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中央空调控制系统研究 摘要 随着我国城市数字化、建筑智能化的进程日益加快，楼宇自动化( b a ) 在大量的工程 实践中取得了显著的成就。集中空调控制系统是楼宇自动化控制系统中最重要的组成部分 之一，中央空调所消耗的能源几乎占整个楼宇能量消耗的5 0 。中央空调系统是一个设备 众多、功能各异、分布极广，极其复杂的系统。对它的控制与集成，以及它与上位信息网 络的数据交换与融合的研究，自然而然就成为人们研究楼宇自控系统时的首选。因此在大 中型中央空调系统中引入总线控制技术，并实现一体化的集成管理体系( c i m s ) ，从节能 和提高室内环境质量的角度来看，研究中央空调自动控制系统对智能建筑的能量管理控 制，有着非常重要的意义。 本论文以浙江商业职业技术学院中央空调实训室为研究平台，设计了一套中央空调控 制系统，系统突破传统控制模式，采用直接数字控制总线监控系统，提出了节能设计思路 与创新方法。具体包括：对目前数种采用较为广泛的总线技术的特点进行分析，尤其是 对作者所选用的r - n e t 总线技术的性能、技术特点作了较为深入的分析。在工程可行性 分析的基础上，构建了基于r - n e t 总线技术的建筑中央空调监控系统，包括系统空调请求 系统、水力平衡系统、机房群控系统、计量计费系统、末端控制系统五个子系统设计调试 与过程分析。采用a v 3 e w 组态软件，通过监控界面及其控件功能设置，对人机界面进行 组态分析与控制，完成了中央空调系统上位机群控功能。 关键词：中央空调，控制系统，直接数字控制，监控系统 c o n t r o ls y s t e mr e s e a r c ho fc e n t r a l a i r c o n d i t i o n i n g a b s t r a c t w i t ht h ee v e r a c c e l e r a t i n gt h ep r o c e s so fc h i n a su r b a nd i g k a l ，i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，b u i l d i n g a u t o m a t i o n ( b a ) h a sm a d er e m a r k a b l ea c h i e v e m e n t s i n e n g i n e e r i n gp r a c t i c e c e n t r a l a i r c o n d i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e mi s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r to fb u i l d i n ga u t o m a t i o nc o n t r o l s y s t e m ，c e n t r a la i r c o n d i t i o n i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na c c o u n t sf o ra l m o s t5 0 o ft h ew h o l e b u i l d i n ge n e r 。g yc o n s u m p t i o n c e n t r a la i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi s ad e v i c em a n yd i f f e r e n t f u n c t i o n s ，t h ed i s t r i b u t i o ni sv e r yb r o a da n de x t r e m e l yc o m p l e xs y s t e m s i t sc o n t r o la n d i n t e g r a t i o n a sw e l l a sw i t ht h eh o s tc o m p u t e ri n f o r m a t i o nn e t w o r kf o rd a t ae x c h a n g ea n d i n t e g r a t i o no f 。