空调装置自动控制

1、第四章 空调装置及系统自动控制教法：系统工作原理与控制要求。本章主要讨论的对象：直接对房间空气进行处理的房间空调器；为用户提供冷冻水的冷水机组。 对于空调装置自动控制系统，其目标至少包括以下几个方面：1、满足人们的舒适性要求或对冷/热源的温度要求。 2、保证制冷装置安全、高效地运行。 3、便于操作和管理。 4-1 定频房间空调器的控制 4-1.1控制系统的实现 1）控制系统的组成某型号分体式热泵空调器的控制系统框图 4-1.2 不同运转模式下的控制空调器能够在多种工况下工作，以满足不同季节下不同人们的舒适性要求，工作模式由使用者选定，空调器开始工作时，通过电路的自检便能确定应当采取的运行模式。

2、1) 制冷运行模式当设定温度室内温度设定温度1时，保持前一时刻的运行状态，以避免压缩机的频繁启动。 当风速设为“自动”时，室内风机的控制根据室内环境温度与设定值之差值大小决定。室内环境温度设定温度4时，高风速。设定温度2室内环境温度设定温度4时，中速风。室内环境温度设定温度1，低速风。关机时，压缩机及室内外风机停止运行，摆叶停止转动，导风片回归原始位置。2) 除湿运转模式当室内温度设定温度2时，室内风机中速运行，压缩机连续运行。当 设定温度1 室内温度设定温度2 时，室内风机低速运行。当 16室内温度设定温度1时，室内风机低速运行，压缩机间隔性开机/停机。开6min钟关4min钟。3) 制热运

3、转模式（1）温度控制当室内温度设定温度1时，压缩机启动，室外风机延时2秒工作，室内风机按设定风速运行。但在启动时，为避免室内风机吹出冷风给居住者造成的不适，按免吹风模式工作。当室内温度设定温度时，压缩机、室外风机停止运行，室内风机按照设定条件运行，四通阀保持原状态不变，仍带电工作。当设定温度1室内温度设定温度，压缩机、室内外风机按原运行状态运行。 在风速设为“自动”状态时，室内风机的控制方法如下： 温度偏差4时，高速风。 2温度偏差4时，中速风。 温度偏差2时，低速风。（2）防冷风功能 当室内盘管温度30时，室内风机不运行。 当30室内盘管温度35，室内风机以低速运行。 当室内盘管温度35时，

4、室内风机以设定风速运行。 压缩机运行30秒后，将忽视盘管内的温度，室内风机以设定风速运行。（3）吹余热功能（到达设定温度压缩机停机后）在室内盘管温度下降过程中，当盘管温度33时，室内风机以设定风速运行，盘管温度在2833之间时，室内风机低速运行；当盘管温度28时，室内风机停止运行 4) 除霜运行模式制热运行周期结霜室外盘管温度变化除霜周期除霜运行控制主要解决的问题是对化霜时机的判断：即要判明室外盘管结霜的程度，以及化霜的效果，确定何时开始化霜，何时结束化霜。根据盘管温度、压力变化的特性，多数情况下采用温度（压力）与时间双因子判断法进行除霜控制。即设定： 1、制热运行周期时间a、 2、除霜点温度

5、ta； 3、除霜周期时间b， 4、化霜结束温度tb，当时间和温度都同时满足时，即开始执行对应的工况（开始除霜和结束除霜），和t的确定需要根据具体情况来确定。采用R22制冷剂的某型挂式空调器的运行逻辑： 室外机连续运转45min，且室外盘管温度8，室内盘管温度40时，开始除霜。压缩机、室外风机同时停机，延时30sec后四通阀掉电，室内风机停。 延时32秒后压缩机启动，即四通阀掉电后2秒压缩机开启，开始除霜运行。室内风机仍然停运。 当室外盘管温度高于17且持续除霜运行4分钟后，除霜结束，压缩机、室外风机停机，延时30秒后四通阀加电，为制热运行准备，四通阀加电2秒后压缩机、室外风机开机，阻冷风运行结

