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西安建筑科技大学硕士论文 全空气中央空调系统仿真与优化控制 专业：计算机应用技术 硕士生：闰秀英 指导教师：任庆昌教授 摘要 目前，对节能和室内环境质量的关注推动了对暖通空调和建筑物系统进行多 方面的广泛研究。本文主要研究空调系统的仿真及一定温度要求下的最小能耗优 化控制，主要内容如下： 首先，本文介绍了大型空调系统仿真软件h v a c s i m + 及模拟空调系统所需的 主要数学模型；并以西安金叶大厦一层中央空调系统的空气处理系统以及空调房 间为仿真对象，进行h v a c s i m + 系统仿真，该仿真系统可以模拟空调自控系统的运 行及其控制特性，这为对空调系统的自动控制和优化进行深入研究奠定了基础。 然后，本文建立了表冷器的能耗与冷冻水流速之间的函数关系，并将此作为目标 函数，在m a t l a b 环境下，应用改进的变量轮换法优化控制器参数，并经 h v a c s i m + 再次仿真运行，计算冷源向空调系统提供的能耗。 结果表明，优化参数下的仿真系统运行稳定，与优化前相比，经表冷器消耗 的冷冻水能量大大减少。 关键词：h v a c s i m + ；仿真器；优化控制；变量轮换法 西安建筑科技大学硕士论文 s i m u l a t i o na n do p t i m i z e dc o n t r o lf o r c e n t r a l a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mw i t hp u r e - a i rt e r m i n a l s m a j o r ：a p p l i c a t i o no fc o m p m e rt e c h n o l o g y n a m e ：y a nx i u y i n g i n s t r u c t o r ：p r o f r e nq i n g c h a n g a tp m s e n te n e r g yc o n s e r v a t i o na n di n d o o re n v i r o n m e n tq u a l i t yc o n c e r n sh a v e m o t i v a t e de x t e n s i v er e s e a r c ho nv a r i o u sa s p e c t so ft h ec o n t r o lo fh e a t i n gv e n t i l a t i n g a n d a i 卜c o n d i t i o n i n g( h v a c ) a n d b u i l d i n gs y s t e m s t h e s i m u l a t i o no ft h e a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m a n dt h e o p t i m i z e d c o n t r o lo f m i n i m i z i n g t h e e n e r g y c o n s u m p t i o nu n d e rt h ec o n s t r a i n to f t e m p e r a t u r ew e r em a i n l ys t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h es i m u l a t i o ns o f t w a r eh v a c s i m + f o ra i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m sa n di t s m a i nm o d e l sa r ei n t r o d u c e d t h ea i rh a n d l i n gu n i ta n dt h er o o m so ft h ef i r s tf l o o ro f j i n y eb u i l d i n ga r et a k e na st h es i m u l a t i o nt a r g e t ；as i m u l a t i o ns y a e mw a ss e tu pb a s e d o nt h ep l a t f o r mo fh v a c s i m + t h i ss y s t e mc a ns i m u l a t et h ep e r f o r m a n c ea n dt h e c o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea i r c o n d i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e m i tp r o v i d e st h ef o u n d a t i