r e s e a r c h ，w i l ln a t u r a l l yb e c o m et h ef i r s tc h o i c ei nb u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m s t h ei n t r o d u c t i o no ft h eb u sc o n t r o lt e c h n o l o g yi n l a r g e a n dm e d i u m - s i z e dc e n t r a la i r c o n d i t i o n i n g ：s y s t e m ，a n di n t e g r a t i o no ft h ei n t e g r a t e dm a n a g e m e n ts y s t e m ( c i m s ) ，f r o mt h e p o i n to fv i e w 7o fe n e r g yc o n s e r v a t i o na n di n d o o re n v i r o n m e n t a lq u a l i t y ，r e s e a r c ha n dc e n t r a l a i r c o n d i t i o n i n ga u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fi n t e l l i g e n tb u i l d i n ge n e r g ym a n a g e m e n tc o n t r o l ， h a sv e r yi m p c l r t a n ts i g n i f i c a n c e i nt h i st h e s i s ，c e n t r a la i rc o n d i t i o n i n gt ot h ez h e j i a n gc o m m e r c i a lv o c a t i o n a la n dt e c h n i c a l c o l l e g et r a i n i n gr o o ma sar e s e a r c hp l a t f o r mt od e s i g nas e to fc e m r a la i r c o n d i t i o n i n gc o n t r o l s y s t e m ，s y s t e mb r e a kt h r o u g ht h et r a d i t i o n a l c o n t r o lm o d e ，u s i n gad i r e c td i g i t a lc o n t r o lb u s m o n i t o r i n gs y s t e m s e n e r g y s a v i n gd e s i g ni d e a sa n di n n o v a t i v ea p p r o a c h e s i n c l u d i n g ：1 a t p r e s e n ts e v e r a lc h a r a c t e r i s t i c s o faw i d e r a n g eo fb u st e c h n o l o g ya n a l y s i s ，e s p e c i a l l yt h e p e r f o r m a n c eo ft h eo p t i o n a lr - n e tb u st e c h n o l o g y ，t h et e c h n i c a l f e a t u r e sm o r ei n - d e p t h a n a l y s i s o nt h eb a s i so fe n g i n e e r i n gf e a s i b i l i t ya n a l y s i st oc o n s t r u c tab u i l d i n gc e n t r a l a i r c o n d i t i o n i n g ：m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d o nt h er - n e tb u st e c h n o l o g y ，i n c l u d i n gs y s t e ma i r c o n d i t i o n i n g ：r e q u e s ts y s t e m ，h y d r a u l i cb a l a n c i n gs y s t e m ，t h ee n g i n er o o mc o n t r o ls y s t e m s ， m e t e r i n ga n db i l l i n gs y s t e m ，t h ee n do ft h ec o n t r o ls y s t e mo ff i v es u b s y s t e md e s i g na n d d e b u g g i n gp r i ：) c e s s t h e t oa d o p ta v i e wc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，s