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智能楼宇中的变风量空调系统
智能楼宇中的变风量空调系统
第一章绪论
随着科技的不断发展,社会在不断进步,人民生活水平在不断提高,空调器已经逐渐成为生活的必需品。
人们对空调器的要求已经从初期的仅仅满足于制冷、制热的简单功能,发展到追求舒适、享受的多种功能。
空调系统工作的建筑物,是人们进行工作和社会性活动的空间。
人与人之间的社会关系、个人在不同时期的心理、生理状态都会影响人们对热环境的感受。
为此,有的国外学者提出室内环境品质IEQ(IndoorEnvironmentQuality)的概念,指出影响室内人员的舒适度和具有健康保障的室内环境品质,不仅取决于室内空气温、湿度的环境因素,还与室内人员的组织因素、社会因素及个人因素等个人心理、生理状态有关。
一个优良的空调系统必须在保证具有良好的室内空气品质情况下,还需要有良好的节能技术。
为了确保一个空调系统有良好的室内空气品质,需要消耗一定的能量;然而考虑到空调系统的节能性,室内空气品质往往要或多或少地受到影响。
当空调系统的节能要求遇到此类矛盾时,应遵循以人为本的原则,确保人体的健康和舒适。
空调系统的参数选定时,要考虑到人体对环境冷热感觉的舒适度。
1、1变风量空调
变风量空调是随着空调的节能技术发展出来的一项新技术。
变风量空调系统是目前主要应用于办公和商用建筑的舒适性空调。
变风量空调系统通过改变送入各区域的风量来适应区域负荷变化。
它可以根据空调负荷的变化及室内参数要求来变化,自动地调节空调送风量以满足室内人员的舒适要求或其他工艺要求,同时根据实际送风量,自动地调节送回风机的转速,以最大程度地减少风机动力,节约能耗。
变风量空调技术综合了暖通技术、自动化技术、微电子技术、计算机技术等多门学科,从20世纪60年代中期诞生至今,随着这些学科技术的迅猛发展,变风量空调技术取得了长足的进步。
1、2DCS简介
DCS是分布式控制系统的简称,在国内又称为集散控制系统,其英文缩写为DistributedControlSystem。
它是一个由过程控制级和过程监控级组成的,以通信网络为链接的多级计算机监控系统,其综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)4C技术。
DCS的基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。
本文着重对变风量空调系统进行研究,实际意义在于:
首先,空调系统的能耗是建筑能耗中的重要组成部分,随着人们的环保意识的增加,寻找高效、节能的空调系统已成为共识。
而变风量空调系统比常规的定风量空调系统节电30%以上,因此变风量空调成为空调中的研究热门。
其次,目前的变风量空调控制系统,其硬件和控制软件是专用的。
本课题的研究,是利用通用的组态软件替代现有的一些公司的专用软件,为今后更多人学习使用变风量空调提供技术支持。
最后,尝试将DCS控制系统运用于本课题的变风量空调系统中。
通过DDC控制器采集现场数据,上位计算机控制现场设备运行,达到视窗化远程控制,在工程中有实际意义。
第二章变风量空调系统的理论概述
2.1变风量空调系统的定义
变风量空调系统是一种全空气空调系统。
全空气空调系统的基本要求就是要决定向空调区域输送足够数量的、经过一定处理了的空气,用以吸收室内的余热和余湿,从而达到维持室内所需的温度和湿度的目的。
以前,大多数空调系统均采用定风量空调系统。
但随着空调系统的扩大,一般采用风机盘管加定风量空调系统。
风机盘管负责负荷变动较大的周边区域,内部区域采用定风量空调系统。
此类做法目的是让室内区域几乎不受室外环境影响,空调负荷比较稳定。
但在有的情况下,如:
空室的空调管制,即在室内无人期间变更室内空调温度,照明等,以及室内办公设备的急剧增加,内部区域的空调负荷也有很大变动。
单一温度控制的定风量空调系统己经不能适应此类的变化,需要寻找新的空气调节方法。
变风量空调系统是通过改变送入房间的风量来适应负荷的变化,空调系统大部分时间的部分负荷下运行,所以风量的减少带来了风机能耗的降低。
而定风量空调系统空调区域的温度只有靠房间再热器来补偿,能耗较高。
另外,变风量空调系统的送风量有最大设计风量和最小设计风量之分。
最大设计风量就是系统在最不利条件(最大负荷)下运行所需的风量。
但系统在最大负荷下运行的情况并不多,其大部分是在部分负荷下运行的,即变风量空调系统的实际送风量是在最大设计风量和最小设计风量之间。
与变风量空调系统相比,定风量空调系统送风量固定不变,即其实际运行风量为最大设计风量,送风机的能耗始终处于100%状态。
