（机械制造及其自动化专业论文）智能建筑中变风量空调系统的控制与研究.pdf

4 飞 - ， k i 、 、 t h ec o n t r o la n dr e s e a r c ho nv a v a i 卜c o n d i t i o n i n gs y s t e mi nt h e i n t e l l i g e n tb u i l d i n g b y l iy o u s h e n g b e ( b a o j iu n i v e r s i t yo f a r t sa n ds c i e n c e s ) 2 0 0 6 at h e s i ss u b m i t t e di np a a i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e i n m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl in a n m a y , 2 0 1 1 i 孤p ，一 矿 ， r k 氏 _ 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：冷饭7 龟 日期：，年6 月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并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。本人授权兰州理工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、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：套夜平易 导师签名夕基自 日期：汐年月j 日 日期：勿f _ 年g 月、多日 0 j p ， k a 一 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状。3 1 3 课题研究目的和内容4 第2 章智能建筑中变风量空调系统的概述6 2 1 智能建筑概述6 2 1 1 智能建筑的定义6 2 1 2 智能建筑的基本特征6 2 1 3 智能建筑的基本组成7 2 2 空调系统简介8 2 2 1 空调系统的分类。8 2 3 变风量空调系统概述9 2 3 1 变风量空调系统的基本原理9 2 3 2 变风量空调系统的构成与分类1 0 2 3 3 变风量空调系统特点和应用1 2 2 4 本章小结1 3 第3 章变风量空调系统的常规控制及自控系统1 4 3 1 变风量空调系统的常规控制。1 4 3 1 1 基本控制要求1 4 3 1 2 末端装置的控制1 5 3 1 3 风机的控制1 6 3 2 变风量空调系统的自控系统1 8 3 3 本章小结2 l 第4 章变风量空调系统中的模糊控制策略2 2 4 1 模糊控制概述2 2 4 2 模糊控制系统2 3 4 2 1 模糊控制系统的组成2 3 4 2 2 模糊控制的基本原理2 4 4 2 3 在变风量空调系统中采用模糊p i d 控制的原因2 6 4 3 基本模糊控制器的设计方法2 6 4 4 变风量控制中模糊p i d 控制器的设计2 9 4 5 本章小结3 0 第5 章v a v 空调温度控制系统的模糊控制3 i 5 1 变风量空调系统温度的控制3 1 5 1 1 控制系统的设计3 1 5 1 2 控制系统的具体实施方案3 2 5 1 3 模糊控制的建立3 2 5 2 温度控制系统数学模型的建立3 8 0 声 - o - ， 芳 ， 智能建筑中变风量窄调系统的挡制j 研究 5 2 1 房间对象数学模型的建立3 8 5 2 2 系统内其它环节数学模型的建立4 2 5 2 3 调节器参数的确定4 3 5 3 本章小结4 3 第6 章v a v 空调控制系统的仿真研究4 4 6 1m a t l a b s i m u l i n k 软件简介4 4 6 1 1m a t l a b 的发展4 4 6 1 2s i m u l i n k 简介4 5 6 1 3s i m u l i n k 仿真步骤4 5 6 2 末端控制系统的仿真4 6 6 2 1 压力相关型末端控制系统仿真4 6 6 2 2 压力无关型末端控制系统仿真4 7 6 2 3 末端控制系统仿真结果分析一4 8 6 3v a v 空调室温控制系统的仿真4 9 6 4 本章小结5 2 结论5 4 参考文献5 5 致谢一5 8 附录a 攻读学位期间发表的学术论文5 9 h q ， 0 - r 摘要 智能建筑近年来在我国发展迅猛，它已成为我国城市能耗大户之一。