e t t i n g s ，m a n m a c h i n e i n t e r f a c ef o rc o n f i g u r a t i o na n a l y s i sa n dc o n t r o lb ym o n i t o r i n gt h ei n t e r f a c ea n di t sc o n t r o l f u n c t i o n s ，c o n t r o lf u n c t i o n so ft h eu p p e rc l u s t e ro f c e n t r a la i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m k e yw o r d s ：c e n t r a la i r c o n d i t i o n i n g ，c o n t r o ls y s t e m ，d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，m o n i t o r i n g s v s t e m i i 浙江工业大学中职硕士学位论文 第1 章绪论 1 1引言 智能建筑已成为本世纪中国建筑行业发展的趋势，智能建筑设计目标围绕着安全、舒 适、安全、便利等人性化服务n 1 。随着信息技术的飞速发展，计算机网络应用技术将成为 现代建筑主流。智能建筑究其实质，就是以建筑环境为平台，运用先进的科学方法和技术 对客户需求、服务管理、环境结构、应用系统等及之间的关联进行系统工程集成和优化设 计，使建筑环境空间获得投资合理、安全可靠、舒适幽雅、快捷服务的人文环境有机集合 体。而在智能建筑中有一个相当重要组成的部分就是中央空调系统，也是楼宇设备自动化 控制系统的主要组成部分之一，在综合商场、大厦、政府机关、交通服务等单位中得到了 大量的应用。现代社会的进步与发展使现代建筑目趋复杂庞大，其中央空调系统的能耗亦 不断增加。中央空调管理的机电设备所耗能源通常占楼宇能耗的二分之一，其中冷热源的 能量占五分之二，传输系统占五分之三心3 。中国是个能源紧缺的国家，目前我国空调产品 总量是世界首位，与先进国家相比能耗及技术开发方面还有很大的距离4 | 。为了使空调 系统在最佳工况下运行，须对室内空气环境的控制更加严格，以达到最小的能耗和最佳的 效果，因此，研究中央空调的节能控制系统具有非常重要的意义。 在中央空调系统的设计中，首先计算出用户的最大冷负荷，由此确定冷水机组的容量 及组合方式，而选配的冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、送风机、回风机等设备的容量 也冷水机组最大负荷进行匹配，所以都会保留一定余量。传统设计中央空调，像水循环、 风循环电动机都工作在工频状态，其控制的液体流量也即是风机、泵的额定流量，虽然可 满足设计与使用要求，但不能按实际负荷变化作相应的动态跟踪调节，而实际负荷会按季 节、环境温湿度、室内人数等因数变化，是一个比较大的变化量，且在大部门时间段处于 较轻的负荷，这样就会很容易造成能源非常大的浪费畸3 。我国电能需求依然处于紧张的局 面，用电价格也不断的在上升调整过程当中，中央空调的运行费用也会相应的大幅度增加， 如何控制、管理中央空调系统及智能调节能耗，是中央空调控制系统有待解决的问题阳1 。 采用变频调速技术实现变流量调节，对水泵、风机进行无级调速以平衡水循环系统和 风循环系统的流量，变频器应用是一种能有效节约能耗的节能技术，随着信息电子和变频 器应用等技术的发展，智能化控制技术开始焕发出新一轮的生命价值，通过计算机、网络、 一1 浙江工业大学中职硕士学位论文 智能控制器及变频器等，采用现场总线技术，实现对风机、水泵运行速度的调节，以满足 空调负荷变化的不均匀性调整，既保证在最大冷负荷( 最高气温) 情况下使用要求，又能 在平时轻负荷( 气温较低) 时做出相应的调节，不管是环境的变化还是人员的多少，即使 大幅度偏离额定工况的情形，也不会对系统设备产生不利的影响。 智能化控制技术是多种因素相互影响、共同作用的结果，未来的中央空调的发展也将 是如此。因此，要设计出真正符合实际需求的中央空调系统。必须综合考虑到实际工程中 的因素和条件。 1 2 中央空调控制系统现状 由于继电器线路工艺复杂、故障率高、使用不方便等因素，继电器o n o f f 控制系统 己逐渐被淘汰。目前中央空调控制系统研究通常有三种：单片机线路板开发、可编程控制 器控制系统、直接数字控制器控制系统。单片机线路板开发以v r v 系统为主，如日本大金 v r v 机组、海尔m r v 机组、美的m d v 机组等，控制系统走内部协议，空调企业自身开发， 以产品统一销售；可编程控制器及直接数字控制器主要集中在大型机组的控制系统中，如 螺杆机组、模块机组、冰蓄冷机组等，机组功率大能耗高，末端组合灵活，应用范围相当 广，其控制方法和控制策略得到了广泛的应用。