因此定风量空调系统相比变风量空调系统,能耗较大。
除此之外,相比定风量空调系统,变风量空调系统属于全空气系统,与风机盘管系统相比有明显的好处是冷冻水管与冷凝水管不进入建筑吊顶空间,因而免除了盘管凝水和霉变等问题。
2.2变风量空调系统的组成
变风量空调系统有多种类型,但一个完整的变风量空调系统均有四个部分组成:
空气处理及输送设备、变风量末端装置、风管系统及自动控制系统。
1.空气处理及输送设备
空气处理及输送设备,简称“空调器及风机”,其基本功能就是对室内空气进行热、湿处理,过滤和通风换气,并为空调系统的空气循环提供动力。
变风量空调系统区别于定风量空调系统的一个显著特点就是:
根据被控房间的需求,对系统总风量进行调节。
最常见和最节能的方法就是采用变频器调节风机转速。
变频器根据控制器的指令改变送回风机转速,调节总风量大小,它在变风量系统中是一个很重要的环节,风道中的静压、末端工作状况都受其影响。
因此合理地控制变频器也能降低空调系统的能耗。
2.变风量末端装置
变风量末端装置是变风量空调系统的特征设备,其基本功能是根据房间或区域的显热负荷,调节送入该房间或区域的风量。
一个变风量系统运行成功与否在很大程度上取决于所选用的末端装置的性能。
末端装置的种类繁多,构造各异,但它们均由进风短管、消声器、风量调节器、控制阀等几个基本部分组成。
有些末端装置还兼有二次回风、再热和空气过滤等功能。
3.风管系统
风管系统是变风量空调系统中送风管、回风管、新风管、排风管、末端装置上、支管及各种送风静压箱和送、回风口的总称。
风管系统的基本功能是对系统空气进行输送和分布。
风管系统要求强度大、密封性能好,以防止出现空气渗漏,以及由于风速较高而要防止因风管振动产生有害的噪音。
4.自动控制系统
自动控制系统是变风量空调系统中的关键部分,其基本功能是对服务于各房间、区域的空调系统中的温度、湿度、风量、压力以及新、排风量等物理量进行有效检测和控制,达到舒适,节能、稳定的目的[9]。
变风量空调自控系统具有机电一体化和监控网络化的特点,各种被控参数,如温度、风量、压力和阀位,相互关联,由自控系统进行优化控制。
显然,变风量空调系统的全面自动化监控和定风量空调自动控制有着本质区别。
第三章变风量智能空调系统的硬件设计
3.1变风量智能空调系统的硬件构成
3.2变风量智能空调实验系统的控制系统设计
变风量空调系统运行过程需要有精确的控制方式,这样才能保证空调系统的节能效果和系统运行的稳定性。
变风量空调控制系统的主要任务是:
自动调节送风量,适应房间空调负荷的变化;实现各个房间对室内不同温度参数的要求;自动调节送风机的转速以降低空调系统运行时产生的能耗。
此外,变风量系统的运行工况是随时间的变化而变化的,它必须依靠自动控制来保证空调系统最基本的要求,即:
适宜的室温、足够的新鲜空气、良好的气流组织、正常的室内压力。
所以,变风量空调控制系统与定风量空调控制系统相比更为复杂。
变风量空调系统的稳定性、送风温度的优化、室内温湿度的控制以及新风量控制等问题都会影响变风量空调系统运行性能。
只有将变风量空调系统和控制系统紧密结合,才能使系统稳定运行,为室内用户提供一个良好适宜的室内环境。
本文的变风量智能控制系统决定采用分布式控制系统(DCS)结构,包括如下几个部分:
中央管理控制器、通讯网络、现场控制器、变风量末端装置、传感器、变送器及执行机构。
这些设备与被控对象及相应软件组成一套完整DCS控制管理系统。
此系统的应用有助于对现场数据的监控、上位通过电脑对系统的各个控制系统进行有效的管理。
变风量空调控制系统网络架构如下图所示。
1.中央管理控制器
中央管理控制器,是DCS的监控和管理中心。
近年来随着计算机的飞速发展,个人PC已经在诸多领域取代了专门的工业计算机。
故实验室决定使用PC来实现对系统的监控和管理。
按照功能中央管理控制器可以分为服务器和客户端。
实验室中提供3台PC机,1台作为服务器,2台作为客户机。
服务器配置工控组态软件BACview,对整个系统进行组态,以实现对系统的集中监控,并实现温度的自动调节和设备的远程控制。
客户机则通过远程访问服务器,共享系统数据。
2.通讯网络
本智能空调实验室的网络分为3层,分别是以太网,BACnet和RS485。
其中通过澳大利亚HysineControl公司的BR-10路由器模块,可以简单地完成以太网对BACnet协议的转换。
另外运用该公司的BG-Modubs模块把BACnet协议转换成RS485协议,实现对变风量末端装置的控制。
3.现场控制器
本智能空调实验室的现场控制器均采用澳大利亚HysineControl公司的BCU-843DDC控制器。
