中央空调风机盘管末端型自控系统设计.docx

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中央空调风机盘管末端型自控系统设计

中央空调（风机盘管末端型）

自控系统设计

摘要

当前，信息技术迅速发展，信息技术已经深入人类活动的各个领域。

随着信息技术的日新月异，信息技术对智能建筑各个方面的影响将会更加深远，尤其是对实现智能建筑“智能”的网络系统和管理系统的集成将会产生根本性的变化。

在智能大楼中，中央空调是必不可少的设备，大厦要实现全面自控，空调自动化监控系统起着十分重要的作用。

本文结合某商业大厦工程实例,介绍了中央空调控制系统的设计方法和中央空调各组成子系统控制的原理，并用四级控制网络。

文中重点分析了以风机盘管机组为空调末端装置,以普通冷水机组为冷源的独立新风空调系统的特点及风机盘管的运行调节方式和选型，最后对新风机组送风温度控制在MATLAB软件环境下进行仿真。

关键词：

中央空调,风机盘管,DDC控制,仿真，Delta产品

DesignofCentralAir-ConditioningControlSystem

（Fan-CoilUnitsasTerminalDevices）

Abstract

Atthepresent,theinformationtechniquedevelopsquickly,whichhasalreadygonedeeplyintomankind'sactivity.Technicallyinformationchangeseveryday,theinfluencethatinformationtechniquetoeachaspectofintelligencebuildingwillbemoreprofound,particularlyitwillproducerootvarietytowardscarryingouttheintelligentbuilding'snetworksystemandintegrationofthemanagementsystem.Intheintelligentbuilding,thecentralair-conditioningsystembecametheessentialequipments.Inordertocompletelyauto-controlabuilding,theair-conditioningautomationmonitoringandcontrolsystemcontainveryimportantfunction.

Withaprojectexampleofacommercialbuilding，thispaperintroducesthedesignmethodofthecentralair-conditioningcontrolsystemandtheprincipleofallsub-systemofcentralair-conditioning,andconstitutesthecontrolnetworkwiththefour-layercontrolnet.Speciallythepaperanalysesthecharacteristicsofthededicatedoutdoorairsystemtakingfan-coilunitsasterminaldevicesandanordinarywaterchillerasthecoldsource,thewayofregulatingandthemethodofchoosingatypetofan-coil.Finally,thesimulatingtothetemperatureofairsuppliedbyfreshairinstallationswascarriedoutwithMATLABsoftware.

Keywords:

CentralAir-ConditioningSystem,Fan-coil,DDCControl,Simulation,Delta’sProducts

1.1设计课题的背景

建筑业作为最古老的产业之一，其发源远远早于工业革命时代和现在的信息革命时代，并在这两个时代中产生了深远的变化。

工业革命使建筑变得越来越高大，改变的只是“无感觉的躯体”，此时的建筑通常称为“摩天大厦”。

而信息技术使建筑具有质的飞跃，使传统的建筑发展为会“思考和自我意识”的“智能建筑（IntelligentBuilding）”。

智能建筑是建筑技术与信息技术完美结合的产物，是国家信息基础设施的节点，世界各国均把智能建筑列为21世纪可持续发展的对象。

在我国，智能建筑虽然在90年代起步，但发展迅猛，已建成了堪称世界级的智能大厦，如最近落成的上海金茂大厦为世界第三高的智能建筑。

智能建筑网络系统对于智能建筑犹如神经系统对于人一样，它分布于智能建筑的各个角落，是用于采集、传输智能建筑内外有关信息的通道。

从这个角度上来看，智能建筑网络系统的完善程度和性能优劣决定了智能建筑的“智商”。

随着信息技术的日新月异，信息技术对智能建筑各个方面的影响将会更加深远，尤其是对实现智能建筑“智能”的网络系统和管理系统的集成将会产生根本性的变化。

从功能的角度分析，智能建筑是通信网络、办公自动化和建筑设备自动化的系统集成，即通常所谓的“3A”建筑。

其中，建筑设备自动化除供配电设施、给排水设施和空调设施的自动化外，还应包括消防报警、保安监控、背景音乐和卫星公用电视等自动化。

目前，智能建筑网络系统正是以功能为单位划分的多网络集成。

它们通常是如下各自独立的子网络系统：

1）通信网络系统；这类子网络系统主要是以交换机为中心的传统电信网络，如电话通信系统，用于连接模拟/数字语音、视像的电话（会议）设备，综合业务数字网（ISDN/B-ISDN）设备等。