空调系 统不仅是智能建筑的重要组成部分而且是智能建筑中最重要的能耗系统。变风量 空调系统在满足节能、舒适和灵活性等方面远远优于其它空调系统。所以在国外 己成为主要发展趋势，由于其控制的复杂性和智能控制在我国发展相对较慢，所 以我国应用还较少。 变风量空调系统是节能性卓越、舒适性良好的全空气空调系统。其运行过程 需要有适当的控制手段，以保证系统的节能效果和运行的稳定性。但针对这样复 杂难控的对象，经典控制和现代控制都难以充分满足要求，所以需要借助于智能 控制来全面实现。将模糊控制、神经网络控制等智能控制技术引入变风量系统控 制领域，就是一项很有价值的任务。本文以变风量空调系统中的温度控制为研究 对象，进行理论上的研究和探讨，对于温度控制的大惯性、延时性和非线性等特 点。本文采用串级控制，并在主回路中采用模糊一p i d 算法实现系统运行中的在 线调整。并且，设计温度控制系统和建立相关数学模型，在m a f l a b 平台下的 s i m u l i n k 环境中进行室温和空调系统末端控制的仿真研究。验证本文设计的控制 方法比目前常用的控制方法具有明显的优越性。在达到良好的控制效果同时，也 满足了当前最重要的节能和舒适度的要求。 关键词：智能建筑，变风量空调，模糊控制，p i d 控制，仿真 ， - ， 、 、 智能建筑中变风量窄调系统的控制j 研究 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tb u i l d i n g si sd e v e l o p i n gr a p i d l yi nc h i n a i nr e c e n ty e a r s ，i th a sb e c o m e o n eo fc h i n a sm a j o re n e r g yc o n s u m p t i o n a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi sn o to n l ya l l i m p o r t a n tp a r to fi n t e l l i g e n tb u i l d i n gb u t a l s oi st h em o s ti m p o r t a n t e n e r g y c o n s u m p t i o ns y s t e m so fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g v a va i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi sm u c h b e t t e rt h a no t h e ra i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mt om e e tt h ee n e r g ye m c i e n c y c o m f o r ta n d f l e x i b i l i t y t h e r e f o r e i th a sb e c o m eam a j o rt r e n di nf o r e i g nc o u n t r i e s ，b e c a u s eo ft h e c o m p l e x i t yo fi t sc o n t r o la n di n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 i td e v e l o p ss l o w l yi nt h er e l a t i v e l i n o u r c o u n t r y ，s oo u ra p p l i c a t i o ni sa l s ol e s s v a va i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m i sa s u p e r i o re n e r g ye 伍c i e n c y a n dv e r y c o m f o r t t h eo p e r a t i o nr e q u i r e sa p p r o p r i a t ec o n t r o l st oe n s u r et h es y s t e m se n e r g y e f f i c i e n c ya n do p e r a t i o n a ls t a b i l i t y b u