房间空调系统的动态特性分析与空调冷冻水系统的优化控制

摘要

随着我国经济的快速发展,能源的需求量也大幅度增加,能源问题日益突出,节能已经成为了一个刻不容缓的大趋势。建筑能耗在国民经济总能耗中所占的比重较大。随着中央空调系统的普及,空调系统的能耗在建筑用能中的比例逐年上升。由于实际工况和设计工况的差别,消耗在辅助设备上的能耗不容小觑。因此,为了减少空调系统的能耗,需要对暖通空调(HVAC)系统中的水系统控制策略进行研究。这里的控制包括控制算法和控制手段两层含义。目前国内外虽然对于空调系统变水量的控制方法已经有了许多报道,但是究竟哪一种方法好尚无定论。中央空调变水量节能技术在工程中的应用才刚开始,很多问题还需要进一步的研究和探讨。本文在前人工作的基础上,对空调水系统的优化控制方法与节能措施进行了理论分析与实验方面的研究。 本文首先分别建立了单个房间围护结构、窗户、换热器盘管、传感器等部件的数学模型及其传递函数模型,组合后建立了整个房间空调系统动态传热特性的数学模型及其传递函数模型。模型能够准确地预测系统在没有控制的情况下,外扰对围护结构内部的温度分布和房间温湿度的影响,并描绘出响应曲线。接着在原有模型的基础上加了控制器,模拟并比较了传统的PID控制和模糊PI控制两种控制方法的不同控制效果。模拟结果表明,常规的PID控制对于线性定常系统非常有效,但是对于房间空调系统这种非线性的时变的复杂系统来说,并不能达到很好的控制效果。而利用模糊自适应PI控制就可以克服这一不足,它可以根据环境的变化做出最优的决策,有效地提高了控制的可靠性,稳定性,并且使控制系统动态响应加快,超调量减小。最后通过实验记录了PID控制下房间的温度的变化情况。根据实测值分析了实验中出现的种种现象的原因并对实验的不足之处做了说明。 文章还对空调水系统中一次泵定流量系统、二次泵变流量系统和一次泵变流量系统的特点做了比较和分析。着重分析了变水量系统中压差控制、温差控制和阀门开度最大化控制的优缺点和部分负荷下的能耗情况。结果表明一次泵变流量系统中阀门开度最大化控制方法的控制效果和节能效果最好。通过实例,针对南京某商务楼建立了整个大楼及其空调冷冻水系统的传递函数模型,分析并计算了一天之内负荷变化时,系统在各种控制方法下的水泵能耗情况。结果表明商务楼空调水系统具有很大的节能潜力。这一结论对于商务楼空调水系统的节能有着实际的指导作用,最大限度地挖掘出了系统内在的节能潜力。 最后,本文还用组态软件开发了一套商务楼空调系统实时监控程序。它能够实时地采集各房间的温度,各空气处理机组的水流量、进出水温度、送回风温度等参数,还可以控制各机组的启停、改变各房间温度的设定值等,对于历史数据也可以通过报表设置条件查询。整个控制过程可以通过界面形象地表现出来,使得现场操作更简便。

目录

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声明

第一章绪论

1.1课题的研究背景

1.2研究现状与意义

1.2.1发展概况

1.2.2研究现状

1.2.3本课题的意义

1.3本课题研究的主要内容

第二章房间空调系统的动态特性及其控制方法的比较

2.1房间空调系统的动态特性模型

2.1.1墙体传热模型

2.1.2换热器模型

2.1.3传感器模型

2.1.4房间模型

2.1.5房间空调系统动态模型

2.2房间空调系统的自动控制方法

2.2.1自动控制系统的组成与原理

2.2.2传统PID控制的设计仿真

2.2.3模糊控制器的设计仿真

2.2.4自适应模糊PID控制器的设计仿真

2.2.5比较两种控制方法的结果

2.3实验研究

2.3.1实验装置

2.3.2实验过程和结果

2.4本章小结

第三章空调冷冻水系统的分类和控制

3.1冷冻水系统的常见形式

3.1.1一次泵定流量系统

3.1.2二次泵变流量系统

3.1.3一次泵变流量系统

3.1.4冷水机组变频与高效率冷水机组的区别

3.2变水量的常用控制方法

3.2.1压差控制

3.2.2温差控制

3.2.3阀门开度最大化控制

3.3三种控制方法的能耗分析

3.3.1压差控制

3.3.2温差控制

3.3.3阀门的开度最大化控制

3.3.4量化分析

3.4本章小结

第四章控制方法的实例分析

4.1建筑物的概况

4.2空调系统概述

4.3系统建模

4.3.1压差控制系统模型

4.3.2温差控制系统模型

4.3.3阀门开度最大化控制系统模型

4.4模拟结果与分析

4.5组态软件的应用

4.6本章小结

第五章结论与展望

5.1全文总结

5.2研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文