t e rc h i l l e r so rb o i l e r s ，a n dd u r i n gt h ec l i m a xp e r i o dr e l e a s e t h e s ee n e r g y ，b e c a u s et h ee n e r g y s t o r a g ec a l lb a l a n c et h ep o w e rw e ba n ds a v e o p e r a t i o n a l f e ef o r c o n s u m e r s ，i tb e c o m e so n eo ft h e m a i nm e a s u r e so f d e m a n d i n gs y s t e mm a n a g e m e n ta n di m p r o 、7 e m e n t o fc o n t r a d i c t i o nb e t w e e n d e m a n d sa n ds u p p l e m e n t c o m p a r e d t o r e g u l a t e a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m e n e r g y s t o r a g e a i r c o n d i t i o n i n ga d d se n e r g y s t o r a g ee q u i p m e n t ，a s s i s t a n te q u i p m e n ta n d i t st u b e s y s t e m a n de x c e p tr e g u l a t ee n e r g ys u p p l e m e n t ，i ta d d sm o d e l so fe n e r g ys t o r a g e a n dr e l e a s e a l lt h e s em a k et h eo p e r a t i o nc o n t r o la n dm a n a g e m e n tc o m p l e x ， b e s i d e s ，a st h el a r g ep o w e rc o n s u m e ro fb u i l d i n g s ，a i rc o n d i t i o n i n ge q u i p m e n t s e n c r g y s a v i n gc o n t r o l i sa l s o i m p o r t a n t + t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt o b u i l da c e n t r a l i z e ds u p e r v i s o r ) , ，c o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e mt or e a l i z ee q u i p m e n t s n o r m a lo p e r a t i o na n dp r o t e c t i o na n ds y s t e m ss a f er u n n i n g ，e x c e p tt h e s e b a s i c f u n c t i o n s ，i ts h o u l db ea b l et or e a s o n a b l es e te n e r g y s t o r a g em e t h o da n dt a c t i c s ， c o r r e c t l yc o n t r o lt h et r a n s f o r m a t i o no fm o d e l sa n do p t i m i z et h er u n n i n gs t a t eo f e q u i p m e n t ，s o a st or e a c ht h ea i mo fu n m a n n e d ，a u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n t r u n n i n go f t h ee n e r g y s