td i f f i c u l tt oc o n t r o lf o rs u c hac o m p l e xo b j e c t c l a s s i c a lc o n t r o la n dm o d e mc o n t r o la r ed i 伍c u l tt of u l l ym e e tt h er e q u i r e m e n t s s oi t i sn e c e s s a r yt of u l l yr e a l i z et h eh e l pb yi n t r o d u c i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o l 、f u z z yc o n t r o l ， a n dn e u r a ln e t w o r kc o n t r 0 1 s oi n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yi n t ot h ef i e l do fv a r i a b l e a i rv o l u m es y s t e r nc o n t r o li sav e r yv a l u a b l et a s k i nt h i sp a p e r t e m p e r a t u r ec o n t r o l o fv a i l a b l ea i rv o l u m ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi sa st h es t u d y , o ft h e o r e t i c a ls t u d ya n d d i s c u s s i o n f o rt e m p e r a t u r ec o n t r o lo f1 a r g ei n e r t i a d e l a ya n dn o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c s ，i nt h i sp a p e r , a d u p t i n gc a s c a d ec o n t r o l ，a n di nt h em a i nl o o pu s i n g f u z z y - p i da l g o r i t h mi su s e dt ot h eo n l i n eo p e r a t i o no ft h es y s t e m a l s o ih a v e d e s i g n e dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m sa n dr e l a t e dm a t h e m a t i c a lm o d e l a n a l y s y s t h ee n do ft h ec o n t r o ls i m u l a t i o no fr o o mt e m p e r a t u r ea n da i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi n t h em a t l a bs i m u l i n kp l a t f o r me n v i r o n m e n t v a l i d a t eac o n c l u s i o nw h i c ht h ed e s i g no f t h ec o n t r o lm e t h o dt h a nt h e c o m m o n l yu s e dc o n t r o lm e t h o d h a so b v i o u s a d v a n t a g e s a c h i e v e ag o o dc o n t r o lr e s u l t s ，a n dm e e tt h em o s ti m p o r t a n t e n e r g y - s a v i n ga n dc o m f o r tr e q u i r e m e n t si nt h es a m et i m e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ；v a va i r - c o n d i t i o n i n g ；f u z z yc o n t r o l ；p i d c o n t r o l ；e m u l a t i o n i i j ， ， 硕 ：学位论文 插图索引 图2 1 智能建筑系统示意图7 图2 2 节流型末端装置1 1 图2 3 风机动力型末端装置1 l 图3 1 压力相关型末端装置的控制模式1 5 图3 2 压力无关型末端装置的控制模式1 5 图3 3 变风量空调控制系统末端结构图2 4 图4 1 模糊控制系统的组成2 4 图4 2 模糊控制原理图2 5 图4 3 模糊自适应整定3 0 图5 1 变风量空调室温控制框图3 1 图5 2 模糊控制器结构框图3 3 图5 3p i d 参数模糊整定框图3 3 图5 4 变风量系统中恒温室模型的结构图一4 0 图6 1 压力相关型末端p i d 控制框图4 7 图6 2 压力相关型末端模糊控制s i m u l i n k 框图一4 7 图6 3 压力无关型末端p i d 控制s i m u l i n k 仿真框图4 8 图6 4 压力无关型末端模糊控制s i m u l i n k 仿真框图。4 8 图6 5 压力相关型变风量末端温度响应仿真曲线4 9 图6 6 压力无关型变风量末端温度响应仿真曲线4 9 图6 7s i m u l i n k 仿真框图5 0 图6 8 系统无扰动时，p i d 控制的室温仿真曲线5 0 图6 9 系统无扰动时，模糊p i d 控制的室温仿真曲线5 l 图6 1 0 加入内、外环扰动的s i m u l i n k 仿真框图5 1 图6 1 1 加入内、外环干扰时，p i d 控制系统室温仿真曲线5 2 图6 1 2 加入内、外环干扰时，模糊p i d 控制系统室温仿真曲线5 2 i i i j r r 硕f j 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 智能建筑是信息技术与建筑技术结合的产物，概括地说，它是以建筑为平面， 具有通信自动化、建筑设备自动化和办公自动化三者的智能化集成系统，它为人 们提供舒适、安全、高效、方便的环境，空调自控系统是组成智能建筑很重要的 一部分，特别是近年来控制技术的发展特别是微电子和计算机技术的发展，使空 调仪表走向智能化，功能大量增加，为变风量空调技术的发展和实际应用提供了 可靠的保证，从而为智能建筑提供高舒适低能耗的系统。 智能建筑，一词首次出现于美国联合科技集团( u t b s ) 于1 9 8 4 年设计与兴建 的c i t y p l a c e 大楼的宣传词中。这栋大楼被认为是国际上第一座智能建筑。此后， 世界各国均将智能建筑的观念运用在新建筑的设计上，智能建筑技术获得了飞速 的发展。 智能建筑的出现和不断发展是有其技术、经济和社会背景的。技术上，近年 来在微电子、计算机和现代通信技术基础上发展起来的信息技术突飞猛进，而技 术的发展需要寻找新的增长点、需要新的市场，智能建筑就是这样一个由信息技 术向传统产业转移的结合点；经济上，一方面信息己成为一种资源，从事信息产 业的“白领”需要智能建筑这种工作场所，另一方面，经济全球化的发展和由此 带来的需求也为智能建筑的设计提供了广阔的买方市场：世界范围的经济技术合 作，各国市场垄断化的打破，大批高科技军工企业转向民用市场等，都为智能建 筑的发展在设备和技术上提供了良好的环境，为智能建筑的建设打下了坚实、广 泛的基础。 美国一直保持着智能建筑业的领先地位，这是由于其在经济和技术上的领先 地位造成的。近年来美国新建和改建的办公大楼中近7 0 是智能化大楼，其住宅、 医院和学校等建筑物也都已经装配了先进的智能化系统。日本由于城市拥挤、地 价昂贵、资源短缺等原因，对智能建筑的发展极为热情，进步很快。而西欧国家 虽然在智能建筑技术的发展上基本与日本保持同步，但由于建筑智能化对工作效 率的提高会直接导致失业的增加，因此其发展受到限制：在亚太地区的一些中心 城市中，一批高标准的智能建筑也陆续建起，印度甚至投巨资准备建立一座占地 4 0 英亩的世界第一个“智慧城”n 1 。 我国的智能建筑起步较晚，8 0 年代末9 0 年代初，智能建筑的概念刚传入我国， 由于当时我国经济和信息网络发展水平的限制，我国建筑电气、自动控制、计算 机应用等相关专业人员对智能建筑这一概念的认识只是出于学术探讨阶段。当时 建筑设计人员对建筑智能化这一趋势认识不足，没有为建设方提供与社会发展相 智能建筑中变风量窄调系统的控制弼f 究 适应的新设计思想和新内容，建设方对建筑智能化没有认识和要求，因而这一时 期建设的楼宇今天都面临着改造，因为其通信基础设施已落后于信息时代的发展 需要。 9 0 年代中期，随着计算机和信息网络技术的发展，社会各个领域应用计算机 和网络技术同益普遍。