o n f o rt h ed e e pr e s e a r c ho na i r - c o n d i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e ma n di t so p t i m i z a t i o n t h e nt h e f u n c t i o nd e s c r i b i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec o n s u m p t i o no fc o o l i n gc o i la n dt h ec h i l l e d w a t e rv e l o c i t yw a sf o u n da n dt a k e na st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ，a n dw i t hi m p r o v e dc y c l i c v a r i a b l em e t h o dt h ec o n t r o l l e r sp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e du n d e rt h em a t l a b e n v i r o n m e n t f i n a l l yt h eh v a c s i m + s i m u l a t o rw a sf u na g a i nt oc a l c u l a t et h ee n e r g y c o n s u m p t i o ns u p p l i e db yt h ec o o l i n gr e s o u r c e st ot h i sa i rc o n d i t i o n i n gs u b s y s t e m r e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mr u n ss t e a d i l yw h i l et h ec o n t r o l l e rw o r k sw i t ht h e o p t i m a lp a r a m e t e r sa n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ec o o l i n gc o i l i sg r e a t l yr e d u c e d c o m p a r e dw i t hw o r k i n gi nn o n o p t i m i z i n gc o n d i t i o n k e y w o r d s ：h v a cs i m u l a t i o np l u s ，s i m u l a t o r , o p t i m i z e dc o n t r o l ，c y c l i cv a r i a b l e m e t h o d 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方夕 ， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位己申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均己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，本人承担切相关责任。 论文作者签名：i 司磊烫 关于论文使用授权的说明 日期：矿形多 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印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：? 幻垂乒、 导师签名：彦莎 日期：纱口占巧f 注：请将此页附盘论文* 页。 西安建筑科技大学硕士论文 l 1 1 课题背景 1 绪论 本课题研究西安烟草公司办公培训楼的中央空调系统，该大楼建筑面积2 3 7 5 6 米2 ，有地下2 层，地上1 5 层，由商场、客房和办公室组成；主控机房位于地上2 层。 根据西安烟草公司办公培训楼楼宇设备管理系统的总体要求，采用h o n e y w e l l 公司最新推出的e x c e l5 0 0 0 一e b i 系统。该系统是目前先进的高效能、集成化的b m s 系统，该系统根据需要可将大厦的楼宇控制系统、消防报警系统及安保自动化系 统集成在e b i 平台上，并适用于西安烟草公司办公培训楼的建筑特点及先进的控制 和管理要求，包括选用先进的l o n w o r k s 技术的现场控制器，以及与其他供应商系 统及o a 系统的开放性接口。 大厦的空调控制系统主要完成对8 个空调机组，9 个吊挂式空调机以及风幕的 控制，西安烟草培训大厦楼宇自控系统设备清单如表1 所示。整个空调系统主要 完成以下功能： ( 1 ) 过滤网的压差报警，提醒清洗过滤网。 ( 2 ) 风机手自动状态、运行状态及故障状态监测。 ( 3 ) 根据送风温度与设定温度，控制电加热启停。 ( 4 ) 根据预先设定的时间程序对空调机、新风机、风机等被控设备进行自 动启停控制。 系统采用三层网络结构，从通讯数据类别来划分系统分为：网络数据域、控 制数据域和现场末端域。以中央站为核心，d d c 与中央站间实现数据通信。d d c 设在受控对象附近( 采用l o n w o r k s 的模块) 且d d c 间能实现同层通信。整个系 统控制器留有1 0 的控制余量。 1 2 课题研究目的及意义 目前，我国能源问题日益突出，在2 0 0 4 年6 月3 0 日国务院常务会议上，讨 论并通过了能源中长期发展规划纲要( 2 0 0 4 2 0 2 0 年) ，强调要坚持把节约能源 放在首位，实行全面、严格的节约能源制度和措施，显著提高能源利用效率。我 国的建筑能耗到2 0 0 4 年为止，已经达到社会总能耗的3 3 左右。在2 0 0 4 年11 月 2 5 日国家发改委发表的节能中长期专项规划中，确立建筑节能是其中三大重 点领域之一，提出新建筑节能必须达到5 0 的行业标准，在十一、五期问，对居住 和建筑节能的改造，使大城市节能达到2 0 ，中等城市达到1 5 ，小城市达到1 0 。 西安建筑科技大学硕士论文 2 同时明确提出建筑节能是十一、五期间组织实施十项重点工程之一。2 0 0 6 年2 月 9 日国务院发布国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) ，将能 源问题放在“重点领域及其优先主题”的首位。 根据国家发展的相关政策，以及暖通空调系统的能耗在国民经济总能耗中所 占比重越来越大的情况，研究开发中央空调系统的优化控制技术，使其在不同工 况条件下，都能以最佳效率运行，并且达到较好的控制效果，是非常迫切的，具 有非常广阔的应用前景。 对于容量大、复杂程度高的空调机组，在设计和测试空调系统的优化控制方 案时，在实际系统上进行试验是不切实际的，一般在计算机上进行模拟，这样可以 比较简单、省时地获得恰当的控制器参数。因此，要有一个能够准确反映实际系 统各个参数动态响应的系统仿真器。这个仿真器由能够反映中央空调系统各部件 实际运行特性的动态数学模型组成，称其为h v a c 仿真系统。此仿真系统可作为 代替真实实验的试验平台，可用于空调部件的优化设计及匹配；可用于系统的控 制运行过程分析和控制器设计。通过建立仿真系统，可将研究过程中的模型或控 制算法应用到仿真系统中进行验证，既不对实际系统造成影响，又能使仿真与实 际系统中的运行状况相吻合，利于进一步的科研工作。此方法是当今空调领域的 一种重要研究方法。 以前科研人员关注的空调系统优化节能主要是针对h v a c 系统的优化设计。对 于设计好的空调，由于环境和设备状况以及室内负荷的不断变动，系统并不能如 设计人员所期望的那样节能。因此，只有有效的控制系统才能实现真正的优化。 空调系统优化控制的目的是在动态变化的外界环境和内部负荷条件下，保证其系 统正常运行，并以最小的代价满足室内环境热舒适性要求。这是目前空调系统设 计的一个新要求，如何实现空调系统的优化节能是人们关注的焦点。 本课题针对以上空调领域的研究焦点，以西安烟草公司办公培训楼的全空气 中央空调系统为研究对象，根据大厦的实际建筑物和空调设备参数，利用 h v a c s i m + 软件建立空气处理系统及其送风房间的仿真系统。空调系统的控制采 用变量轮换和迭代学习优化措施确定控制器的最优参数，通过改变控制器的设定 值，使送风温度跟随负荷和外界环境的变化而变化，从而满足房间温度控制要求， 同时实现系统节能。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 模拟仿真程序的分类和发展 h v a c 系统的仿真是建立在系统各部件模型基础上的，经过研究人员多年的研 西安建筑科技大学硕士论文 3 究开发，目前已形成一些通用的商业模拟软件，如d o e 2 ( l b l ，1 9 8 2 ) ， b l a s t ( u i ，1 9 8 3 ) “，h v a c s i m + ( n t i s ，1 9 8 6 ) m 删“，e s p 2 r ( 1 9 8 8 ) ， t r n s y s ( k l e i n ，1 9 9 0 ) “1 ，e n e r g y p l u s ，d e s t ( 2 0 0 0 ) 8 1 ，s p a r k ( s o w e l l ，2 0 0 1 ) 。1 等。 这些软件都是根据不同的研究目的编制的，使用有一定限制。模拟仿真程序 总体上可以分为两类“”1 ： 1 、模拟系统能量特性的仿真程序。例虫f i d o e 一2 ，e s p 2 r ，e n e r g y p l u s ，b l a s t 。 此类软件不是立足于系统，而是立足于建筑。主要用于建筑和系统的长周期 ( 主要采用1 小时为时间步长) 动态模拟分析，采用完备的房间模型和较简单的系 统模型及简化的或理想化的控制模型，适于模拟分析建筑物围护结构的动态热特 性，模拟建筑物的全年运行能耗。 