t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m b e c a u s eo ft h er e a s o nd i s c u s s e da b o v e ，t h ea u t h o ri sd e v o t e dt or e s e a r c h i n g h f 一 塾坚堡三查兰堡主堂堕笙茎 a n dd e v e l o p i n gac o m p u t e rc o n t r o la n d m a n a g e m e n ts y s t e mo fe n e r g y s t o r a g ea i r c o n d i t i o n i n gb a s e d o no c sf o rw u h a n q i x i n gm a c h i n ea n de l e c t r i cc o r p o r a t i o n 、 t h i s s y s t e mi s m a d eu po fh o s t c o m p u t e ra n ds p o tc o n t r o l l e r ，w h i c hj o i n t b c o m p l e t et h er e m o t ec o g t r s 1a n 6 c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t b a s e do nt h ea n a l y s e so ft h e e n e r g y s t o r a g e a i r c o n d i t i o n i n gt e c h n o l o g y t h i s p a p e rf i r s t a f f i r mt h er u n n i n gt a c t i c sa n dm o d e l ，a n dt h e nw o r ko u tt h e c o n t r o lp l a na n db u i l dt h eh a r d w a r es y s t e mt h es u p e r v i s o r ya n dc o n t r o lp r o g r a m o fh o s tc o m p u t e ri sd e v e l o p e dw i t hf o r c e c o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et or e a l i z e d a t a a c q u i s i t i o n a n d m a n a g e m e n t ，r u n n i n g s t a t e s d i s p l a y , r e m o t e c o n t r o lo f e q u i p m e n t ，a n d h i t c hd e c i s i o na n d r e p o r t m o r e o v e ri tu s e s f u z z y c o n t r o l t e c h n o l o g yt or e a l i z ea u t oc o n t r o lo f t h et e m p e r a t u r eo fw a t e r s u p p l e m e n t a sf o r t h ed e s i g no f s p o tc o n t r o l l e r ，t h ea u t h o rs e l e c to m r o n c 2 0 0 hp l c a c c o r d i n gt o t h ei 0 c o n f i g u r a t i o nb a s e do nt h ea n a l y s e s o ft h ec o n t r o ld e m a n d s t h r o u g h t r a p e z o i dp r o g r a md e s i g n ，i tc a ns e n dt h es p o td a t at oh o s tc o m p u t e r a n dr e c e i v e t h eo u t p u td a t at o c a r r yo u ts p o tc o