热回收型热管式蒸发冷却空调机组自控方案设计

西安工程大学学报JournalofXi’anPolytechnicUniversity第25卷第1期(总107期2011年2月Vol．25,No．1(Sum．No．107文章编号:1674-649X(201101-0055-05热回收型热管式蒸发冷却空调机组自控方案设计强天伟,黄翔,颜苏芊(西安工程大学环境与化学工程学院,陕西西安710048摘要:为了保障蒸发冷却空调机组工作稳定并且达到节能、节省人力的目的,本文在分析热回收型热管式(间接+直接蒸发冷却空调机组的空气处理过程的基础上,采用西门子PLC设计了自动控制方案,实现了蒸发冷却空调机组运行过程的自动控制．关键词:蒸发冷却;空调;自动控制;PLC中图分类号:TU831.6文献标识码:A0引言国外学者对蒸发冷却技术的研究比较感兴趣,建立的数学模型较多．文献[1]建立方程组对湿表面换热器进行模拟,提出了湿表面换热器的线性近似模型．文献[2]建立了湿表面板式换热器效率计算模型．文献[3]建立了描述各种蒸发冷却设备的数学模型．文献[4]对自然通风冷却塔建立了数学和物理模型．文献[1]和[3]建立的数学模型,其实质是用直线段代替真实的抛物线饱和曲线段．国内学者对蒸发冷却空调的研究也大都集中在其机理及应用上．同济大学张旭教授在蒸发冷却空调的热质交换热力学分析与应用方面做了大量理论与实验研究[5]．周孝清教授对间接蒸发冷却器的设计计算方法做了研究[6],西安工程大学黄翔教授对蒸发冷却空调技术进行多年的理论和实验研究[7-8]．香港大学的DaiY．J,SumathyK．建立了描述叉流式降膜蒸发冷却传热传质过程的数学模型[9]等．从国内外对蒸发冷却空调的研究现状来看,虽然在其理论研究、设备开发及其应用方面已做了大量的工作,但人们对蒸发冷却空调系统自动控制方面的研究却较少,公开发表的文献资料也少．国外ASHRAE成员CharlesW．Curt描述了蒸发冷却系统的控制概念[10],国内有关蒸发冷却系统控制方面的文章大都是西安工程大学的研究成果[7-8,11-12]．由于蒸发冷却空调机组在使用过程中受室外空气状况影响较大,为了保障空调机组工作的稳定性需要其自身运行状态要随着室外空气状况的改变而自我调节,这样就必须引入自动控制技术,而自动控制技术的应用又能大大提高蒸发冷却系统的节能效果．因此,有必要将蒸发冷却空调机组和自动控制技术结合起来．本文以热回收型热管式(间接+直接蒸发冷却空调机组为对象,对其工作过程做了自控方案的设计．1空调机组热回收型热管式(间接+直接蒸发冷却空调机组将热管热回收技术与蒸发冷却技术相结合,采用铝-氨平置吸液芯热管换热器作为间接蒸发冷却器,并与机械制冷表冷器、直接蒸发冷却器共同组成空调机收稿日期:2010-06-02通讯作者:强天伟(1970-,男,陕西省西安市人,西安工程大学副教授,博士．E-mail:qiangtianwei@yahoo．com．cn组[9]．该空调机组与一般的传统空调机组相比,大大降低了空调制冷能耗,对促进我国低碳经济的发展和建筑节能具有十分重要的意义．为了使蒸发空调机组能够随着室内负荷、室外空气状况的变化始终提供一个高效舒适的工作生活环境,同时延长设备的使用寿命以及节能节省人力,本文采用PLC技术对蒸发冷却空调机组实施自动控制．由于蒸发冷却空调空气处理过程的独特性,根据其空气处理过程焓湿图对该机组的控制系统进行了开发,使用效果良好．该空调机组结构示意图如图1所示,包括新风段,过滤段,热管间接段,机械表冷段,直接蒸发段,送风段．图1热回收型热管式(间接+直接蒸发冷却空调机组结构图图1所示结构图中,新风段和回风段都可以在0100%范围可调．过渡季采用全新风,不开启机械表冷段只开启间接和直接段,回风阀关闭,新风阀全开．夏季需开启机械表冷段,采用回风,回风阀和新风阀可调,以节约冷水量．过滤段防止灰尘和颗粒物进入蒸发空调机组的循环水中,水中含有灰尘和颗粒物会明显降低蒸发冷却器的效率．