（环境工程专业论文）matlab应用于空调系统模拟与故障诊断的研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 集中空调系统，一般是按不保证5 0 小时负荷进行设计的。但是，没有经过调 试的空调系统不能保证系统的正常运行。为了确保集中空调系统的稳定性和可靠 性，系统的调节和控制非常重要，需要模拟系统能够给出精确数据和准确的指令。 本文首先建立了集中空气调节系统的数学模型，利用m a t l a b 编写了空气处理 机组的仿真软件，随后对空调机组进行了变工况研究和理论分析。与此同时，鉴 于对系统稳定性的需求，系统的故障诊断得到了高度的重视，本文研究了神经网 络b p 在空调系统这方面的应用。 系统主要由两部分组成，即仿真和故障诊断系统。空气处理机组仿真软件采 用m a t l a b 7 0 在w i n d o w s x p 环境下完成。故障分析部分使用了三层b p 网络计算 模型。文中还介绍了人工神经网络的基本原理。 仿真部分分为8 个软件模块，分别实现了对风机、过滤器、混合段、表冷器、 加湿段、房间、阀门、管道的仿真。故障分析部分采用三层b p 网络来确定空调 系统的9 种常见故障。神经网络输入采用1 1 维 o ，l 】区间的实数向量，中间层采 用7 个神经元，输出层用9 个神经元表达9 种故障。实现了无噪音和有噪音两种 训练方法，两种方法中都采用随机产生的样本训练神经网络，经过训练可以正确 地预测各种故障。 析 关键词：空气处理机组数学建模空调仿真m a t l a b 神经网络故障分 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t c e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi sd e s i g n e dn o tt os a t i s f yt h e5 0 hl o a do fb u i l d i n g ， b u ti tc a n n o tb eo nt h ew o r k i n go r d e rb e f o r et h es y s t e md e b u g g i n g t oi n s u r et h e s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fc e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oc o n t r o l a n do p t i m i z et h eo p e r a t i o no fa h u , w h i c hn e e das i m u l a t i o nt og i v ep r e c i s ed a t ea n d o r d e r i nt h i sp a p e r ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fe v e r yp a r to fa h ua r ee s t a b l i s h e di n d e t a i l ，as i m u l a t i o ns o f b , v a r ei sp r o g r a m m e db ym a t l a b7 0 l a t e r , t e s t sa r ec a r r i e do u t t oc o n f i r mr e l i a b i l i t yo ft h ep r o g r a m b a s e do np l o tt h e o r y ，m o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f s y s t e mi sa n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，s t a b i l i t yo ft h es y s t e mi sd e m a n d e d ，t h ef a u l t s d e t e c t i o na n dd i a g n o s i ss y s t e mh a sr e c e i v e dg r e a t e ra t t e n t i o n i nt h i s p a p e r ，t h e a p p l i c a t i o no fb pa l g o r i t h mi nf a u l td i a g n o s i so ft h ea i r c o n d i t i o n i n gs y s t e mi s r e s e a r c h e d t h es y s t e mi sm a d eu po ft w om a j o rp a r t s ：s i m u l a t i o na n df a u l td e t e c t i o na n d d i a g n o s i s ( f d d ) t h ep r o g r a mi sd e v e l o p e du