n t r 0 1 f u r t h e r m o r e ，o n c et h eh o s tc o m p u t e r c a r l tn o r m a l l yw o r k ，t h es p o tc o n t r o l l e rc a nr e a l i z em a n u a lc o n t r o lb e c a u s et h e f o r c e c o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t v e a r eh a so m r o np l ci os e r v g gi n s i d e ，t h i s p e p e rm a i n l yr e s e a r c ha n dd i s c u s st h ep h y s i c a ll i n ko fc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e ， s e to fc o m m a n i c a t i o np a r a m e t e ra n dh o wt ob u i l dt h ed a t a r i n k l a s t l y ，t h i sp a p e rm a k e s am o c ki n t e r f a c ee x p e r i m e n tb yu s eo fa d v a n t e c h p c l 7 i 1sl a b c a r dt op r o v et h ec o m m u n i c a t i o n sp e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n t 7 t h e c o m p u t e r c o n t r o la n d m a n a g e m e n ts y s t e m o f e n e r g y s t o r a g e a i r c o n d i t i o n i n gd e v e l o p e db y t h ea u t h o ri sc o n v e n i e n tt ou s ew i t hav i s u a li n t e r f a c e ， a n dr i c hf u n c t i o n s t h ec o m b i n a t i o no fh o s tc o m p u t e ra n ds p o tc o n t r o l l e rr e a l i z e s w h o l es u p e r v i s o r ya n dc o n t r o lt ot h ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e ma n dr e m o t ec o n t r o l t oe q u i p m e n t ，s oi tl a r g e l yr e d u c e st h el a b o ro fo p e r a t o r s t h r o u g ht h eg u i d a n c e o fr u n n i n gp r o j e c t ，i ta l s ob r i n g si n t of u l l p l a yt h ee n e r g y s a v e ds u p e r i o r i t ya n d r e a c h e st h ea i mo f t r a n s f o r m i n g c l i m a xa n ds a v i n go p e r a t i o n a lf e e k e y w o r d s ：e n e r g y s t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n g d c s ，c o m p u t e rc o n t r o l ，f u z z ) c o n t r o l ，c ( m f i g u r a t i o ns o f t w a r e 1 1 引言 武汉理工大学硕士学位论文 第1 牵缝论 玛改革开放懿来，我国豹综台国力和人民生活水平都有较大程度的掇高。 