中央空调系统构成及原理

1、.中央空调水系统构成及原理中央空调循环水系统构成如图21所示:点您水罩冷却水泵空调水系统主要是由制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等组成的一个系统。该系统的工作原理是制冷剂在制冷机组的蒸发器中汽化吸收冷冻水的热量，从而使载冷剂一冷冻水的温度降低，然后，在蒸发器内被汽化的制冷剂经制冷机组的压缩机时被压缩成高压高温的气体，当高温高压的制冷剂流经冷凝器时被来自冷却塔的冷却水冷却变成低温高压的气体，低温高压的制冷剂通过膨胀阀后重新变成了低温低压的液体，而后再在蒸发器内气化，完成一次循环。通过不断的循环，载冷剂不断地输送冷量到空气处理单元，同时，制冷机组产生的热量不断的被冷却水所带走，在流经冷却塔时散

2、发到空气中，冷却塔上装有风机，对流经冷却塔的水进行降温。中央空调制热时，冷却水系统停止运行，空调机组直接对冷冻水进行加热，目前主要有电加热和燃气燃烧加热。经过加热后的水通过管道流至各个房间，风机把进风口吸进的凉空气通过热管加热在通过出风口排出，此时一吹出的便是热风，达到了制热的目的。同时变冷的水流进机组，再一次被加热，然后采暖泵迫使热水再一次流入房间管道，如此形N环。实际中央空调应用中，由于其冷冻水和热水用一套水循环管道，所以在设计水泵时，有些设计只有两种水循环系统，艮水循环和冷冻水循环，此时水泵也就只有冷冻水泵和冷却水泵，夏季两种水泵均工作，而到了冬季，关闭冷却未国，只有冷冻水泵工作。但是由

3、于夏季的制冷量很大，所以冷冻水的流量同时也很大，因此冷冻水泵,的功率设计上是按最大制冷量加余量而设计。冬季时，制热量相对较小，不需要很大的制热量，自然需要/的热水循环量也就较小，如果还用冷冻水泵就会造成很大的浪费。因此有些中央空调设计时，会单独设计一个/热水循环系统，它总炉流阀连接到冷冻水管道上，夏季时，关闭节流阀，使冷冻水使用循环管道，冬季时,/闭冷冻水的节流阀，打开热水节流阀，使热水使用循环管道。这样的话，热水的水泵功率就可以根据制热量加余量来设计，不会造成很大的浪费。考虑到第二种现象在目前的中央空调应用中比较常见，因此本水系统控制系统针对第二种情况设计。对于冷冻/热水系统，其出水温度取决

4、于蒸发器的设定值，回水温度取决于大厦的热负荷。现采用蒸发器的出水管和回水管路上装有检测其温度的变送器，通过冷冻水的温差控制，即可使冷冻水泵的转速相应于热负载的变化而变化。参考目前中央空调机组设计和运行的实际情况，冷冻温差为57c时最为合理。冬季的时候，由于进水温度低，出水温度高，所以温差为负值。对于冷却水系统，由于低温冷却水（冷凝器进水）温度取决于环境温度与冷却塔的工况，只需控制高温冷却水（冷凝器出水）的温度，即可控制温差。采用在冷却水出水管安装温度变送器，通过控制冷凝器出水温度，便可使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化，参考目前中央空调机组设计和运行的实际情况，冷却水出水温度为/37c左

5、右时最为合理。中央空调机组在设计时，对于冷冻和冷却水的流量有一个最小值，即机组在送飞寸，流沙减小于这个值，这是因为如果流量过小，可能会发生机组冻管，损坏中央空调机组。因此，我们在根显电更命差对水泵转速进行调节时，必须要保证空调机组正常运行所需要的最小流量。如果我们要检测冷冻水和冷却水的流量，应该安装流量传感器，但是流量传感器一般采用法兰安装，串接在水管上，安装复杂并且价格昂贵。考虑到水的流量和其压力有一定的线性关系，在实际检测流量中，一般安装压力传感器，通过测量压力值来计算出流量值。压力传感器安装方便，一般为螺纹安装,并且价格适中。控制策略如图22所示：控制计算机根据温度和温差反馈，结合温度和