t i l i z i n gm a t l a b7 0i nw i n d o w s x p o p e r a t i n gs y s t e m t h e a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki s u s i n g t h e 3 - l a y e r b p ( b a c k - p r o p a g a t i o n ) n e u r a ln e t w o r k t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) i sa l s oi n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h es t i m u l a t i o np a r tc o n s i s t so fe i g h t p a r t sa c c o r d i n gt ot h ec o m p o n e n t so f a i r - c o n d i t i o n e r t h ef d d p a r ts i m u l a t e s9c o m m o nf a u l t so fa h u t h ei n p u tx t ot h e n e t w o r ki sd e s i g n e dt os a t i s f yt h i sc o n d i t i o n ：xe 【0 ，1 11 t h eh i d d e nl a y e rh a s8 n e u r o n s ，a n dt h eo u t u tl a y e rh a s9n e u r o n s ：e a c ho n ec o r r e s p o n d st oo n ek i n do f c o m m o nf a u l t t h eb pn e t w o r kc a nb et r a i n e de i t h e ri nan o n - n o i s yw a yo ri nan o i s y w a y i nb o t hc a s e s i t st r a i n e du s i n gr a n d o mi n p u t t h er e s u l tn e t w o r kc a n p r e d i c tt h e9 c d m m o nf a u l t sc o r r e c t l y k e y w o r d s ：a h u s i m u l a t i o nm a t l a ba r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) f a u l td e t e c t i o na n dd i a g o n o s i s ( f d d ) i i 青岛理工大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得青岛理工大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 研究生签名：弛期：巡 青岛理工大学学位论文使用授权声明 青岛理工大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅 可以公布( 包括f u 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权青岛理工 大学研究生处办理。 虢姆雌名：撕期：幽 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 - 1 课题概述 第1 章绪论 随着工业的进步和经济的发展，人们对现代生活和工作环境的要求也不断提 高。现在，大中型甚至小型建筑物都开始装备空调系统，这一方面改善了人们的 工作和生活条件，但另一方面也消耗了大量能源。据资料统计，在发达国家中， 建筑物的能耗约占总能耗的二分之一以上，而空调系统又是建筑物中的主要能耗 源，在商业建筑中，空调系统的能耗达到建筑物总能耗的5 0 以上，有些地区甚 至达到7 0 以上。一般的空调系统设计，绝大多数是采用全负荷的设计方法进行 设计的，而在空调使用的大多数时间里，空调系统实际处于部分负荷下运行，而 系统的运行工况的调节对其辅助的自动控制系统依赖程度较高。如何通过优化系 统的控制，使空调系统节约能量，这是整个世界特别是发达国家和地区进行重点 研究的课题之一。 在各种空调系统中，集中式空气处理系统又是常用的一种。它技术成熟，气 流组织好，对湿度也能较好的控制，这都使得它应用广泛，在大空间空调中更是 一支独秀。空调系统由冷、热源系统，空气处理系统，空气输送、分配系统等部 分组成。空气处理机组则是冷、热源设备和空气输送设备的联结枢纽，它组成设 备多，参数变量复杂，作用显著，是空调系统的核心设备。 在空调系统的控制仿真研究过程中，其主要研究对象包括空调系统以下几部 分：( 1 ) 冷、热源设备部分；( 2 ) 空气处理机组部分；( 3 ) 围护结构部分。各部 分之间通过质量流动和热量传递发生连接。