《办公室恒温控湿控制系统设计及MATLAB仿真研究》9700字

办公室恒温控湿控制系统设计及MATLAB仿真研究目录TOC\o"1-2"\h\u263551引言 [12]。因此，Fanger教授又推出了预测不满意百分数来体现人们对热环境不合意的境况，预测平均不满意的情况。PMV与PPD的关系:PDD=100−95exp⁡[−（0.03353PMV4+0.2179PMV2）]即使PMV=0，任然有5%的人不满意，所以PMV的值设定在0.5~-0.5左右REF_Ref29412\w\h[13]。3.2系统功能分析恒温控湿控制系统主要的功能是在工作期间能够实现对办公室的空气温度、湿度的进行自动调节控制，不需要人为控制，增加了便利性。（1）办公室温度控制根据PMV控制器的输入值和温度的设定值来确定温度变化的范围，从而实现温度的控制，是温度恒定在人体的舒适范围内。当以温度作为设定参数时的控制方式：图3.1.1办公室恒温恒湿控制系统室内温度控制系统框图（2）办公室湿度控制根据PMV控制器的输入值和湿度的设定值来确定湿度变化的范围，从而实现温度的控制，是温度恒定在人体的舒适范围内。当以温度作为设定参数时的控制方式：图3.1.2办公室恒温恒湿控制系统室内湿度控制系统框图3.3系统结构分析整个办公室的恒温恒湿控制系统是通过四个子系统共同构建来实现的，它们分别是由加热器和冷却器控制的两个温度子系统、由冷却器和加湿器/除湿器控制的两个湿度子系统。图3.2.1办公室恒温恒湿控制系统室内环境模型参数传递图（1）加热器出口空气温度子系统设定办公室在恒温控湿控制系统作用时段处于一个比较不通风的环境，办公室室内的空气与外面的空气不进行流通交换，也就是说办公室内外的空气之间没有发生直接的热量的传达。据能量守恒定律可得办公室室内的温度数学模型表达式REF_Ref29412\w\h[14]：ckVAuttqj=其中的参数分别表示tt:办公室室内空气实时温度[℃]，tso:电加热的送风温度[℃]，fs:风机的送风量[m3/s]，qj:室内系统的进热量[W]，qs:风机散热量[W]，tq:室内墙体体表温度[℃]，tth:室内天花板表温度[℃]，tb:室内地面地表温度[℃]，Aq:室内墙体表面积[m2]，Ath:室内天花板表面积[m2],Ab:室内地表面积[m2],cj:室内系统部件比热容[J/(kg•℃)],Ck:室内空气比热容[J/(kg•℃)],Vk:办公室内空气的体积[m3],pk:室内空气密度[kg/m3],mj:系统在室内部分的质量[kg],uj:室内的气体和系统部件在表面的对流换热系数[W/(m2•℃)],Aj:室内空气与系统部件交换热度时的表面积[m2]muq:室内空气与墙表对流换热系数[W/(m2•℃)],uth:室内空气与天花板表面对流换热系数[W/(m2•℃)],ub:室内空气与地表面对流换热系数[W/(m2因室内部件的漏出面积不能确定，故而将公式（3.2.3）的前一段用来计算qj室内系统的进热量。由于现代办公室的办公或休闲设备除点脑外，大多为木质物件或胶质物件，它们的导热系数都不大，如若室内温度升高时的变化率与室内系统部件升高时的变化率有较大差距，则这两个变化率之间的联系可用ln来进行表达REF_Ref29412\w\h[15]：d若忽略风机散热量qs和电加热器惯性时间时，可以将公式（3.2.1）转化为传递函数：(cKus