间接蒸发冷却段是一个铝-氨平置吸液芯热管换热器,它通过内部传热工质在一个高真空的封闭壳体内不断的循环相变来实现热量传递,具有很高的导热性．机械表冷段是夏季才启用的,保证在炎热的夏季空调机组能满足要求．直接段是一块蒸发冷却填料,水通过水泵循环喷淋填料以冷却流过填料的干热空气．送风段是一离心风机．2自动控制原理根据热回收型热管式间接蒸发冷却空调机组的运行特点,依据其蒸发冷却空气处理过程焓湿图,采用PLC技术时采集空调房间的温度、湿度、风速等参数信号,并将蒸发冷却空调机组自身的信号通过模\数转换输入自控装置,自控装置通过预装入的程序软件对各种信号进行统计、运算,再通过数\模转换将控制信号输送给蒸发冷却组合式空调机组,使得空调机组在室内负荷、室外空气状况变化的情况下始终提供高效舒适的工作环境[10-11]．图2是热回收型热管式(间接+直接蒸发冷却空调机组DDC控制流程图,图中室外空气温度传感器TE1、湿度传感器HE1监测室外空气状态．温度传感器TE2监测间接段后面的空气温度．温度传感器TE3监测直接段后面的空气温度,并在冬季时用于固定露点送风温度．空气温度传感器TE4、湿度传感器HE2监测送风状态．回风温度传感器TE5用于夏季控制间接段风机转速以及机械表冷段水阀的开启程度[12-13]．2.1气象条件西安:北纬34ʎ18’,经度为东经108ʎ56’,海拔高度为396.9m,大气压力夏季95707Pa,冬季98097Pa．表1气象参数表夏季室外计算干球温度/ħ室外计算湿球温度/ħ室外平均风速/m·s－1室外计算日平均温度/ħ冬季空调室外计算温度/ħ空调室外计算相对湿度/%室外平均风速/m·s－1纬度35.125.81.629.1－5.6660.934ʎ18'2.2过渡季运行模式过渡季开启(间接+直接蒸发冷却段,采用全新风送风模式,关闭回风．空气处理过程焓湿图如图3所示．图2中,W为室外空气状态点,W1为间接段处理后空气状态点,N为室内空气状态点,L为送风点．65西安工程大学学报第25卷图2热回收型热管式(间接+直接蒸发冷却空调机组DDC控制流程图图3过渡季空气处理过程(1温度上升控制首先开启送风机,当室内温度小于其设定值上限则蒸发冷却空调机组持续运行．当室内温度大于其设定值上限,开启直接段进行送风(W1L线段．当室内温度持续升高并大于其设定值上限一个时间段,回风温度传感器TE5控制间接蒸发冷却段风机变频器改变间接蒸发冷却段的冷却过程(即改变线段WW1的长短以保持室内温度不超过设定温度的上限．(2温度下降控制当直接段与间接段(DEC+IEC全开启,而露点温度持续下降并小于其设定值下限一个时间段,也就是说只开启直接蒸发冷却段(DEC即可保持室内温度在舒适性的范围,此时关闭间接蒸发冷却段(IEC．2.3夏季运行模式图4夏季空气处理过程夏季运行中需开启间接蒸发冷却段和机械表冷段,开启回风,采用最小新风比的一次回风系统．空气处理过程焓湿图如图4所示．图4中W为室外空气状态点,W1为间接段处理后空气状态点,N为室内空气状态点,L为送风点,C为混风点．(1温度上升控制首先设置新风阀=15%,回风阀=85%,同时开启送风机,当室内温度小于其设定值上限则空调机组持续运行．当室内温度大于其设定值上限并持续一个时间段,开启管式间接蒸发冷却段,回风温度传感器TE5控制间接蒸发冷却段风机变频器改变间接蒸发冷却段的冷却过程(即改变线段WW1的长短来保持室内温度在舒适性的范围．当室内温度继续上升并大于其设定值上限一个时间段,则保持间接蒸发冷却段变频器频率最大,此时用回风温度传感器TE5调节冷水阀控制流过冷却盘管的冷水量以保持室内温度恒定,即表冷段开始工作．(2温度下降控制间接蒸发冷却段和表冷段(IEC+表冷段全开启,当室内温度持续下降并小于其设定值下限一个时间段,此时回风温度传感器TE5不断关小冷水阀,当冷水阀全关时,即只开启间接蒸发冷却段就可保持室内温度在舒适性的范围．2.4冬季运行模式实际设备制造时考虑到冬季没有蒸汽加热,所以没有考虑冬季用该机组供热．这里谨做理论分析．75第1期热回收型热管式蒸发冷却空调机组自控方案设计图5冬季空气处理过程冬季采用定露点控制模式,开启直接蒸发冷却段用来固定露点温度,采用一次回风系统．