此类软件可以灵活地处理各种形式的建筑物，很好地预测建筑热性能和不同 围护结构形式对能耗的影响，然而却很难灵活地构成各种空调系统，而且在控制 器的模拟上必须采用简化的方法。这时，往往简化设备性能模型，认为设备处理能 力可在最大容量范围内连续变化。这样虽解决了大时间步长控制过程的模拟计算 方法，但却不能真实反映大部分空调制冷设备本身部分负荷下的调节特性，因此不 能很好地预测分析空调系统的实际运行状况和能源消耗。 2 、以系统中的各个元件为基础，按照不同元件的能量、质量和湿度的平衡进 行计算的仿真程序。h v a c s i m + 以及t r n s y s 是这类软件的典型代表。 此类软件主要用于空调系统部件的控制过程的仿真。主要模拟由各种模块搭 成的系统的动态特性及其在各种控制方式下的响应。采用简单的房间模型和复杂 的系统模型，可以根据需要由使用者灵活地组合系统形式和控制方法，适用于系统 的高频( 如以几秒为时间步长) 动态特性及过程的仿真分析。 此类软件的核心是在某种控制器控制下的小时间步长的动态过程仿真。软件 组态灵活，可以模拟任意形式的系统。由于采用开放式结构，可以由使用者开发各 种模块，加入系统中，实现资源共享“。但却很难处理实际的建筑物结构，很好地 对建筑物本身进行模拟分析。 实际运用中，w a n g “”建立了中央空调系统的仿真器，并联系e m c s ，对建筑空 调运行进行了实时在线模拟，计算机仿真使得整个研究工作方便而经济。有代表 性的仿真器开发公司有：美国的l i n k ，e a i ，e g ，b & w ，c e ；日本的三菱、同立、东 芝；英国的c e g b ；德国的k a e ；芬兰的n e 。 1 3 2i t v a c 优化控制的研究现状 随着人们对h v a c 系统的认识、空调硬件设备的改进和对其控制要求的逐步 西安建筑科技大学硕士论文4 提高，h v a c 系统的优化控制也快速发展。这其中包含了近期人们关注的v a v 系 统的优化控制。m u l n l t l a ( 1 9 9 0 ) 和c h i s e a ( 1 9 9 2 ) 在研究中指出，一个典型的v a v 系统要比c a v ( c o n s t a n ta i rv o l u m e ) 系统节约大量的能量。但以前的控制方案无法 满足v a v 空调系统的要求。通过进一步的研究和实验验证，m u m m a ( 1 9 9 2 ，1 9 9 3 ) 通过对排风风门的开度控制可以使新风量满足要求，但是对于多区域系统仍然无 法保证新风量的分配满足各个区域的要求( m u m m a l 9 9 3 ) 。在h v a c 系统的优化控制 中，除了对h v a c 系统的新风量进行优化控制以外，其它的局部优化控制也能达 到节能的目的。m c a r t h u r ( 1 9 8 6 ) 与s c h e a t z l e ( 1 9 9 1 ) 设计了基于p m v ( p r e d i c t e d m e a n v o t e ) 指标的控制器；i t a s h i k i ( 1 9 8 8 ) 建立了由g a g g e ( 1 9 7 1 ) 提出的有效温度指标e t + ( e f f e c t i v et e m p e r a t u r e ) 基础上的控制器。b r a u n ( 1 9 9 0 ) 提出通过室内温度的优 化控制，利用建筑物结构的热容储存热量( 冷量) ，不仅可以减少能耗，而且可有 效减小峰值电流，从而减少大楼的电力配备。s i m m o n d s ( 1 9 9 3 ) “”用室内热舒适性 控制对送风进行优化，将室内的热舒适性指标p m v 值控制在一0 5 至+ o 5 范围内， 得到比采用室内温度控制节约能耗的结果。s u n a o ( 1 9 9 5 ) 为了改善列车的温度控 制，以室内热舒适性指标p m v 为依据，采用模糊控制方法保持车厢内p m v 接近于 零。 目前，实际运行的h v a c 系统大多采用的控制方法有：在对无尘房间的p i d 控制中( a t k i n s o n ，m a r t i n o ) 得到了令人满意的结果。而现代系统的复杂性、测量 的不准确性及系统动力学的不确定性，反映在空调系统中表现为一些h v a c 部件 的高度非线性，或者某些控制回路具有时变传输延迟。而且，还有许多系统很难 分析出精确的数学模型。即使能够得到较为精确的数学模型，传统的p i d 控制方 法仍然有许多问题甚至产生超调和振荡，这些传统的控制方法无法解决。许多研 究人员尝试着改善p i d 控制方法或者寻找一种更为有效的控制方法。m a c a r t h u r 与g r a l d 提出了自适应的控制方法“；n e s l e r 采用了自动调整控制器”“；j o h n m h o u s e 采用系统方法，较大地节省了系统的运行费用并使能源得到有效地利用 “；a l b e r tt p s o 利用神经网络控制方法作为h v a c 系统的识别器与控制器“”。 