中央空调课程设计

1、一 设计题目 中央空调控制系统设计二设计要求 随着人们生活水平的不断提高，智能建筑得到了迅猛发展，并已成为21世纪建筑业的发展主流。 本文从两个方面研究空调系统，一是从空调系统的数学模型方面，二是从空调系统的控制方案方面。要研究一个系统，必须知道这个系统的模型。系统模型是研究和掌握系统运动规律的有力工具，它是认识、分析、设计、预测、控制实际系统的基础，也是解决系统工程问题不可缺少的技术手段。因此，建立有效且可靠的系统模型是我们研究空调系统的首要任务。实践中有两类基本方法可以获得系统的数学模型，一种是理论的方法，即应用系统所遵循的物理定律进行理论推导，称为数学建模；另一类是实验方法，即分析实验数据，找出系统中各物理量之间的关系，成为系统辨识。建立一个满足需要的系统模型，没有普遍的方法可循，因为不同的过程或系统都有各自的特点。此外，良好控制器的设计和控制参数的调节也有赖于系统的数学模型。所以近年来国内外的学者也都热衷于建立空调系统的模型。 本论文以空调系统为研究对象，主要做了以下工作：（1）深入学习集中式空调系统的各个环节，掌握各种空调系统原理和空调的控制要求及性能指标，同时讨论了空调监控

2、系统组态软件的设计方法。（2）通过热力学和传热学的知识，利用基理法建立空调房间的数学模型，并对空调房间的特性参数进行了估算。同时建立了表冷器和系统其他环节的数学模型。为控制方案的确定和控制参数调整奠定了基础。（3）利用单回路闭环控制系统实现空调房间的温度控制，利用工程整定法整定PID控制器参数，使系统取得良好的控制效果，利用仿真软件仿真控制效果。并且用信号发生器产生特定的干扰信号模拟空调房间内人员进出的干扰情况，仿真系统有受干扰时的响应特性。三设计的作用与目的本论文通过学习热力学知识，利用机理法建立空调房间的数学模型，并对空调房间的特性参数进行了估算，有利于空调系统控制参数的整定。同时建立了表冷器和其他环节的数学模型，从而建立了整个控制回路的数学模型，有利于选择控制通道、确定控制方案、分析质量指标及调节器参数的最佳整定。通过对所设计的控制系统进行仿真研究，将调节器的参数特性与被控对象的参数特性相匹配，以达到最佳整定，对实际的工程实施奠定了基础。并且对不同的工程，空调系统虽然有所不同，控制方案也会有所不同，但其基本的分析方法、原理是想通的，故本次研究对于类似项目还有普遍意义。本文从空调系

3、统的控制原理出发，在分析了空调房间的数学模型后，对单回路PID控制系统进行仿真，并对其进行了仿真研究。四 系统设计方案1. 空调系统的原理 要讨论空调控制技术，就必须对控制对象即空调系统有全面、深入的了解。只有掌握了其原理、特性、要达到的目的及实现手段才能决定采用何种控制策略。本文在此先对空调系统原理及组成作一介绍。 一般的空调系统包括以下几个部分: (1)进风部分:根据生理卫生对空气新鲜度的要求，空调系统必须有一部分空气取自室外，常称新风。进风口连同引入通道和阻止外来异物的结构等，组成了进风部分。 (2)空气过滤部分:由进风部分取入的新风，必须经过一次预过滤，以除去颗粒较大的尘埃。一般空调系统都装有预过滤器和主过滤器两级过滤装置。根据过滤的效率不同可以分为初效过滤器、中效过滤器和高效过滤器。 (3)空气的热湿处理部分:将空气加热、冷却、加湿和减湿等不同的处理过程组合在一起统称为空调系统的热湿处理部分。热湿处理设备主要有两大类型:直接接触式和表面式。 直接接触式:与空气进行热湿交换的介质直接和被处理的空气接触，通常是将其喷淋到被处理的空气中。喷水室、蒸汽加湿器、局部补充加湿装置以及使用