+Aqu其中的参数分别表示K:电加热器的输出功率系数,u(s):电热器的输入值。设C:系统的等效热容压[kJ/℃]，Rq:办公室内四面墙体的表面热阻[℃/kW]，Rth:办公室内天花板的表面热阻[℃/kW]，Rb:办公室内地面的热阻[℃/kW]，R:系统的总热阻[℃/kW]，则：C=Rq=1Aquq将它们代入到公式（3.2.4）可化简为：tts则系统的时间常数T及其他可表示为：T=C∗R,因为电热器增加温度和室内墙壁与办公室里气体的交换热量对房间里气温的作用都有一些的延迟的期间，想到仅延迟的周期为τ，公式(3.2.5)变化为：tt因为控制器的输出命令到空调器输出气温的作用段相较于办公室周围改变差异较明显，所以本文只做简单的估算，不看空调器改变热量部分的模型设计。（2）加湿器、除湿器出口空气湿子系统用加湿器当说明部分，除湿器的解析步骤和它相同。这篇文增加办公室相对湿度的措施是撒蒸汽，加湿器内的蒸汽经过加湿阀进入通风管，最后进入办公室的空气中。依据实验结果证实REF_Ref29412\w\h[17]，在风速达到3000m3/h时，可看作当前的加湿过程是一个恒温加湿的过程。图3.3.2办公室恒温恒湿控制系统出风口湿度变化曲线图3.3.3办公室恒温恒湿控制系统室内湿度变化曲线当系统的加湿功能开始运行后，空调出风口的湿度与办公室的湿度变化波形如图3.3.2和图3.3.3所示。从两种波形图中可见，空调出风口的湿度变化不明显相对平缓，而办公室的湿度变化出现平缓上升的趋向，为了使计算简洁，本篇文章认为空调内部的湿度是恒定不变的，则办公室湿度变化看作为一阶传递函数，则设办公室内湿度变化的传递函数为：Te(s)u(s)（3）表冷器出口气体的温、湿度子系统表冷器的作用是实现对办公室内空气的换热从而起到冷却调节的作用，就是使空气流向表冷器内部从而起到对温度、相对湿度的调节REF_Ref29412\w\h[18]。按照能量守恒定律，单位时间内进入办公室的能量与单位时间内流出办公室的能量相减等于办公室储存能的变化率。即：(恒温室内储存能的变化率)=(单位时间进入室内空气的热量)-(单位时间从室内排出的空气的热量)+(单位时间室内设备照明和人体的散热量)-(单位时间室内向室外的传热量)。则他的数学表达式为：ckmmk其中的参数表示下标s:送风，下标h:回风，下标k:室外空气，k:表示空气，t:温度，τ:时间，c:空气比热容[J/kg·℃]，m:空气质量流量[kg/s]，r:围护结构热阻[s•℃/kJ]，qn:室内散热量[kJ/s]，Dn:室内散湿量[g/s]，MF:室内在此基础上分析办公室内送风气体对温、湿度的影响。送风参数的改变对办公室温度的传递函数（其中下标0示意的是各个量在稳态状态下的值）设T1=paVc得:T1d其中的参数表示∆th:办公室回风温度的变化[℃]，∆ms:送风量的变化[kg/s]，T1:办公室的时间常数[s]，K1:办公室送风量改变导致的散热量改变换算成送风温度改变的放大系数[℃·s/kg]，K2:干扰的放大系数[s·℃/kJ]，t1考虑办公室空间较大存在纯滞后，所以办公室的调节通道和干扰通道的传递函数可表达为：∆th其中将回风温度看作是室内检测温度、送风量的变化看作是室内气流速度的变化，则上式可以改写成：∆t(s)∆G(s)送风参数对办公室湿度变化影响的传递函数（其中下标0示意的是各个量在稳态状态下的值）令:T1得:T2d(∆dh其中的参数表示∆dh:办公室含湿量的改变[g/kg]，T2:办公室内湿度函数的响应时间[s]，K3:办公室的送风量改变引起的散湿量改变换算成送风含湿量改变的放大系数[s/kg·g/kg]，K4:湿度干扰的放大系数[s/kg]，d1:办公室湿干扰办公室调节和干扰通道的传递函数可表达为：∆dh(s)∆m风速对温度的影响类似，上述两式可表达为：∆S(s)∆G(s)=K4恒温控湿控制系统的数值模拟4.1工程背景本论文的模拟地点为广东省广州市荔湾芳村华丽苑写字楼，该办公室共一间办公室内除了电脑外无其他大功率用电产品，办公室人员流通率不高，办公室人员均为文员，劳动强度低，办公室长为8，宽为8，高为2.6，可用面积为64㎡，体积为166.4m³，屋顶的传热系数为0.4W/㎡∙℃，西面外窗面积为20.8㎡，传热系数为3.1W/㎡∙℃，内墙的面积为58.4㎡，传热系数为1.2W/㎡∙℃。