k r u g “”利用h v a c s i m + 软件和最优化控制算法对中央空调的风机、空气处理器、 变频电机及房间状态进行了优化设计和控制；d e x t e r ”和k e l l e y ”对这方面的研究 工作进行了总结。 由于缺乏好的仿真软件，很少有人从系统层次上进行优化控制分析。它能更 好地促使整个系统对空调动态负荷的反应，并使运行达到经济、节能效果“2 “。 这一般通过合适的下位机控制器控制，以及局部系统的上位机优化控制管理。评 价空调系统控制管理优劣的指标包括：系统运行的稳定性、系统对动态负荷变化 的跟踪能力以及系统运行的费用和能耗等。在保证下位机控制回路稳定性的前提 下，对下位机控制回路进行实时优化控制，根据工况的变化和系统局部或整体的 西安建筑科技大学硕士论文5 运行状态，实时修正下位机控制器的设定值，获得系统优化的运行结果，较好地 实现上述控制指标。即最终从系统角度对各个控制器实施优化控制管理，实现系统 的分解协调控制“2 “。 本课题就是根据以上情况，搭建空调系统仿真器，并从系统层次上对空调系 统进行优化控制。 1 4 本课题研究的主要内容及要解决的关键问题 本课题主要完成对西安烟草公司办公培训楼一层楼的中央空调系统的空气处 理系统、空调房间的仿真系统的建立，并应用变量轮换法优化控制器参数，在满 足房间温度控制要求同时使其运行能耗小。通过调整各子系统主要控制参数的 设定值实现对各个子系统的优化控制策略。 本课题的主要工作： ( 1 ) 系统建模 利用热力学、传热学和流体力学的知识，参阅相关文献，建立空气处理系统、 空调房间系统的各个设备模型。7 h ”1 ； ( 2 ) 建立仿真系统 利用h v a c s i m + 软件搭建所研究对象空气处理系统、空调房间的仿真系统； ( 3 ) 建立研究对象的局部目标函数 建立优化的目标函数，使系统消耗的能量最少； ( 4 ) 确定控制算法“”3 从系统层次上进行优化控制，按分阶段模拟的思想整个系统采用递阶控制 ”。2 “嘲。”1 结构形式，协调器采用价格法，子系统采用迭代学习控制，控制器采 用变量轮换法优化目标函数，从而优化此控制器的控制参数，以便子系统的迭代 学习。 ( 5 ) 仿真运行 将m a t l a b 软件优化出的控制器参数加入h v a c s i m + 仿真器，进行系统仿 真运行，并对运行结果进行处理、分析。 西安建筑科技大学硕士论文 6 2 中央空调空气处理系统 2 1 金叶大厦空调空气处理系统概述 2 1 1 金叶大厦空调空气处理系统设备概述 金叶大厦是一个集商场、酒店、办公为一体的综合型大厦，大厦的各个楼层 根据设计安排和实际需求有不同的通风要求，因此大厦的空调区域采用全空气空 调系统或空气水风机盘管系统，本论文讨论研究的是其全空气空调系统，针 对的空调区域是大厦的一层房间系统。空调系统的空气处理设备( 空调机组) 是为 了满足空调房间对送风状态的要求而对空气进行净化和热、湿处理的设备。空气 处理设备由新风阀、回风阀、送风阀、过滤器、预热器、表冷器和送风机组成。 大型的空气处理装置还包括与送风机相匹配的回风机，本系统中没有采用回风机。 整个大厦由8 个空调机组，9 个吊挂式空调机以及新风机和风幕的控制组成。 本课题研究一层空调的2 个对称空调机组的空气处理系统及其送风房间系统，其 控制结构示意图如图2 1 所示。 图2 1 空调系统的控制结构示意图 2 1 2 空调机组运行控制方式 1 、定风量空调系统 整个大厦空调系统采用的是定风量调节方式。定风量空调系统的节能是以回 风温度为调节参数的，是一个定值调节系统，把回风温度传感器测量的回风温度 送入控制器与设定值比较，产生偏差，由控制器按p i d 规律调节表冷器回水调节 阀开度以达到控制冷冻( 加热) 水量。 西安建筑科技大学硕士论文 7 新风温度是个变量，以夏季工作情况为例，当室外新风温度增高，新风温度 测量值增大，这个温度增量经d d c 运算后输出一个相应的控制电信号，使回水阀 开度增大即冷量增大，补偿了新风温度增高对室温的影响。如室外温度降低，新 风温度测量值减小，这个温度负增量经控制器运算后输出一个相应的控制电信号， 使回水阀开度减小即冷量减小。回水阀始终保持在最佳开度，最好地满足了冷负 荷的需求，达到了系统节能的目的。 回风湿度调节与回风温度调节过程基本相同，把回风湿度传感器测量的回风 湿度送入控制器与给定值比较，产生偏差，由控制器按p i d 调节规律调节加湿电 动阀开度，以保持空调房间的相对湿度的要求。 根据新风的温湿度、回风的温湿度在控制器内进行回风及新风焓值计算，按 回风和新风的焓值比例控制新风回风阀的开度比例，使系统在最佳的新回风比 状态下运行，以便达到节能的目的。 采用压差开关测量过滤器两端差压，当差压超限时，压差开关闭合报警；采 用防霜冻开关监测表冷器前温度，当温度低于5 摄氏度时报警。 为保证空调房间的空气质量，当房间中c 0 2 、c o 浓度升高时，传感器输出信 号到d d c ，经计算，输出控制信号，控制新风风门开度以增加新风量。 机组启动顺序控制：送风机启动新风阀开启回风机启动排风阀 开启回水调节阀开启加湿阀开启。 机组停机顺序控制：送风机停机关加湿阀关回水阀停回风机一 一新风阀、排风阀全关回风阀全关。 冬季，当风机关闭后，热水水阀留有5 的开度。 