其中，空气处理机组的控制与仿真又 是空调系统控制与仿真的重要内容。 现阶段，生产空气处理机组的厂家很多，各种型号、规格的空气处理机组层 出不穷。如图1 1 所示，空气处理机组常由新、回风阀，混合段、过滤段、表冷 段、加热段、消声段、风机段等部分组成。在出厂时，厂家一般仅给出冷量、水 流量、水阻力等少数参数，并且，这些参数都是额定状况下的参数。对于设计人 员来说，仅仅根据最不利工况点选择空气处理机组，却缺乏对空气处理机组全年 的运行工况的了解。但在实际运行过程中，大多数时间机组处在过渡季的低负荷、 非设计工况下运行。 青岛理工大学工学硕士学位论文 图1 1 ：空气处理机组的组成 在实际运行过程中，空气处理机组会产生或出现以下问题： l 、过渡季部分负荷下，设备运行参数发生变化。即使一天内，运行工况也随室外 参数的变化而改变。 2 、设备运行一段时间后，设备工况改变。如过滤器阻力增大，运行参数的变化， 机组常表现为送风量不足，送风温度过高。 3 、由于机组的运行工况与后面的管路特性有关，所以如系统没有合理调试，即使 设备选择合理，其运行效果并不一定能够符合设计要求。 4 、随着人们对工作环境的要求的提高，以及人们节能意识的增强，空气处理机组 必须加以自动控制。即为使空气处理机组达到最佳工作状态，需对空气处理机组 进行控制调节，但机组各参数间的变工况函数关系厂家鲜为给出。为此，我们需 要具体给出设备各参数变工况特性关系，以指导空调自控系统的建立。 对于以上问题，在实践中如采用通过试验，进行实测的方法，会很费力，甚 至有时根本不能实现。在这种情况下，计算机仿真将是一种有力工具。我们可利 用这一工具，对机组的风量、水量、空气状态等各参数进行实时仿真，以了解机 组的各种变工况特性以及各参数之间的变化关系o 1 2 当前的研究现状和评述 1 2 1 计算机仿真 所谓计算机模拟( c o m p u t e rs i m u l a t i o n ) ，亦称计算机仿真，就是利用计算机 对研究系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的主动者一人的思维过程和行 为进行动态性的比较逼真的模仿。它能够在建立系统之前预测系统的性能和参数， 并使所设计的系统指标达到最优。计算机模拟广泛用于系统设计、优化控制和决 策。计算机模拟通常利用计算机求解数学模型，并将系统过程演示出来。 仿真又可分为物理仿真和数学仿真两种。物理仿真是通过构造实物模型，利 用相似理论进行仿真求解；而数学仿真则是用数学的语言、方法去近似地刻画实 2 一 l 剐 i 一 青岛理工大学工学硕士学位论文 际问题，这种刻画的数学表述就是一个数学模型。数学仿真把研究对象( 系统) 的主要特征或输入、输出关系抽象成一种数学表达式( 解析模型或统计模型) 来 进行研究。其局限性是有时难于建模，难于求解。 计算机仿真，通过利用计算机对所研究系统的结构、功能和行为等进行比较 和模仿，对系统进行研究和分析，并可将系统过程演示出来。利用计算机使得数 学模型的求解变得更加方便、快捷和精确，能解决问题的领域也大大扩展了。下 面为计算机仿真的一般过程： l 、描述仿真问题，明确仿真目的。 2 、项目计划、方案设计与系统定义。根据仿真目的确定相应的仿真结构( 实时仿 真还是非实时仿真，纯数学仿真还是半物理仿真等) ，规定相应仿真系统的边界条 件与约束条件。 3 、数学建模：根据系统的先验知识、实验数据及其机理研究，确定模型的类型、 结构及参数。注意要确保模型的有效性和经济性。 4 、仿真建模：根据数学模型的形式、计算机类型、采用高级语言或其他仿真工具 将数学模型转换成能在计算机上运行的程序或其他模型。 5 、试验：设定实验环境、条件和记录数据，进行实验并记录数据。 6 、仿真结果分析：根据实验要求和仿真目的对实验结果进行分析处理，根据分析 结果修正数学模型、仿真模型或仿真程序或者修正改变原型系统，以进行新的实 验。 1 2 2 空调系统的仿真研究 在发展和应用计算机模拟研究建筑节能这门新技术的过程中，北欧国家开始 的较早，且卓有成效，但从世界范围来说，以a s h r a e ( 美国采暖制冷空调工程师 协会) 为代表，美国和加拿大一直处于领先地位。a s h r a e 这一国际性组织的各种 出版物强烈地影响者世界其他国家的发展，其中包括我国。西欧、北欧和日本等 国家，与北美的科技交流平时即保持着畅通的渠道，而当这种新技术出现时，人 员交流就更加频繁。 如果分析一下这门新技术在北美的发展过程，以沿着时间轴的纵剖面来说， 大体上可以分为三个阶段： 第一阶段为六十年代的查手册阶段，电子计算机进入建筑工程领域，在北美 一般认为从六十年代中期开始。这一阶段只是计算机利用的初级阶段，只不过将 原来手算计算过程原封不动的编成计算机程序，上机运算。 第二阶段是在七十年代中期，这一阶段主要是建立精确的数学模型，以实现 建筑热过程的详细计算机模拟，并建立相应的计算机程序。这种详细模拟是建立 青岛理工大学工学硕士学位论文 在动态传热过程计算的基础之上的，围护结构的模拟采用了动态模型，而空气处 理系统仍采用稳态模型来求解。在这一阶段，出现了如d o e 2 等用于初步预言长 期能耗的全建筑仿真程序。d o e 2 是美国能源研究与发展部从1 9 7 6 年开始着手开 发的工程师及建筑师使用的真实气象条件下全建筑能耗模拟程序。