6、温差设定，并考虑空调机组的最小流量，给出冷冻水泵和冷却水泵电机的最佳控制量，控制其转速，达到最佳节能效果。.控制系统的整体方案中央空调水系统控制系统的总体框图如图23所示。系统工作过程为：控制计算机通过将SRM控制节点和信号采集节点上传的电机转速、温度、压力以及工频机启停信息与工作人员在控制计算机上设定的控制量相比较，,经过优化处理后，得到最佳的控制量，通过以N网络，下传给各个节点，各节点接收到这些指令后，对自身的运行状态和运行参数进行调节，达到最佳的节能效果。捽制计算机ZEZCANiirvCAN总统中父空调水系统是一个复杂的大惯性环节，水循环周期长，可以达到2030分钟。实际应用中，空调中央

7、机组和水泵的现场安装距离很近，一般机组在而水泵集中安装在楼下，机组操作控制室在机组的同一层的附近。现场电力布线复杂，有很多的强电走线。机组运行后，一台水泵发生故障不应该影响到其它水泵，应立即从水系统中切除。同时我们在增加或者减少对一台水泵的控制时，应该方便快捷，不应该影响到整体水系统和其它水泵。这些实际情况决定了我们在设计现场网络通信时要重点考虑的几个问题：(1)因为是大惯性环节，所以信息传输速率不需要很快。(2)因为现场强电走线多，所以现场通信可靠性要高，抗干扰能力要强。(3)因为安装距离短，所以现场通信的信息传输距离不需要很远。(4)水泵发生故障不能影响其它水泵，因此现场网络通信控制各电机

8、的节点不能相互影响。考虑到最终产品成本等因素，并结合上面几个因素，比较表中的几种现场总线方式，最终CAN总线最符合做控制系统的现场通信。CAN总线是BoSCh公司在1986年为解决汽车中众多的测量元件与执行器之间的数据交换而开发的一种现场总线。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。由于其高性能、高可靠性及其独特的设计，CAN越来越受到人们的重视，其应用范围也不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械及传感器等领域发展，并被公认为最有前途的现场总线之一。CAN总线局域网采用了工50/051模型的七层结构中的物理层和数据链路层，具有较高的可靠性、实时性和灵活性。同

9、时由于采用的JS011898标准中只定义了物理层和数据链路层，本身并不完整，这样就需要用户在CAN协议的基础上自行开发自己的高层应用协议，这也是CAN网络协议相对于其他现场总线网络协议更为灵活之处。2.网络拓扑选择网络拓扑指网络中节点的互连结构行使，主要有星型、总线型、树型、环型、网型几种。在水系统控制系统的网络拓扑选择时，结合控制系统自身特点主要要考虑的因素有：硬件布线容易、工作可靠性高、增加和减少站点方便、数据速率不需要很快和距离不需要很远。结合各种拓扑结构的特点，选用总线型拓扑最为总线型拓扑采用单一信道作为传输介质，所有站点通过相应硬件接口接至这个公共信道上，任何一个站点发送的信息，所有

10、其它站都能收到。信息按组发送，达到各站点后，经地址识别后，符合的站点将信息复制下来。总线拓扑的优点是所需电缆长度短，布线容易。总线仅仅是一个传输信道，没有任何处理功能，从硬件的角度看，它属于无源器件，工作可靠性高，增加和减少站点都很方便。缺点是系统范围受到限制(由于数据速率和传输距离的相互制约关系)。故障的检测需要在各站点进行，比较困难。网络节点组成整个控制系统中的硬件有控制计算机，各个SRM控制系统，温度和压力传感器。同时我们还需要采集温度和压力等信号。综合考虑，可以将一台SRM控制系统做为一个网络节点，信号采集部分做为一个节点，每个节点有自己的地址，所有节点都连接在以N,急线上。系统工作过