2 、新风机组 新风机组的节能控制是以回风温度为调节参数的，把回风温度传感器测量的 回风温度送入d d c 控制器与设定值比较，产生偏差，由d d c 按p i d 规律调节表 冷器回水调节阀开度以达到控制冷冻( 加热) 水量，使房间温度保持在要求范围 内。新风温度这里也是个扰动量变量，把新风温度作为被调信号加入回风温度调 节系统中。其调节过程与上定风量调节方式中新风温度调节过程相同。湿度调节 与上述温度调节过程基本相同。 根据新风的温湿度、房间的温湿度及焓值计算，以及空气质量的要求，控制 新风阀的开度，使系统在最佳的新风风量的状态下运行，以便达到节能的目的。 采用压差开关测量过滤器两端差压，当差压超限时，压差开关闭合报警；采用防 霜冻开关监测表冷器自u 温度，当温度低于5 摄氏度时报警。 金叶大厦空调系统全部采用定风量运行控制方式，空调系统共用1 0 个控制器。 其监控点表2 所示。本系统中只研究定风量空调系统，没有涉及到新风机组和其 他的空气处理形式。 西安建筑科技大学硕士论文8 2 2 空气处理系统各个设备的模型 利用仿真系统来模拟系统真实的物理过程，其前提是要有一个能够准确反映 实际系统各个设备动态响应的仿真程序，这个系统仿真器是由中央空调系统中各 个部件实际特性的动态数学模型所组成的。空调系统一般由风机、风管、泵、水 管、末端阀门和空气处理装置等部件组成，下面分别介绍本课题空调系统仿真中 用到的主要部件的数学模型洲”m 1 。 2 2 1 风机模型 本文所研究的系统中采用的风机是定风量形式，如图2 2 所示。 送风 无量纲的流量c i 图2 2 风机示意图 ， l y2 p n d 3 流速( 堙s ) ； p 流体密度( 堙m 3 ) 转速( r p s ) ； d 叶片直径( m ) 。 无量纲的压头c 、 一 1 0 0 0 a p c h 。：r n 2 d 2 玎效率。 入口压力尸为 a p = p o p c = 口。+ 口l c ，+ 口2 c ，2 + 口3 c ，3 + a 4 c ，4 吁= p o + q c ，+ p 2 c r 2 + 气c r 3 + p 4 c r 4 p = p o o 0 0 1 c p n2 d 2 ( 2 1 ) ( 2 - 2 a ) ( 2 - 2 b ) ( 2 - 2 c ) ( 2 - 2 d ) ( 2 3 ) 西安建筑科技大学硕士论文 9 尸入口压力( k p a ) ； 只出口压力( k p a ) 。 风机消耗的能量为 e ：型 ( 2 4 ) 卯 出口温度可以根据入口温度得到，如式( 2 - 5 ) 所示。 瓦：z + 掣( 三一1 ) ( 2 5 ) 肚。叩 c ，流体比热( k 堙。c ) 。 2 2 2 管道模型 当流体在管内流动，一方面由于管内的摩擦阻力和局部阻力产生压降；另一 方面流体通过具有一定热容的管壁与管外空气进行热交换；同时，管内流体的特 性，例如空气和水的温度，空气的湿度和污染物浓度在管内传输时还存在传递的 延迟。因此在管道模型中考虑了以下三个影响因素：流体的热力特性；流体的传 递特性；流体的动力特性。其示意图为图2 3 。 入口风的状态 参数 与外部的热交换 骼 出口风的状态 参数 图2 3 管道示意图 模型有四个工作模式：如果m o d e 的值为l ，代表的是风管，风管是构成空调 系统空气和水循环回路以及流体介质的传递部件；如果m o d e 的值为2 ，代表的是 水管。 假设管内压力变化的传递过程是瞬时的，不存在迟延，通过管道的出口压力 和质量流速计算管道的入口压力： 尸= e o + s i g n ( w ) k w 2 ( 26 ) 足管道的流动阻力系数( 对于风管而言，设k 为常数，据实际系统的 计算得出) ( o 0 0 1 k g m ) ； 缈流过管道的流体流速( 堙s ) 。 稳态出口温度为： 西安建筑科技大学硕士论文 1 0 t $ = 7 二6 + ( f z 二6 ) e x p ( 一y ) ( 2 7 a ) y ：旦( 2 7 b ) l 。， u 管道的总传热系数； 爿管道的换热面积； c ，流体的比热( k 堙。c ) ； z 管道入口温度( 。c ) ； 乙。环境温度( 。c ) 。 若不考虑传输延迟，对于流体介质的瞬态出口温度利用微分方程得到： 璺：t - t o ( 2 8 a ) 叫击铬( 2 - 8 b ) c 。管道的热容( j u 。c ) ； 瓦管道出口温度( 。c ) ； 囊，管道内外表面的换热系数( k w 。c ) 。 通过求解式( 2 8 ) 得管道出口温度为： 玎：强+ ( 巧一k ) e x p ( 一竺) ( 2 9 ) 通过调用d e l a y 子程序得到当前时刻管道的出口温度为： = d e l a y ( t o ，f ) ( 2 - 1 0 a ) 矿譬 ( 2 - l o b ) f 。管道的传输延迟( s ) 。 若详细考虑管道的动态特性，对于流体介质的瞬态出口温度可利用微分方程 式( 2 一1 1 ) 求解。 鲁= 鼍譬一。觇伽k 托e x p ( _ y 刊d t d t ) d rf ，、 。 其中 ，：生 ha 西安建筑科技大学硕士论文l l 口：盟 2 向。 此方程可以通过非线性方程求解器求解。