允许模拟附有 空调系统的建筑物，时间步长为一小时，适合作建筑物的长期能耗分析。1 9 7 6 年 美国国家标准局公布“建筑物冷热负荷计算程序n b s l d ”，可以认为这些是第二 阶段结束的标志。 八十年代中期，出现了第三代的建筑物与空调系统能量通用模拟程序，如美 国国家标准局在1 9 8 5 年发表的h v a c s i m + 以及空调系统动态热模拟程序等。 这一阶段出现的建筑与空调系统能量模拟程序均为通用的模拟程序，与第二 阶段相比具有较好的通用性和灵活性，可由用户自由定义系统的部件类型及搭配 方式，有较高水平的人机交互界面，易于使用。在数学模型中，只有空间和时间 作为独立变量，任何一个过程都不能独立求解，必须联立求解。整个系统的数学 模型形成一个大型的偏、常微分方程组，其特点为刚性且稀疏。这类程序适合于 短期预测，灵活性较强。但这类程序在反映部件间的时空联系上没有反映介质( 空 气和水) 的流动瞬态过程，因此将导致能量计算的大误差，造成短期能量分析结 果的不准确。 计算机应用于空调工程的理论和实践，目前仍在发展之中。近年来，在理论 研究和工程应用方面，都不断出现新事物和新动向。国际能源组织( i e a ， i n t e m a t i o n a le n e r g y a g e n c y ) 在能源利用和节能等方面设立了许多跨国性的研究小 组，每个研究小组都是针对某一研究方向，并且每年都定期交流各自的研究成果。 在当前的空调的优化控制的研究中，具有代表性的是比利时u n i v e r s i t yo f l i e g e 的 j l e b n m 教授领导的研究小组a n n e x3 0 ，研究的方向的名称为“b r i n gs i m u l a t i o nt o a p p l i c a t i o n 。 香港理工大学王盛卫博士也领导着自己的研究小组，多年来一直致力于空调 系统的优化控制和先进性控制系统方面的研究。 1 3 空气处理机组仿真的研究 在1 9 9 6 - - - 1 9 9 9 年间，伯克利的劳伦斯国家实验室对加利福尼亚的菲利浦联邦 公寓进行能耗分析时发现，提高空气处理机组的监测和自控水平，会有很高的节 能潜力。 在1 9 7 2 年，g a r t n e rj r 建立和发展了表冷器的模型；m y e r s ( 1 9 6 7 ) 和 m c c u l l a g h ( 1 9 6 9 ) 等分别建立和发展了蒸发器、冷凝器的数学模型。 在1 9 8 5 年，美国建筑设备技术中心、联邦机械实验室出版的“h v a c s i m + 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 建筑系统与设备模拟程序手册 中，c l a r k 博士发展了基于m a t l a b 环境的空调 系统的模拟系统。 经过多年的研究和发展，研究人员将这些成果总结成一些通用的商业软件， 例如d o e 2 ，b l a s t ，h v a c s i m + 和t r n s y s 。d o e 2 和b l a s t 程序模拟了系 统的能量特性，适用于系统的能耗分析，而h v a c s i m + 和t r n s y s 则适用于系统 的控制分析和控制器的设计。t r n s y s 软件是由w i s c o n s i n 大学的太阳能实验室 在七十年代开发的。它是最先对代数微分方程( d i f f e r e n t i a la l g e b r a i c a le q u a t i o n ， 简称d a e ) 进行模块化模拟求解的软件之一，现在已经是公众化的产品了。 h v a c s i m + 与t r n s y s 类似，也是一个基于设备模块化思想的模拟环境。 它的求解工具比当初的t r n s y s 使用了更新的数值求解技巧。它是由美国国家标 准局开发的，在八十年代成为公用软件。 在国内，清华大学热能系空调教研组在对建筑和空调系统模拟的基础上，开 发出一套面向设计人员的设计用模拟工具：d e s i g n e r ss i m u l a t i o nt o o l k i t ( d e s t ) ， 它包括气象数据、建筑描述、建筑计算、方案计算、空调模拟、管道分析等。 其中，a c s e l 就是为了解决全工况设备的验证而开发的模拟程序，通过空调方案 分析计算出全年逐时的机组回风状态、要求的送风状态、送风量和室外空气状态， a c s e l 自动的分析出最小能耗的处理过程，并且与具体的设备数据库相连，根据 每一个小时下的工况对空气处理室的每一个设备进行校验。通过把最小能耗的处 理过程和可靠的设备模型结合起来，对于空气处理室实现了全工况校验，从而为 设计人员提供清晰可靠的数据a c s e l 的主要特点是： l 、与实际的厂家数据库相连，采用厂家提供的样本数据 2 、逐时计算出要求的冷( 热) 水量、冷( 热) 水温度，为选择冷热源提供数据。 综合分析可以发现，当前的研究工作，由于研究的角度以及实际条件和要求 的限制，还存在一些不足，有待进一步的深入研究和发展。 l 、现在的常用软件，往往都是着眼于整个空调系统。