p l c 可编程序控制器最初的设计目标只是 替代复杂的继电器电路，由于p l c 内部嵌入了专用工控单片机，能实现计算机方面智能控 制日1 ，从而使得控制技术上了新层次，加上配有网络端口，很容易构成一个大型的综合控 制系统。但f l c 只是一种控制“装置”，常用于某个部位的控制，系统的组成通过特有协 议的总线实现，系统集成的局限性而限制了其在楼宇方面应用范围。d d c 直接数字系统， 具有性能稳定、功能齐全的d d c 硬件功能模块及软件数据库，通过灵活组合可以满足楼宇 及空调系统自动控制要求n3 | 。因为d d c 对温度、湿度( 模拟量信号) 控制较p l c 好，同时， 也具有主控模块、扩展模块等，网络端口结构丰富，使其在楼宇及中央空调控制系统中得 到了广泛的应用。 从最早应用简单的自动控制元件至本世纪7 0 年代，空调装置自控元件的结构变化繁 多，控制方式一直用双位调节与比例调节，如电磁阀的控制，热力膨胀阀的调节等，但被 控参数波动大、能源消耗高，究其原因是调节品质差造成的。直到本世纪7 0 年代末，为 改善制冷空调的品质，空调系统中开始引入控制精度更高的p i d 调节器，如丹麦丹福斯、 美国a l g o 公司等开始在制冷控制中引入补偿调节和串级调速，并对电动执行器进行了专 业完善。在空调的传统建模方面，被控对象往往简化为二阶惯性环节，而事实上制冷空调 系统是个复杂的质量和能量传递过渡系统，它滞后时间长、负荷变化大且非线性复杂，很 浙江工业大学中职硕士学位论文 难用精确的微分方程来描述。因此，尽管采用了p i d 控制进行调节，但由于数学模型的偏 差，控制效果也不是很完善。而模糊控制是一种不依赖被控对象精确的数学模型控制方法， 而是根据控制专家和操作者的控制经验归纳、优化规则进行控制量大小的确定，具有较好 的节能控制效果。模糊p i d 调节就是将p i d 控制与模糊控制理论有机的结合进来，使控 制器既具有模糊控制在空调系统中控制参数模糊在线调节特点，又具有p i d 调节器高精度 控制的特点。 技术的引进和技术的使空调技术获得了很大的发展。压缩机效率的提高使制冷系统的 c o p 值也有了很大的进步。先进的变频技术结合高效的压缩机，极大发挥了空调产品的效 能；优化的软件制作，体现出精确的自动优控制，使制冷系统的压缩机、节流装置、换热 器达到最为理想的状态，整个过程节能非常明显。中央空调中运用模糊控制技术也越来越 广泛。在控制方法上也从简单的查表模糊控制法向与多种领域人工智能技术相结合的智能 模糊控制法发展。 随着信息化技术的发展及建设步伐的加快，信息资源的重要性已被认识到与物质资源 同等的高度。在信息技术应用浪潮的冲击下，中央空调行业也应在完成工业化的过程中， 提高信息技术化的运用水准。目前，信息化中央空调产品也不断的层出不穷，产品具备完 善的网络端口互通功能，用户可通过远程上位机来进行操作和设置，极大提高了中央空调 系统综合运用能力和机电设备管理能力。 我国中央空调已在商场大厦、写字楼、住宅别墅及综合性场所中广泛使用，尤其重要 是如何做好中央空调的管理与使用。在保证房间舒适环境的前提下，降低中央空调系统的 能源消耗，节约空调系统的维护费用，延长机器设备的使用寿命，是摆在我们面前的一道 难题。目前，中央空调的超负荷长期运转是中央空调使用中碰到的最为突出关键问题，它 直接加速设备的老化和能源的浪费，而不合理的中央空调水力平衡方式及乱计费的现象是 产生这种现象的根本原因。合理运用现代计算机技术和自动化技术，构造先进的控制和科 学的管理综合平台，是根本解决这道难题的行之有效手段。 由此可知，计算机网络和d d c 模块化相结合的智能控制是今后控制技术发展的必然趋 势，伴随着新器件的开发和新技术的发展，系统的智能化综合应用将得到广泛开展。 中央空调系统中冷水机组相对比较独立，生产厂家有一整套完善的自动控制及保护系 统，如螺杆式水冷机组，通过滑阀控制能对压缩机能量满负荷的1 0 到1 0 0 的无级调节， 由温度传感器、处理器单元、电磁阀、滑阀构成了冷水温度闭环控制系统，同时，具有压 缩机过流、吸排气高低压、蒸发器过冷，冷凝器过压、油压过低过低过高、水流过小等保 护功能。而水系统和风系统相对比较开放，可满足用户的空调设计和系统的改选，如恒静 气 浙江工业大学中职硕士学位论文 压送风系统、变静压送风系统、恒流量水泵控制系统、变流量水泵控制系统的方案选择。 所以这部分内容研究的重点就是怎样将其纳入中央空调控制系统之中，实现系统的统一协 调，集中管理。 1 3 中央空调智能控制系统应用价值 近年来，由于新的智能控制理论和计算机技术的迅速发展，新有空调器不断推出，中 央空调自动控制技术也上升到了新的台阶，通过计算机对逻辑判断和数据处理的强大能 力，能充分解决普通控制器无法解决的问题，同时对模糊控制、自适应控制等高级控制理 论有很大的推进作用，使它们在空调系统控制中的得到了深入的应用随引。特别是计算机 与d d c 的结合，在生产过程也相应的迅速发展，并在中央空调控制系统得到了应用，其模 块化和集散控制架构能对整个空调系统实现了集中管理，实现了控制系统与人工智能的完 美结合。