11、程中，各个SRM控制节点和信号采集节点之间不需要通信，所有节点均直接和控制计算机通信，/因为我们采用的是总线型拓扑结构，任何一个节点发送的信息其它连接在总线上的节点都可以收到，实现广播式收发。为了达到这个目的，控制计算机也做为一个节点连接在总线上，并且自身没有地址，可以接收其它每个节点的信息。各节点的具体设计如下：1.控制计算机由于该控制系统在整个制冷或者制热周期除了设备检修外的其它时间内都将长期可靠地运行，因此该控制系统的控制计算机应采用可靠性高，稳定性好的工业控制计算机。它的主要功能是接收SRM控制节点和信号采集节点上传的数据，根据所接收到的数据和用户设定的信息经过系统优化后给出最佳的控制

12、量，通过cAN网络发送到各个SRM控制节点。同时控制计算机需要有友好的人机界面，实时的显示各种信息，并将信息存入到数据库以备工作人员查询。在网络连接上，因为计算机没有现成的CAN接口，所以采用PC工非智能CAN适配卡连接计算机和CAN总线。一端为PCI插槽，一端为CAN总线接口。关于它的功能和用法将在第五章详细介绍。控制节点SRM控制节点做在SRM控制器上，每个节点有一个属于自己的唯一地址。主要负责本电机转速信号的采集，同时检测自身电机和控制柜的工作温度，并上传到控制计算机、接收控制计算机传来的数据控制本水泵的运行。在实际应用中，整体控制系统工作在自动状态，即由控制计算机根据反馈信息和用户设定

13、信息得到电机的最佳控制量，控制电机转速，达到最大节能。但是考虑到可靠性问题，如果网络系统发生故障，则各个节点的电机将处在不可控状态，将会影响整个中失空调机组的工作，导致机组停机。为了避免这种情况的发生，SRM控制节点上设置了就地/远程控制，当开关打到就地时，控制节点不受控制计算机控制，由值班员对电机实行直接控制，当开关打到远程时，控制节点受控制计算机控制，不受值班员的直接控制。同时，因为实际中水泵的转向是固定的，所以带动水泵的SRM电机转向也是固定的，在设计正反转时，可以通过跳线来现场调整电机的转向，以避免做成按钮而导致现场值班员误操作。3.信号采集节点信号采集节点主要负责采集循环水系统的信息

14、，包括温度、压力值和工频机启停信息，通过总线上传给控制计算机。实际中，一般中央空调冷冻/热水、冷却水系统各为3台水泵，两用一备，避免一台水泵出现故障，影响中央空调正常运行，同时水泵轮流使用，防止水泵长期运行缩短使用寿命，运行时，两台水泵均工作在额定转速（一台水泵一般不能满足中央空调机组的最小压力要求）。在对这种水系统进行节能改造时，没有必要更换三台水泵为调速SRM电机，只需更换其中两台为调速SRM电机，另外一台仍为不可调速电机即工频机。系统可以工作在一台工频机加一台调速SRM电机的状态下。但是应该控制工频电机的启停以实现整体系统的网络控制，达到/水泵房无人职守的目的。这个功能同样由信号采集节点

15、完成，所以除了温度和压力信号外，采集节点还要将工频机的启停信号上传给控制计算机，同时接收控制计算机的信息以控制工频机的启停。电源主要是给信号采集部分和温度、压力传感器供电。压力、温度传感器主要负责测量循环水系统的温度和压力。其中温度有冷冻水进出水温度，冷却水出水温度。压力有冷冻水进水压力、冷却水进出压力。通信协议制定1 .帧格式和帧类型选择CAN符合工50/0S工的参考模型，但只规定了物理层和数据链路层的协议。在实际中，即使实现一个非常简单的基于CAN的分布式系统，也会发现仅有物理层和数据链路层的功能是远远不能满足要求的。比如对于传输长度超过8个字节的数据块、带有握手协议的数据传输过程、标识符

16、分配、通过网络管理节点等功能，就不能实现。因此需要在这两层之外附加一层来支持应用过程，称之为“应用层”。CAN总线报文传输帧格式有含有n位标识符的标准帧和含有29标识符的扩展帧。同时，帧的类型有数据帧（将数据从发送器传输到接收器卜远程帧（总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧卜错误帧（任何单元检测到总线错误就发出错误帧）和过载帧（过载帧用在相邻数据帧之间提供附加的延时）。考虑到控制系统的可扩展性和要传输数据，本系统采用扩展帧，帧类型为数据帧。由图25所示报文标识符由不同的位场组成。（l）帧起始（SOF）:占1位，标志总线终止空闲状态，并使所有站点同步。（2）扩展帧仲裁域：共32位，