4、固体吸湿剂的设备均属于这一类。表面式:与空气进行热湿交换的介质不和空气直接接触，热湿交换是通过处理设备的表面进行的。表面式换热器即我们简称的表冷器就属于这一类。(4)空气输送和分配部分:将调节好的空气均匀地输入和分配到空调房间内，以保证其合适的温度场和速度场。这是空调系统空气输送和分配部分的任务，它由风机和不同型式的管道组成。(5)冷热源部分:为了保证空调系统具有加热和冷却能力，必须具备冷源和热源两部分。冷源有自然冷源和人工冷源两种。自然冷源指深井水。热源也有自然和人工两种。自然热源指地热和太阳能。人工热源是指用煤、煤气等作燃料的锅炉所产生的蒸汽和热水，目前应用最为广泛。 空气调节的形式很多，按照空气处理设备的设置情况，一般可分为:集中式空调系统(又称中央空调)、半集中式空调系统和全分散式空调系统。其中，集中式空调系统的所有空气处理设备(包括风机、冷却器、加热器、加湿器、过滤器等)都设在一个空调集中的空调机房内，其特点是，经集中设备处理后的空气，通过风道分送到各空调房间，因而，系统便于集中管理、维护。此外还具有节能、卫生、噪音小、使用方便等特点，目前已被广泛采用。 在集中式空调系统中，

5、常见的是混风式系统。该系统的特点是采用一部分回风与新鲜空气相混合。这样既保证了室内空气新鲜，又利用了回风的能量，提高了设备运行的经济性。图1为一典型的集中式空调系统。图1 典型的集中式空调系统 这种空气处理机组能根据各种场合要求增减其中的部件，构成各种形式的空气处理设备。在不同的工况中，AHU ( Air Handling Unit)的部分部件可能不被使用。如在冬季加热加湿工况下，表冷器是不工作的;而在夏季减温减湿工况下，加热器和加湿器是不工作的。空调器的进风通过风阀取室外新风和部分回风混合，经过滤网去除杂质后送入热交换段及加湿段，处理后符合温湿度要求的空气通过风机进入送风管，从而送到空调房间，使空调房间的温湿度达到要求。部分回风与新风混合，对新风预处理，以节约能源。 此外，当室内空气余热Q值发生变化而又需要使室内温度保持不变时，可将送风量固定，而改变送风温度，这种空调系统称为定风量CAV ( Constant Air Volume )系统;也可将送风温度固定，而改变送风量，这种空调系统则称为变风量VAV（Variable Air Volume)系统。本论文就是针对定风量空调系统的温度

6、控制部分进行研究的。2.中央空调系统的控制功能和要求空调系统控制的主要对象是:空气温度及相对湿度。下面分别从温度和相对湿度两个方面介绍空气调节系统。（1）空气温度调节系统 一般空气的温度调节有以下几种方式 1)夏季制冷 A.采用喷水室喷冷水冷却空气的温度调节 B.采用水冷式冷却器冷却空气的温度调节 2)冬季加热 A.热水加热器的加热量调节 B.蒸汽加热器的加热量调节 C.电加热器的加热量调节 各种温度控制方式都有其特点，针对不同项目实际情况，要分析后采用合适的温度控制方案。由于温度控制分为夏季的冷却和冬季的加热两种情况，其控制方式也会有所不同，下面分别加以介绍。（2）.夏季制冷控制方案 对于空气冷却调节一般有以下几种方式： 1)水量的量调节:利用双通阀改变通过冷却器的冷水量来调节 2)水温的质调节:利用三通阀改变冷冻水和回水的混合比调节水温 3)调节通过冷却器的风量来调节最后混合后的送风温度（3）.冬季加热控制方案 加热方式选择：加热一般有热水加热、蒸汽加热、电加热三种方式可以选择。三种热源发生方式及经济性比较如下表1。表1 空调加热方式比较加热方式热源特性经济性热水加热由热泵机组提供