这样做的好处是：中央空调系统因为末端设备分散，主机、水泵等设备也离了比 较开，控制点之间也相差很远，而d d c 正好符合这样的控制对象，它采用分布式结构，控 制点位结构上分散，并将故障点也进行了分散，增加了系统运行的可靠性n 利。而d d c 之间 通过网络联络，对数据参数进行统一协调处理，这也很好地满足了管理上的需求，用户可 以通过服务终端设备进行数据报表处理、参数状态监控、打印存档等综合集中管理，有力 保证了中央空调自动控制系统的建设，其具有深远的意义n 0 | 。 1 、节省劳力和人力资源 中央空调系统庞大，主机及用户布置都相对较远，而工作人员可以不用到现场，通过 计算机就可获得各点位的温湿度等参数，在终端设备上由组态软件可了解系统的工作状 况，必要时，可对有关设备进行启停控制及调试工作，使设备的控制更加灵活和实用。而 另一大好处就是设备的维护与管理，通过电脑的报表数据，可及时了解客户的能耗和收费 等使用情况，综合管理好设备的运行、用户收费及机器的保养等工作。 2 、节能减排 综上所述，空调是个能耗大户，怎样做好节能减排，从技术上，水力平衡系统的设置 及液体变流量智能化控制使中央空调系统能耗降到最低；在手段上，通过中央空调分计费 系统，提升人们的节能意识，不收费可能促使老百姓有“不用白不用”的思想，间接增加 了中央空调的消耗，而按用户自己用量收费，用户不轻易间会按自己的需要来使用，无意 间也降低了消耗，通过消费观念引导使客户树立节能减排的思想，促使大家一起减小能耗， 有效地延长了中央空调设备使用寿命，降低整个中央空调系统的运行费用。 3 、提升设备年限 直 浙江工业大学中职硕士学位论文 通过计算机和d d c 控制实现对中央空调系统的群控，能及时地查询风机、水泵、冷水 机组等负荷的大小，并对系统进行智能调节，特别是水泵和机组的控制，能按设备运行的 时间和负荷大小作时间程序的智能调节，不会造成某台设备不平衡长期工作，设备间运行 状态基本相一致，由于新设备使用的年限基本相同，从而也相对延长了整套设备的使用年 限。 4 、管理成效 由于采用计算机终端设备，并以固定的方式进行中央空调系统的监控和数据统计，其 报文是历史数据，有关工艺参数变化、故障维护数据更改、计量计费等，都可做到有据可 查，特别是计量计费系统的实施，像用户欠缴费、账单管理及报表等都设置在服务器上。 减轻了物业管理部门与业主之间为了收费而产生的矛盾，使工作部门具有更加科学的管理 方法及更高的工作效率。 1 4 课题研究主要内容 本文主要以浙江商业职业技术学院中央空调为对象，展开中央空调控制系统的研究， 通过采用一种比较合理的控制方式，在充分考虑了中央空调水系统的特点的基础上，结合 当前中央空调系统中常用的变流量和先进的变频调速技术、模糊控制技术；提出了节能设 计思路与创新方法。运用空调系统节能原理，采用d d c 控制器与计算机组成集散控制系统， 提出了系统变流量变频节能控制方案。并针对给出了中央空调控制器的硬件选型、搭建了 控制系统的硬件平台。中央空调系统如图1 1 所示。 图1 1 中央空调系统一角 具体内容有： 1 、对中央空调控制系统进行设计与分析，并将空调请求、水力平衡、机房群控、计量计 一5 浙江工业大学中职硕士学位论文 费、末端控制五个部分引入中央空调控制系统，特别是空调请求和水计量计费的引入，完 成对能量的生产、运输、使用的控制，实现了集散控制与现场总线控制相结合，对高精度 中央空调系统进行计算机集中管理。 2 、运用现场总线控制系统( f c s ) 方式，实现了服务器( 主机) 与5 0 台现场控制机( 教 学计算机) 对等信号传输。可以通过5 0 台现场控制机d d c 编程，传输信号，完成对系统 的控制与监视( 这里只开放了组合风柜控制系统，以便于教学服务) 。在实际应用中可开 放一定的权限实现多台计算机的监控。 3 、搭建了中央空调控制系统的硬件平台，表述了d d c 程序控制系统设计方法及模块功能 实现，并对控制器进行了规划与选型。 4 、进行a v i e w 软件组态监控设计，包括各主要监控界面及其控制管理功能设计。通过服 务器( 主机) 监控界面，运用工具构成了中央空调控制系统的组态控制与管理。 浙江工业大学中职硕士学位论文 第2 章中央空调系统分析 2 1 中央空调制冷系统分析 2 1 1 中央空调制冷系统工作原理 中央空调制冷系统有很多种类型，目前最常用的是单级蒸汽压缩式制冷，它是利用气 体液化和液体汽化时会放出或吸收潜热的原理来实现热量转移，达到制冷目的眵4 。由于是 利用压缩机使汽化后的低压蒸汽升压的，故称为蒸汽压缩式制冷，又由于制冷剂蒸汽只经 过一次压缩，因此该类型称为单级蒸汽压缩式制冷h 1 i 。 单级蒸汽压缩式制冷系统通常由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器等四大基本部件 构成h2 | ，这些部件用管道相连接组成一个封闭的系统。