电力：c 、监作为国民经济的基础产业之一，巴取得了长足的发展。1 9 8 7 年我国 发电装梳容量达到l o o g w ，1 9 9 5 年超过2 0 0 g w ，铡2 0 0 0 年已突破3 0 0 g w 。同 时，我国发电星也大幅度提离。1 9 7 8 年全国发电萋2 5 6 5 t w h ，1 9 9 5 年突 破1 0 0 0 t w b ，到1 9 9 9 年已达到1 2 3 0 w h 。中国发愈量和装机容量已居髓齐 第2 像”io 但是，电力鼹增长仍然满足不了鬻民经济韵浚速发展和人民生活 爝电急到攘长憝嚣要，强蒋电力供应紧张表瑶为粕下特点l 1 1 2 i ：( 1 ) 电溺负 赞不乎衡，系绞峰谷蓑大，垮谷菱占离蜂负蕊鹃2 5 一3 0 ：( 2 ) 电黼结构 发生1 变化，王业用魄比蓬檑对减少，城枣生活亵监用电姨遮增长。 麟决电力紧张的趔题，一方露靠增热电力戆投入：舅一方露靠掬强攘户 需求侧的管理( d e m a n d i n gs y s t e mm a n a g e m e n t ，篾穆d s m ) ，鼓融蠲户节约 用电，移峰填谷。为鼓励用户削峰填签，电力部f l 会嗣地方划定了峰谷电馀 政策，将高峰电价与低谷电价拉开，使低谷电价只相当于麓峰电价的 l 2 一l ，5 。这项政策的实施，为蓄能空调技术的发展带来了契机。 所谓繁能空调包括蓄冷空调( 夏季) 和蓄热空调( 冬季) 。蕃冷空调， 即是砬! 夜间电网谷荷时段( 同时也是空调负荷很低的时段) 开启制冷主机， 制冰储存，在白天电网峰荷时段( 同时也是空调负荷高峰时段) 融冰放冷， 以满足建筑物空调( 或生产工艺) 的需要，采用的形式多为水蓄冷、冰蓄冷 疗式i ：蓄热空调的原理与蔷冷空调类似，采用的形式多为水蓄热方式，制 热讥绷常蠲电锅炉。采用蓄能空调后，制冷( 热) 系统的大部分耗电发生在 夜间嗣电低谷期，白天用电高峰只有辅助设备在运行，因此可有效实现用电 负荷的移蟓填谷。蓄能空调作为d s m 最主要的技术之一，它投资少、见效 抉，已成为许多经济发达霜家积极推广的项促避能源、经济和环境协调发 震的实用系统节能技术。随着我国城市建筑中央空调系统的应用越来越普及， 烽谷宅价政策静发展和完善，蓄能技术在我国的应用将成为不可逆转的趋势。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 蓄能空调的特点及优势 蓄能空调的特点是全部或部分地将制冷主机( 或电锅炉) 的负荷自白天 用电高峰转移至夜间用电低谷，其实质是转移制冷设备( 或电锅炉) 的运行 时间。由于空调用电在电网中，特别是民用电中的比例很大，据统计，一般写 字楼空调用电占总用电量1 3 多一些，而商场建筑中空调用电占总用电量 5 0 - 6 0 j ，因此蓄能空调的移峰填谷能力是很强的，是种有效的调荷措施。 蓄能空调顺应了电网用户侧移峰填谷的要求，可有效均衡电网负荷，从 宏观j 二来讲，蓄能空调能带来良好的社会效益，具体表现在如下儿方面 1 1 1 2 1 f 4 1 削峰填谷，平衡电网压力。 减少新建电厂投资，减少调峰调荷的工作。 改善发电机组效率，减少环境污染。 同时，从微观上来讲，蓄能空调也能给空调用户带来可观的经济效益， 具体表现在： 减少制冷机、冷却塔等相关设备的装机容量。 减少电力报装容量，减少一次性电力投资费用。 充分利用峰谷电价差，节省运行费用。 提高空调运行效率和稳定性、可靠性、节能性。 断电时可利用一般功率发电机驱动水泵和末端设备，使蓄冷系统放 冷运行，保障重要部门的工作。 这可以通过与常规空调系统作一比较分析得出结论。以蓄冷空调为例， 对于常规空调系统，空调制冷机组是按空调系统的峰值负荷选定的，这些设 备只有在短时间的峰值负荷时，才是满负荷运行，其它大部分时候，均在部 分负荷下运行。而采用蓄能空调后，不仅可缩小机组装机容量达3 0 一7 0 ， 继而减少电力增容费用，而且能使制冷机组在满负荷下运行，提高主机运行 效率。尤其重要的是，配合电力部门的峰谷电价政策，蓄能空调能大大降低 运行费用，从而提高经济效益。下面以一具体的工程实例加以具体说明。 某空调工程2 4 小时的冷负荷逐时分布如图l 一1 所示，设计日峰值负荷为 8 0 0 k w ，全天冷负荷为8 8 4 0k w h 。常规系统的装机容量为5 0 0k w 的常规冷 水机组两台；冰蓄冷空调系统安装2 9 0k 9 7 制冰制冷双工况主机两台，蓄冰 武汉理工大学硕士学位论文 容量为3 2 2 0k w h ，两个方案空调用冷水温度均为7 v 和1 2 。