6、束后，室内风机切换到设定风速。延时30秒的目的仍然是使两个换热器之间的压差有所减少，以使压缩机平稳工作。虽然在除霜工况下，压差的影响不如普通启/停机情形下的危害，但减少两侧压差仍是必要的。5) 自动运转模式 其基本逻辑是： (1)当室内温度高于设定温度时（设定温度范围2027），空调器进入制冷模式。 (2)当室内温度设定值在1622，且室内环境温度低于设定值时，空调器进入制热模式运行。 (3)当室内温度设定值在2225，且室内温度在设定值范围±2时，空调器进入通风模式。 (4)空调器一旦进入制热模式/制冷模式，则一直以相同的模式运行，在运行时间内不再更改，以保证系统稳定安全运行。4-

7、1.3房间空调器的保护功能 具体的保护措施包括： 1) 过流保护 当检测到电流大于允许值，则压缩机和室外风机停止运行。 2) 压缩机保护 压缩机一旦停机，3分钟后才可以再次启动。 3) 高压、低压、温度保护 若在一段时间内（30min）连续多次（4次）出现保护现象，则室内外风机及压缩机均停止运行，并显示故障代码，但可重新上电开机。 4) 传感器保护 温度传感器出现短路或断路时，压缩机会继续运行。显示故障代码。 4-1.4 其它控制功能 1) 睡眠运行 制冷模式下，设定睡眠1小时后，设定温度上升1，而后按此温度连续运行7小时后自动停机。 制热模式下，设定睡眠1小时后，设定温度降低3，再过2小时后

8、，设定温度再降低4，而后按此温度连续运行5小时后自动停机。 睡眠工作状态下，若再次人工设定温度，则以新设定为起始时间重新执行睡眠功能。 2) 定时控制控制器可提供0.5小时、1小时、2小时、4小时等多种可选时间控制，当然也可不设定运行时间。在延时运行时期内，使用者可以重新设定延时时间，也可取消原延时时间。3) 曲轴箱加热带功能上电后，若室外盘管温度0，曲轴箱加热带开通加热，但压缩机不工作，一段时间（5min）后，压缩机满足开机条件后自行开启，压缩机开机后，立即关闭曲轴箱加热带。4-1.5 人机界面遥控器即是将控制信号载波于红外线中，通过红外线发射到空调器的接收器窗口中，接收器将接收到的信号放大

9、，处理还原成控制信号，再转入到空调器的控制器中。图5.6所示的是一个KF-25GW型空调器的遥控发射器。由遥控发射PDS1210001集成电路、键盘矩阵电路、驱动器和红外发光二极管组成。图5.6 无线遥控发射器电路集成电路PDS1210001采用20引脚双列直插式塑料封装结构。它由振荡器、定时发生器、键扫描信号输入/输出编码电路、 指令译码电路、编码调制器、遥控信号输出缓冲器等组成。其中：集成电路PDS1210001是发射器的核心组成部分，键盘信号识别、遥控信号产生及调制都在其内部完成。 红外遥控发射器的工作原理为：当按下某一功能按键时，按键矩阵的某一行与某一列接通。电源被接通，振荡器开始工作

10、，在定时脉冲信号的作用下，键位编码器对键位扫描脉冲进行识别后确认这一按键的功能，再在集成电路内部的数据寄存器中查找出相应编码指令。信号发生器在编码指令的控制下产生标准的遥控信号，此信号再对38kHz的载波进行调制。已被调制的信号由脚输出。输出载波信号经三极管V1放大，控制红外线发射管E1，E1在V1集电极电流的驱动下，发出波长为9400mm的红外线。V1、E1工作在开关状态，当无信号输出时，三极管截止，发射二极管不工作；当输出端输出指令码时，指令码经放大电路放大后，加到E1上，将指令码以红外线的形式发射出去，完成遥控发射功能。 遥控接收电路：遥控发射器发射出来的红外调制信号被安装在空调器室内机