随着通信的数字化，通信网络与计算机数据网络正在相互交叉和融合。

例如，传统的语音和图像传输可以通过计算机数据网络来实现，而计算机数据网络可以利用传统的电信网络传输数据。

2）办公自动化网络系统;这类子网络系统就是计算机数据通信网络系统，所连接的节点主要为计算机和网络类设备等。

其主要类型为通过防火墙与Internet相连接的Intranet网络，主要作用是实现办公自动化的数据通信。

3）建筑设备自动化网络系统;这类子网络系统组成较为复杂，一般为模拟／数字混合网络系统。

其主要特点为:

要求有高实时性和良好的时间确定性;传输信息小且交换频繁;高度分散;要求有较高的可靠性和安全性。

它又根据建筑设备自动化的子功能分为若干子网络系统，如“供配电、给排水、空调控制网络系统”，“消防报警网络系统”，“保安监控网络系统”与“广播、电视和卫星网络系统”等。

信息技术迅速发展，信息技术已经深入人类活动的各个领域。

自动控制推动了社会生产力的发展，在工业上已经基本实现微机自动控制生产，并对人类的居住环境和建筑业的发展产生了巨大的影响。

智能化建筑应该具有良好的室内环境，即根据季节的变化提供合适的空气温度、相对湿度气流速度和空气的洁净度，为了达到这个目的，就要对暖通空调设备进行综合的管理控制，使其工作在最佳的状态，达到高效、节能运行状态。

所以，在智能大楼中，暖通空调自动化监控系统起着十分重要的作用。

1.2国内外研究动态

1973年的石油危机改变了人们的思维方式，节能成为人们注目的焦点，变风量空调技术因此而得到了广泛应用和迅速发展。

这可以说是变风量空调的第一阶段。

在这一阶段，变风量空调技术的发展着重于节省空间，节省风机耗电量。

文丘里管等机械式单风道节流压力相关型变风量末端控制箱为主流产品。

当时美国建筑行业流行的压低层高，减小空调空间，节省建筑物本体的投资，减小外围护结构热损失等节能要求，迫使空调风管系统发展成高速风道系统，风机能耗明显增加。

节省空调系统的风机能耗成为一个迫在眉睫不得不解决的问题。

在这种情况下，增加设备投资有助于减少运行费用，总体上划得来，变风量空调因此了走向了实用。

高速风道系统因为其噪声高，变风量末端控制箱需装消声器，风管管道的防泄漏要求高，加上低层高建筑不受欢迎，高速风道系统在日本很快就被抛弃了。

在美国，摩天大厦的管道空间有限，高速风道，中高速风道的变风量空调系统至今尚有应用。

    1980年代的高速经济发展，特别是日本的泡沫经济，有力地促进了变风量空调技术的发展。

这可以说是变风量空调的第二阶段。

在这一阶段，变风量空调技术的发展着重于舒适性，设计和施工的方便性。

电子式压力无关型变风量末端控制箱，风机变频调速等技术的开发和末端再热，双风道，风机动力等变风量末端控制箱的应用，变风量空调技术得到了进一步发展和普及。

当时室内建筑装潢越来越豪华，人们对空调品质也越来越挑剔，漏水噪声无新风等原因使风机盘管单元被从室内请了出去，变风量空调末端控制箱被请来填补其空白。

加拿大和美国中北部地区因为采暖期长，变风量空调的循环风量如果小的话，热风上浮会造成室内温度分布不均匀，因此风机动力型变风量末端控制箱应运而生。

经济的高速发展使得空调设计人员忙不过来，根本没有时间来进行负荷计算并根据负荷来划分变风量系统分区，为了可以全方位同时处理冷热空调负荷，末端再热和双风道型等在日本被视为耗能型的变风量空调系统在美国也有了其市场。