这虽然带来适用范围的扩大， 但也会带来负面影响，例如：针对性、和深度不够，使用上的复杂繁琐。这些软 件必须考虑空调系统各部分之间的联立求解、数据的传输，而实际的空调系统各 不完全相同，这就要求软件的使用者需对实际的空调系统、仿真所用的软件都要 比较熟悉，并且能够针对具体系统，对软件进行系统设置。 2 、这些软件由于使用范围广，计算时间长，其研制开发的周期也很长，因此，其 价格较高，维护和升级比较困难。 3 、但在某些场合，则更需要一些操作简单，实用的软件，以适应非专业人员及快 节奏的任务。因此，本文拟就这一原则，编制了一简洁、实用的空气处理机组仿 真程序。本文与d e s t 的不同之处在于其开发的目的不同。d e s t 是为设计而开发 的，在设计中充分考虑了设计人员的设计思路，根据设计的不同阶段采用不同的 青岛理工大学工学硕士学位论文 模拟方法，并且在不同的模拟模块之间建立起详细具体的数据连接。而本文研究 的主要目的是为了指导自控系统的建立，主要是寻求非额定状况下机组各参数变 化特性，为系统的运行控制提供必要的帮助。 1 4 空气处理机组的故障诊断 随着智能建筑的兴起和迅猛发展，暖通空调系统及其自控系统的规模日益庞 大，设备种类及数量日益繁多，因而系统复杂程度越来越高、而系统运行过程中， 不可避免地会出现各种故障：例如，阀门卡死或产生泄漏、盘管结垢严重导致换 热不良、温度计或压力计等读数不准、过滤器堵塞、风机或水泵电机烧毁、风机 皮带松脱等、这些故障如果得不到及时的排除，势必导致系统运行参数严重偏离 要求的设定值，给室内工作人员带来不舒适感而影响工作效率和工作质量，增加 系统能耗，缩短设备使用寿命、尤其是在合成纤维、精密机械、电了仪表等产品 的生产中，空气温湿度等参数制约着产品质量，如何提高系统的安全性、可靠性， 防止和杜绝影响系统正常运行的故障的发生及其传播曼延就成为一个有待解决的 问题，而故障检测与诊断( f a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i s ，间称f d d ) 及容错控 制技术是提高系统安全性、可靠性的一个重要方法。f d d 己在国内外引起了越来 越多的关注，在许多领域得到了成功的应用。在暖通空调领域，国外正在进行故 障实时诊断方法研究及工程应用尝试。国际能源组织( i n t e m a t i o n a le n e r g y a g e n c y 简称i e a ) 组织十多个国家开展的建筑节能项目中，第2 5 项子课题的主 题就是建筑设备实时故障诊断，现己发表了许多研究报告，但国内h v a c 系统故 障诊断方面的研究报告目前尚很少见到。 调查结果表明，空调系统因故障停止运行后，人们仅可以承受3 0 一_ 6 0 分钟的 暂时不适而无抱怨、因而对于h v a c 系统来说，故障的快速检测并尽早修复比系 统的可靠性更重要，迫切需要开发全自动的、实时的故障检测与诊断系统。而现 代h v a c 系统的复杂性使得控制部件的失灵不一定会产生易于检测的征兆，如 v a v 系统末端送风温度控制器的故障不会直接引起室温的变化、这就要求诊断系 统能对异常状态给出报警、提示及发展预报，尽早检测发现出故障并实现分离。 使用故障诊断系统可以达到以下目的： l 、减少空调系统的维修费用，合理地使用技术人员。利用故障诊断系统的帮助， 可以快速找寻故障，制定维修策略，合理地使用有相当技术的维修人员，缩短了 维修时间，减少了维修费用。 2 、提高空调质量。例如风机皮带松动造成风量减少，使房间温湿度不满足要求， 降低了空调质量。故障诊断系统能够及时发现故障并采取相应措施而消除故障的 影响，使设备和系统能够保持正常运行，从而保证控制要求，提高空调质量。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 、利用故障诊断系统对空调系统加以管理，可以延缓设备老化、节约能耗和水耗。 由此，空调系统故障诊断系统成为计算机对空调系统进行控制管理的一个重要发 展方向，本文在对空气处理机组进行仿真的基础上，将对其故障诊断作进一步的 研究。 1 4 本文的主要工作 在各种空调系统中，空气处理机组无疑是其中的重要设备，其设计选择、运 行的好坏直接影响着整个空调系统运行的好坏。因此，本课题重点着眼于空气处 理机组的研究。针对前面所提出的问题，在前人研究成果的基础上，本文拟在以 下几个问题进行了研究： l 、借鉴国外成熟软件的理论研究方法和设备模型，分别建立空气处理机组各组成 段的数学模型。 2 、在此基础上，将空气处理机组各组成段的数学模型进行连接，并利用m a t l a b 编制空气处理机组仿真软件。 3 、利用编制的软件，对空气处理机组的常见过程进行仿真，并将结果进行分析， 以得出有益结论。 4 、利用建立的仿真模型，建立神经网络故障诊断系统，对系统进行故障诊断。 本文的创新点是：本项研究课题将在理解和掌握上述国内外相关研究成果的基础 上，重点对空气处理机组的计算机模拟与仿真做进一步的探讨和研究，开发出具 有一定特色的空气处理机组仿真系统。利用b p 神经网络对空气处理机组进行故 障诊断。 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章空气处理机组的数学模型 为了研究和分析空气处理机组优化设计和运行调节，采用在实际的系统上进 行实验的方法是不切合实际的，即使可行其代价也较高。