表1 1 是常规 空调系统和冰蓄冷空调系统的经济比较。 j r 一 t r 时封 o ：o o7 ：o o2 1 ：0 ( ) 图1 1 某空调工程冷负荷分布图 ( 小时) 表卜l常规系统与冰蓄冷系统经济比较 常规系统冰蓄冷系统增减百分比 冷水机组容量( k w )5 0 0 22 9 0 24 2 投资设备总投资1 0 771 3 4 52 4 8 ( 万元) 电力增容费 3 2 51 6 2 55 0 合计1 4 0215 0775 运行费用( 万元年) 3 451 774 8 7 投资回收期( 年) o 6 注；表内数据按峰值电价o7 8 元度，谷值电价01 5 元度计算。 从上表可以看出，蓄能空调不论从电力增容费还是空调年运行费上都有 叫显的优势，尽管投资比常规系统增加75 ，但可利用峰谷电价差，不到 年的时间就可收回，以后每年节省的电费则充分显示蓄能空调的优越性。 1 3 国内外对蓄能空调的研究现、状【1 j 【2 】【3 5 】 自古以来，人们就懂得使用和储存天然冰来保存食物或改善环境。但用 于人工制冷的蓄冷空调大约出现在1 9 3 0 年前后，当时美国在教堂、剧院， 乳品厂这类间歇使用、负荷集中的场所采用人工制冷的冰蓄冷供冷方式。那 时的蓄冷只是着眼于减少制冷机容量和制冷设备的购置费用，但是随着设备 渤 姗 伽 姗 。 武汉理工大学硕士：学位论文 制造业的不断发展，制冷机成本大幅度降低，节省购置费用渐渐失去了吸引 力，以致使该项技术的应用陷入了相当一段停滞期。 2 0 世纪7 0 年代以来，由于能源危机的爆发以及随着经济生活水j | e 的提 高导致中央空调的大萤使用加剧了电网酌峰谷荷差，美国、加拿大等国家重 新将蓄能技术g 入建筑物的空调，积极开发蓄能设备和系统，到2 0 0 0 年底为 i i 二美国已有6 0 0 0 多个蓄能空调系统投入运行。 欧洲许多经济发达国家在5 0 年代奉刀朔，就涉足蓄冷空调领域。尤其是 法国c i a t 集凿经过2 0 年牵有成效的努力终予研翎出s t l 蓄冷技术( 蓄冷球) 申请j + 专秘，获褥了诺爹j 尔纯学奖，并迅速得到了广泛地应厢。 e 本三菱公司8 0 年代驮c i a t 公司引避s t l 蓄冷技术詹，蓄冷空调工程 数鬃扶1 9 8 9 年到1 9 9 5 年酌六年蠹增趣了六倍，到2 0 0 0 年底为止全鬻拥有蓄 冷空调8 0 0 0 多家。颈计到2 0 1 0 年蓄冷空溺转移蕊峰毫力8 0 0 万千瓦。 我国款台湾省皇1 9 8 4 年麸国钤引进绻薹冷及控躺浚备，建成第一个球 藿冷空调琴统以来，蓄能空调系统发展缀快；至今已建成5 0 0 多个誉冷式空 涸系统，并呈逐年大蠛度递增趋势。我国大魁9 0 年代胡藿冷空调开始起步， 从1 9 9 3 年初中国第一个冰藿冰空谩系统深圳中电大壤正式投运，烈翳蕊全嘲 投入运行和在建的蓄冷空调系统已超过1 4 0 寒。 以上一系到数据强示，我国蓠能窆调的硪究靼应用与国外相比逐有很大 的蒺距，目前国外对于蓄能空调的研究，特别是冰蓄冷空调的研究已经相当 成熟，开发出了不同形式的各种蓄冷系统和设备，如美圜c a l m a c 公司哟 萏冰筒、法国c i a l 公司的s t l 蓄冰罐、美国d u n h a m ，b u s h 的i c e c e l 萏冰稽等等。美国和鞠本等经济发达国家还程继续研究开发新型蓄冷技术和 新型的蓄冷蓄热介质，如美国橡树岭国家实验室从2 0 世纪8 0 年代开始研究 以r j l 、r 1 2 、r 2 1 作工质的气体水合物蓄冷技术，以解决冰蓄冷中蓄冷温度 与空调工况不相吻合的问题( 水合物的相变温度一般为5 1 4 ) ；日本十多 年前开始研究过冷水动态制冰技术，但由于嗣水的过冷却现缘还未充分认识 和掌握，这项技术还朱完全成熟。 国内，清华人工环境工程公司于1 9 9 6 年研制了r h i c u 系列冰盘管式蓄 泳设备，并于1 9 9 9 年推出国内第一例蓄泳与蓠熟相结合的蓄能空调系统；北 京话冷工程公镯磺稍的有嚣罐式诲球蓄冷器已获葡家专桶，并甬于托京疆撤 4 武汉理工大学硕士学位论文 社综合办公楼蓄冷空调系统中，取得了一些使用经验和数据。另外，清华大 学、中国科大、上海交大等著名大学和国家电力公司杭州机械设计研究院、 广州能源研究所等机构也在参与蓄能空调的研究，国电公司还设有专门的蓄 能空调研究中，心。 