这个时期可以说是变风量空调设备发展最快的时期。

    1990年代，地球的温暖化再次改变了人们的思维方式，保护地球在生态环境成为人们注目的焦点。

变风量空调技术因此再次得到了人们的重视，其应用得到了更加广泛地普及，其技术也更上了一层楼。

这可以说是变风量空调的第三阶段。

在这一阶段，变风量空调技术的发展着重于可控制性和节能性，可利用全新风的变风量空调系统和BA控制系统的应用得到了发展和普及。

变风量空调系统以其灵活的可控性和AHU风机的高效率，全新风冷却等节能性受到了人们的青睐。

在日本，内部区空调几乎全部采用了变风量空调系统。

1.3本文设计内容

有面积为15000平方米的某现代化商业智能建筑，由地下一层和地上十五层组成。

空调系统根据不同分层（区）的情况，采用定风量系统、变风量系统、风机盘管加新风机组的空调方式，冷热源集中由动力站供给。

系统采用“分散控制，集中管理”的控制方式。

以加拿大DeltaControls控制公司的系列产品为主要的参考和选择依据，对该建筑的中央空调自控系统进行设计，并在设计中主要完成风机盘管加新风控制部分，确定其监控点，选择传感器、执行器和控制设备。

最后对新风机组的送风温度用MATALAB进行仿真并分析结果。

在设计的过程中学习暖通空调专业设计人员给出的空调系统方案、主要空调设备的原理和性能，了解空调工艺设计对自动控制提出了哪些要求。

掌握中央空调各子系统的监测和控制原理，包括：

空调机组控制、新风机组控制、风机盘管控制、冷冻站控制、换热站系统控制、送排风控制。

2中央空调系统控制原理分析

2.1空调系统简介

2.1.1空调系统的分类

1.按空气系统的集中程度分可分为集中式空调系统、半集中式空调系统和局部空调系统。

（1）集中式空调系统是将所有空气处理设备都集中在一个空调机房内，然后由送风机把处理后的空气，经风道送到各空调房间。

这种空调系统处理空气量大，需要设计中冷源何热源

（2）半集中式空调也称为混合式空调系统，对空气既有集中处理又有局部处理装置。

人们习惯上把集中式和半集中式系统统称为中央空调系统。

（3）局部空调系统也称全分散空调系统，是由分散在各空调房间的空调机组来承担空调任务的，该机组将冷、热源和空气处理、输送设备集中设置在一个箱体内。

2.按负担室内热湿负荷所用的介质分为全空气系统、空气-水系统、全水系统和冷剂系统。

（1）全空气系统利用空气作为负担室内负荷的介质，将经过处理的空气送入空调房间内，同时消除室内余热和余湿的同时，向室内补充热量。

由于空气的比热较小，为消除余热和余湿所需送风量较大，风道尺寸也大。

因此，占用的建筑空间也较大。

属于集中式空调系统。

（2）空气-水系统使用空气和水作为负荷室内的介质，属于半集中式空调系统。

由于室内负荷大部分靠设在空调房间内的风机盘管机组来负担，向室内送入新风只是为了满足房间的卫生要求，因此风量不大，风道尺寸较小，新风仅负担较小部分负荷。

