毕业设计150空调系统AHU单元的优化控制

空调系统AHU单元的优化控制
摘要
一栋设有中央空调系统的楼宇建筑，其系统能耗通常占整个建筑能耗的 35 ％甚至
45 ％以上，因此对空调系统进行节能控制的研究具有极大的发展潜力和巨大的经济效益。

本文针对一栋现代化商业智能建筑进行中央空调系统的设计，整个系统采用“集中管理，分散控制”的控制方式。

根据实际情况对建筑物进行分区，不同的送风区域，分别采用定风量、变风量、风机盘管加新风机组的空调方式；空调系统的冷热源集中由动力站供给。

本文详细介绍了各个子系统的控制原理和工作过程，对于该系统中的变风量空调系统，根据系统的控制工作原理绘出了空调机组的控制方框图，原理图以及接线图。

最后，本文应用MATLAB仿真软件，以ITAE性能指标最佳为目标，采用单纯形寻优与施密斯预估补偿相结合的方法对表冷器控制回路控制器参数进行优化，并进行了MATLAB仿真，结果非常理想，达到了设计要求。

关键词：变风量，AHU ,ITAE，单纯形,优化
Optimization Control of AHU in Air Conditioning System
Abstract
Energy consumption of central air conditioning system in a building usually occupies 35% even as high as above 45% of the entire energy consumption, so the research on energy saving control of air conditioning system has tremendous potential development and huge economic benefit.
Central air conditioning system in a modern business intelligent building was designed in this paper. The whole system adopted the control method of "distributed control, centralizing supervision". According to practical circumstances, the building was divided into several different air supply zones, which adopted constant air volume system, variable air volume system and primary air fan-coil system separately. Cold and hot source were intensively supplied by the motive station. The work process and control principle of each subsystem were analyzed in detail in this paper. The control block diagram, principle diagram and wiring diagram of V A V air handling unit were drawn according to the system control work principle.
Finally, taking the ITAE performance index as optimization goal, with the MATLAB simulation software, the controller parameters of cooling coil control loop were optimized with the integrated method of simplex methed and smith predictive compensation in this article. And the MA TLAB simulation was carried out. The result was extremely ideal and met the design requirements.
Keywords: Variable Air Volume , Air Handling Unit,Simplex Method, Integrate of Time and Absolute Value Product of Error, Optimization
目录
1 绪论 (1)
1.1 国内外智能建筑发展概况 (1)
1.1.1 国外智能建筑发展状况 (1)
1.1.2 国内智能建筑的发展状况 (1)
1.2 设计的主要内容 (2)
1.3 设计的意义 (3)
2 空调系统的设计 (4)
2.1 空调系统简介 (4)
2.1.1 空调系统基本概念 (4)
2.1.2 空调系统的分类 (5)
2.2 控制系统简介 (6)
2.2.1 DCS集散控制系统简介 (6)
2.2.2 DDC自动控制系统介绍 (7)
2.3设计方案 (8)
2.3.1 DELTA控制公司简介 (8)
2.3.2 大楼系统布置 (9)
2.3.3 中央空调系统 (12)
3 空调控制各子系统原理 (14)
3.1 空调机组 (14)
3.2 新风机组 (15)
3.3 风机盘管系统 (17)
3.4 送排风系统 (18)
3.5 冷冻站 (20)
3.6 换热站 (21)
3 变风量空调系统设计 (23)
3.1 变风量空调系统简介 (23)
3.1.1 变风量系统的概念 (23)
3.1.2 变风量空调系统的特点 (23)
3.2 变风量空调机组控制原理 (25)
3.3 空调机组接线 (27)
4 ＡＨＵ送风温度控制回路MATLAB仿真 (32)
4.1 仿真软件介绍 (32)
4.2 表冷器简介 (33)
4.3 送风温度控制回路 (34)
4.4 控制器的设计与优化 (34)
4.4.1 调节器参数整定 (34)
4.4.2 调节器参数的优化方法 (37)
4.5 仿真结果分析 (45)
5 结论 (46)
参考文献 (47)
致谢 (48)
1 绪论
1.1 国内外智能建筑发展概况
1.1.1 国外智能建筑发展状况
自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，一些经济比较发达的国家先后提出了智能家居的方案。