我国蓄能空调起步较晚，虽然全酒范围内蓄能空调的运用在逐年增多， 但和常蕊系统相比，蓄能窝调的应角比例还较小，且大部分工程的蓄能系统 都楚采用国外的产品，因此我国娶在继续弓 遵国外先进技术的同时，开菠适 合我国国情的阂产蓄能空调系统，促进其向低能耗、高能效、实用经济和全 自动纯发震。 1 4 课题的来源及硪究的目的和意义 蓄能空调与常规空调相比，增加了一套蓄能设备和相应的辅助设备和管 路系统，冀运行禳式除常规涮冷f 燕) 之矫，还有鬻冷( 热) 、放冷( 热) 等。如 何金理确定蓄能方式，合理安排蓄冷( 热) 蓬和运行策略，合琏分配主祝和蓄 能设备豹受荷，挺商鬻髓窀谲的效率，体现冀优势，是镶多衙究者掰关心静 溺凝。弱露，建筑浚备自动纯系统( b u i l d i n g a u t o m a t i o ns y s t e m ，篱称b a s ) 是现代蟹黢建筑懿个重要缝残郫分。嚣空谖设冬因其耗电爨大又戒失b a s 控剡熬核心设冬，因扰有必要建囊一襄中央黢控系统，磁确保建筑肉环壤舒 逶、态分考虑能添节约毅环境保护鹩条搏下，使突漏设鍪状态及测蹋率麴达 到最馒黪爨的。 为了能够实璎藿能空调系统的无人化、自动化、蟹能饯运程，我蜘与 武汉摸兴圣【l l 电公司合作，针对慕办公大厦蔫能空调硬究拜发了一个基于 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 体系结构的计算机控制管理系统。该系统采 用中央控制帆( 上位机) 通过通讯嘲络与现场控制机( 下位机) 鞠结合，分工协 作完成对饕能空调系统的远程控制瓤集中铃理。 本课题研究的意义主要体现在以下三方面： 第一、蓄能空调是我国正在大力推广的技术，研究其优化控制策略，对 其进行集中控制和管理，能够提高蓄能空调的运行效率，有效的节约能源， 减轻国家电网压力以及减少用户的投资运行费用，从而对推幼瞽能空调的发 展有着积极的意义。 武汉理工大学硕士学位论文 第二、本课题研究整个蓄能空调的集中监控系统，目的是达到空调系统 的无人化、自动化、智能化运行，提供给用户一个舒适、节能、柔性的空调 环境。为此本课题采用当前自动化领域应用最广泛的控制系统集散控制 系统( d c s ) ，实现对蓄能空调的集中管理和分散控制；采用新型的智能控制 技术一一模糊控制实现温度的自动控制。这两项技术的结合，突破了空调自 动控制领域单纯的利用传统控制方法实现设备的现场控制的局限，对于提高 空调系统整体的自动化水平具有积极的意义。这也是本课题的刨新点所在。 第三、由于本课题研究的监控系统具有实时多任务的特点，即数据的采 集与输出、图形显示及人机对话、实时数据的储存、检索管理、实时通信等 多个任务都要在同台计算机上同时运行，因此为了提高运行可靠性、缩短 开发周期，在上位机上利用功能强大、使用灵活、接口开放的监控组态软件 进行程序设计。这对于推动组态软件在自动化工程中的应用以及其自身的发 展都具有现实的意义。 1 5 本文主要研究内容 本文旨在设计一个能够对蓄能空调进行有效监控管理的计算机控制系 统，该系统是一个由现场控制器、通讯网和中央控制机组成的集散控制系统。 主要研究内容如下： 针对祺兴公司提供的蓄能空调系统，根据其负荷特点，合理确定其 运行策略和工作模式。 确定蓄能空调系统的控制管理方案，构建系统的硬件结构。 组态上位机监控软件：用力控组态软件完成上位机的监控软件设计； 利用模糊控制技术实现温度的自动控制。 接口设计以及下位机的选型和程序设计。 通过软件运行和接口模拟实验验证上位机软件功能以及通讯接口的 可实现性。 武汉理工大学颈尘学位论文 第2 蓬蓄熊空调技术 蘩毙窒调包括蓄冷彝蓄热硬个方嚣 震遇j 逢电锅炉来攀热，其系绞较必爨单 调技术。 蠹于是蘑鬻热一般是用承 故蘩热套 因此本章以蓄冷为主寒介绍蓄能空 2 1 蓄能空调系统的组成及分类 2 1 ，1 蓄能空调系统的组成 众舔周鲡，许多王糕 津料都县蠢藿冷( 热) 特性，书| 料豹藿冷( 热) 特 燃往往转蘧繁瀑度变化、物态变化以及化学反成过程燕体现出来。蓄冷空调 系统就是根撼水、冰以及其它物质的藿冷特性，尽可能的利用非峰值电力， 使制冷机在满负荷下运行，将空调所需的制冷壤以姓热和潜热的形式部分或 全部储存于水、冰或其它物质中，一旦出现空调负荷便可使用这些蓄冷物质 储存的冷量满足空调系统的需要。用来储存水、冰或其它介质的设备道常楚 个空间或个容器，称为蓄冷设备。蓄冷设备根据蓄冷介质和工 笮流程不 潲，有多种结构彤式，西前国离井应雳较多豹楚盎蓉式蓄冷装整秘鸷装式蓉 冷装置 棚。 蓄冷空调系统一般由铡冷主规，蓄冷设冬，辍助设餐及设备之间的连接， 调节控制等郯件组成。