制冷原理流程如图2 - 1 所示。 压缩机 冷冻水回水 冷冻水出水 冷却水回水 冷却水出水 图2 1中央空调制冷系统工作原理图 1 压缩机是消耗外界机械功来实现压缩和输送制冷剂的设备；它起着吸入、压缩、输 送制冷剂的作用，是驱动制冷剂循环流动的动力源6 | ； 2 冷凝器是把压缩机排出的气态制冷剂冷凝成液态制冷剂的一种热交换器；水冷式冷 凝器通过冷却水与冷凝器中的制冷剂进行热交换，将冷凝过程中放出的热量带走阻9 | ； 3 节流装置是制冷剂从冷凝压力降至蒸发压力的热力设备，同时还能起到调节制冷剂 流量的作用； 4 蒸发器是实现将节流装置出来的液体制冷剂通过吸收环境热量而蒸发成气态制冷剂 的一种热交换器。水冷式蒸发器通过冷冻水与蒸发器中制冷剂进行热交换，把冷量传递给 冷冻水，使冷冻水温度降低。 2 1 2 中央空调系统构成 完整的水系统中央空调通常包括冷水机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、风机 盘管系统、冷却塔及相应的控制系统b9 | 。典型的中央空调系统结构如图2 2 所示。 浙江工业大学中职硕士学位论文 冷藏痰撼群鬣缀 冷承封绸冷藏农瓣鞣系缝 ；。jil：哥。 j ，n - - 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往往很大，所以是典型的大惰性系统；同时，由于管道结构路径长，完成一次水循环需几 分钟至十几分钟，因此它又是个大时滞系统阳1 儿6 6 | 。 2 3 中央空调循环水变水量调节分析 中央空调水系统的理想工作状态应该具备如下的几个特点：当负荷发生变化时，水系 统的供回水温差保持不变；当负荷减小时，中央空调水系统的能耗也要随之减小；同时， 系统还要具有结构简单，一次性投资较小，具备一定调节功能等。 从控制的特性上来分析，中央空调水系统可分为定水量系统和变水量系统两种基本形 式。定水量系统通过改变供回水温差来适应空调区域的负荷变化，系统的水流量是保持恒 定。变水量系统则是通过改变水流量来适应空调区域负荷变化，供回水温差保持恒定口0 i 。 定水量系统中很少采用控制水流量的方案，中央空调冷冻水、冷却水流量以及冷却塔 风量基本都是恒定的，当中央空调系统运行时，机组、水泵、冷却塔风机都在工频下工作。 当负荷发生变化时，只能通过改变供回水温差才可以满足负荷变化要求。该系统水流量的 变化基本上是由水泵运行的台数确定的，通过末端设备的水量也是一个定值。由于水泵运 行台数的变化呈阶梯形，所以难以实现对水流量的无级控制，当负荷变化时容易造成能源 的浪费。 由以上分析可知，中央空调水系统定流量控制模式存在的缺陷比较多，而变流量则是 根据负荷的大小来改变输送的冷冻水流量、根据机组冷凝热的大小不同改变冷却水流量和 冷却塔风机转速引。 中央空调水系统中的冷却水泵和冷冻水泵的容量设计依据答都是按照建筑物的最大 冷负荷确定的、有些还留有较大的设计余地。由于季节更替、人流密度的变化、空调区域 散热量的变化等因素，实际的负荷是不断变化的，大多数情况下并不需要水泵在设计工况 ( 也就是最大负荷) 下工作的，若水泵一直在设计工况下运行，就会造成能源的巨大浪费。 变流量水系统工作模式由于能够根据空调负荷的变化来实时调节水泵转速，进而改变水流 量，因此变流量系统相对于定流量系统具有很大的节能优势。 本课题主要研究的是采用变流量控制模式实现中央空调水系统的节能。 浙江工业大学中职硕士学位论文 2 3 1 变水量控制的基本原理 水系统运行时涉及的能量可以用热力学第一定律表示为： q = w c a t ( 2 1 ) 式2 1 中：q 表示系统负荷；w 为冷水流量；c 为水的比热；t 是水系统供回水温差。 在设计中央空调水系统时，设计负荷的标准就是建筑物的最大负荷，也就是说，中央 空调水系统中q 是一个定值。然而在中央空调系统实际运行过程中，由于季节更替、人流 密度的变化、空调区域散热量的变化等因素，实际的负荷是不断变化的，也就是说中央空 调系统实际负荷是一个变量。为了满足实际负荷的变化，可以对中央空调水系统采用相应 的改变水流量或者供回水温差的方法以适应负荷的变化。举例来说，当中央空调的实际负 荷低于设计工况负荷时，可以采取保持供回水温差不变而减小冷水流量，也可以保持冷水 流量不变而减小冷水供回水温差，或者是即改变冷水流量也改变冷水供回水温差等几种方 式来适应负荷的减小。如果采取保持水流量不变，改变冷水供回水温差来满足实际负荷变 化，就是传统意义上的定流量水系统。若保持供回水温差不变，通过变化水流量来满足实 际负荷的变化，就是所谓的变流量水系统。 由此可见，变流量水系统可以使系统水流量能够随着空调末端实际负荷的需求变化而 不断变化的，并且能保持供回水温差不变，是一种比较理想的工作模式。 2 3 2 变水量控制对象分析 水泵的变频调速原理：由电机学原理可知，可以通过改变电动机电源频率的方法实现 电动机转速的改变，因此可以通过改变水泵电动机转速到达调节水流量的目的。 