随着科技的不断进步，“电脑、通信、建筑”三合一的智能化住宅离我们的生活越来越近。

美国得克萨斯州开发的500栋新型建筑物能够自动控制能源的消耗。

它们利用微型计算机管理包括照明、加热、取暖、制冷和空调设备等在内的全部耗能系统，确保了室内的日常供热和用电；另一方面能够储存宝贵的光能，以便阴雨天和晚间使用。

日本科技人员在东京的麻布地区修建了一座现代化的房屋，以解决如何协调天气变化的问题。

它有一个半露天式庭院，在室内的感应装置能够随时测量出天气的温度、湿度和风力等，然后将各种数据及时输送给地下的计算机系统。

后者以此为根据，控制着门窗的开闭和空调器的开关，使房间维持在住户感到最舒适的状态。

如果遇上刮风下雨的坏天气，门窗会立即自动关闭起来，而室内空调则随之开始运转。

1.1.2 国内智能建筑的发展状况
智能建筑的发展是科学技术和经济水平的综合体现，它已成为一个国家、地区和城市现代化水平的重要标志之一。

在我国步入信息社会和国内外正在加速建设信息高速公路的今天，智能建筑将成为城市中的“信息岛”或“信息单元”，它是信息社会最重要的基础设施之一。

我国智能建筑的起步较晚，直到80年代末才有较大的发展，近几年来，在北京、上海、广州等大城市，相继建起了数幢具有相当水平的智能建筑。

北京的发展大厦可谓是我国智能建筑的雏形，而后相继出现了上海的金茂大厦、青岛的中银大厦等具有相当高水平的智能大厦。

据不完全统计国内已建成的智能建筑约有一千四百栋，基本按国际标准设计、施工和管理。

当前国内的智能建
筑开始转向大型公共建筑，例如，会展中心、图书馆、体育场馆等，据国外预测，本世纪全世界的智能建筑将有一半以上在中国建成。

中国政府亦高度重视，在科研、资金和政策等方面积极地进行支持和引导，促使了智能建筑的发展。

1996年1月在上海佘山建设部召开了我国历史上第一次智能建筑设计研讨会，对我国智能建筑的发展起到了积极的推动作用。

华东建筑设计研究院编制了我国第一部智能建筑设计指导性文件——上海市《智能建筑设计标准》，并已正式实施。

中国台湾智能建筑发展较早，到1991年已建成1300栋左右，其中以台北市居多。

中国香港智能建筑建得也较早，相继出现了汇丰银行大厦、立法会大厦、中银大厦等一批智能化程度较高的智能建筑。

1.2 设计的主要内容
本文针对一栋现代化商业智能建筑，进行中央空调系统的设计，并对空调系统的AHU（即空调机组）单元进行优化设计，以达到节能的目的。

具体研究的内容如下：
(1)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；
(2)根据工程需求分析，确定系统控制功能并进行总体方案设计，给出DCS 系统结构图。

(3)用计算机绘制空调自控系统原理图，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、送排风控制原理图。

对各个系统的工作和控制原理给出详细的分析说明。

(4)对于该系统中的变风量控制部分：
①确定系统的监控点，选择传感器、执行器和控制设备；
②给出空调机组的控制方框图，并用计算机辅助设计和系统仿真方法设计其中表冷器控制回路的控制器（控制算法设计和控制器参数计算），要求以ITAE 性能指标最佳为目标，对控制器参数优化。

③用Delta公司提供的软件绘制该部分的接线图。

1.3 设计的意义
智能大厦的空调系统是一个包含了环境、建筑、机电、控制等技术的综合系统，具有设备众多、系统复杂、能耗大的特点。

一栋设有中央空调系统的楼宇建筑，其系统能耗通常占有整个建筑能耗的 35 ％甚至高达 45 ％以上，因此对空调系统进行节能控制的研究具有极大的发展潜力和巨大的经济效益。