11、面板上的红外接收窗接收，并把红外光信号转变为电信号，经高增益放大后，进行同步检波，滤去38kHz载波分量，再经脉冲形成和缓冲放大后，恢复出完整遥控信号，经微处理器内部电路运算、比较后输出控制电平，空调器便按遥控器发出的指令信号运行。4-2 变频VRV空调器的控制4-2.1 VRV空调系统概述 在VRV(Variable Refrigerator Volume-VRV)空调系统的制冷系统中，通过控制制冷剂循环量和进入室内换热器的制冷剂流量，满足室内冷热负荷需求。在VRV空调系统中，把由一台室外机与一台室内机相连的系统称为单元VRV空调系统或变频空调器；把由一台或多台室外机与多台室内机相连的系统称

12、为多元VRV空调系统。1）VRV空调系统的特点（1） 节能高效VRV空调系统依据室内负荷的大小，在不同转速下连续运行，减少了压缩机因频繁启停造成的不可逆损失；采用压缩机低频启动，降低了启动电流，电气设备将大大节能，同时避免了对其它用电设备和电网的冲击。变频压缩机能在12150Hz的频率范围内连续变化, 调制范围大,反应快,制冷迅速。若使室内温度改变10 ,只需普通( 定速 )空调器的1/3时间即可完成,节约时间35分钟。（2） 温度波动小, 舒造度高。系统调节容量使室温维持在设定温度上下极小的波动范围内，改善了室内的舒适性；极少出现传统空调系统那种启停压缩机时所产生的振动和噪声。 （3） 运行

13、电压适应范围宽。变频空调器在市电电压为160250V 的范围内仍能可靠、安全地工作。（4） 传感器控制精确。变频空调的室内机和遥控器均设有传感器，结合自动风向调节，控制精确, 可实现人体周围环境的最佳调节。（5） 超低温运行时适应性强。（6）较好的独立除湿功能。2) 单冷或热泵型多元VRV空调系统在制冷工况下，室外机电子膨胀阀全开，通过室内机电子膨胀阀节流降压，控制室内温度和各室内机热交换器出口制冷剂的过热度，由压缩机频率调节吸气压力；在制热工况下，室外机电子膨胀阀控制室外机热交换出口制冷剂的过热度，室内机电子膨胀阀控制室温和室内热交换器出口的制冷剂过冷度，通过改变压缩机频率调节压缩机排气压力

14、。4-3 空调系统冷热源及水系统的监控冷热源系统和水系统的监控主要完成以下两大功能： 1、基本参数的测量，设备的正常启停与保护； 2、冷热源及水系统的能量调节。根据具体的设备及水系统构造形式，通过合理的调节策略，节省运行能耗。4-3.1 冷热源的基本监测与控制 1）冷热源主机的监控 BAS（building automation system楼宇自控系统)监控的任务是监测各设备的工作状态、工作参数、控制设备的启停、检测设备的报警信号、保证设备安全运行。 对于自身已具有控制系统的设备，BAS怎样实现对它们的监控，怎样处理与设备的控制系统的关系？目前有三种做法：（1）独立监控系统。不与冷水机组和锅

15、炉主机的控制器通信，而是另外在冷冻水、冷却水管路上安装水温传热器，流量传感器，在配电箱中通过交流接触器辅助触头、热继电器触点等方式取得这些主机的工作状态参数，通过端子排或交流接触器控制设备的启停。显然这种监测不能深入到主机内部，检测信号是不全面的。 （2） 采用主机制造商提供的冷冻站或锅炉房管理系统。这类管理系统能够把冷冻站或锅炉房内的设备全部监控管理起来，形成一个独立的冷热源监控管理系统，采用这种方式可提高控制系统的可靠性和简便性。 主要功能有以下三个方面： 基本参数的测量，包括：冷水机组的运行参数和报警参数，冷冻水、冷却水循环系统总管的水温，冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机的运行参数和报警参