三相异步电动机是通过电磁感应的方法，实现了电能与机械能之间转化，在三相异步 电动机定子绕组气隙中产生一个旋转磁场，而在转子中感应出转子电流，电流在磁场中就 产生电磁力带动转子旋转n2 | 。电动机输出轴的转速与旋转磁场转速有着最直接的关系，三 相异步电动机转动的转速n 有以下关系： 门：鱼q ! ! 二堕( 2 2 ) p 转速1 3 的单位为每分钟转数，用m m i n 表示，其中： f ：输入至电动机供电电流频率，单位赫兹； p ：电动机定子绕组的磁极对数； s ：电动机转子与旋转磁场转速之间的转差率，一般为1 - 5 。 旋转磁场的转速n o = 6 0 f p ，而旋转磁场转速与电动机转子之间的转速之差即为： n = n 。一n ，转差率s = n n 。，转差率s 与三相异步电动机的关系如表2 - 1 所示。 1 0 浙江工业大学中职硕士学位论文 表2 - 1转差率s 与三相异步电动机的关系表 从中可知：当选配的电动机确定后，磁极对数、转差率基本上就是定值了，只要改变 供给电动机电源的频率就可以改变它的转速了，当频率f 在0 - 5 0 h z 变化时，转速n 可以 在很宽的范围内变化n 引。变频器就是通过改变输出电源频率来调节电动机转速的控制装 置，变频器先通过整流把工频交流电变换成直流电，再通过逆变电路把直流电变换成所需 要交流电，输出的频率和电压按一定的曲线进行调节，实现电动机进行生产调速的过渡过 程n 引。工程上可对温度、压力等信号的进行检测，送至变频器专门的模拟量输入端口，就 能实现对三相异步电动机转速的自动调节，控制温度、湿度等被控参数达到设定之参数。 在中央空调控制系统中，应用变频器变频调速原理，通过对温度、压力、流量参数的检测， 来不断调整电动机的转速，实现循环系统的变流量调节，使空调系统随冷热负荷变化作相 应的调节，达到最佳工况之运行，起到节能之功效。 中央空调水循环系统一般都采用离心水泵作水流的输送动力，离心水泵的扬程、功率、 转速、流量等参数满足离心泵特性曲线关系： p = k ，q - h ( 2 3 ) q = k 2 心 ( 2 4 ) h = k ，玎2( 2 5 ) 由( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 式得： p = k 4 f 3 ( 2 6 ) 一p ：k 。7 2 ( 2 7 ) q 式中：k 1 ，k 2 ，k 3 ，k 4 ，k 5 为常数： p ：水泵机轴输出功率； q ：水泵液体流量； h ：水泵扬程； 1 1 。 浙江工业大学中职硕士学位论文 n ：水泵转速。 从( 2 3 ) 式中可看出，在轴功率p 不变的情况下，若水泵流量q 进行调节，将会改变 水泵的扬程 i ，流量q 变小，扬程h 就会变得越大，但在实际中，扬程是个基本不变的量， 这样就会使扬程产生了更多的富余。 从( 2 6 ) 式中可知，水泵轴功率p 与其转速n 的三次方成正比，只要通过降低水泵的 转速，就可以减小其轴功率，按照( 2 3 ) 关系，就可对扬程h 或流量q 实现自由调节。 而( 2 7 ) 式说明一定水流量的能耗p ( 即功耗) 与转速n 二次方正比，说明在供水流 量一定的前提下，越低的转速，功耗也就越小。 通过水泵调速对中央空调系统进行水流量调节，当冷负荷发生改变，即需要的冷水流 量发生了改变，通过变频器频率的调整，使水泵转速n 相应的改变来满足循环水流量要求。 根据理论分析，水泵消耗的功率与其转速的三次方成正比，当空调系统负荷在减小时，相 应的冷水流量也随着减小，水泵电机转速也成比例下降，其功率却以转速n 的立方等式减 小，使系统的电源消耗可大在下降，达到了节能减排的目的畸8 | 。 2 3 3 变水流量控制特点 变水流量控制与传统的定流量系统相比是相对比较先进的节能控制技术，它具有以下 的几个特点： ( 1 ) 在负荷变化时能实时的调节系统水流量，实现供冷量跟随负荷的需求同步变化， 在负荷变化时能确保中央空调系统实现最大限度的节能。尤其在只需要部分负荷时，因空 调区域对供冷量水流量的需求比较小，节能效果会更加明显。 ( 2 ) 变流量控制系统的一个思路就是在按照实际要求以最佳运行参数去控制中央空 调系统的运行，特别是当空调系统负荷发生变化，空调系统运行参数产生偏离最佳设计参 数时，通过调控可以保持主机一直处于高效运行状况下。 2 3 4 变水量：漠糊控制分析 中央空调系统中采用先进的控制手段和合理的控制方法，对空调系统能耗控制有着重 要意义。在水循环控制系统中，一般采用变频器对电动机进行p i d 调节，传统的p i d 调节 技术在工业控制方面有着比较大的应用领域，在控制过程简单数学模型易建的场合有其 优势，而像中央空调参数变化大、交叉耦合强的系统，不太容易得到好的控制效果。 模糊控制能从典型数据中评估系统功能，控制策略上采用查询表方法简单地实现系统 控制功能，而不需要精确的对象数学模型，能较好地适应于中央空调系统过程变化复杂的 特点。将模糊控制与传统的控制方法接合起来，构成复合控制，既有模糊控制良好的控制 规则，又有传统高精度控制的特点，特别适合中央空调变水量的系统控制5 i 。