17、包才29位辨识码、替代远程请求位（SRR）、扩展信息位（IDE）和远程传输请求位（RTR）,其中n位标识符为基本功，定义了扩展帧的基本优先权。（3）控制域：共6位，除了2个保留位，还有数据长度码（DLC）告知随后的数据域的长度。（4）数据域:O8个字节，每字节包含8个位。（5）校验域：共16位，包含1个检测字，用于自动检测传输错误。（6）应答域：共2位，当其他节点接收正确时，给出信号。（7）帧结束（EOF）:共7位，标志通信结束。（8）填充位：CAN总线协议规定，在帧起始、仲裁域、控制域、数据域以及CRC序列，均通过位填充的方法编码。发送器检测到位流里有5个连续相同值的位，便自动在位流里插入一

18、补充位。数据帧其余位域（CRC界定符、应答域和帧结尾）格式固定，没有填充。8、帧空间：数据帧通过帧间空间与它前面的帧分隔开。2 .波特率选择波特率就是传送速度，即每秒传送的二进制位数，单位为bit/s。同时，CAN总线中，波特率与总线关系如表2。同时CAN总线通信的最大节点数、最大总线长度以及通信电缆均有关系。关系如表23所示，图中N为最大节点数。综合考虑波特率、最大总线长度和最大节点数，本系统采用波特率为IOOK,最大节点数为64,采用DevieeNetl,M（粗缆），最大通信距离可达62Om。信号采集节点主要负责采集循环水系统的信息，包括温度、压力值，通过总线上传给控制计算机，同时接收控制

19、计算机的信息控制工频机启停并将工频机启停状态上传给控制计算机。它主要由硬件部分和软件部分组硬件部分包括信号采集部分，负责采集信号和控制工频机；通信部分，负责和制计算机的通信；电源部分，负责给前两部分供电并给温度和压力传感器供电节点的主控制芯片采用美国Atmel公司的AT89C51单片机，AT89C51是一种低耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器，使高密度、非易失存储技术制造。它主要有如下特性：1.面向控制的8为CPU;的片内数据存储器；3.可以寻址64KB的片外程序存储器；4.可以寻址64KB的片外数据存储器;根双向和可单独寻址的工/0线;6.一个全双工的

20、异步串口；7.两个16位定时/计数器；/个中断源，两个中断优先级；9.有片内时钟振荡器；10.采用高性能的HMOS生产工艺生产；n.有布尔处理（位操作）能力;12一全有基本指令In条，其中单机器周期指令以种。信号调理电路一个中央空调机组需要采集的信号如下：1 .冷冻/热水进出水温度，2路。/2 .冷却出水温度，1路。/3 .冷冻/热水进水压力，1路。/4 .冷却进水压力，1路。/共有5路。但在实际工程中，中央空调用户一般安装两个机组，/一用一备。一台机组出现故障，开启另一台机组，然后维修故障机组，避免了因为机组故障而影响空调的使用。同时实际应用中，一般是两台机组轮流使用，防止一台机组长期使用导

21、致使用寿命减小。因此，在设计信号采集电路时，采集信号的路数应按两个中央空调机组设计。两个机组使用的是同一套水管道，但是温度传感器必须安装在水管离机组最近的地方，以防止水管各处温度不一样而导致温度测量误差过大。因此需要增加路冷冻/热水进出水温度，1路冷却进出水温度。水管道各处压力一致，所以压力采集不需要增加。因此共需要采集8路信号。考虑到余量，本文设计了15路信号采集电路。传感器有压力传感器和温度传感器，均为两线制，供电电压24V,输出4-20耐。其中温度传感器需要定做，不同的安装管道管径需要不同长度的传感器。同时不同的管道壁厚需要传感器的安装螺纹长度也不同。一般温度传感器的量程为O100摄氏度