16、数；以及冷冻，冷却水路的电动阀门的开关状态。基本的能量调节，主要是冷水机组本身的制冷量调节，对离心机组和螺杆机组来说，调节系统根据水温自动调节导叶的开度或滑阀位置，使机组制冷量与系统的负荷相应。同时电机电流随之改变，降低机组能耗。冷冻系统的全面调节与控制。系统内部的控制软件可以实现以下功能：a预设启停时间来启停机组；b冷水机组排序选择； c联动设备的排序和控制；d最优冷水机负荷分配，将根据能效和最优组合来自动为每台冷水机分配负荷；e冷冻水温度重设，可自动重设或调节冷冻水的出口温度设定值。（3） BAS与冷热源主机通信，当控制系统与冷水机组的协议不统一时，需要开发通信接口来解决互连问题。其协议文

17、本包含下列内容：a异步串行通信接插件引脚的定义；b串行通信数据格式和通信参数（波特率，起始位，数据位，停止位，校验位等数据帧结构）；c串行通信的呼叫联络应答方式；d所有读写控制命令；e全部数据结构和数据选址方法；f异步通信的定时规则。 2）冷却水系统的监控 监控要达到以下目的：保证冷却塔风机、水泵安全运行。保证冷却机组内有足够的冷却水流量。根据室外气温及冷水机组开启台数，调整冷却塔运行台数。使冷却机冷却水进口处的温度不高于设定温度。 对风机和水泵的监控要求与一般做法相同，即包括启/停控制、手/自动模式、故障报警、启/停状态的监控。 控制任务: 根据冷冻机对冷却水温的要求，确定冷却塔的开启台数。

18、 有的冷却塔风机还采用双速电机，通过转速的变化来调节冷却水温度，因此还应配合高/低速的转换确定冷却塔开启台数。为配合冷却塔台数的调节，各冷却塔进水管上需要装电动阀V1V4。电动阀的开启应与冷却塔的风机连锁。 3）冷水机组启停的连锁控制和群控的序列策略启停的连锁控制，BAS在对某个制冷机组下达启动命令时，其相关设备的动作时间顺序应为： 对应冷却水、冷冻水管路上的阀门立即开启； 冷却站风机、冷却站水泵、冷却水水泵的启动延迟23 min执行； 制冷主机启动延迟34 min执行。在对某个制冷机组下达停止命令时，其相关设备的动作执行时间设为： 立即切断主机电源； 冷却站水泵、风机，冷却水水泵延时3-5m

19、in停止； 对应的管路阀门延时4-6min后关闭； 群控的序列策略，就是解决在启动下一台制冷机组时，决定哪一台先开出；在停止一台运行的制冷机组时，决定哪一台先停止。启动一台制冷机时可按当前停运时间最长的优先；累计运行时间最少的优先；停止一台制冷机组时可按当前运行时间最长的优先；累计运行时间最长的优先。4-3.2 能量调节及水系统控制 供冷系统的能耗由制冷机组的电耗及冷却水泵、冷却塔风机、冷冻水泵的电耗构成。在这些耗电设备中，制冷主机电耗占有最主要的位置，因为冷冻水泵与冷却水泵的电功率之和也只有主机电功率的2025%。提高主机的效率是节能的关键。主机在部分负荷状态下的制冷系数总要低于其相同工况下

20、满载工作的效率，这是因为主机虽然卸载了，消耗的指示功与卸载率同步减少，但摩擦功却并未减少。 多台并联的冷水机组运行时，尽量使机组处于满载状态运行是节能的重要措施之一。这就是机组的台数控制的目标，又称为群控目标。 冷却水温度越低，冷冻水温度越高，机组效率越高。这就是水温的控制目标。1）制冷机组的台数控制台数控制的规则为：Q为用冷量，qmax为单台最大产冷量。 若Qqmax (N-1)，则关闭一台冷冻机及相应循环水泵。 若Q0.95 qmaxN，且冷冻机出水温度在t 时间内高于设定值，则开启一台主机及相应循环泵。 若qmax (N-1) Q 0.95 qmaxN 则保持现有状态。实际工程中，应高度