而采用在计算机上进行 模拟的方法，不但简便快捷，而且费用很低。这种方法的前提是要有一个能够准 确地反映实际系统各个参数变工况特性关系的仿真程序。这个仿真程序又由空气 处理机组中反映系统各部件特性的数学模型组成。建立空气处理机组仿真程序， 首先要根据研究内容和目的的需要，建立空气处理机组各个部件的数学模型，然 后再通过一定的方法，根据实际系统的应用情况，将各个部件的数学模型串接起 来，最终完成在各种条件下能够反映系统响应的仿真程序。 对于空气处理机组，其主要部件有：表冷器、风机、风阀、过滤器、加湿器 及混合、消音等设备。本章的研究目的就是在前人的研究基础上，对这些部件进 行数学描述，分别建立了空气处理机组各部件的数学模型。 对空气处理机组的系统仿真，是否可以简化为稳定过程，取决于机组各组成 段的时间常数和简化后对仿真结果的影响。在空气处理机组各组成段中，阀门、 风机、加湿器均可视为一阶惯性环节。其时间常数约为：温度传感器时间常数2 0 秒：压差传感器：时间常数十秒；其动态响应的时间非常小，都可认为是瞬时变 化的，因此其动态变化过程可以忽略不计。在空气处理机组各部件中，表冷器的 时间常数最大，几十秒，而与空调机组相连接的空调房间，则为纯滞后的大容量 系统，其时间常数约为几小时或几天，与之相比，空气处理机组各环节都可看成 瞬时系统。因此，在研究空气处理机组在部分负荷下的运行工况时，可将空气处 理机组的计算仿真简化为稳态问题来处理。 影响空气处理机组运行工况的因素很多。根据系统仿真的要求，在数学建摸 过程中，根据系统仿真的要求，还对仿真的系统进行了以下简化： 1 、房间模型的简化。实际的房间热容性很大，在控制上表现为大容量纯滞后系统， 且房间结构、材料不同，其惯性时间常数也不同。本文主要研究空气处理机组系 统的仿真，不考虑房间的热容性。 2 、管道模型的简化：实际的管道，既有阻力特性，也会由于管道的传热，造成管 内空气的温度变化。本文为简化起见，不再考虑管道的传热。 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 2 风机模型 风机是空气处理机组中提供动力的部 分。对于空气处理机组中风机的选择，应根 据风量与压头的关系，选择合适的风机类 型，如前向多翼或后弯式叶片，以确保风机 噪音及效率等指标达到最佳状态。随着计算 机技术的发展和自动控制水平的提高，对空 气处理机组中风机的选型也提出了更高的 要求。例如，选择的风机特性曲线应具有平 缓的特征，这样当风量减少时可以使系统避免增加不必要的静压；其次，还要考 虑风机选择时应使其工作范围应处于较稳定的高效区内等因素。 鉴于风机对于空气处理机组影响的重要性，仿真时需要为风机建立较为准确 的数学模型。 2 2 1 风机的叶轮基础理论 为讨论叶轮与流体相互作用的能量转换关系，首先要了解流体在叶轮内的运 动。这种运动比较复杂，分析其能量关系的理论依据是欧拉方程。 h r 。= 土0 2 如。一v l 。) g ( 2 1 ) 对于风机，通常用风压来表示所获得的能量，因此，风机的能量方程式可改 写为： p m = 触。= p 0 2 v z 。一“。v 。) f 2 2 1 其中，“，v 为圆周速度和轴面速度，将叶轮的速度三角形公式代入( 2 - 2 ) 式，可得： 日h = 土“2u 2 一v 2 ，。c o t 岛。) g r 2 - 3 ) 式中：殷一为风机叶片出口安装角，根据其大小，可风机叶片形式可分为三 类：历一 9 0 0 为后弯式叶片；段一= 9 0 0 为径向式叶片：p 2 一 9 0 0 为前弯式叶 片。由式( 2 3 ) 可得出，随安装角屐一增加，流体获得的理论能头增加，因此， 前弯式叶片产生的能头最大。同时，随安装角p 2 一增加，反作用度f 减小，即动 能在总能量中占的比重增大。 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 2 2 风机参数 本文利用风机的有关定律、原理，借助一具体型号风机的实际性能曲线，建 立了风机仿真的数学模型。该模型包括风机的流量、扬程、转速、功率、效率以 及出口空气的温升，分析过程中忽略了空气密度变化对性能的影响。 2 2 2 1 流量 流量可以用体积流量g v 表示，单位m 3 h ，也可以用质量流量g m 表示，单位 k g s ，它们之间的换算关系为： q m = p qv 当温度为0 是，空气密度p 2 1 2 9 3 k g m 3 2 2 2 2 全压 风机的全压包括静压和动压，是指单位体积气体流过风机时所获得的总能量 增加值，用p 表示，p 2 p g h ，由风机的叶轮理论可知，风机的全压为： p 2 p ( u 2 d 2 一甜l v i 神) 小+ 钟卜譬 p a 。2 叫 2 2 2 3 功率 功率分为有效功率、轴功率与原动机功率。有效功率是单位时间内通过风机 的流体实际所得到的功率，用表示： p ：旦卫 。 1 0 0 0 k w ( 2 - - 5 ) q v ：体积流量，m 3 s ；p ：全压，p a 轴功率是原动机传给风机轴上的功率。如果总效率为r l ，则 p ：墨：旦 r l 1 0 0 0 r i 涮 原动机功率系指原动机输出功率，如传动效率为，则 p ：三：垡! 