22、。压力传感器的量程为OIMPa。温度和压力信号调理电路如图31,T0为信号的输入端，R6O为采样电阻，C60为滤波电容，规格是220UF/25V。第一个运放构成射随，降低输出阻抗，起到隔离的作用，避免负载对前级的影响。接着信号经过一个RC滤波。第二个运放构成反向比例，主要是调节信号的放大倍数，最后信号经过一个反向。这样采集到的信号就可以进行、A/D转换。6/第二章中央空调控制系统的节能设计本章介绍目前主流中央空调的结构组成，并在此基础上从中央空调系统的运行角度来分析节能问题。对运行中的各个环节进行分析，提出节能的方案，并且从系统的角度分析整个系统的节能控制措施。中央空调系统的组成不同的建筑物因

23、其构造不同，用途也各不相同，所以应根据实际情况采用不同空调系统结构。本文所设计的对象是办公楼中央空调。因此下面介绍目前最普遍应用于办公楼的中央空调结构。(1)空气处理设备空气处理设备主要包括风机盘管和新风机，由风机肋片、管式水-空气换热器和水盘等组成，有些新风机中还设有空气过滤器风。风机盘管是风机盘管空调机组的简称，风机盘管内部的电动机多为单相电容调速电动机。可以通过调节电动机输入电压使风量分为高、中、低三挡，因而可以相应地调节风机盘管的供冷热量。新风机一般是相对集中设置的，它专门用于处理新风并向各房间输送新风。新风是经管道送到各空调房间去的，因此要求新风机具有较高的压头。(2)回风设施明装的

24、风机盘管可直接从机组自身的回风口吸入回风。暗装的风机盘管由于通常吊装在房间顶棚上方，所以应在风机盘管背部的顶棚上开设百叶式回风口，并加过滤网采集回风。(3)冷热源设施风机盘管和新风机都是非独立式的空调器，它们的换热器盘管组必须通冷水或热水，才能使空气冷却、去湿或加热、升温。因此风机盘管和新风系统需要生产冷水和热水的冷热源设备为其供冷或供热。冷热源设备通常设置在专用的中央机房内，对有地下室的高层建筑，中央机房一般位于地下层内，若无地下层时，中央机房可设在建筑物内首层或与建筑物邻近的适当位置。冷水机组的冷凝器，若采用风冷式时必须设置在室外，若采用水冷式时，则应将冷凝器的冷却水管与冷却水泵、散热塔用

25、管道串接成冷却水循环系统。冷却水泵置于中央机房内的水泵间，散热塔置于室外的合适地方并应尽可能邻近中央机房。采用蒸汽水式热水器时，所需蒸汽由设在锅炉房中的锅炉产生，锅炉和热水器的换热管应用管路连接组成闭式循环系统。(4)冷热水输送设施冷冻水机组生产的冷水和热水器生产的热水，必须经冷(热)水泵加压后由供水管送至风机盘管和新风机，流经各个空调机换热盘管，再经回水管流回冷7水机组重新冷却降温至所需的冷水供水温度(或流回热水器被重新加热升温至所需的热水供水温度)，以便冷(热)水可循环使用并减少能耗。因此冷水机组(或热水器)需用供回水管和冷(热)水泵与空调器的换热器盘管串接,，组成闭式的冷(热)水循环系统

26、。对夏季只使用冷水、冬季只使用热水的空调系统，水泵及供回水管是通过季节切换交替使用的，此即双水管系统，是目前广泛应用的空调水循环系统。(5)排放冷凝水设施风机盘管和新风机通常都在湿工况下工作，它们的接水盘都应连接坡向朝下水管的冷温水管，以便将盘管表面凝结的水及时排放至下水管中。(6)控制系统首先，各类设备的电动机都应设现场开关，以便测试检修时控制。中央机房内应分隔出专用的控制室，在控制室内设配电屏及总控制台以对各种电动设备进行遥测和遥控。总控制台上应设有各设备开关的灯光显示。空调制冷系统通常由冷冻水机组、冷却水机组和散热塔组成两套以上的既可独立运行又可相互切换的系统。各设备都应既能手动控制又能