风机盘管所需冷热水是集中供应的。

（3）全水系统指空调房间的热湿负荷全靠水作为冷热源来负担。

水的比热比空气大很多，所以在相同条件下只需较小的水量，从而使管道所用的空间减少了许多。

但是，仅靠水来消除余热余湿，并不能解决房间的通风换气问题。

因而通常不单独采用这种方法。

（4）冷凝剂系统是将冷凝系统的蒸发器直接放在室内来吸收余热余湿。

这种方式属于局部空调系统，通常用于分散安装的局部空调机组，如窗式空调器。

3.从空调使用的目的上，还可以分为舒适性空调与工艺性空调两大类。

2.1.2空调系统的组成

一般空调系统包括以下几个部分：

（1）进风根据人对空气新鲜度的生理要求，空调系统必须有一部分空气取自于室外，常称新风。

空洞的进风和风管等，组成了进风部分。

（2）空气过滤由进风部分引入的新风，必须先经过一次预过滤，以除去颗粒较大的尘埃。

一般空调系统都装有预过滤器和主过滤器两级过滤装置。

根据过滤的效率不同，大致可以分为初（粗）小过滤器、中效过滤器和高校过滤器。

（3）空气的热湿处理将空气加热、冷却、加湿和减湿等不同的处理过程组合在一起统称为空调系统的热湿处理部分。

热湿处理设备主要有两大类型：

直接接触式和表面式。

直接接触式：

与空气进行热湿交换的介质直接和被处理的空气接触，通常是将其喷淋到被处理的空气中。

喷水室、蒸汽加湿器、局部补充加湿装置以及使用固体吸湿剂的设备均属于这一类。

表面式：

与空气进行热湿交换的介质不和空气直接接触，热湿交换是通过处理设备的表面进行的。

表面式换热器属于这一类。

（4）空气的输送和分配将调解好的空气均匀的输入和分配到空调的房间内，以保证其合适的温度场合速度场。

这是空气系统空气输送和分配部分的任务，它由风机和不同型式的管道组成。

根据用途和要求不同，有的系统只采用一台风机，成为“单风机”系统；有的系统采用一台送风机和一台回风机，则称之为“双风机”系统。

管道截面通常为矩形和圆形两种，一般低速风道多采用矩形，而高速风道多用圆形。

（5）冷热源部分为了保证空调系统具有加温和冷却能力，必须具备冷源和热源两部分。

冷源有自然冷源和人工冷源两种。

热源也有自然和人工两种。

自然热源指地热核太阳能。

人工热源是指用煤、石油或煤气作燃料和锅炉所产生的蒸汽和热水、目前应用的最广泛。

2.1.3空气调节原理

空气调节的任务，在于按照使用的目的，对房间或公共建筑物内的空气状态参数进行调节，为人们的工作和生活，创造一个温度适宜，湿度恰当的舒适环境。

对舒适性空调，关键是空气温度、湿度的控制。

A.温度调节

按照人类的生理特征和生活习惯，常要求居住和工作环境与外界的温差不宜过大，从保健的角度来看，以5℃左右对人体健康比较有益，夏日里，如温差过大，则人由室外进入室内时将受到冷冲击，而由室内走到室外，又将受到热冲击，这两种情况都会使人体感到不舒服。

