空调DDC控制系统

1、空调DDC限制系统自动化系统是智能建筑的一个重要组成局部.楼宇自动化系统的功能就是对大厦内的各种机电设施,包括中央空调、给排水、变配电、照明、电梯、消防、平安防范等进行全面的计算机监控治理.其中,中央空调的能耗占整个建筑能耗的 50%以上,是楼宇自动化系统节能的重点1o由于中央空调系统十分庞大,反响速度较慢、滞后现象较为严重,现阶段中央空调监控系统几乎都采用传统的限制技术,对于工况及环境变化的适应性差,控制惯性较大,节能效果不理想.传统限制技术存在的问题主要是难以解决各种不确定性因素对空调系统温湿度影响及限制品质不够理想.而智能限制特别适用于对那些具有复杂性、不完全性、模糊性、不确定性、不存在

2、算法和变动性大的系统的限制.绿色建筑主要强调的是：环保、节能、资源和材料的有效利用,特别是对空气的温度、湿度、通风以及洁净度的要求,因此,空调系统的应用越来越广泛.空调限制系统涉及面广,而要实现的任务比拟复杂,需要有冷、热源的支持.空调机组内有大功率的风机,但它的能耗很大.在满足用户对空气环境 要求的前提下,只有采用先进的限制策略对空调系统进行限制,才能到达节约能源和降低运行费用的目的.以下 将从限制策略角度对与监控系统相关的问题作简要讨论.2空调系统的根本结构及工作原理空调系统结构组成一般包括以下几局部2 3:(1)新风局部空调系统在运行过程中必须采集局部室外的新鲜空气(即新风),这局部新风

3、必须满足室内工作人员所需要的最小新鲜空气量,因此空调系统的新风取入量决定于空调系统的效劳用途和卫生要求.新风的导入口一般设在周围不受污染影响的地方.这些新风的导入口和空调系统的新风管道以及新风的滤尘装置(新风空气过滤器卜新风预热器(又称为空调系统的一次加热器)共同组成了空调系统的新风系统.(2)空气的净化局部空调系统根据其用途不同,对空气的净化处理方式也不同.因此,在空调净化系统中有设置一级初效 空气过滤器的简单净化系统,也有设置一级初效空气过滤器和一级中效空气过滤器的一般净化系统,另外还有设 置一级初效空气过滤器,一级中效空气过滤器和一级高效空气过滤器的三级过滤装置的高净化系统.(3)空气的

4、热、湿处理局部对空气进行加热、加湿和降温、去湿,将有关的处理过程组合在一起,称为空调系统的热、湿处理部分.在对空气进行热、湿处理过程中,采用外表式空气换热器(在外表式换热器内通过热水或水蒸气的称为外表式空气加热器,简称为空气的汽水加热器).设置在系统的新风入口,一次回风之前的空气加热器称为空气的一次加热器；设置在降温去湿之后的空气加热器,称为空气的二次加热器；设置在空调房间送风口之前的空气加热器,称为空气的三次加热器.三次空气加热器主要起调节空调房间内温度的作用,常用的热媒为热水或电加热.在表 面式换热器内通过低温冷水或制冷剂的称为水冷式外表冷却器或直接蒸发式外表冷却器,也有采用喷淋冷水或热

5、水的喷水室,此外也有采用直接喷水蒸汽的处理方法来实现空气的热、湿处理过程.(4)空气的输送和分配、限制局部空调系统中的风机和送、回风管道称为空气的输送局部.风管中的调节风阀、蝶阀、防火阀、启动阀及风口等称为空气的分配、限制局部.根据空调系统中空气阻力的不同,设置风机的数量也不同,如果空调系统 中设置一台风机,该风机既起送风作用,又起回风作用的称为单风机系统；如果空调系统中设置两台风机,一台为送风机,另一台为回风机,那么称为双风机系统.(5)空调系统的冷、热源空调系统中所使用的冷源一般分为天然冷源和人工冷源.天然冷源一般指地下深井水,人工冷源一般 是指利用人工制冷方式来获得的,它包括蒸汽压缩式制