27、自动整套投入运行。任何一个设备发生故障，整套运行应能连锁，并可通过手动切换组合成新的系统。新风机回水管路上设电动二通阀（比例调节），由新风机感温器根据新风温度变化自动控制阀的开度,来调节流经新风机换热器盘管的水量。温器。风机盘管回水管上设电动二通阀中央空调节能方案分析空调系统需要消耗大量的电能和热能，风机盘管控制器设在各空调房间内，它包括控制风机转速的档位开关和感（双位调节），由室温变化自动控制阀的开闭。其总能耗是十分惊人的，近年来我国空调事业得到了迅猛发展，空调应用日益广泛。随之而来的能量供需矛盾也越来越突出。正常运行的一般空调系统其耗能主要有两个方面，一方面是为了供给空气处理设备冷量和热量

28、的冷（热）源耗能；另一方面是为了输送空气和水风机和水泵克服流动阻力所需的电能（称动力耗能）。动力耗能是空调系统总耗能的两大部分中的主要部分人如何节约动力能耗显得尤为重要。冷水机组是动力耗能的主要因素，我们可以对冷水机组进行变水量控制，将水系统的调节方式设计成定温度、变流量，使系统的循环水量随空调负荷的变化而增减。变水量控制的节能关键是对水泵的运行控制。目前水泵的运行控制多采用台数控制、转速控制、台数控制与转速控制合用等三种方式。水泵转速控制的最新技术是变频调速技术，它变速稳定、反应灵敏准确、自动化程度高，对空调系统节能具有重要意义。因此，以下从变频调速技术的角度，对中央空调系统的冷水机组控制方

29、案进行探讨。8中央空调冷水机组基本工作原理和节能控制从图2-1中我们可以清楚的看出冷却水循环系统和冷冻水循环系统，其中，冷冻机组主要功能是制冷和输送冷冻水；冷却水循环系统用来冷却冷冻机组的压缩机，冷却水系统包括以下部分：给压缩机组散热的冷凝器、冷却泵、冷却水管道，散热塔。冷冻水系统包括：压缩机组、冷冻泵、与各个房间进行热交换的盘管。冷却水将压缩机组工作时产生的热量带走通过冷却水泵加压通过管道带到散热塔，在散热塔的冷风的作用下降温冷却后再流入压缩机组，这样可以保证压缩机组在正常的温度下工作。图2-1中央空调机组冷水机组结构因此，中央空调系统的工作过程就尽个循环的热交换过程,2条水循环系统便成为这

30、个过程传递者。因此实现对水循环系统的控制便成为重中之重。（1）冷冻水循环系统的控制：通过回水温度实现变频控制。由于冷冻水的出水温度是冷冻机组“冷冻”的结果，是比较稳定的，我们根据回水温度的高低可以判断出房间内的温度。可以根据回水温度实现变频控制：回水温度高，说明房间温度高，应该提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度；反之，回水温度低，说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，达到节约能源的目的。（2）冷却水循环系统的控制：通过检测进水和回水的温差实现变频控制。散热塔的水温是随环境温度变化而变化的，因此单侧水温度不能准确地反映冷冻机组内产生热量的多少。对于冷却泵，以进水和回水间的

31、温差作为控制依据，实现恒温差控制是可行的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以实现节能，且的目的。中央空调的冷水机组系统的冷却水系统和冷冻水系统，在设计时通常是按照最大换热量夏季最热时所有空调都打开时再取一定的安全系数来确定的，而通常情况下由于季节和昼夜气温的变化以及所启用空调房间数目的不同，实际换热量远小于设计值，并且随着外界环境的变化调节相当频繁。传统的流量9调节是通过改变阀门的开度来实现的，这种情况下电机总是处于全速运转状态，当负荷小时相应的调节冷却水和冷冻水系统的节流阀达到调节流量的目的。节流阀的存在会对水流产生阻力，从而产生严重的节流损耗，并且会引起机械振动和产生噪音。另一方面，冷冻水的流量与水泵的转速成正比，当水泵转速高时，冷冻水的流量大流速也快，因此当冷冻水流过风机盘管组件时，没有充分的时间完成热交换，就又返回制冷机或加热器去了，这样循环水泵电机又作了一部分无用功。另外，如果水泵长期处于工频运行状态，电机满负荷运行会加速设备的老化，增加维护费