翌 g 1 0 0 0 r r ( 2 6 ) 2 2 3 风机的性能曲线分析 在给定的流量下，均有一个与之对应的扬程h 或全压p 、功率p 、效率，7 值， 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 这一组参数，称为一个工况点。对此，我们可做出风机的g v 日、q v p 、g v 一，7 等各种曲线。如图2 1 ： r 垛o ) 3 a 也v 2 0 0 工 l q ( m 3 h ) ( i o o o ) 图2 1 ：风机特性曲线 这些性能曲线是风机制造厂通过实验得到的，一般载入风机样本，供用户使 用。但这种性能曲线的弊端是不具有通用性，每种风机都有自己的性能曲线。为 此，研究中我们根据相似定律，将风机各参数无量纲化，给出了风机的无量纲性 能曲线。 相似定律表明，凡是相似的风机，必然保持性能参数间的相似关系。因此， 由于同类型风机具有几何相似、运动相似和动力相似的特性，所以其性能参数间 的变化规律是相同的，即性能曲线的几何形状也应该是相同的。首先可将风机的 各参数无量纲化，变为无量纲参数： 流量系数： 压力系数： 功率系数： 万= 惫“以 万= 与p u = 嘉扩 砌 式中 6 0 ，为叶轮出口圆周速度，m s ； 加2 4 ，为叶轮侧面面积，聊 风机的效率也可以用无因次性能参数进行计算，即 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 青岛理t 大学工学硐上学位论文 。：些 p ( 2 - - 1 0 ) 采川这些无量纲参数绘制的曲线，即是无因次性能曲线。这种曲线对选犁设 汁和系列之间的进行比较都十分方便，同时n j 以用来推算改类风机任意掣号的风 机性能。例如：x , j 于国产g 46 8 离心式送风机，经过推算j 获得其qu 一爿、q v 一7 7 无囡次性能曲线，见图2 - 2 。与之相似的同一系列风机的无冈次性能曲线与之十h 同。 在我们的模型中，根据一般规律，这种无因次性能曲线可用最岛指数为次的多 项式来拟合表示，娅对蚓2 2 中qr 一“、qv 一_ 兀闻次性能曲线进行拟台，得出 的多项 如下： 凡机无因款性能曲线 、 一一+ 一颦、! 、 、 、寸日 一 、 卜 全压兀囡次曲线：h = 3 , 6 4 + 0 8 0 1 。q ，一o 1 9 “日，0 , 0 0 4 4 5 g ，1 效牢无凼次曲线： ”2 0 + 0 5 6 4 “q ，0 8 6 2 。q 。 2 2 4 风机的模型 在本模型中，已知条件为：风机的结构参数，如风机叶片尺寸、风机转速、 电动机效率、由于摩擦损失引起的空气吸热量所占的比例以及表征风机特性的各 种无冈次性能曲线，风机入口空气的状：盘参数。通过模拟求解风机m i j 空气状态 参数及风机的耗功；孛：。计算过程如下： o 俄 铯 7 生次 o | 堇无 5 机。姐 3 ，禺 舒 2 4 、t1 青岛理工大学工学硕士学位论文 将风量代入式( 2 - - 7 ) ，可求得风机的无量纲风量：由风机的各无因次性能曲线 或由其拟合出的多项式，可求出风机的无量纲效率、无量纲全压，由此再代入下 式即可求出实际的风机全压、功率及其它参数： 一 拧2 d 2 一d p 2 p u z p = 面产p a p ：p a u 3 p 1 0 0 0 k w 2 3 表冷器的模型 在h v a c 系统中，表冷器起到非常重要的作用，表冷器性直接影响着整个系 统的品质。所以，一个简单、可靠但还要准确的表冷器数学模型，对于系统的仿 真和控制优化的实施是非常重要的。 在冷却和加热盘管的建模方面，前人已做过相当多的工作。就复杂性和经验 而言，这些模型可分为理论设计模型和经验工程模型。理论设计模型一般复杂并 且详细，它基于基本的传热传质关系和详细的盘管结构参数，但对于具体的设备 生产厂家很难给出如此详实的设备技术参数。这种模型经常用在冷却和加热盘管 的设计工程中，是设计的理论基础。例如，a s h r a e h v a c2t o o l k i t 给出一种冷 却盘管模型，这种模型需要肋片的结构尺寸和盘管的厚度、直径等参数来计算传 热系数，这种模型只有在提供了详细的几何参数的情况下才有用。另一种方法是 使用额定状况下的数据资料，来拟合参数模型，并以此来求盘管在其它状况下的 性能参数。b r a u n 的有效模型就是这类的典型代表。 与理论模型相比，经验工程模型简单，并且只需很少的几何参数。为了避开 理论模型的假设和复杂，r a b c h l 曾提出一包含着干工况、湿工况模型。这个模型 需提供质量流量和三个经验常数的流体参数。w a n ga n dc a i 提出了一个基于能量 守恒的非线性动态模型，并且为这样一个非线性系统发展了一种控制方法。但是， 这种模型的问题在于，它忽略了好几个重要的传热参数，因此很难于以最优控制 为目的的系统中。 由于表冷器在空调工程中的特殊重要性，国内对表冷器的热工计算方法十分 重视。先后提出的计算方法已不下几十种之多，这些计算方法各具特色。提出的 方法有：热交换效率法( 干球温度效率法) 、湿球温度效率法、干球温度效率一析 湿法、图解法、焓效率法、线性方程组求解法、传热单元数法等，但最适合表冷 器特点的还是包含析湿系数的效率系数法。