因此对于大多数人，居住室温夏季保持在25～27℃，冬季保持在16～20℃是比较适宜的。

B.湿度调节

生活经验得知，空气过于潮湿或过于干燥都将使人感到不舒适。

一般来说，相对湿度冬季在40%～50%之间，夏季在50%～60%之间，人的感觉比较良好。

假如温度适宜，相对湿度即便在40%～70%的范围内变化，人们也是基本适应。

C．空调设备

（1）空气的热、湿处理设备

加热：

表面式热交换器作加热用（称为加热器），传热介质为蒸汽或热水；电加热器。

冷却：

喷水室、表面式换热器做冷却用（称为表面式冷却器），传热介质为冷水，当冷水温度高于空气的露点温度而低于空气的干球温度时，能使空气等湿冷却。

当冷水温度低于空气的露点温度时，能使空气减湿冷却。

加湿：

蒸汽加湿器、电加湿器。

减湿：

冷冻减湿装置。

（2）空气的净化处理设备

净化：

过滤器。

2.2DCS控制系统

DCS控制系统是一种利用计算机技术、通信技术、控制技术对建筑物设备进行集中监视、操作、管理和分散控制的计算机系统。

他由集中管理部分、分散控制部分和通信部分等组成。

分散控制部分的各现场控制单元，按地理位置分散于现场，实施对现场设备的控制，每个控制单元可控制一个至上百个回路，具有几十种甚至上百种运算功能。

集中管理部分用于系统的集中监视与操作、系统的组态与维护以及系统的信息管理和优化控制。

通信部分连接系统的各个单元，实现各部分通信、完成数据、指令及其他信息的传递。

分散控制系统软件一般由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和各种应用软件组成。

分散控制系统与常规仪表控制系统以及计算机控制系统相比具有显著的优点，具体表现在以面几个方面：

（1）分散控制。

各现场控制单元只控制少量的回路，发生故障时影响面小，风险分散、提高系统的安全性。

（2）集中监视与操作。

采用交互图形显示，复合窗口技术，用键盘、鼠标以及触摸屏进行操作，可显示总貌、分组合单元等的数据、模拟图、趋势图，以及各种操作、报警信息等。

（3）最优控制与管理。

利用先进的控制与管理技术，提高设备利用率，降低能耗，实现被控对象的最优控制与管理。

（4）系统构成灵活，扩展方便。

采用模块、模件结构，可以灵活组建系统，具有很强的通用性。

（5）系统可靠性高。

采用冗余（增加额外设备）技术和冗错技术，各单元都具有自诊断、自检查和自修复功能，以及故障自动报警功能。

图2.1DCS监控系统得组成

分散控制系统的基本特征是分散控制，即将自治的空置功能归入现场控制单元，使其按一定的控制策略，长期可靠的自动运行。

由于暖通空调监控系统设备多，需要监测的参数也较多，并且要求高，所以在智能建筑中暖通空调监控系统实中央监控系统的核心部分。

暖通空调设备由安装在设备附近的直接数字控制器（DDC）分散控制，各控制器之间由现场总线进行联接后，接受相应的上位机（中央管理计算机）管理，并与BAS中其他监控子系统的中央管理计算机通过通信网络形成局域网，如图2.1所示（此图只是为了说明集散型系统的监控方式，组成控制网方案还需要确定）。