6、冷、吸收式制冷以及蒸汽喷射式制冷等多种形式.现代化 的大型建筑中通常都采用集中式空调系统,这种形式的结构示意图如图i所示.-I向风水冷战管AT 冷冻水泵 冷却水泵蒸发器压缩机图i空调系统结构示意图其工作原理是当环境温度过高时,空调系统通过循环方式把室内的热量带走,以使室内温度维持于一 定值.当循环空气通过风机盘管时,高温空气经过冷却盘管的铝金属先进行热交换,盘管的铝片吸收了空气中的 热量,使空气温度降低,然后再将冷冻后的循环空气送入室内.冷却盘管的冷冻水由冷却机提供,冷却机由压缩 机、冷凝器和蒸发器组成.压缩机把制冷剂压缩,经压缩的制冷剂进入冷凝器,被冷却水冷却后,变成液体,析 出的热量由冷却

7、水带走,并在冷却塔里排入大气.液体制冷剂由冷凝器进入蒸发器进行蒸发吸热,使冷冻水降温, 然后冷冻水进入水冷风机盘管吸收空气中的热量,如此周而复始,循环不断,把室内热量带走.当环境温度过低 时,需要以热水进入风机盘管,和上述原理一样,空气加热后送入室内.空气经过冷却后,有水分析出,空气相 对湿度减少,变的枯燥,所以需增加湿度,这就要加装加湿器,进行喷水或喷蒸汽,对空气进行加湿处理,用这 样的湿空气去补充室内水汽量的缺乏.3中央空调自动限制系统3.1 中央空调自动限制的内容与被控参数中央空调系统由空气加热、冷却、加湿、去湿、空气净化、风量调节设备以及空调用冷、热源等设备 组成.这些设备的容量是设计

8、容量 ,但在日常运行中的实际负荷在大局部时间里是局部负荷,不会到达设计容量.所以,为了舒适和节能,必须对上述设备进行实时限制,使其实际输出量与实际负荷相适应.目前,对其容量控 制已实现不同程度的自动化,其内容也日渐丰富.被控参数主要有空气的温度、湿度、压力(压差)以及空气清新度、气流方向等,在冷、热源方面主要是冷、热水温度,蒸汽压力.有时还需要测量、限制供回水干管的压力差, 测量供回水温度以及回水流量等.在对这些参数进行限制的同时,还要对主要参数进行指示、记录、打印,并监 测各机电设备的运行状态及事故状态、报警.中央空调设备主要具有以下自控系统：风机盘管限制系统、新风机组限制系统、空调机组限制

9、系统、冷冻站限制系统、热交换站限制系统以及有关给排水限制系统等.3.2 中央空调自动限制的功能(1)创造舒适宜人的生活与工作环境对室内空气的温度、相对湿度、清新度等加以自动限制,保持空气的最正确品质具有防噪音举措采用低噪音机器设备;可以在建筑物自动化系统中开放背景轻音乐等.通过中央空调自动限制系统,能够使人们生活、工作在这种环境中,心情舒畅,从而能大大提升工作 效率.而对工艺性空调而言,可提供生产工艺所需的空气的温度、湿度、洁净度的条件,从而保证产品的质量.2节约能源在建筑物的电器设备中,中央空调的能耗是最大的,因此需要对这类电器设备进行节能限制.中央空 调采用自动限制系统后,能够大大节约能源

10、.3创造了平安可靠的生产条件自动监测与平安系统,使中央空调系统能够正常工作,在发现故障时能及时报警并进行事故处理.3.3 中央空调自动限制系统的根本组成图24为一室温的自动限制系统.它是由恒温室、热水加热器、传感器、调节器、执行器机构和调节阀调节机构组成.其中恒温室和热水加热器组成调节对象简称对象,所谓调节对象是指被调参数根据给定的规律变化的房间、设备、器械、容器等.图2所示的室温自动调节系统也可以用图3所示的方块图来表示.室温就是室内要求的温度参数,在自动调节系统中称为被调参数或被调量,用0 a表示.在室温调节系统中,被调参数就是对象的输出信号.被调参数规定的数值称为给定值或设定值,用0g表

11、示.室外温度的变化,室内热源的变化,加热器送风温度的变化,以及热水温度的变化等,都会使室内温度发生变化,从而室内温度的实际值与给定 值之间产生偏差.这些引起室内温度偏差的外界因素,在调节系统中称为干扰或称为扰动,用f表示.在该系统中,导致室温变化的另一个因素是加热器内热水流量的变化,这一变化往往是热水温度或热水流量的变化引起 的,热水流量的变化是由于限制系统的执行机构一调节阀的开度变化所引起的,是自动调节系统用于补偿干扰的作用使被调量保持在给定值上的调节参数,或称调节量q.调节量q和干扰f对对象的作用方向是相反的.手一回水图2室温自动调节系统示意图J执行器一I对象敏感兀件变送需图3 室温自动调