蓄冷空调豹制冷主机与常搜系统不同，它要求采用双 工况运移的制冷机缎，既能在常规空调工况下工作，又能在蓄冷时以带1 j 冰工 况运行。它一般以氨、氟熙昂等作为制冷剂，通过集态变化实现制冷；以 2 5 一3 0 的乙二醇溶液作为载冷剂，在外部管路上不停循环，将冷董通过换 热器传递给末端负荷。蓄能空调的辅助设备包括冷却塔、冷却水泵、冷冻永 泵、空谲水泵、换燕器等。换煞器雨予载冷翔帮求的换热之霜，常用的鸯缝 合式板式换热器和钎洋式授式换热器。 2 1 2 蓄能空调系统的分类 蓄冷空调系统兹分类方法银多，按储拢方式可分为显热薰能取港热蘩能 嚣大类；按蓄能奔矮分可分为水蓑冷( 热) 、冰篱冷、共晶盐薰冷、气体水合 物豢冷；按蓄冷装置结槐形式可分为盘管式、板式、球式、冰晶式和冰片滑 7 武汉理工大学硕士学位论文 4 共晶盐蓄冷系统 共晶盐是一种相变材料，其相变温度在5 c 一8 c 范围内。它是由一种或多 种无机盐、水、成核剂和稳定剂组成的混合物，将其充注在球形或长方形的 高密度聚乙烯塑料容器内，并整齐堆放在有制冷剂或冷冻水循环通过的蓄冰 槽内。由于它的充冷温度一般为4 一6 c ，释冷温度为9 一l o ，因而可使用常 规制冷机组制冷，蓄冷机组性能系数较高。生产这种蓄冰设备的厂家以美国 t r a n s p h a n s e 公司为代表。 其它如冰片滑落式动态蓄冷系统、冰晶式蓄冷系统因其应用较少，这里 不再介绍。 2 2 蓄能空调系统工作原理 现以盘管式蓄冷空调为例，说明蓄能空调系统的工作原理。其蓄冷过程 为夜间z , - - 醇载冷剂通过制冷机组和冰筒与旁通构成蓄冷循环，此时溶液出 水温度为一3 3 ，经盘管将冷量转移给冰筒内的水，使水结冰回水温度为o c ， 其流程如图：2 - 4 所示；融冰放冷过程为白天载冷剂溶液经蓄冰筒及并联旁通， 图2 - 4 蓄冷过程图2 - 5 放冷过程 通过设定出水温度调节阀控制蓄冰筒流量与并联旁通的比例，确保出水温度 为给定的值，然后经换热系统将冷量并入常规空调管网内，其流程如图2 5 所示【酣。 武汉理工大学颈士学位论文 2 3 蓄能空调的蓄能策略幂爨王牛鐾模式 2 。3 1 蓄能空调的薷熊策嚷 蓄能空调的蓄能策略楚指系统以设计循环周期( 一般为设计汹1 的负荷特 点为基穑，按窀费结褐、设备容豢、储存空闯等实际情况对蓠冷容登、释冷 供冷锻出最优的运萼亍安撵 8 】。一般有全部蓄冷策晦释豁分蓄冷策龉： 1 全部藿冷繁咯 全部誉冷策略是将电力赢峰期的冷负荷全部转移到魄力低谷期( 如图2 - 6 所示) ，全天空调时段所需要的冷懋均由电力低谷时段所储存的冷量供给【8 】。 由于蓄冷设备疆承担空调所需的全部冷量，故蓄冷设备的容懿较大。该运彳亍 策略适用于白天空调时间短的场所或蜂谷电价差很大的地区。 强2 5 全都薷冷策蝰图2 - 7 部分蓄冷策昭 2 。部分蓄冷策略 鄂分篙冷策路是将邀力衷蜂欺照冷受麓部分转移到魄力糕签靛( 翅蹙2 - 7 艇示) ，全天空调时段艨爨要的冷囊虫制冷枧； 爨蔫冷设备共网承摁【8 l 。 上述聪种策略是以蓍冷时无供冷受荷为特征的。但农实际工程中有肘夜 间也有一定量的供冷负荷存在，这时一般有两种考虑：一是分流法，即制冷 机制冰同时供冷，由予这时制冷机工作在制冰工况下，熊耗增加，蒋供冷负 荷较大，无论从能耗逐是制冷机缎容爨来看都是不经济含理的；二憝加基载 主祝法，郎增设台常规稍冷杌缀专供这部分冷负荷，这种方法在夜间负荷 较大时经常被采精”。 一般情况下，全帮蓄冷能最大限度蟪转移电力需求鏊，使得运符成本鬣 武汉理工大学硬士学位论文 低，但由于所需的制冷机容量和设备容量都较大，设备初投资比部分藿冷系 统大得多；而部分蓄冷尽管其移峰能力没有全部蔷冷策略那么离，但初投资 相对较低，铁系统组成、设备投资、系统运行可靠性和运行费用等方面综台 考虑，部分蓄冷策珞韵经济径较好，易为用户接受，因诧在实际工程中应嗣 得较为广泛。 2 3 2 蓄能空调工作模式 蓄能空灞王 乍模式楚指系统怒在誓冷，还是供冷，绥冷时蓄冷装置和制 冷税维是务鑫攀独王于# 还楚共两工俸。常雳的工作模式裔戮下几种隰都雕9 1 ： f 1 ) 铡溶模式 在此王佟模式下，铡冷撬工作在劁冰工凝下，遴过浓度为2 5 的乙二醇 溶滚蛉载冷裁粒矮繇，在篱球装爨孛裁球，蠢到达裂所需蓄泳量。辫2 - 8 是 该工作模式示意图。 ( 2 ) 割冰同时供冷模式 当制冰期间存在冷受蒋黠，罄采用分滤法，则割冷极用予制溶鲍一部分 低温7 _ , - - 酵溶液被送至蓄冰装星鼹于蔫冰，另一豁分被送歪冷受耱用予供冷； 若采用加基载生机法，则制冷丧棚i 专用于制冰，蒸载主机专用于供冷。圈2 - 9 是该工作模式示意图。 阕2 - 8 制冰工作模式 匦丑镯 臣区翊 黼2 - 1 0 筚制冷梳供冷工作模式 ( a 分溅法( ) 如萋载是捉法 图2 - 9 制冰阉时供冷工作模式 图2 - 11 单融冰供冷工作模式 武汉理工大学硕士学位论文 f 3 ) 单制冷机供冷模式 在此工作模式下制冷机工作在空调工况下，单独满足空调全部冷负荷 需求，其出口处的乙二醇溶液不再经过蓄冰装置而直接流至负荷端。图2 1 0 是该工作模式示意图。 f 4 ) 单融冰工作模式 在此工作模式下，制冷机关闭，回流的乙二醇溶液通过融化储存在蓄冰 装置内的冰，被冷却至所需温度。图2 1 1 是该工作模式示意图。 f 5 ) 制冷机与融冰同时供冷 在此工作模式下，制冷机和蓄冰装置同时运行，满足供冷要求，此时根 据系统的流程安排不同可以分为制冷机与蓄冰装置串联和并联两种，在串联 方式中，又分为制冷机在上游和蓄冰装置在上游两种情况： 哥壁翟 ( a ) 并联流程( b ) 制冷机在上游串联流程( c ) 蓄冷装置在上游串联流程 图2 1 2 制冷机与融冰同时供冷工作模式 a 并联流程 图2 - 1 2 ( a ) 是并联流程示意图，回流的乙二醇溶液分别送到制冷机和蓄冰 装置降温，然后混合至所需温度。 b 制冷机在上游 图2 - 1 2 ( b ) 是制冷机在蓄冷装置上游串联流程示意图，回流的乙二醇溶液 先经制冷机预冷后，流经蓄冰装置而被融冰冷却至所需温度。 c 蓄冰装置在上游 图2 - 1 2 ( c ) 是蓄冷装置在制冷机上游串联流程示意图，回流的乙二醇溶液 先经蓄冰装置冷却到某一中间温度，而后经制冷机冷却至所需温度。 并联流程的优点是可以兼顾制冷机与蓄冰装置的容量和效率，但这种方 式使冷冻水的出! z l 温度和出水量的控制变得相当复杂，往往难以保持恒定， 而且浪费能量，所以并联流程一般较少；采用制冷机在上游的串联流程，由 武汉理工大学硕士学位论文 于较高温度的回水先经过制冷机，使制冷机能在较高的蒸发温度下运行，提 高了压缩机的容量和效率，使能耗降低，但蓄冰装置在较低温度下，运行放 冷速度较低，这种方式常用于舒适性空调系统；蓄冰装置在上游的串联流程 由于较高温度的回水先流经蓄冰装置使蓄冰装置的放冷速度提高，但制冷机 在较低的蒸发温度下运行，使能耗增加，这种方式只用于工艺制冷和低温空 调系统。 2 4 蓄能空调运行策略 蓄冷空调系统在运行中要合理安排分配制冷机组直接供冷量和蓄冷装置 放冷量，使二者能最经济的满足冷负荷的需求。在运行控制中有两种策略： 一种是以制冷主机优先供冷为主，另一种是以蓄冷装置优先放冷为主，其它 不足部分相互补充，选用不同的控制策略对系统蓄冰量、压缩机容量及系统 控制方式等方面会产生较大的影响： 1 制冷机优先供冷运行策略 制冷机优先供冷运行策略是在空调负荷大于制冷机组容量时，先运行制 冷主机，不足部分由蓄冷装置补充，在空调负荷低于制冷机组容量时仅运行 制冷主机。这种运行策略的蓄冰量较少，可减少冰在储存和转换过程中的热 损失。图2 1 3 所示是其系统流程示意图，一般当系统负荷低于4 0 时只运行 制冷主机，当系统负荷超过4 0 以后制冷机组达到满负荷运行状态，不足部 分由融冰补充。从图中可以看出制冷机组是按最低出水温度t l ( 一般为2 2 ) ，而不是按中间温度t i ( 一般为8 7 7 ) 选择的，这样其容量就会较大，此 外以制冷机优先供冷，在空调冷负荷已经降低的情况下，机组还必须在较低 的蒸发温度下运行，会使能耗增加”j 。 跛) 厂。二一、一 。 t i ! 一 t l 中间温度冷水出水温度 图2 一1 3 制冷机优先供冷系统流程 武汉理工大学硕士学位论文 2 融冰优先供冷运行策略 融冰优先供冷运行策略是在空调负荷低于蓄冰容量时，先由融冰承担负 荷。当空调负荷大于蓄冰容量时，再运行制冷主机补充。图2 ，1 4 所示是矮系 统流程示意图在这种运行策略下制冷机组和蓄冰裟置之间的中间温度n 始终控制在一个恒定值( 例如7 8 2 ) 上。此时当系统负荷为1 0 0 时，冷水回 水温度t 2 为1 3 3 c ，冷水出水温度t l 为2 2 c ，制冷机满负荷运行；当系统 的回水温度低于13 3 时，制冷机组就会卸载( 即在部分负荷下运行) ：当 回水温度低子7 8 2 c 时，制冷机组将停止工作，空调负荷全部由融冰来承担。 由于融冰提供的冷量可