可以提供18人工作，办公室的平面图如下：图4.1.1办公室内景图4.2负荷计算（1）广州室外设计计算参数：1）基本气象参数：=1\*GB3①地理位置：广东省广州地区=2\*GB3②大气压力：夏季：Y=100.085kPa;=3\*GB3③夏季室外计算干球温度：33.5℃夏季空调日平均温度：30.6℃夏季计算日振幅：6.5℃=4\*GB3④夏季室外湿球温度：28℃=5\*GB3⑤夏季室外平均风速：2m/s2）计算公式：

=1\*GB3①人体冷负荷：由显热散热造成的冷负荷=群集系数*计算时刻空调房间的总人数*一年男子每小时显热散热量一名成年男子每小时显热散热量为117.0（劳动强度不高时）=2\*GB3②人体湿负荷：0.001*群集系数*办公室总人数*名成一年男子每小时散湿量=3\*GB3③设备冷负荷：电热设备冷负荷=1000*同时使用系统*利用系统*小时平均实际耗损功率与设计最大功率之比=4\*GB3④新风冷负荷：新风全冷负荷Qq=mmd:夏季办公室室外计算干球温度下的空气密度（1.13kg/miw:夏季办公室in:办公室=5\*GB3⑤新风湿负荷：新风湿负荷Qq=dwdn:室内空气的含湿量（g/kg）5软件设计5.1相关软件的介绍本论文采用MATLAB这款软件进行仿真的。MATLAB这款软件是在1980年前后，由当时在美国新墨西哥大学计算机科学系担任主任的CleveMoler教授为了使学生编程的负担得到减轻，因此为学生设计了一组可以调用LINPACK（基于特征值计算的软件包）和EISPACK（线性代数软件包）库程序的“通俗易用”的接口，就是用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。早期的MATLAB只能进行矩阵运算，并且只能用星号描点的形式画图，进过40年的改进与演变，现在的MATLAB功能十分强大，集计算、可视化与编程于一身，为数学分析、算法开发以及应用程序开发提供了良好的环境。MATLAB主要的产品模块有：MATLAB、MATLABToolbox、MATLABCompiler、Simulink、Stateflow、Real-TimeWorkshop，MATLAB语言的特点有：编程效率高、使用方便、高效方便的科学计算、先进的可视化工具、开放性可扩展性强、特殊应用工具箱、高效仿真工具Simulink。针对系统仿真主要是使用Simulink模块，系统仿真又分为基于物理模型的仿真和基于数学模型的仿真，按时间系统模型分为：连续系统仿真和离散事件系统仿真。模型是仿真的基础，建立模型是进行系统仿真的第一步。模型仿真物理模型图5.1.1仿真模型分类进行计算机仿真的过程主要分为三个步骤:建模、模型实现、仿真分析。对于用数值方法求解常系数微分方程（OrdinaryDifferentialEquation，简称ODE）或微分方程组，MATLAB有七种解函数，我们常用ode3函数，它的调用格式如下：[T,Y]=ode3（‘f’,tspan,y0,options）其中‘f’为常微分方程（组）或系统模型的文件名；tspan=[t0,tfinal]即积分时间初值和终值；y0是积分初值；T为计算时间点的时间向量；Y为相应的微分方程解数据向量或矩阵；optans为可默认的选择项，由odeset函数设定，一般舍去REF_Ref29412\w\h[19]。