12、节系统的方块图4中央空调系统限制中存在的问题4.1 被控对象的特点空调系统中的限制对象多属热工对象,从限制角度分析,具有以下特点3:1多干扰性例如,通过窗户进来的太阳辐射热是时间的函数,受气象条件的影响；室外空气温度通过围护结构对室温产生影响；通过门、窗、建筑缝隙侵入的室外空气对室温产生影响；为了换气或保持室内一定正压所采用的新风,其温度变化对室温有直接影响.止匕外,电加热器空气加热器电源电压的波动以及热水加热器热水压力、温度、蒸汽压力的波动等,都将影响室温.如此多的干扰,使空调负荷在较大范围内变化,而它们进入系统的位置、形式、幅值大小和频繁程度 等,均随建筑的构造建筑热工性能卜用途的不同而异

13、,更与空调技术本身有关.在设计空调系统时应考虑到尽 量减少干扰或采取抗干扰举措.因此,可以说空调工程是建立在建筑热工、空调技术和自控技术根底上的一种综 合工程技术.2多工况性空调技术中对空气的处理过程具有很强的季节性.一年中,至少要分为冬季、过渡季和夏季.近年来, 由于集散型系统在空调系统中的应用,为多工况的空调应用创造了良好的条件.由于空调运行制度的多样化,使 运行治理和自动限制设备趋于复杂.因此,要求操作人员必须严格根据包括节能技术举措在内的设计要求进行操 作和维护,不得随意改变运行程序和拆改系统中的设备.3温、湿度相关性描述空气状态的两个主要参数为温度和湿度,它们并不是完全独立的两个变量

14、.当相对湿度发生变化 时会引起加湿或减湿动作,其结果将引起室温波动 ；而室温变化时,使室内空气中水蒸气的饱和压力变化,在绝 对含湿量不变的情况下,就直接改变了相对湿度温度增高相对湿度减少,温度降低相对湿度增加.这种相对关联着的参数称为相关参数.显然,在对温、湿度都有要求的空调系统中,组成自控系统时应充分注意这一特性.4.2 限制中存在的主要问题目前中央空调系统主要采用的限制方式是PID限制,即采用测温元件温感器+PID温度调节器+电动二通调节阀的PID调节方式.夏季调节表冷器冷水管上的电动调节阀,冬季调节加热器热水管上的电动调节阀, 由调节阀的开度大小实现冷 热水量的调节,到达温度限制的目的.

15、为方便治理,简化限制过程,把温度传感器 设于空调机组的总回风管道中,由于回风温度与室温有所差异,其回风限制的温度设定值,在夏季应比要求的室 温高0.51.0 C,在冬季应比要求的室温低0.51.0 CoPID调节的实质就是根据输入的偏差值,按比例、积分、微分的函数关系进行运算,将其运算结果用于 限制输出.现场监控站监测空调机组的工作状态对象有：过滤器阻塞(压力差),过滤器阻塞时报警,以了解过滤器是否需要更换；调节冷热水阀门的开度,以到达调节室内温度的目的；送风机与回风机启/停;调节新风、回风与排风阀的开度,改变新风、回风比例,在保证卫生度要求下降低能耗,以节约运行费用；检测回风机和送风机两侧的

16、压差,以便得知风机的工作状态；检测新风、回风与送风的温度、湿度,由于回风能近似反映被调对象的平均状态, 故以回风温湿度为限制参数.根据设定的空调机组工作参数与上述监测的状态数据,现场限制站限制送、回风机 的启/停,新风与回风的比例调节,盘管冷、热水的流量,以保证空调区域内空气的温度与湿度既能在设定范围内 满足舒适性要求,同时也能使空调机组以较低的能量消耗方式运行.PID调节能满足对环境要求不高的一般场所,但是PID调节同样存在一些缺乏,如限制容易产生超调,对于工况及环境变化的适应性差,限制惯性较大,节能 效果也不理想,所以对于环境要求较高或者对环境有特殊要求的场所,PID调节就无法满足要求了.