随着现代控制技术和计算机技术的发展、成熟，空调系统的节能也得到了迅速发展，使空调系统的节能实现有了良好的建筑平台和技术平台。

众所周知，节能实际上就是探讨如何最大限度地减少能源浪费。

从使用能源的目的和方式进行划分，节能可以分成直接节能与广义节能。

直接节能指的是减少不合理的需求来节约能耗，例如白天关闭路灯。

而广义节能则是指在满足需要的前提下提高能源的利用率，从而减少能源的消耗。

对空调系统，由于控制系统的介入，无论是在直接节能还是广义节能上，帮助人们堵塞了由于管理模式或能源设计本身不合理的漏洞，加强了对设备运行控制能力，使能源更加合理、精确地消耗。

空调控制系统在全面采用最优控制、最优启停控制、焓值控制、供水系统压力控制等有效节能运行措施后，可以减少约 20 ％左右的能耗；降低能耗实际上就是减少了建筑物的运行成本，减少了设备的磨损，延长了设备的使用寿命，这对我们发展中国家来说，具有十分重要的经济与环境保护的意义。

本文对大厦表冷器进行优化控制的目的就是为了使表冷器处在一个很好的工作状态当中，以实现空调机组的节能。

可以这样说，有效地使用和发挥空调控制系统的功能，来降低能耗，保护环境，是可持续发展战略的重要实施环节。

2 空调系统的设计
2.1 空调系统简介
2.1.1 空调系统基本概念
(1)空调系统的概念：
影响室内空气环境参数的变化，主要有两个方面的原因：一是外部原因，如太阳辐射和外界气候的变化；另一方面是内部原因，如室内设备和人员的散热量、散湿量等，当室内空气参数偏离设定值时，就需要采取相应的空气调节措施和方法，使其恢复到设定值，也就是我们通常所说的空调系统。

(2)空调系统的组成
一般空调系统包含以下几个组成部分：
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室外，常称新风。

空调的进风口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，大致可分为初（粗）效过滤器、中效过滤器和高效过滤器。

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：直接接触式和表面接触式。

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利用固体吸湿剂的设备均属于这一类型。

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种类型。

④空气的输送与分配将处理好的空气均匀的输入和分配到各空调房间内，以保证其合适的温度场和速度场。

这是空调系统空气输送和分配部分的任
务，它由风机和不同形式的管道组成。

根据用途和要求的不同，有的系统只采用一台送风机，称为“单风机”系统；有的系统送风机和回风机各采用采用一台，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，而高速风道多采用圆形。

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。

自然热源指地热和太阳能。

人工热源指用煤、石油或煤气作为燃料的锅炉所产生的蒸汽和水，目前应用的最为广泛。

2.1.2 空调系统的分类
一般情况下我们根据不同的送风方式将空调系统可分为以下三类：即定风量空调系统、变风量空调系统、风机盘管加新风系统。

(1)定风量简介(Constant Air Volume，简称CAV)。

定风量系统为空调机送出的风量一定，以提供空调区域所需要的冷(暖)气。

当空调区域负荷变动时，则通过改变送风温度，来保证室内温度满足舒适性的要求。

常用的中央空调系统为AHU(空调机)与冷水管系统(FCU系统)。

这两者一般均以定风量(CAV)来供应空调区，为了应付室内部分负荷的变动， AHU定风量系统中以空调机的变温送风来处理，一般FCU系统中则以冷水阀ON／OFF控制来调节送风温度。

目前定风量空调系统有增多的趋势，这主要是由于建筑物内办公自动化（OA）和通信自动化（CA）系统的设备比较贵重，为防止空调水管结露和滴水损坏设备而采用全空气系统。

全空气送风方式，水管不进入空调房间，从而避免了一些意外发生。

(2)变风量系统(VAV)
变风量系统(Variable Air Volume，简称VAV)即是空调机(AHU或FCU)可以改变风量的系统。

常用的中央空调系统为AHU(空调机)与冷水管FCU系统。

这两者一般均以定风量(CAV)来供应空调区，为了应付室内部分负荷的变动，在AHU 定风量系统以空调机的变温送风来处理，在一般FCU系统则以冷水阀ON／OFF
控制来调节送风温度。