冬季控制包括露点控制和室内温度控制,露点控制用来保证空调机组送风点恒定,室内温度控制用来保证室内温度恒定．空气处理过程焓湿图如图5所示．(1露点温度控制首先设置新风阀=15%,回风阀=85%,同时开启送风机和直接蒸发冷却段(DEC．当露点温度大于其设定值上限,则用露点温度传感器TE3调节新风和回风的混合比例以保持露点温度恒定(新、回风阀联动,新风+回风=100%．当新风量调节到最小,露点温度仍小于其设定值上限,此时不可能再减少新风量使得新风、回风混合点上移动,所以必须对新风进行预热处理以提高室外空气状态点在焓湿图中的位置,如图5所示,室外空气状态点经过预热从W'竖直上升到W点．在预热前必须使得新风量处于最小,此时新回风的混合点C的位置尽可能地向上移动靠近N点,这样做的结果是预热量最小,即线段WW'长度最短．预热处理利用温度传感器TE3调节预热器阀门的开启程度来保持露点温度在设定的范围内波动(预热过程即线段WW'．(2室内温度控制当露点L'固定以后,使用回风温度传感器TE5调节加热器阀门大小使得空气送风点到达L点(加热过程即线段L'L,送风沿着房间热湿比线吸收室内余热余湿到达送风处．3PLC控制系统在空调控制系统中DDC占有很大比重,近年来PLC在空调自动控制系统中的应用很多,与DDC相比PLC为工业级控制器,运算速度快,可靠性高．相同点数的PLC成本是DDC的70%左右,性价比高．3.1硬件(1系统主控采用德国西门子可编程控制器S7200系列PLC型号为CPU226CN,配1个模拟量输入模块EM231CN,3个热电阻输入模块EM231CN,3个模拟量输出模块EM232CN．(22台型号为日立SJ300系列通用变频器．(31台威纶公司型号为MT508TV5的8英寸彩色触摸屏．(4控制系统工作平台即热回收型热管式蒸发冷却空调机组．3.2软件西门子STEP7-200MicroPLC,EasyBuilder500组态软件．3.3控制箱内部结构及接线可编程控制器CPU226CN,模拟量输入模块EM231CN,热电阻输入模块EM231CN,模拟量输出模块EM232CN,以及日立SJ300系列变频器之间的接线．图6西门子PLC控制模块图7控制柜内部布局图3.4控制系统人机界面人机界面是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁,用户可以通过自由组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕．显示器采用威纶公司MT508TV5885西安工程大学学报第25卷图8监控主画面英寸彩色触摸屏,该触摸屏对可编程控制PLC进行数据采集和显示,操作人员对蒸发冷却空调机组进行控制和时时监控．4结束语本文在对热回收型热管式(间接+直接蒸发冷却空调机组空气处理过程详细分析的基础上,采用西门子可编程控制器S7200系列(CPU226CN,根据空气处理过程焓湿图对空调机组的空气处理过程进行自动控制方案的设计,并在西安高新某公司办公楼投入,使用效果良好．参考文献:[1]MACLAINE-CROSSIL,BANKSPJ．Ageneraltheoryofwetsurfaceheatexchangersanditsapplicationtoregenerativee-vaporativecooling[J]．JournalofHeatTransfer,1981,103(3:579-585．[2]STOITCHKOVNJ,DIMITROVGI．Effectivenessofcrossflowplateheatexchangerforindirectevaporativecooling[J]．IntJRefrig,1998,21(6:463-471．[3]HALASZBoris．Ageneralmathem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