5.2子系统模块转化根据第三章第二节系统结构分析中办公室空调子系统的离散表达方程式，可通过调用一些MATLAB格式进行转化，从而得到它们各自对于的连续系统表达方程式REF_Ref29412\w\h[20]。办公室环境温度子系统模型连续量表达式为：T(s)办公室环境相对湿度子系统模型连续量表达式为： Te(s)办公室环境气流速度子系统模型连续量表达式为：v(s)办公室环境气流速度对温度影响的子系统模型连续量表达式为：T(s)办公室环境气流速度对湿度影响的子系统模型连续量表达式为：Te(s)5.3仿真实现（1）仿真模型由于我选择的模拟地点在广东，一个四季如夏的地方，在办公室的人从事的劳动强度都较低，根据国际标准化组织给出的数据标准，夏季时，人的新陈代谢量为1.2met，衣服的热阻为0.5cloREF_Ref29412\w\h[21]。工作人员一天会在办公室待上8小时以上，根据PMV方程可计算得出温度的范围：23℃～26℃，湿度的范围：40%～65%，PMV的设定值定为0.5REF_Ref29412\w\h[22]，图5.3.1为办公室恒温控湿控制系统的整体仿真结构图；图5.3.1为办公室仿真结构图：图5.3.1办公室恒温控湿控制系统仿真结构图这个系统的工作流程是，因为是在夏天，所以舒适PMV值定为0.5，使用constant模块输入一个恒定为0.5的值，这个设定值与办公室环境反馈回来的舒适PMV值一起输入csgj（参数轨迹）模块进行数据校正，以0.5这条设定的PMV曲线作为参考轨迹，使反馈回来的PMV曲线y(k)与参考曲线逐渐拟合，并输出根据参考轨迹进行校正以后的曲线yr(k)，controller控制器模块的作用就相当于空调，对输入的两组数据yr(k+i)和yp(k+i)进行计算，并输出一组数去作用于air-conditioner办公室模块，这组是是加热器输出口温度、加湿器/除湿器输出口湿度，air-conditioner模块表示办公室，它是由ports&subsystem模块库中的subsystem模块设计的，而它的输出数据就是我们需要测量的办公室的实时的温湿度，因为温湿度的变化范围是不一样，为了美观，所以增设u(1)u(2)两个模块，它们的作用是将办公室输出值分别显示出温度曲线，PMV模块是通过计算将办公室的输出值（室内温度、湿度值）转换为人体舒适PMV值。Delay模块是起延时作用，因为实时输入的值是上一次的值，不能起到对比校正作用，所以增加延时器，使得输入值正好是正在输入的值的输出值，有可对比性，也相当于起到一个预测作用。其中ym(k+i)和u（k）可以看作controller模块和air-conditioner模块运行的预测值，而yp(k+i)是当前的u（k）与之后air-conditioner模块输出的ym(k+i)进行校正之后的输出值。(2)波形结果图夏天办公室内一开始的温度和湿度都很高，属于高温高湿状态，在恒温控湿控制系统运行了半个小时后，办公室的温湿度变化曲线图图5.3.4如下：图5.3.3温度波形图图5.3.4相对湿度波形图根据上面两幅图，我们可以看出办公室一开始的时候温度在37℃左右，而相对湿度在67%左右，办公室的工作人员处于高温高湿环境中，人体舒适度很低，非常闷热。当办公室恒温控湿控制系统开始运行后，温湿度的波形曲线都在逐渐降低，办公室空气温度在系统运行了约7分钟后逐渐稳定在25℃左右，办公室相对湿度在系统运行了约5分钟后逐渐降低到60%左右，由此看来办公室恒温控湿控制系统在运行7分钟后办公室的环境从高温高湿的闷热状态，变成一个温湿度都适中满足人途舒适度的环境，实现了办公室恒温控湿的功能，满足了课题的要求。