BCU-843DDC控制器是一个高性能完全可编程的通用控制器,可用于中央设备系统,空调机组,大型末端设备或其他过程控制设备。
BCU-843它是一个自带BACnet的控制器,因此不需要专用的芯片组就可紧密地集成到BACnet系统中。
4.变风量末端装置
本次实验室使用的变风量末端装置只有1号房间是压力相关型变风量末端装置,其余两间房间均是压力无关型变风量末端装置。
变风量末端装置使用的是上海威士文工程公司VAVBOX并配有澳大利亚HysineControl公司的DDC控制器,输出通道连接末端装置的风阀门控制器。
输入通道有温度检测信号和压力信号。
压力信号只有1号房间的压力相关型变风量末端装置才有。
5.变送器及执行机构
为了实现对变风量智能空调实验系统的实时监控,各变送器及执行机构信号检测点具体分布点详见图。
图中,T表示温度;RH表示湿度;SP表示静压;M表示执行器;F表示流量;VAV表示变风量末端装置。
第四章变风量智能空调系统的控制方案设计
4.1房间温度控制
房间温度控制是变风量空调系统的核心。
变风量空调系统最主要的特点是在每个空调房间的送风入口处装上一个VAV末端装置,通过改变送入房间的风量来维持各空调房间温度。
变风量末端装置控制框图
VAV末端装置的DDC控制器根据由温度传感器检测到的实际房间温度和设定温度之间的差值来控制变风量末端装置风阀的开度,以改变进入房间的送风量,从而达到对房间温度的控制目的。
VAV末端装置中可以通过编程,将传统的PI、PID算法加入到控制策略中,以此达到对房间温度的精确控制。
4.2.送风温度控制
变风量空调系统的设计目的就是把送风温度固定,通过改变送风量来改变室内温度。
变风量末端装置的送风量是由室内温度设定值控制,与送风温度无关。
送风温度的控制是通过控制盘管水阀控制冷水或热水流量来实现的。
传感器是送风温度检测点T,执行器是表冷器的三通水阀M,被控量是送风温度。
DDC控制器通过比较温度传感器T和检测到的送风管实际送风温度,利用得到的偏差来调节换热器进出口管路上的电动三通阀,即调节换热器的供冷(热)量,来维持送风温度保持恒定。
送风温度控制框图
4.3新风量控制
对定风量空调系统而言,由于送风量在运行过程中始终保持不变,因此一旦新风量根据要求被设定,则在系统运行的整个期间,都能满足要求。
但变风量因系统送回风量在变化,新回风混合点的静压值也随着变化,从而引起系统新风量的变化。
在负荷很低的情况下,空调系统就有可能出现新风量不足的现象[24]。
因此,必须对最小新风量进行控制。
解决最小新风量的方法有很多,如:
设定最小新风阀位、根据送风量变化调节新风阀开度、风机跟踪法控制新风量、新风测定法、CO2浓度控制法、固定新风比、定风量风机控制法等。
由于实验室硬件条件限制,本文只对最小新风量控制提出两个设计方案并做理论研究。
这两个设计方案是根据混风阀控制最小新风量和CO2浓度控制法。
1.根据混风阀控制最小新风量
根据混风阀控制最小新风量就是恒定混合箱内压力,保持最小新风量。
因为风阀的风量与风阀前后压差的平方根成正比,所以只要保持压差不变,风量就能保持恒定。
在变风量空调系统中,无论送风量为多少,如果新风阀开度不变,通过压力传感器调节回风阀开度,保证机组混合段中负压不变,就能保证最小新风量。
在过渡季节,可由控制器调节新风阀、排风阀开度,随着新风量的增大,混风压力减小,混风压力控制器将关小混风阀直至完全关闭,整个系统采用全新风。
如图4-9所示,不论送风量为多少,将新风阀开度固定于30%,由于混风箱内气流很乱,压力极不稳定,考虑在过滤网后加装压力传感器SP3,参考经验设计手册[24],将过滤网后压力控制在227Pa。
通过压力传感器调节回风阀开度,保证机组混合段中负压不变,以保证最小新风量。
新风量控制图
2.CO2浓度控制
CO2并不是室内唯一的污染源,室内人员产生的CO2只是与人体排泄物相关的污染物的浓度指示剂。
如室内人员减少,CO2浓度会降低,它提供给控制系统的信息就是系统最小新风量可适当减少。
这种根据CO2浓度适当减少最小新风量设定值,能满足空调房间卫生要求的控制称为CO2浓度控制法。
近年来,许多变风量空调系统安装了CO2传感器来控制最小新风。
为了测得CO2的平均浓度,CO2传感器一般安装在主回风管内或回风吸入处。
当CO2传感器检测到室内CO2浓度过高时,可适当提高最小新风量设定值;反之,则保持或降低最小新风量设定值。
第五章变风量空调系统的模糊控制算法
5、1模糊控制的基本原理
模糊控制是建立在人工经验基础上的。
对于一个熟练的操作人员,他往往凭借丰富的实战经验,采取适当的对策来巧妙地控制一个复杂过程。
若能将这些熟练操作员的实战经验加以总结和描述,并用语言表达出来,就会得到一种定性的、不精确的控制规则。