使我国建造智能建筑的技术日益成熟，因而在我国建筑业、 房地产业形成了建造智能建筑的热潮。 智能建筑的空调系统是智能建筑楼宇自动化系统中的一个重要部分，根据 “以人为本”的原则，在任何自然环境下，通过空调系统对空气的处理，可使空 调室内空气维持一定的温度、湿度、气流速度以及一定的洁净程度，以保证人的 舒适度要求。 据统计，发达国家智能建筑能耗占总能耗的4 0 - 5 0 ，我国智能建筑能耗通 常达总能耗的3 0 以上n 1 。而空调系统的能耗通常占整个智能建筑能耗的6 0 以上 瞳1 ，所以研究其节能控制，使空调系统以最小的能耗达到最佳的运行效果，具有 明显的经济效益。 智能建筑的特点之一是设备资源共享，从而提高设备的利用效率，并降低用 户平均的投资和使用费用，这一特点表现在空调系统上就是大型集中空调的使 用。集中空调不论从初期投资上，还是运行效果上，都具有分体式空调器无法比 拟的良好经济技术指标。因此，智能建筑的空调系统目前均选择集中式空调系统。 集中式空调系统有多种类型，而为了提高建筑物内空气环境的舒适度、降低运 行噪音，使得舒适度等各方面指标相对最好的全空气式空调系统在智能建筑中得 到了最广泛的应用。全空气式空调系统主要有定风量( c o n s t a n ta i rv o l u m e - 一c a v ) 和变风量( v a r i a b l ea i rv o l u m e v a v ) 两种方式，其中前者约占7 7 ，后者约占2 0 9 6 左右，还有一些则采取以风机盘管加新风机组及诱导器的方式。 在空调负荷发生变化时，一般可以通过两种途径来维持室内所需要的温度和 湿度。一种是固定送风量不变，而改变送风温度，即定风量空调系统：另一种则 是固定送风温度，而改变送入室内的风量，即变风量空调系统。 在定风量空调系统中，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。但当实际负 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了一 定的浪费。其次，当室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。为了克服定风量空调系统的这些缺点，发展出 了变风量空调系统。 由于变风量空调系统通过调节送入房间的风量来适应负荷的变化，所以能够 2 硕 ：学位论文 节约风机运行能耗和减少风机装机容量。据国内外有关资料介绍，变风量空调系 统总送风量约为定风量空调系统总送风量的7 0 一9 0 ，变风量空调系统与定风量 空调系统相比，全年的空气输送能耗可节约3 0 - 7 0 n 3 l 。所以，本论文的立题着 眼于国内近年来发展迅猛的智能建筑，对智能建筑中最具有代表性且能耗最大的 空调系统进行了理论研究工作。具体研究对象为全空气式的变风量空调系统。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 ， 变风量系统于2 0 世纪6 0 年代起源于美国，当时，定风量系统加末端再热和双 风道系统在很长一段时间内占据主导地位。因此，变风量系统出现后并没有立刻 得到推广，直至u 1 9 7 3 年西方石油危机之后，能源危机推动了变风量系统的研究和 应用，此后2 0 年中不断发展，如今已经成为美国空调系统的主流h 1 。 变风量系统在发展初期，因支管风量平衡的需要和控制设备的先进性的局 限，大多数采用高速送风系统，主要送风速度在1 2 5 m s 以上，并且推荐采用静 压复得法设计风管系统，尽可能的采用圆形或椭圆形风管，以减小摩擦阻力。但 是高速送风系统风机耗能大，且管路系统噪声增加。随着压力无关的v a vb o x 基本上全面取代了压力相关的v a vb o x 及d d c 控制器的发展，于是变风量空调 方式在低速送风系统中的应用越来越普遍。 传统的皮托管流量传感器在5 m s 的风速下难以测定，随着超声波流量传感 器和电磁式流量传感器等多种适用与低速送风系统的前端设备，一方面节能，另 一方面降低了风管噪声，因此，进入2 0 世纪9 0 年代以后，无论是新建的还是2 0 世纪7 0 年代前建造的空调系统的翻新改造，基本上都采用变风量空调系统。变风 量空调系统的成功与否在很大程度上取决于其系统自动控制方法得当与否。 在国外，自8 0 年代以来，就有文章讨论变风量空调系统自动控制的问题。8 0 年代末，9 0 年代初，关于变风量系统的文献达到了顶峰。这些文献内容不仅涉及 系统控制，而且对系统能耗及变风量系统的各种运行问题，如：噪声、房间正压、 新风等均有不同程度的研究。