空调自动化控制原理

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1、最新整理，下载后即可编辑】空调自动化控制原理说明自动化系统是智能建筑的一个重要组成部分。楼宇自动化系 统的功能就是对大厦内的各种机电设施，包括中央空调、给排水、 变配电、照明、电梯、消防、安全防范等进行全面的计算机监控 管理。其中,中央空调的能耗占整个建筑能耗的 50%以上，是楼 宇自动化系统节能的重点1。由于中央空调系统十分庞大，反应 速度较慢、滞后现象较为严重，现阶段中央空调监控系统几乎都 采用传统的控制技术，对于工况及环境变化的适应性差，控制惯 性较大，节能效果不理想。传统控制技术存在的问题主要是难以 解决各种不确定性因素对空调系统温湿度影响及控制品质不够 理想。而智能控制特别适用于对那

2、些具有复杂性、不完全性、模 糊性、不确定性、不存在已知算法和变动性大的系统的控制。“绿 色建筑”主要强调的是:环保、节能、资源和材料的有效利用， 特别是对空气的温度、湿度、通风以及洁净度的要求，因此，空 调系统的应用越来越广泛。空调控制系统涉及面广，而要实现的 任务比较复杂，需要有冷、热源的支持。空调机组内有大功率的 风机，但它的能耗很大。在满足用户对空气环境要求的前提下， 只有采用先进的控制策略对空调系统进行控制，才能达到节约能 源和降低运行费用的目的。以下将从控制策略角度对与监控系统 相关的问题作简要讨论。2 空调系统的基本结构及工作原理 空调系统结构组成一般包括以下几部分2 3:（1）

3、新风部分空调系统在运行过程中必须采集部分室外的新鲜空气 （即 新风），这部分新风必须满足室内工作人员所需要的最小新鲜空 气量，因此空调系统的新风取入量决定于空调系统的服务用途和 卫生要求。新风的导入口一般设在周围不受污染影响的地方。这 些新风的导入口和空调系统的新风管道以及新风的滤尘装置 （新风空气过滤器)、新风预热器(又称为空调系统的一次加热器)共同 组成了空调系统的新风系统。(2) 空气的净化部分空调系统根据其用途不同，对空气的净化处理方式也不 同。因此，在空调净化系统中有设置一级初效空气过滤器的简单 净化系统，也有设置一级初效空气过滤器和一级中效空气过滤器 的一般净化系统，另外还有设置一

4、级初效空气过滤器，一级中效 空气过滤器和一级高效空气过滤器的三级过滤装置的高净化系 统。(3) 空气的热、湿处理部分对空气进行加热、加湿和降温、去湿，将有关的处理过程 组合在一起，称为空调系统的热、湿处理部分。 在对空气进行 热、湿处理过程中，采用表面式空气换热器 (在表面式换热器内 通过热水或水蒸气的称为表面式空气加热器，简称为空气的汽水 加热器)。设置在系统的新风入口，一次回风之前的空气加热器 称为空气的一次加热器;设置在降温去湿之后的空气加热器，称 为空气的二次加热器 ;设置在空调房间送风口之前的空气加热 器，称为空气的三次加热器。三次空气加热器主要起调节空调房 间内温度的作用，常用的热

5、媒为热水或电加热。在表面式换热器 内通过低温冷水或制冷剂的称为水冷式表面冷却器或直接蒸发 式表面冷却器，也有采用喷淋冷水或热水的喷水室，此外也有采 用直接喷水蒸汽的处理方法来实现空气的热、湿处理过程。(4) 空气的输送和分配、控制部分空调系统中的风机和送、回风管道称为空气的输送部分。 风管中的调节风阀、蝶阀、防火阀、启动阀及风口等称为空气的 分配、控制部分。根据空调系统中空气阻力的不同，设置风机的 数量也不同，如果空调系统中设置一台风机，该风机既起送风作 用，又起回风作用的称为单风机系统 ;如果空调系统中设置两台 风机，一台为送风机，另一台为回风机，则称为双风机系统。(5) 空调系统的冷、热源