7、时滞长，反应较慢，控制复杂价格中蒸汽加热由当地工业区提供热源温度、流量较稳定，动态特性中价格低电加热通过电热器提供控制精度高，控制简单价格高从上表可看出，电加热具有控制精度高、控制简单的优点，但其热效率低、浪费能源、价格高，作为主调节不合适，一般用于恒温室等对动态特性要求特别高的区域的辅助调节手段。一般对动态特性没有特殊要求的，不考虑采用。由于当地工业区可以提供的蒸汽是一种廉价、稳定的热源，一般将其作为主调节手段。如果控制对象产生的热扰动较大，蒸汽系统调节阀全开仍不能满足要求，为改善动态特性，将启动热泵机组提供热水作为辅助调节。另外如果工业区蒸汽管网系统出现故障，也可以将热水加热作为备用加热方式。五系统的设计1. 空气湿度调节系统 空调系统中的相对湿度调节，可以采用定露点(间接)和不定露点(直接)的控制方法。定露点法是采用使空气经喷水室后或喷水表面冷却器后露点相对恒定的方法，使空调房间内空气的相对湿度保持在一定范围内。自动控制点的露点一般是由空调系统设计时确定的。由于定露法不能反映室内余湿量或相对湿度的变化，存在着室内湿度的偏差，故此种方法一般用于室内余湿量变化幅度较小的场合。 不定露

8、点的直接控制方法，即用在房间内及回风管内安装的相对湿度传感器，测量和调节系统中相应的执行机构，以达到空调房间内相对湿度控制的目的。在夏季，由于空气湿度较大，需要降低湿度;而冬季由于空气干燥，又需要加大湿度。这两种功能可分别由水冷式表面冷却器和蒸汽加湿来实现。水冷式表面冷却器的去湿控制的原理其实就是冷却，由于相对湿度较大的空气其露点温度高。空气冷却降温后，水蒸汽结露为水，从而降低空气的湿度。在冬季空气干燥或夏季高温处于冷却模式时，基本都不需要强制去湿。而当温度不高，而湿度较大时，则根据室内湿度探测器的信号与设定值比较，根据其差值，调节冷冻水阀门开度，强制启动制冷模式，调低冷却器出口的空气温度以满足去湿要求。此时，由于送风温度偏低，为满足室内温度要求，根据温度探测器的信号，可能要启动蒸汽加热功能，以补偿温度的偏差。其工作原理如图2。图2 水冷式表面冷却器的去湿控制采用蒸汽加湿空调系统，喷蒸汽加湿的控制是由装于室内的相对湿度传感器ME、电动双通调节阀MV、及相对湿度调节器MC组成。它在调节过程中，根据湿度传感器所测得的室内相对湿度值，由调节器进行比较、放大后发出调节信号，使电动调节阀动作，改

9、变喷入空气中的蒸汽量，达到调节室内湿度的目的。示意图如图3所示。图3 喷蒸汽加湿控制2. 空调控制系统的要求 为达到要求的控制精度且便于用户使用，中央空调控制系统必须完成以下主要功能: (1)空调区域温、湿度检测与显示。根据空调区域的面积，采用若干个温、湿度传感器，将其信号取平均值计算。空调区域温、湿度的自动控制。 (2)新风温、湿度检测与显示。 (3)送、回风机运行状态(开机/停机)显示，及其启停控制(可通过自动和手动两种方式)、过载故障报警。 (4)送、回风机与防火阀联锁，发生火灾时防火阀报警并自动关闭送、回风机与风阀。 (5)过滤器过阻报警，提醒运行人员及时清洗更换过滤器。 (6)自动调节表冷器或加热器上的三通阀和电动风阀的开度，以调节冷冻水或蒸汽的流量。中央空调系统对控制系统的要求一般可概括为对控制区域的温湿度、新风量、冷冻水流量的控制等几个方面。其中，空气处理机组是指集中在空调机房的集中式空气处理设备，包括送、回风机、过滤器、冷却器或加热器、加湿器等，它是整个中央空调系统的重要组成部分和核心。控制的目标是将室内的温湿度参数保持在适宜的水平，并且尽量使系统的能耗最小。3. 空调监控系统的构成本论文讨论采用Lonworks现场总线控制系统。Lonworks现场总线技术的特点是可靠性高、便于容错、全数字化、通信距离长、多节点、通信方式灵活、造价低廉、抗干扰能力强。本系统中用分布在现场被控设备处的多台智能控制器(其核心为神经元芯片)实现对被控设备的实时监控。由于智能控制器分布

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