6总结与展望6.1总结进过半年多时间的准备和努力，从一开始的看不懂文献和毫无头绪，不知从何下手开始去有自己的想法，到慢慢进入状态，能够理解参考文献的中心想法，和他们使用的方法，并逐渐拥有自己的设计想法，这个是缓慢的，也是痛苦的，但是这个过程结束后，自己感觉很有成就感，在这个漫长的过程中，我也有很多的收获。这个过程的主要工作内容如下：（1）根据毕业设计的课题要求，有选择、分类的在网络上搜索，查阅大量的杂志，论文，期刊，对于恒温恒湿空调的工作原理和工作方式有了一定的了解，它在办公行业的巨大商机的想法也清晰了很多，也在这个过程中梳理了空调的发展历程。（2）了解恒温恒湿空调的发展史，以及在这过程中技术的变化，以及它的军用价值和民用价值；了解人们现在对于办公环境的要求；当今空调的功能都有哪些，它们使用的技术。（3）确定论文中工程背景的具体地址和办公室大小及一些其他固定参数的确定，确定论文中所使用的参考技术，定论文的总方案。（4）综合前面三步，参考文献中的每个步骤的计算公式结合自己定的工程背景参数进行数据的计算和运用，确定设计模型需要几个模块，及各个模块的功能及作用，以及它们的数学公式，确定它的大体设计模型，进行草图设计以及演示，当显示的图形很接近正确值时，再使用MATLAB软件进行设计系统模型的仿真图形，调整它的参数，使它显示出来的波形达到我们的要求。本次设计能够实现通过测量气温、湿度，气流速度作为数据反馈，从而实现对办公室环境的恒温恒湿的控制，使人一直处在一个舒适的范围内。6.2展望近几年来，各种拥有恒温恒湿功能的产品出现在家居市场，并占有了一定的份额，恒温恒湿系统的技术和功能经历了几十年的升级也逐渐的达到了一个新的临界点，最近几年几乎没有什么技术上的更新，我希望恒温恒湿系统的产品在清洁、健康和安全方面有一些研究。（1）2020年的新冠疫情的传播，导致许多的人失去生命和亲人，也让我们知道了要勤打扫，多通风让我们处在一个洁净的环境中，可以有效的减少感染的可能性，但是在一些公司或者特殊工作单位常年处于一种封闭状态，那么他们对于恒温恒湿系统的产品具有消菌杀毒的功能就有要求。前段时间就有媒体报道了一则相关的新闻，北京一大学4名刚返校女生同时发热就诊，原因是加湿器长期不使用滋生病毒，导致他们得了加湿器肺炎，所以在清洁、健康方面的技术应该有所提升；（2）恒温恒湿系统的产品，安全性也应该重视，因为电器安装或者一些绝缘设计不到位，可能会导致安全事故的发生，对人的生命威胁很大，所以安全方面的性能必须继续提升，给使用它的人能安心、放心、暖心。（3）由于我的知识有限以及现实不允许，所以没有办法做出实际的物理模型，所以这篇论文仅仅从理论知识方面出发进行研究仿真的，实际反映如何还需要进一步的深入研究。7参考文献王培.恒温恒湿空调系统的节能研究[D].南京:南京理工大学,2008:1-2.铃木谦一郎,大矢信男.除湿设计[M].北京:中国建筑工业出版社,1986:210~213.X.Jia,C.P.Tso,P.K.Chia,etal.ADistributedModelCarPredictionfortheTransientResponseofanEvaporator[J].international,JanuaryofRefrigeration.1995,18(5):36~42.MacArthur,JW.Analytical.RepresentationoftheTransientEnergyInteractionsinVaporyCompressionHeatPumps[J].ASHRAETransactions.1984,90(1):982~986.X.Jia,C.P.Tso,P.Jcolly,etal.DistributedSteadyandDynamicModelingofDry-expans