6、空调系统中所使用的冷源一般分为天然冷源和人工冷源。 天然冷源一般指地下深井水，人工冷源一般是指利用人工制冷方 式来获得的，它包括蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷以及蒸汽喷射 式制冷等多种形式。现代化的大型建筑中通常都采用集中式空调 系统，这种形式的结构示意图如图1所示。图1 空调系统结构示意图其工作原理是当环境温度过高时，空调系统通过循环方式 把室内的热量带走，以使室内温度维持于一定值。当循环空气通 过风机盘管时，高温空气经过冷却盘管的铝金属先进行热交换， 盘管的铝片吸收了空气中的热量，使空气温度降低，然后再将冷 冻后的循环空气送入室内。冷却盘管的冷冻水由冷却机提供，冷 却机由压缩机、冷凝器和蒸发器

7、组成。压缩机把制冷剂压缩，经 压缩的制冷剂进入冷凝器，被冷却水冷却后，变成液体，析出的 热量由冷却水带走，并在冷却塔里排入大气。液体制冷剂由冷凝 器进入蒸发器进行蒸发吸热，使冷冻水降温，然后冷冻水进入水 冷风机盘管吸收空气中的热量，如此周而复始，循环不断，把室 内热量带走。当环境温度过低时，需要以热水进入风机盘管，和 上述原理一样，空气加热后送入室内。空气经过冷却后，有水分 析出，空气相对湿度减少，变的干燥，所以需增加湿度，这就要 加装加湿器，进行喷水或喷蒸汽，对空气进行加湿处理，用这样 的湿空气去补充室内水汽量的不足。3 中央空调自动控制系统3.1 中央空调自动控制的内容与被控参数中央空调系

8、统由空气加热、冷却、加湿、去湿、空气净化、 风量调节设备以及空调用冷、热源等设备组成。这些设备的容量 是设计容量，但在日常运行中的实际负荷在大部分时间里是部分 负荷，不会达到设计容量。所以，为了舒适和节能，必须对上述 设备进行实时控制，使其实际输出量与实际负荷相适应。目前， 对其容量控制已实现不同程度的自动化，其内容也日渐丰富。被 控参数主要有空气的温度、湿度、压力(压差)以及空气清新度、 气流方向等，在冷、热源方面主要是冷、热水温度，蒸汽压力。 有时还需要测量、控制供回水干管的压力差，测量供回水温度以 及回水流量等。在对这些参数进行控制的同时，还要对主要参数 进行指示、记录、打印，并监测各机

9、电设备的运行状态及事故状 态、报警。中央空调设备主要具有以下自控系统 :风机盘管控制系 统、新风机组控制系统、空调机组控制系统、冷冻站控制系统、 热交换站控制系统以及有关给排水控制系统等。3.2 中央空调自动控制的功能(1) 创造舒适宜人的生活与工作环境对室内空气的温度、相对湿度、清新度等加以自动控制， 保持空气的最佳品质;具有防噪音措施(采用低噪音机器设备);可以在建筑物自动化系统中开放背景轻音乐等。 通过中央空调自动控制系统，能够使人们生活、工作在这 种环境中，心情舒畅，从而能大大提高工作效率。而对工艺性空 调而言，可提供生产工艺所需的空气的温度、湿度、洁净度的条 件，从而保证产品的质量。

10、(2) 节约能源在建筑物的电器设备中，中央空调的能耗是最大的，因此 需要对这类电器设备进行节能控制。中央空调采用自动控制系统 后，能够大大节约能源。（3） 创造了安全可靠的生产条件自动监测与安全系统，使中央空调系统能够正常工作，在 发现故障时能及时报警并进行事故处理。3.3 中央空调自动控制系统的基本组成图 24为一室温的自动控制系统。它是由恒温室、热水加 热器、传感器、调节器、执行器机构和（调节阀）调节机构组成。 其中恒温室和热水加热器组成调节对象（简称对象），所谓调节对 象是指被调参数按照给定的规律变化的房间、设备、器械、容器 等。图2所示的室温自动调节系统也可以用图 3所示的方块图来 表

11、示。室温就是室内要求的温度参数，在自动调节系统中称为被 调参数（或被调量），用表示。在室温调节系统中，被调参数就 是对象的输出信号。被调参数规定的数值称为给定值（或设定值）， 用眩表示。室外温度的变化，室内热源的变化，加热器送风温 度的变化，以及热水温度的变化等，都会使室内温度发生变化， 从而室内温度的实际值与给定值之间产生偏差。这些引起室内温 度偏差的外界因素，在调节系统中称为干扰（或称为扰动） ，用 f 表示。在该系统中，导致室温变化的另一个因素是加热器内热水 流量的变化，这一变化往往是热水温度或热水流量的变化引起 的，热水流量的变化是由于控制系统的执行机构调节阀的开度 变化所引起的，是自