最近几年，随着模糊控制理论、人工神经网络和智 能控制理论的形成、发展和成熟及其在其他工程领域的成功应用，为空调系统一 些控制问题的解决提供了一个全新的思路。日本制冷界的松岗、加滕研制了房间 空调器模糊控制系统，岗岛、中村实现了热回收型冷暖共用集中式空调系统的模 糊控制，三菱公司利用模糊控制技术，实现了对列车空调系统的模糊控制晦1 。最 近几年，关于变风量系统的研究也主要倾向系统的智能化控制，如：神经网络、 模糊控制等。 1 2 2 国内研究现状 智能建筑中变风量窄调系统的拧制j 研究 我国在2 0 世纪7 0 年代即有人提出v a v 系统的开发和应用，并在厂房、纺织 厂、体育馆等建筑中采用过该系统。在2 0 世纪8 0 年代末期我国出现的首批智能建 筑中，也曾采用过v a v 系统，但由于建筑过程和使用过程中的种种问题，有些 工程在两三年后，使用单位取消了变风量系统的运行方式，相应的自动控制设备 也被拆除，这使得变风量系统的优点没有发挥出来，变风量系统附加的投资便成 了泡影。在此期间，变风量空调技术( 包括控制技术和设备) ，也在不断地发展和 完善。目前，在国内的智能建筑的高速发展过程中，急需全面深刻地分析变风量 空调系统的发展趋势和关键技术，总结工程实例，促进这一重要技术的平稳发展 【6 】 在我国，模糊理论和模糊控制技术的研究也受到了高度的重视，早在8 0 年代 就有相关研究并得到了应用，但在国内的暖通空调领域，模糊控制的研究和应用 才刚刚起步，还处于实验和计算机仿真阶段，具有代表性的主要有湖南大学的张 国强，它根据同本松岗和加腾的工作，讨论了房间空调器的模糊控制方法，上海 交大的石加泰对空调系统温、湿度相关参数进行了模糊解耦控制的研究，结果证 实了模糊控制在空调领域中运用的可行性和优越性。总之，对变风量空调系统在 控制方面的研究仅处于初级阶段，对空调系统进行深入的系统模糊控制研究目前 国内尚做得太少，基本处于空白阶段，而当前变风量空调系统运行过程的控制方 式仍采用的是常规的p i d 单闭环反馈控制方式。 所以本文对模糊控制进行了研究，并将模糊控制引入到了变风量空调控制系 统，使之与传统的p i d 控制算法相结合，以期待得到良好的控制效果和节能效果， 并希望今后在实际应用中提供一种参考方法。 1 3 课题研究目的和内容 智能建筑已经在我们的生活周围到处可见，分析当今建筑能耗现状，发现能 耗大户主要是空调系统和照明系统等；节能呼吁技术进步，以及人们对生活品质 的要求越来越高。因此应当从技术革新的角度来分析和研究适应现代社会发展要 求的节能型和舒适型智能建筑。 本论文研究主要内容： ( 1 ) 论文从优化空调系统主要控制方式的角度对兰州塑料厂某车间空调系 统进行控制研究，对变风量空调系统的控制进行着重分析与研究。 ( 2 ) 分析变风量空调系统的常规控制和自控系统。详细说明变风量空调系 统各个环节的常规控制； ( 3 ) 提出变风量空调系统的模糊控制策略和设计思想，设计了变风量控制 中模糊p i d 控制器； ( 4 ) 对变风量空调系统中温度的控制进行整体设计，说明实施方案。根据 4 某食品厂生产车间实际情况建立温度控制系统的数学模型以及系统内其它环节 的数学模型； ( 5 ) 对v a v 空调室温控制系统进行系统仿真研究同时对末端控制系统进 行简要仿真，说明在变风量空调系统中使用常规模糊控制优于p i d 控制，在更复 杂的系统中要二者结合起来使用。最后提出本论文存在的一些不足之处。 智能建筑中变风量窄调系统的控制锕f 究 第2 章智能建筑中变风量空调系统的概述 2 1 智能建筑概述 智能建筑是信息时代的必然产物，建筑物智能化程度随科学技术的发展而逐 步提高。智能化建筑起源于8 0 年代初期的美国，当时跨国公司为提高国际竞争力， 适应信息时代的要求，纷纷改造或兴建以高科技装备的大楼( h - - b u i l d i n g ) 。 2 1 1 智能建筑的定义 国内外对智能建筑尚未有统一的定义，主要原因就是智能建筑的含义是随着 科技的发展而不断完善的，以下是关于智能建筑的一些典型的定义盯儿8 1 ： ( 1 ) 美国智能建筑研究机构( a m e r i c ai n t e l l i g e n tb u i l d i n gi n s t i t u t e ，a i b i ) 把智 能建筑定义为：智能建筑是指通过将建筑物的结构、系统、服务和管理四项基本 要求以及它们之间的内在关系进行最优化，来提供一个投资合理的、具有高效、 舒适、便利的环境的建筑物。 ( 2 ) 欧洲智能建筑联盟( t h ee u r o p e a ni n t e l l i g e n tb u i l d i n gg r o o p ) 把智能建筑 定义为：智能建筑是使用户发挥最高效率，同时又以最低的保养成本，最有效地 管理其本身资源的建筑。 ( 3 ) 日本智能建筑研究会把智能建筑定义为：智能建筑是指具备信息通信、 办公自动化信息服务，以及楼宇自动化各项功能的、便于进行智力活动需要的建 筑物。 ( 4 ) 国际智能工程学会对智能建筑的定义为：可提供相应的功能以及适应用 户对建筑用途、信息技术要求变动的灵活性建筑。建筑物应具有安全、舒适、节 能、系统综合等很强的功能，能满足用户实现高效率的需要。 ( 5 ) 我国对智能建筑的认识是：智能建筑以建筑为平台，兼备通信、办公、 建筑设备自动化，集系统机构、服务、管理及它们之间的最优化组合，向人们提 供一个高效、舒适、便利的建筑环境。 总之，智能建筑是通过现代计算机( c o m p u t e r ) 技术、现代通信 ( c o m m u n i c a t i o n ) 技术、现代控制( c o n t r 0 1 ) 技术、现代图形显示( c a t h o d er a y t u b e r t ) 技术，俗称4 c 技术实现对一个高层建筑的再包装和再提高。 2 1 2 智能建筑的基本特征 ( 1 ) 智能建筑充分体现“以人为本”的思想。智能建筑的最终受益者应该是在 其中生活、工作的人。一幢大厦的智能化程度，主要取决于使用者的需求功能， 而不是其所装设备器材的先进程度，发达国家的智能建筑采用高科技来实现人的 6 硕f ：学位论文 需求，改善和提高人工环境的品质，更好地为使用者服务。 ( 2 ) 智能建筑的发展，要从可持续发展的战略高度出发，注重促进生态平衡， 保护环境，合理利用资源和节约能源，这是智能建筑发展的永恒主题，也是绿色 发展的需要。 ( 3 ) 智能建筑要与节能环保以及业主的经济效益紧密相联。建筑物的节约能 源和保护环境，己成为智能建筑发展必须考虑的首要前提和最重要的条件。智能 建筑的功能必须与用户或业主的经济效益紧密相关。 ( 4 ) 智能建筑是信息产品升级换代和业主自身需求的结合。发达国家智能建 筑的发展完全是一种市场行为及业主行为的结果。政府只是对建筑物的节能和环 保提出要求，而业主完全是根据市场和自身的需求来投资适用的智能建筑，不会 盲目攀比。 ( 5 ) 智能建筑已经通过网络将各个子系统连接起来，具有最初级的智能，但 基本上还不具有人类智能的特点，不具备推理、自学习、自适应等能力，当前的 智能建筑还属于“智而不能”的状态旧1 。 2 1 3 智能建筑的基本组成 智能建筑与传统建筑的主要区别在于其具有“智能化”，为了实现智能建筑 的高度智能化，在建筑工程中配备了完备的建筑智能化子系统，来达到建筑开发 商、物业管理公司和业主节省费用、舒适方便、安全、有长期发展灵活性和市场 价值的目标。其基本系统组成如图2 1 所示n 0 。 ( 1 ) 楼宇自动化系统 ( 2 ) 办公自动化系统 ( 3 ) 通信自动化系统 ( 4 ) 智能建筑综合管理系统 ( 5 ) 综合布线系统 图2 1 智能建筑系统示意图 智能建筑中变风量窄调系统的控制j 研究 2 2 空调系统简介 随着科学技术的不断发展进步以及人们生活水平的提高，人们在同常的生活 和劳动生产中对空气环境的要求也不断提高，特别是对空气的温度、湿度、通风 以及洁净度的要求，以利于提高人们生活的质量。空调工程就是为满足人们对空 气质量要求的技术，它的主要功能是对建筑物，包括智能建筑物或房间内的空气 进行调节，为人们的生活与工作造就一个温度适合、湿度适当、空气洁净的舒适 环境。一般而言，空调的内容包括温度调节、湿度调节、气流速度调节和空气洁 净度的调节。 2 2 1 空调系统的分类 根据空调系统的用途、要求、特征设置及使用情况，从不同的角度将空调 系统分为如下几类。 ( 1 ) 按系统的集中程度分类 集中式空调系统：集中式空调系统又称中央空调系统，它将空气按要求处理 然后由送风机把处理后的空气经风道送到各空调房间。这种空调系统处理空气量 大，需要设集中冷源和热源，设备集中在空调机房，占地面积大，适用于新建工 程。系统运行可靠，室内参数稳定，控制精度高。局部式空调系统：局部式空调 系统也称分散式系统，是将空气处理设备、冷机、风机组合在一起的整体机组， 如空调器、恒温恒湿机组、冷风机组。这种系统的特点是将空调设备直接或就近 安装于空调房间，使用简单，一般温湿度控制精度不高。 半集中式空调系统：该系统也称混合式空调系统，对空气既有集中处理又有 局部处理装置，如诱导器、风机盘管等。此类系统多用于民用建筑空调中。 ( 2 ) 按用途分类 按用途可分为舒适性空调系统和工艺性空调系统。工艺性空调系统一般要求 较高。 ( 3 ) 按工作状况分类 按工作状况可分为冬季空调、夏季空调以及全年侯空调系统。