17、对于像中央空调系统这的大型复杂过程(或对象)的限制实现,一般是按某种准那么在低层把其分解为假设干子系统实施限制,在上层协调各子系统之间的性能指标,使得集成后的整个系统处于某种意义下的优化状态.在限制中存在问题主要表现在：(1)不确定性传统限制是基于数学模型的限制,即认为限制、对象和干扰的模型是的或者通过辩识可以得到的. 但复杂系统中的很多限制问题具有不确定性,甚至会发生突变.对于 未知：不确定、或者知之甚少的限制问题, 用传统方法难以建模,因而难以实现有效的限制.(2)高度非线性传统限制理论中,对于具有高度非线性的限制对象,虽然也有一些非线性方法可以利用,但总体上看, 非线性理论远不如线性理论

18、成熟,因方法过分复杂在工程上难以广泛应用,而在复杂的系统中有大量的非线性问 题存在.(3)半结构化与非结构化传统限制理论主要采用微分方程、状态方程以及各种数学变换作为研究工具,其本质是一种数值计算 方法,属定量限制范畴,要求限制问题结构化程度高,易于用定量数学方法进行描述或建模.而复杂系统中最关 注的和需要支持的,有时恰恰是半结构化与非结构化问题.(4)系统复杂性按系统工程观点,广义的对象应包括通常意义下的操作对象和所处的环境.而复杂系统中各子系统之 间关系错综复杂,各要素间高度耦合,互相制约,外部环境又极其复杂,有时甚至变化莫测.传统限制缺乏有效 的解决方法.(5)可靠性常规的基于数学模型的

19、限制方法倾向于是一个相互依赖的整体,尽管基于这种方法的系统经常存在鲁 棒性与灵敏度之间的矛盾,但简单系统的限制可靠性问题并不突出.而对复杂系统,如果采用上述方法,那么可能 由于条件的改变使得整个限制系统崩溃.归纳上述问题,复杂对象(过程)表现出如下的特性：系统参数的未知性、时变性、随机性和分散性；系统时滞的未知性和时变性 ；系统严重的非线性；系统各变量间的关联性环境干扰的未知性、多样性和随机性.面对上述空调系统的特性,因其属于不确定性复杂对象(或过程)的限制范畴,传统的限制方法难以对这类对象进行有效的限制,必须探索更有效的限制策略.5限制策略的选取对于复杂的不确定性系统而言,由于被控对象(过程

20、)的特性难于用精确的数学模型描述.用传统的基于经典限制理论的 PID限制和基于状态空间描述的近代限制理论方法来实现对被控对象的高动静态品质的限制是 非常困难的,一般都采用黑箱法,即输入输出描述法对限制系统进行分析设计,大量引入人的能量与智慧、经验 与技巧.限制器是用基于数学模型和知识系统相结合的广义模型进行设计的,也就是说对不确定性复杂系统的控 制一般采用智能限制策略 5o这类限制系统具有以下根本特点：(1)具有足够的关于人的限制策略、被控对象及环境的有关知识以及运用这些知识的"智慧"；(2)是能以知识表示的非数学广义模型和以数学描述表示的混合过程,采用开闭环限制和定性及定

21、量限制 相结合的多模态限制方式；(3)具有变结构特点,能总体自寻优,具有自适应、自组织、自学习和自协调水平；(4)具有补偿和自修复水平、判断决策水平和高度的可靠性.智能限制策略的突出优点是充分利用人的限制性能,信息获取、传递、处理性能的研究结果和心理、 生理测试数据,建立限制者 一人'环节的模型,以便与被限制对象一机器的模型相互配合,设计人机系统,为系统分析设计提供灵活性.例如,当建立被限制对象模型很困难时,可以建立限制者模型,如建立限制专家模型、 设计专家才S制器等；当建立限制者模型很困难时,可以建立被限制对象模型；而设计被控对象模型有困难时,又可建立限制者一被限制对象的联合模型,即限制论系统模型,如入一人限制论系统的对策论模型.由于现代传感变换检测技术和计算机硬件相关技术的开展根本上已经妥善地解决了限制系统中的硬件问题,难点在于信息的处 理和信息流的限制,因此其限制目标的实现和限制功能的完成往往采用全软件方式.不同的限制策略所构造出的 算法其复杂程度、鲁棒性、解耦性能等差异是很大的,在技术实现上软硬件资源本钱也不同,人们期待的是本钱 最低的限制策略,在这方面仿人智能限制6策略具有其独特的优势.仿人智能限制是总结、模仿人的限制经验和行为,以产生式规那么描述人在限制方面的启发与直觉推理行为,其根本特