12、动调节系统用于补偿干扰的作用使被调量保 持在给定值上的调节参数，或称调节量q。调节量q和干扰f对 对象的作用方向是相反的。图2室温自动调节系统示意图图3 室温自动调节系统的方块图4中央空调系统控制中存在的问题4.1被控对象的特点空调系统中的控制对象多属热工对象，从控制角度分析， 具有以下特点3：多干扰性例如，通过窗户进来的太阳辐射热是时间的函数，受气象 条件的影响；室外空气温度通过围护结构对室温产生影响；通过 门、窗、建筑缝隙侵入的室外空气对室温产生影响;为了换气（或 保持室内一定正压）所采用的新风，其温度变化对室温有直接影 响。此外，电加热器（空气加热器）电源电压的波动以及热水加热 器热水压

13、力、温度、蒸汽压力的波动等，都将影响室温。如此多的干扰，使空调负荷在较大范围内变化，而它们进 入系统的位置、形式、幅值大小和频繁程度等，均随建筑的构造（建筑热工性能）、用途的不同而异，更与空调技术本身有关。在 设计空调系统时应考虑到尽量减少干扰或采取抗干扰措施。因 此，可以说空调工程是建立在建筑热工、空调技术和自控技术基 础上的一种综合工程技术。（2） 多工况性 空调技术中对空气的处理过程具有很强的季节性。一年 中，至少要分为冬季、过渡季和夏季。近年来，由于集散型系统 在空调系统中的应用，为多工况的空调应用创造了良好的条件。 由于空调运行制度的多样化，使运行管理和自动控制设备趋于复 杂。因此，

14、要求操作人员必须严格按照包括节能技术措施在内的 设计要求进行操作和维护，不得随意改变运行程序和拆改系统中 的设备。（3） 温、湿度相关性 描述空气状态的两个主要参数为温度和湿度，它们并不是 完全独立的两个变量。当相对湿度发生变化时会引起加湿 （或减 湿）动作，其结果将引起室温波动;而室温变化时，使室内空气中 水蒸气的饱和压力变化，在绝对含湿量不变的情况下，就直接改 变了相对湿度（温度增高相对湿度减少，温度降低相对湿度增加）。 这种相对关联着的参数称为相关参数。显然，在对温、湿度都有 要求的空调系统中，组成自控系统时应充分注意这一特性。4.2 控制中存在的主要问题 目前中央空调系统主要采用的控制

15、方式是 PID 控制，即 采用测温元件（温感器） + PID温度调节器+电动二通调节阀的 PID调节方式。夏季调节表冷器冷水管上的电动调节阀，冬季调 节加热器热水管上的电动调节阀，由调节阀的开度大小实现冷 （热）水量的调节，达到温度控制的目的。为方便管理，简化控制 过程，把温度传感器设于空调机组的总回风管道中，由于回风温 度与室温有所差别，其回风控制的温度设定值，在夏季应比要求 的室温高（0.51.0）C，在冬季应比要求的室温低（0.51.0）C。PID 调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、 微分的函数关系进行运算，将其运算结果用于控制输出。现场监 控站监测空调机组的工作状态对象有:

16、过滤器阻塞(压力差)，过滤 器阻塞时报警，以了解过滤器是否需要更换 ;调节冷热水阀门的 开度，以达到调节室内温度的目的;送风机与回风机启/停;调节新 风、回风与排风阀的开度，改变新风、回风比例，在保证卫生度 要求下降低能耗，以节约运行费用 ;检测回风机和送风机两侧的 压差，以便得知风机的工作状态;检测新风、回风与送风的温度、 湿度，由于回风能近似反映被调对象的平均状态，故以回风温湿 度为控制参数。根据设定的空调机组工作参数与上述监测的状态 数据，现场控制站控制送、回风机的启/停，新风与回风的比例 调节，盘管冷、热水的流量，以保证空调区域内空气的温度与湿 度既能在设定范围内满足舒适性要求，同时也能使空调机组以较 低的能量消耗方式运行。PID调节能满足对环境要求不高的一般 场所，但是PID调节同样存在一些不足，如控制容易产生超调， 对于工况及环境变化的适