本课题描述的是简单的管道动态特 性，因此没有涉及此部分的计算，当以后需要研究管道特性对系统的影响时，可 以通过选择管道的工作模式将式( 2 1 1 ) 加入系统。 2 2 3 混合段模型 混合段模型主要是用于计算两股气流混合后，混合气流的流量、压力及温度 和湿度，如图2 4 所示。假设气流混合后没有能量损失及质量损失，因此混合后， 混合气流的流量为两股气流之和： 2 + ( 2 1 2 ) 气流1 的流量； 气流2 的流量； 混合后气流的流量。 新 图2 4 混合段示意图 混合温度根据能量守恒原理，可得 l ：竖互鉴圣2 - 1 3 ) 。 3 z ，乃混合前气流1 、2 的温度( 。c ) ； l 混合后气流的温度( o c ) 。 本层空调系统由于服务对象是商场，没有采用湿度控制，因此没有涉及到混 合前后湿度的变化情况。此仿真系统中主要用此模型代表新风和回风混合后的气 流状态。 2 2 4 表冷器模型 表冷器是空调系统中水循环子系统和风循环子系统最重要的接口，因而准确 而且简单地模拟其特性是尤为重要的，其结构形式如图2 5 所示。表冷器分为全湿、 西安建筑科技大学硕士论文 1 2 部分湿、以及全干三种情况分别进行考虑( 此模型适用于表冷器有4 排或者更多排 时) ： 水侧的对流换热系数为： h 。= 1 4 2 9 ( 1 + 0 0 1 4 6 t w ) 瞄8 d ，2 ( 2 1 4 ) 水温( 。c ) ； 水速( 姆s ) 。 入口空 态 口空气状 态 图2 5 表冷器结构示意图 对外表面全干的状态，管外空气侧的对流换热系数为： j = c 1 r 。q ( 2 - 1 5 ) 2 h “= j g c 只3 ( 2 1 6 ) 其中c 。，c ，对于不同的表冷器有不同的值，可根据表冷器的具体几何尺寸查阅 有关手册得出。 g 翅片管的最窄面风速( m s ) ； o 。空气的定压比热( k j k g o c ) 。 对于外表面全湿的状态，管外空气侧的对流换热系数为： = c i k ( 2 1 7 ) c ，析湿系数( 无量纲) 。 外表面全干的状态下，表冷器出口空气和冷却水的稳态温度可通过以下三个 代数方程的联立求解： q = 睨c 。( l ，一瓦。) ( 21 8 a ) q = 既c 。( l 一7 w ，) ( 2 - 1 8 b ) q = u a o ( l m t d ) ( 2 - 1 8 c ) l k 盯d = l n ( t ，一。) 一i n ( l o l ，) 睨空气的流速( k g s ) ； ( 2 1 8 d ) 西安建筑科技大学硕士论文 1 3 既冷冻水的流速( 堙s ) ； c 。空气的比热( 彤k g o c ) ； c ，。冷冻水的比热( k j k g o c ) ； u 表冷器全热交换系数( k wm 。2c 。1 ) ； a 表冷器的外部换热面积( m2 ) ； 瓦。，l 。表冷器出口水和空气的稳态温度( 。c ) ； l ，瓦表冷器入口水和空气的稳态温度( 。c ) 。 对于外表面为湿状态时，表冷器出口空气和冷却水的稳态焓可通过以下三个 方程联立求解： o = ( h 。，一日。) ( 21 9 a ) q = w q 。( 打。一h 。) q = u 。a 。( l m h d ) 三m t d = 面( h i o , - 五h j o ) i - ( h 丽o o 面- h , )l n ( 日。一日。) 一1 n ( 。一日。，) ( 2 一1 9 b ) ( 2 1 9 c ) ( 2 1 9 d ) h 。= 。+ 6 l ( 2 - 1 9 e ) h 。，饱和空气焓( 在进水温度l ，下通过式( 2 1 9 e ) 计算得到) ( k j 培) ； h 。饱和空气焓( 在出水温度l 。下通过式( 2 1 9 e ) 计算得到) ( k j 堙) e 动态换热过程如下面方程所示： 盟：玉= 生 ( 2 2 0 a ) o 疆。，1 。，一1 。， 一 击r d o ) 一一。 d tt ( 2 2 0 b ) ( 2 2 0 c ) f ：鱼( 2 2 0 d ) u a 。 c 。表冷器总热容( k j c ) ； 吃，乇表冷器出口空气和水的动态温度( 。c ) ； 珊。表冷器出口空气稳态湿度( k g w a t e k gd r y w a t e r ) ； 甜二表冷器出口空气动态湿度( 船 w a t e k gd r y w a t e r ) 。 据代数方程( 2 - 1 8 ) 、( 2 - 1 9 ) 得到的稳态温度用来判断表冷器外表面状态。 西安建筑科技大学硕士论文 1 4 动态温度则分别作为实际空气温度、冷冻水温度输出。如果表冷器出口温度低于 进口空气的露点温度，该表冷器的确处于全湿状态。如果表冷器进口外表面温度 高于进口空气的露点温度，该表冷器处于全干状态。如果表冷器的外表面的实际 温度不属于这两种情况，则认为表冷器处于部分湿状态。本课题只研究表冷器处 于全干状态下的优化仿真问题。 以上描述了表冷器的热力特性，对于它的动力特性，即空气流过空气处理机 组由于箱体阻力及表冷器局部阻力而产生的压降，模型中没有考虑，但是将表冷 器的阻力归并入风管的阻力进行计算。 