不同的系统， 设备设置情况不同。 ( 4 ) 按是否利用回风分类 直流式空调系统：该系统全部利用室外新风，回风不利用，全部排到室外。 混合式空调系统：进入空调房间的空气，一部分是室外新风，另一部分则是室内 再循环空气( 回风) 。使用回风时，又分为一次回风系统，是将回风加在各处理装 置之前，并与新风混合，然后再进行处理。二次回风系统是将回风分成两部分加 入处理系统，一部分加在处理段之前，即一次回风：另一部分加在处理段之后， 硕l ：学位论文 与处理后的空气混合，并称为二次回风。采用回风可达到节能的目的，但是使系 统的控制复杂化。 ( 5 ) 按送风量变化状况分类 可分为定风量空调系统和变风量空调系统。 ( 6 ) 按送风方式分类 可分为单风道空调系统和双风道空调系统。 ( 7 ) 根据对不同热、湿条件要求房间的调节功能分类 该类可分为单区式空调系统和多区式空调系统。 2 3 变风量空调系统概述 变风量( v a v ) 空调系统是相对于定风量( c a v ) 空调系统而言的，其典型的 特点在于系统的风量可调，即系统是通过改变送风量而不是送风温度来满足室内 负荷的变化。所以其控制效果和节能效果都好于定风量空调系统。变风量空调系 统通常最大送风量约为各房间设计风量和的7 0 8 0 ，而其最小送风量约为最大 风量的4 0 5 0 ，变风量空调系统起源于美国，后在欧洲、日本等国家得到发展 与应用，目前在我国属于一种新兴的空调方式。 2 3 1 变风量空调系统的基本原理 完全由空气来负担空调房问的冷热负荷的空调系统称为全空气系统。因为其 空气处理过程基本都集中于空调机房内完成，所以也常被称为集中空调系统。当 然，一个全空气空调系统可以为一个或多个有独立温度控制的空调区域服务。最 先出现于上世纪初叶的全空气系统是技术上比较容易实现的定风量系统，即送风 量固定的那种基本的空调形式，也就是普通的集中式空调系统。当空调面积较大、 各空调房间的冷湿负荷变化规律接近、且其使用时间也比较一致的场合，采用这 种系统形式还是比较合适的。但是，由于它只能处理出一、两种状态参数的空气， 所输送空气的数量也保持恒定，所以在各空调房间的冷湿负荷变化规律差别较大 时，不仅不利于运行调节，而且无法随实际的负荷需要而改变。这些使得定风量 系统灵活性较差，冷热源和动力的能耗居高难降。加上它输送大风量的风道又占 用了较多的建筑空间，影响了建筑内的使用层高，从而在国内民用建筑更多地采 用空气、水风机盘管系统。 起源于1 9 6 0 年代美国的变风量空调系统正是适应节能需要的产物，但它并没 有在出现后得到迅速地推广。1 9 7 3 年的石油危机促使美、日、西欧等国不断发展 和完善变风量空调系统，并逐渐普遍采用且应用范围也不断扩展，如今它已成为 发达国家大型公共建筑广泛应用的空调系统形式。伴随着现代控制理论的发展和 计算机应用技术的飞跃，它在国内近年来也开始得到了充分重视和积极推广。 9 智能建筑中变风量窄调系统的控制j 研究 变风量空调系统( 1 l i v a v 空调系统) 起初是通过改变送风量来控制某一空调 区域温度的一种全空气空调系统，具有全空气系统的特点。为了适应室内冷( 热) 负荷的变化来维持室温恒定，根据下式计算其参数： q = c p l ( t 。r l f ，) 式中，q 一吸收( 或放入室内的热流量) ，k w ，亦即冷却( 或加热) 的效果； c 一空气的比热容，k j ( k g ) ； p 一空气密度，k g m 3 ； 一送风量，m 3 s ： f 。一室内温度，； t 一送风温度，。 可以利用改变送风温度t s 或者改变送风量的不同方法，前者就是目前应用最 多的定风量系统，后者则是极具应用前景的变风量系统。该系统可根据室内要求 参数的调整及空调负荷的变化自动调节空调送风量，当达到最小送风量时还可以 调节送风的温度，从而满足室内人员的舒适要求或工艺要求。 在大多数情况下，v a v 空调系统的送风温度恒定、且一般保持在较低水平， 而送风量随着热负荷的变化被调节。此时，由于送风温度被恒定在较低的水平， 而且不随空调区域的负荷变化而变化，所以对一般民用建筑来说，v a v 空调系 统还具有足够的除湿能力。 2 3 2 变风量空调系统的构成与分类 虽然有多种型式和设计方案可供选择，但只要是送风量随负荷变化而改变的 系统，就可统称为变风量空调系统。以单风道变风量空调系统为例，它除了以末 端设备代替室内再热器和增加系统风量控制外，与定风量系统各功能的组成基本 是相同的。但是，它并非只在定风量系统上安装变风量末端装置和变频风机，而 是装配了一套由若干控制回路组成的控制系统。 变风量空调系统的特殊设备主要就是变风量末端装置( 也称变风量