以下就以该法为基础，建立表冷器的 数学模型。 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 3 1 表面式换热器的热工计算 2 3 1 1 表商式换热器传热系数 表面式换热器的热湿交换可分为加热过程、干燥冷却和减湿冷却过程。对于 只有显热传递的过程，由传热学可知，换热量可以写成： q = 心d w a t d ：对数平均温差，。c 。对于机组中常采用的肋管式换热器，如不考虑其 它附加热阻，k 值可按下式计算： k ：l _ l + 堕+ 三l l 口w 丸 旯 口一j ( 2 一1 1 ) 式中， 万：管壁厚度；口w 为翅片管外空气侧湿空气的对流换热系数。 口w = 成u a c p 。c ir e c , p 狮； ( 2 一1 2 ) ”口是翅片管的最窄面风速；c l 和c 2 是和表冷器结构类型有关的常数。 口一为管内水侧的对流换热系数。 l 6 。= i3 6 5 + 层流时： l 旦q 鱼6 8 ( d ，) r e vk 1 + o 0 4 ( d ，l 。) r e w 】可3 1 九 j 。瓦 ( 2 1 3 ) 紊黼= o 0 2 3 5 r e o s - 2 3 0 x l 衅- o 8 6 + 蛾他孵每( 2 叫) 仉为管径；l w 为冷冻水每个流程的长度。 对于减湿冷却过程，传热系数k 可按下式计算： k _ 南+ 氍， 5 ， 由于口n 与口w 一般是水和空气流动状态的函数，因此，表面式换热器的传热系数也 常常整理成以下形式的经验式： k ：l 上+ 上f 【- 彳0 埘b w ”j 耻1 可+ 剖 式中，巧一一空气迎面风速，m s ： 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 w 一一表冷器管内水流速，m s ： a ，b ，p ，m ，a m 一由实验得出的系数和指数。 2 3 1 2 表面式冷却器的热交换效率 表面式冷却器的热交换效率有全热交换效率已g 和通用热交换效率e 。两种对 于表冷器的仿真，属于校核性计算，可采用全热交换效率己g 进行计算。 ( 1 ) 表冷器的全热交换效率是同时考虑空气和水的变化的。 e g 的定义式为： e 。：二直 。t i 。t w ! 式中，t lf 2 处理前后空气干球温度，f w ，初始水温。 根据传热理论，可推导出： e 。：1 - e x p - f l ( 1 - y ) 8 1 一y e x p 一( 1 一例 f 2 1 6 ) ；等y ：堕 其中，热容量比。和p ，传热单元数7 一百 可得出：e g 。i ( r s ，g ，w ) k s = 心y ，w ，专1 。g = f f ，p 。w = f w 式中，e 为表冷器的迎风面积，兀为通水断面面积，当表冷器的结构型式一定， 且忽略空气密度变化时，e 8 的值是只与b 、w 和孝有关，即： e 8 = f by ，w ，考1 ( 2 ) 通用热交换效率系数e 表冷器的通用热交换效率只考虑空气状态变化。 e 的定义式： f 2 篙。1 。e x p 【( 鹏怫p c ) y 】 ( 2 - 1 7 ) 根据传热理论，可推导出： e = 1 一e x p ( - a 。f ) ( f y l ，j ，伊p ) 】 通常将每排肋管外表面积与迎风面积之比称作肋通系数a ，即 f n f p 所以可得：e = 1 一e x p ( - a w a n ) ( v y 肛，) 】 青岛理工大学工学硕士学位论文 由此可见，对于结构一定的表冷器来说，由于a 一定，空气密度可看成常数，口w 又 与，有关，所以 e f ( v 。，n ) 此外，对于水做热媒的空气加热器，传热系数k 也常整理成下列形式： k = 彳( 印) ”w 一 2 3 1 3 表面式换热器的阻力 在选定表面式换热器之后，还必须计算通过它的空气阻力和水阻力( 热媒为 水时) 。其空气阻力与加热器型式、构造以及空气流速有关。对于一定结构特性的 空气加热器而言，空气阻力可由实验公式求出： a h = 曰( 嘲p p a ( 2 1 8 ) 式中，b 、p 为实验的系数和指数。如果热媒是蒸汽，则依靠加热器前保持一 定剩余压力来克服蒸汽流经加热器的阻力，不必另行计算。如果热媒是水，则其 阻力可按实验公式计算： a h = c w q k p a 式中，c 、q 为实验的系数和指数。 设备要求参数：换热器型式或a ，b ，p ，m ，n ；迎风面积；盘管管径 输入参数：风量、热媒流量、入口温度，含湿量、压力；输出参数：出口温度、 含湿量、压力 2 3 2 表面式换热器模型计算框图 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 4 阀门的模型 在空气处理机组中，阀门包括回风阀、新风阀和排风阀，通过调节这些阀门 来调节系统风量、新风量和排风量，它们是维持系统正常运行必不可少的部件。 风阀种类有：蝶式调节阀、菱形单叶调节阀等。常用于小断面风管的有插板阀， 多用于大断面风管的有平行式多叶调节阀、对开式多叶调节阀、菱形多叶调节阀， 复式多叶调节阀、三通调节阀则主要用于分、合流。对于阀门，其主要性能有流 量特性、全开阻力、全闭时的漏风性能等。 2 4 1 风阀的结构特- 陛 阀门的相对