2 2 5 风门水阀模型 空调系统风侧回路中，控制器通过调节新风风门、回风风门和排风风门的开度 改变空气流量；水侧回路中，控制器通过调节各空气处理机组的进水阀和旁通阀 阀门开度改变冷媒水流量。这些风门和水阀是系统控制必不可少的。 实际过程中，风门和水阀只对流体的动力特性产生影响。而对流体的热力特 性影响微乎其微，可以忽略。因此在建立风门、水阀的模型时，只模拟它的动力 特性。假设压力和流量的变化是瞬间进行的，因此用风门、水阀两端的固定压降 来描述部件的特性： a p = k o w 2 ( 2 2 1 ) 虬阀门全开时的流阻系数； 流过风1 q 水阀的流体的流速( k g s ) 。 若 则阀门的入口压力为 k ： 攀+ ( 1 一w f ) k o 严： 2 2 ) 肚面葫邶一舻“ 汜屯2 p = p o + s i g n ( w ) k w 2 ( 2 2 3 ) c 阀门的开度( o c 1 ) ； 五泄漏系数； 只，只阀门的入口和出口压力( k p a ) ； ，特性系数( 值为1 时代表线性特性，值为0 时代表指数特性) 。 对于带执行器的三通阀，输入的控制器信号g 和执行器位置信号e 关系如式 ( 2 - 2 4 ) 所示： 西安建筑科技大学硕士论文 1 5 一a c o ：旦量 ( 2 2 4 ) d fl f 执行器时间常数( s ) ； c 来自控制器的控制信号； e 执行器位置信号。 2 2 6 传感器模型 在控制系统中，传感器是测量某些物理状态的基本部件，模拟时需要考虑输 出的迟延。用简单的一阶微分方程和传感器时间常数来模拟传感器的工作过程。 对于温度传感器，首先根据传感器的增益及补偿系数将输入的信号进行转化。即 c ：生墨( 2 2 5 ) ? ； c ，输入温度的修正信号； t 温度传感器的输入增益； r 温度传感器的补偿系数。 考虑传感器的延迟特性，其输出信号利用式( 2 - 2 6 ) 得到。 d c o ：笠量 ( 2 2 6 ) r 温度传感器的时间常数； c 0 传感器的输出信号。 若r2l s ，由m o d s i m 的求解器求解； n l f 0 0 5 或者 c ，一c o 一一一 、芷 ，。 。 一 房0目平均温度t 20 万 厂 送风插l 度t 5 i o1234567 8 时问( 秒) 图4 1 0 房间温度变化图 9 1 0 x1 0 4 巧 幅 j_赵理噬潮葛趟赠医孵苦考 西安建筑科技大学硕士论文3 7 5 空调系统优化控制策略研究 5 1 1 系统优化概述 所谓优化问题就是依据过程的数学模型，在约束条件下优化其目标函数，其 中递阶优化问题最初是由b r a c k e n 和m c g i l l 于1 9 7 3 年提出的。被控对象的多样性 和复杂性使得控制系统的规模越来越大，由于决策单元处理信息能力的限制，这 种复杂的大系统靠单一的决策单元解决其优化或控制问题时会遇到所谓的大系统 维数灾难。m e s a r o v i c 等人提出的多级递阶系统协调的理论和原则，在大系统分解 协调方面产生了重要影响。其主要方法是把复杂系统分解为若干个相互关联的子 系统，各予系统按自己的控制目标设置控制单元，这些单元一般由动态调节器和 优化决策单元构成，直接对复杂系统的某个子系统控制。同时各子系统间又受到 上级协调器的协调，通过协调各子系统的控制性能指标或协调各子系统的关联变 量以保证系统总体最优。”“”“。 在递阶控制中，协调器始终通过改变协调变量来平衡各个子系统的关联，以 使系统达到最优；而子系统的优化则是由协调器送来的协调变量以及子系统的目 标函数来进行的，从中解出最优控制。将这样的递阶结构分为三层：下层是实际 系统层，中层是直接控制层，上层是优化层。优化层又分为两级：局部决策单元 级( 下级) 和协调器级( 上级) 。下层只受相应的上层直接控制，而同层或同级横 向之间没有任何信息交换“2 “”1 。 大系统递阶稳态优化的关键问题是协调。协调器的任务是通过对下层各局部 决策单元的干预，来保证他们分别找到的决策能满足整个系统的总体目标函数最 优化的要求。协调器通过改变协调变量，不断地和下级局部决策单元交换信息， 同时按一定的协调规则进行计算，然后，发出对各个子系统局部决策单元的干预 信息( 协调作用) 。协调器用来处理关联问题，而各个局部决策单元和协调器之间 进行相互迭代找到最优解。 5 ，1 2 空调系统优化控制 本课题根据分解协调原理，将复杂的中央空调系统在空间上进行分解，将其 分解成几个送风区域，分解后，各个空调区分别采用单独的控制器进行控制，而 控制器接受来自局部决策单元和协调器之问相互迭代得到的最优输出信号，这样 西安建筑科技大学硕士论文 3 8 形成了空调控制系统的递阶控制。通过对空调控制区域进行分区，将协调量的维 数降为控制区域的维数，使两级间的信息传输量大大减少，同时还提供了选择局 部任务的自由度，使两级间的任务可根据实际的硬件资源任意分配。由于局部控 制器的计算量较小，因此，使得系统响应的速度比较快。虽然分解使得协调器的 计算量增大，但由于协调器的运算速度快而且采用了动态修正协调变量的方法， 使协调量的计算收敛快“。空调系统的整体优化结构如图5 1 所示。图中h 表示空 调系统中各个区域间的关联关系，即各个送风