21、重视参数测量的准确性：（1）测量点的选定。应尽量避免旁通阀对水温测量的影响（2）温度传感器的选择。温度传感器的精度应在0.10.2以内，温差范围的提高和传感器精度的增加对减少测量误差影响很大。热响应时间应小于30秒。2) 冷冻水温的再设控制设冷冻水的允许温度范围为tmin和tmax，台数控制的规则：若Qqmax (N1)则关闭一台制冷主机及相应循环泵； 若qmax (N1)Q0.95 qmax N and tsettmax则每t时间(t=20min) tset=tset+0.5 若Q0.95 qmax N且tsettmin则每t（t=5min）时间内，则 tset=tset0.5 若Q0.95

22、 qmax N且tset = tmin 而出水温度在t时间内总大于tset，则开启一台制冷主机及相应的循环泵。4-4 空调机组的监控空气处理机组主要包括新风机组和一次、二次回风系统的空调机组。对于这些机组实现自动控制是提高空调系统运行效率和管理效率，节约能耗不可缺少的手段。4-4.1 新风机组主要是为各房间提供一定的新鲜空气，满足人员卫生要求。为避免室外空气对室内温湿度状态的干扰，在送入房间之前需要对其进行热湿处理。例如将室外新空气处理到与室内空气焓相同的状态，新风就不再增加室内的空调负荷。4-4.2 新风机组的基本监控功能 1) 监测功能（1）检查风机电机的工作状态，确定是处于“开”或是“关

23、”；（2）检测风机电机的电流是否过载；（3）测量风机出口处的空气温湿度，以了解机组是否已将新风处理到要求的状态； （4）测量空气过滤器两侧的压差，以了解过滤器是否要求清洗、更换；（5）检查新风阀状态，确定是“开”还是“关”。 2) 控制功能（1）根据要求启/停风机；（2）控制换热器的水量调节阀，使机组出口空气温度达到设定值；（3）控制干蒸汽加湿器调节阀，使冬季机组出口处空气相对湿度达到设定值；（4）冬季换热器的防冻保护。思考：南方夏季的新风相对湿度如何调整？3) 集中管理功能（1）显示新风机组启/停状态，送风温湿度、风阀、水阀状态；（2）通过中央控制管理机启/停机组，修改送风参数的设定值；（3

24、）当过滤器压差过大，风机电机过载，以及发生其它故障时，通过中央控制管理机报警；（4）用户可以根据需要增加其它功能，如有关节能控制的管理功能。4-4.3 新风机组硬件配置 新风门只有开、关两种状态，一般不作调节，风阀的控制通过一路DO通道完成。当输出为高电平时，风阀全开；低电平时，风阀全关。 用微压差开关监视新风过滤器两侧的差压，当过滤器阻力增大到一定数值时输出开关信号。 换热器水阀为连续可调的电动调节阀，通过水量的变化调节送风温度。控制器AO通道输出（420mA）标准信号，对阀门开度进行控制，阀门的实际开度可以通过AI通道反馈。 干蒸汽加湿器也是通过电动调节阀来调节蒸汽量，配置方法与水阀相同。

25、 监测风机电机的工作状态，将风机电机交流接触器的辅助触点状态由DI通道接入。电机过载报警则从继电器的辅助触头取得，由DI通道接入。同时通过DO通道发出对电机的启/停控制信号。？4-4.4 送风温、湿度的控制 温度传感器和空气加热器都存在一定的惯性，在选用控制算法时，通常采用比例积分调节（PI）方式。提出调节器放大系数的范围为510。积分时间T1为310min，时间间隔约取为1min。 冬季工况的运行逻辑与夏季工况不同，故t的符号应反号。在冬季应为设定温度减去送风温度，表明当送风温度偏低时应开大调节阀，在夏季刚好相反，送风温度偏低时，应关小调节阀。 冬季用喷蒸汽的方法控制空气的湿度是效果最好的方式，向空气中喷蒸汽仅仅改变了空气中的绝对含湿量d，而对空气温度基本没有影响