如果用模糊数学将其定量化就转化为模糊控制算法,从而形成模糊控制理论。
简单来说,模糊控制就是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法,它从行为上模仿人的模糊推理和决策过程。
该方法首先将操作人员或专家经验编成模糊规则,然后将来自传感器的实时信号模糊化,将模糊化的信号作为模糊规则的输入,完成模糊推理,将推理后得到的输出量加到执行器上。
模糊控制的基本原理框图如下图所示。
它的核心部分为模糊控制器,如图中虚线框中部分所示,模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。
实现一步模糊控制算法的过程主要是:
微机经中断采样获取被控制量的精确值,然后将此量与给定值比较得到误差信号E,一般选误差信号E作为模糊控制器的一个输入量。
把误差信号E的精确量进行模糊化变成模糊量。
误差E的模糊量可用相应的模糊语言表示,得到误差E的模糊语言集合的一个子集e(e是一个模糊矢量),再由e和模糊关系R根据推理的合成规则进行模糊决策,得到模糊控制量u
模糊控制原理图
5、2模糊控制的基本结构
模糊控制器的组成框图如图所示,主要由四部分组成。
模糊控制器的组成框图
(1)模糊化接口
模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于控制输出,因此,它实际是模糊控制器的输入接口,其主要作用是将真实的确定量输入转换为一个模糊矢量。
(2)知识库
知识库包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标,它通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。
数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值(即经过论域离散化以后对应值的集合),若论域为连续域,则为隶属度函数。
在规则推理的模糊关系方程求解过程中,向推理机提供数据。
主要包括各语言变量的隶属度函数,尺度变量因子以及模糊空间的分数级等。
规则库则包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则,它们反映了专家控制的经验和知识,是按人的直觉推理的一种语言表现形式。
模糊控制规则通常有一系列关系词连接而成,如if-then,also,end,or等,关系词必须经过“翻译”才能将模糊规则数据化。
(3)模糊推理
模糊推理是模糊控制器的核心,它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。
该推理过程是根据输入模糊量,由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程,并获得模糊控制量的功能部分。
(4)清晰化
清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量(模糊量)变换为实际用于控制的清晰量。
它包含两部分内容:
一是将模糊的控制量经清晰化变换变成表示在论域范围内的清晰量;二是将表示在论域范围内的清晰量经尺度变换变成实际的控制量。
5、3基于模糊PID的智能温控系统研究
模糊控制的实质是利用人的经验知识的一种专家式控制方式,是一种非线性控制。
具有鲁棒性好,对参数变化不敏感,简单实用等众多优点,能对复杂系统进行较好的控制。
但模糊控制器难于用传统数学模型来描述,故其参数调整方法及稳定性分析目前还没很好解决。
而PID控制是一种广泛采用的常规控制算法,是一种线性控制,由于其简单使用而为广大工程人员所熟悉。
目前,常规的PID调节器已广泛应用于工业过程温度控制,它通过调解PID控制器的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd,以适应各种不同的对象。
将模糊控制与PID调解两者有机结合起来,则能即具有模糊控制的高度灵活性和强适应性,又兼有PID调节的高精度等特点,使系统的温度智能控制过程更为完善。
基于以上的设计思想,可考虑模糊PID的智能温控系统模型设计如下图所示:
模糊PID温控系统框图
其设计思路为:
以温度偏差E和温度变化率dE作为模糊输入变量,运用模糊规则进行推理和决策,构建合适的模糊控制规则表,通过软件查询进行参数调整,根据模糊推理功能在线整定PID的三个控制参数Kp、Ki和Kd,以实现对温度的优化控制。
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