2.3中央空调各子系统的控制原理分析

2.3.1空调机组自控系统

供冷空调空调机组有DDC控制器通过变频驱动器（VFD）控制风机转速来调节供冷风系统的送风量。

DDC控制器根据供冷送风主管的静压自动调节送风机和回风机的转速，使供冷主管上维持恒定的静压。

变风量箱的供冷风量增大时，供冷主风管静压降低，DDC控制器会提高风机的转速以维持恒定的静压。

若变风量箱的供冷风量减小，供冷主风管静压上升，控制器则会降低风机的转速，以维持恒定的静压。

控制图如图2.2所示（为了简化，图中冷水供应管和热水供应管画为一根，注意实际是有区别的）。

冷水阀（TV1）的开度与回风温度（T2）、混合温度（T3）和送风温度（T4）有关。

当送风温度低于设定值时，DDC控制器将减少冷冻阀的（TV1）的开度。

当送风温度高于设定值时，DDC控制器将增大冷水阀的开度。

回风温度和混合温度的变化也会使DDC控制器发出相应的控制命令。

供热空调机组也由DDC控制器通过变频驱动器（VFD）控制风机转速来调节系统供热送风量。

DDC控制器根据供热送风主管的静压自动调节送风机的转速，使供热主管上保持一定的静压。

变风量箱的供热风量增大时，供热主风管静压降低，DDC控制器会提高风机的转速以维持恒定的静压。

若变风量箱的供热风量减小，供热主风管静压上升，控制器则会降低风机的转速，以维持恒定的静压。

热水阀（TV1）由送风温度（T4）控制。

当送风温度高于设定值时，DDC控制器将减小水阀（TV1）的开度。

当送风温度低于设定值时，DDC控制器将命令增大热水阀的开度。

差压开关（P1）检测过滤器两端的压力差，当过滤器的容尘量超过设定值时，控制器发出警报信号，通知用户更换过滤器。

图2.2空调机组监控原理图

为了保证系统的最小风量，新风阀（FV1）设置了一个最小开度值。

节能模式控制能自动检测室外空气的温度值，根据外界空气温度值决定是否采用全新风工作方式。

以达到节能的目的。

2.3.2新风机组自控系统

图2.3为典型的新风机组监控原理图。

新风机组系统主要包括进口挡板、加热器、表冷器、过滤器、加湿器、送风机及各种传感器和执行机构。

使得在夏季通过表冷器使新风降温、除湿，冬季通过加热器、加湿器使空气加热、加湿。

我国南方热带地区，仅需要提供冷气、除湿服务。

则该系统不加加热、加湿器。

新风机组监控的主要内容如下：

（1）监控送风温度；

（2）监控送风湿度；

（3）架空过滤器两侧压差、及时报警；

（4）监控机组启停；

（5）联锁保护。

该系统监控功能如下：

（1）风温度监控

由送风通道的温度传感器T实测送风温度，信号送入DDC中，与送风温度设定值进行比较，采取PID控制，由DDC发出指令控制加热器（或表冷器）上的电动调节阀TV1（或TV2）的阀门开度，用以调节热水（或冷风流量），使送风的温度控制在设定的范围内，使室内的温度保持相对恒定。

（2）送风湿度控制

由送风通道的湿度传感器H实测送风通道的湿度信号，送入DDC中与湿度设定值进行比较，由DDC输出信号，控制冷水阀TV1（或蒸汽阀TV3）的开度。

比如，夏季环境温度高、湿度大，可以通过开大表冷器上的冷水阀门进行去湿冷却；如果在冬季，环境比较干燥，则可通过调节加湿器的阀门TV3，控制蒸汽流量，使被调环境的湿度保持相对恒定。

图2.3新风机组监控原理图

（3）过滤器堵塞监控与报警

由过滤器两端空气压差开关ΔP1监视过滤网的清洁度，当两端压差超过设定值时，说明过滤网堵塞，需要及时清洁或更换，系统则报警。

（4）机组定时启动控制

按实际需要预先编制程序，控制风机起停时间，并累加机组工作时间，达到自动调整维护系统，使新风机组工作效率提高，能量损耗减少。

（5）联锁保护控制

送风机启动后，新风电动风门大开；送风机停止运转后，新风电动风门关，表冷器调节阀门关，加湿器阀门关，加热器阀门关。

表冷器的后风温低于5℃时，防冻开关接通，向DDC送入信号，控制加热器热水阀门的开启。

当风机两端压差ΔP2过低时，系统故障报警，DDC发出停机指令。

2.3.3空调机组全新风/排风自控系统

空调机组全新风/排风系统比新风机组系统增加了回风系统和排风系统，其目的是为节约能源，净化室内空气，并可与消防系统联合排烟。

图2.4为典型空调机组全新风/排风系统监控原理。

为了节约能源空调机组全新风/排风系统增加了回风系统，因此就要增加新风、回风空气的温度、湿度检测点，由于新风与回风混合处空气温度、湿度不均匀，因此在空气混合处不加温度、湿度测试点。

为了与消防系统配合，在火灾情况下能够自动排烟，同时在无火灾正常情况下净化空气，增加空气的流通，也需要排风，因此又增加了排风系统，其监控功能如下：

（1）回风温度监控

回风通道的温度传感器T2实测回风温度，信号送入DDC中与回风温度设定值进行比较，采取PID控制，由DDC输出信号控制加热器（或表冷器）上的调节阀TV1（或TV2）的阀门开度，用以调节热水（或冷水）流量，使回风温度控制在设定的范围内，温度设定值也可随室外的温度变化而调整，是室内外温差不致过大，导致人们有不适的感觉。

图2.4新风/排风机组监控原理图

（2）回风湿度监控

由回风通道的湿度传感器H2实测回风通道湿度信号，送入DDC中，与湿度