如中央空调 1 2 浙江工业大学中职硕士学位论文 冷冻水的循环控制，按风机盘管、v a v 空调风量等的请求信号( 风速高中低、电磁阀状态、 阀门开度等) ，由服务器统计计算出各能量控制器对电动调节阀开度信号，由能量控制器 对管路阀门进行区域流量调节，同时模糊调节冷冻水泵工作频率，再通过冷冻水出、回水 之间的压差对变频泵进行p i d 精调，达到循环水系统的压力平衡和流量平衡，实现了水系 统的智能调节和节能运行1 。 2 4 中央空调循环变水量控制方案设计 从自动控制技术角度来看，中央空调水系统作为对象而言，其特性具有多变量、非线 性、大惯性及大时滞等特点。如果选择将整个水系统作为一个整体去分析研究的话，由于 系统中各个回路之间的耦合性，各个变量之间的关联性，很可能难以建立控制模型，即使 建立了也难以解决复杂的运算。因此，本课题拟采用分立系统的方法，即将整个系统分解 为三个子模块：冷冻水系统、冷却水系统和冷却塔风机系统，分别对子系统设计相应的变 频控制器，使控制过程变的简单、实用。 2 4 1 冷冻水变水量控制方案设计 在冷冻水循环系统中，典型的设计供水温度为7 ，回水温度为1 2 ，冷冻水泵的作 用是保持冷冻水在系统中不断的循环，其转速决定了水流量的大小皿6 | 。冷冻水供水温度是 由冷水机组提供的制冷量和水流量以及回水温度所决定的，现代先进的冷水机组控制技术 可以很好的实现供水温度恒定在7 ，所以在水流量不变的状态下，冷冻水回水温度的高 低就可以反映空调房间负荷的大小。 在变流量冷冻水循环系统中，首先保证冷水供水温度不变，并设定冷水回水温度为1 2 ，然后通过温度传感器对实际的回水温度进行检测，并与设定值进行比较h4 | 。若实际的 回水温度比设定值大，说明空调末端负荷加重，此时应该增大冷冻水泵转速，增加系统水 流量直至回水温度恢复到设定值，这样就使系统供冷量相应的增大，以满足负荷对冷量的 需求。同理，若回水温度实际值比设定值小，说明空调末端负荷减小，这时要减小冷冻水 泵转速，减少系统水流量直至回水温度恢复到设定值，使系统对供冷量供给减小，同样能 满足负荷对冷量的需求。水泵转速通过在水泵处安装与其功率匹配的变频器实现控制，变 频器对水泵电机输出频率是由回水温度决定。图2 3 描述了这个过程。 浙江工业大学中职硕士学位论文 图2 - 3 冷冻水泵控制流程图 在水冷机组中，对冷冻水的流量有一定的要求，通常不能低于额定的下限流量，否则 会导致机组控制系统的保护而停机，这个问题可以通过设置变频器的下限频率来解决。本 系统中水泵采用的是一用一备的工作方式，运行时只有一台水泵在工频运行。冷冻水泵的 变频设计如图2 4 所示。在本方案中，只需通过调节冷水流量将冷水回水温度控制在1 2 即可。 挎魏承熬黪麓缀 ，- - _ ，t # # - - - 静 潮承瓣囊 图2 4 冷冻水泵变频控制系统图 2 4 2 冷却水变水量控制方案设计 冷却水泵作用是控制冷却水的流量，冷却塔风机主要用来调节冷却水的回水温度。冷 却水变流量常用的控制模式有定温差控制法和冷凝温度控制法。具体选用何种控制模式主 要看冷却水泵与冷水机组的功率比值。一般来说如果冷却水泵和冷水机组功率比值相对于 较大时，如超过了1 0 时，冷凝温度控制法节能会比较显著。本系统中，冷却水泵选用功 率为3 7 k w ，冷水机组的功率为3 0 k w ，满负荷运行时比值为1 2 3 ，大于1 0 。 浙江工业大学中职硕士学位论文 将冷却水回水温度设定值选为3 2 ，冷却水出水温度设定为3 7 。c 。在满负荷或外界 环境温度比较高时，冷却水泵处于满负荷运转状态，若此时冷却水回水温度还高于3 2 。c ， 则只能调节冷却塔风机转速来降低冷却水回水温度瞄9 。而部分负荷工况或者外界环境温度 较低时，冷却水供水温度会变小，此时则可以通过降低冷却水泵转速，减少冷却水流量， 冷却水出水温度回复设定值，同时也可以通过控制冷却塔风机运转达到设定目标。玛1 。 冷却水泵变频控制流程如图2 5 所示。 使用温度传感器对冷却水出水温度进行检测，若出水温度高于设定值，表明机组冷凝 热变大，此时应该通过变频器使输出频率变大，提高冷却水泵转速增大冷却水的流量。反 之，则应该降低冷却水泵转速，减小冷却水流量输出。直到冷却水出水温度达到设定值。 冷却水泵变频控制系统如图2 - 6 所示。 羚鬈窳攒群象缝 图2 - 6 冷却水泵变频控制系统图 浙江工业大学中职硕士学位论文 2 4 3 冷却塔风机控制 在水冷式中央空调循环系统中，冷凝水的降温主要通过冷却塔降温来实现的。在典型 的变频冷却塔风机控制电路中，以温度检测为控制参数，与变频器、风机等组成一个p i d 闭环控制系统。冷却水温度闭环控制系统如图2 7 所示，温度调节流程如图2 - 8 所示。冷 水机组冷凝器热交换后出来的是比较高的冷却水，冷却水进入冷却塔进行喷淋回流，实现 水气之间的热交换，此时冷却塔风机加速热交换的速度与效率，在空气中进行强迫冷却， 使回水温度降至正常的水温，回水