然而这两者在送风系统上浪费了大量能源。

因为在长期低负荷时送风机亦均执行全风量运转而耗电，这不但不易维持稳定的室内温湿度条件，也浪费大量的送风运转能源。

变风量系统就是针对送风系统耗电缺点的节能对策。

变风量系统可分为两种：一种为AHU风管系统中的空调机变风量系统(AHU—VAV系统)；一种为FCU系统中的室内风机变风量系统(FCU-VAV系统)。

AHU-VAV系统是在全风管系统中将送风温度固定，而以调节送风机送风量的方式来应付室内空调负荷的变动。

FCU-VAV系统则是将冷水供应量固定，而在室内FCU加装无段变功率控制器改变送风量，亦即改变FCU的热交换率来调节室内负荷变动。

这两种方式通过风量的调整来减少送风机的耗电量，同时也可增加热源机器的运转效率而节约热源耗电，因此可在送风及热源两方面同时获得节能效果。

(3)风机盘管加新风系统
风机盘管加新风系统属于半集中处理全部新风，然后送往各空调房间，在各房间进风处进行再处理的系统。

在建筑物内空调所需的风量全部经过新风机组集中处理，以一个恒定的温度、湿度送出，到各房间入口经过风机盘管再处理后送入房间。

风机速度和电动阀均由室内温控器控制。

风机盘管机组的风机速度分为“高、中、低”3个档；装在盘管的回水管上的电动阀，可方便地调节以改变各房间的温度。

2.2 控制系统简介
2.2.1 DCS集散控制系统简介
随着微处理器技术的发展和成本降低，集散控制系统（DCS，Distributed Control System）在20世纪八九十年代占主导地位。

其核心思想是集中管理，分散控制，即管理与控制相分离，其系统结构如图2.1所示。

集散控制系统中央站用于集中监视管理，采纳了集中型计算机控制系统监视操作集中的优点；若干台分站（现场控制站）下放分散到现场实现分布式的DDC控制，使整个系统的危险性相对分散；中央站和分站之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传输，因此，这种分布式的控制系统体系结构有利地克服了集中式数字控制系统对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。

在集中控制系统中，分布式控
制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用，遗憾的是，不同的DCS厂家
中央站
分站
4到20mA
传统的模拟仪表
图2.1 集散控制系统图
为达到垄断经营的目的而对其控制通信网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet，Internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此从该角度而言，集散控制系统是一种封闭专用的，不具有可互操作的分布式控制系统，并且DCS造价昂贵。

在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放性和降低成本的迫切要求。

2.2.2 DDC自动控制系统介绍
DDC直接数字化控制是一种简易的微电脑设备，它须与其它组件，如变频器、温度湿度传感器、焓差控制器、两通阀等组件整合搭配才能发挥功效。

这些组件的输入输出以模拟信号DC0～10V或低电流4-20mA作信号传送，送至DDC控制器。

经DDC内置软件作判别后反向输出信号来控制阀部件或变频器来调节空调。

DDC自动控制系统各周边设备及控制功能。

（1）直接数字控制(DDC)
系指一台数字电脑直接操作一个状态，或者一套程序予以自动控制的作业。

所配用的数字电脑，可以采用小型微处理机，亦可配用于中央型的微电脑上去连线作业。

空调系统常用的控制元件，例如风闸开关、阀开关、阶动继电器等的操作，不论其原为气动式还是电动式的，亦不论其作用原为调整大小的动作或仅为开或关的动作，均可改用DDC方式作自动的操作。

DDC系统利用硬件和软件来调整控制变数或依据操作人员的需要来控制制造程序。

其中控制变数包括温度、压力、相对湿度、流量等。

控制程序和设定点可利用软件输入电脑内，并能够在操作人员的键盘上进行修正，如此可以取代过去对硬件控制器的校正。

DDC系统亦可将检测到的温度、压力等控制变数，与预先储存在电脑内的希望数值相比较，如果测试的数值小于或大于所希望的数值，系统将会送出一系列的数字脉冲，这些脉冲则借助电动对气动的转换器或电动对电动的转换器转变成控制装置的调整信号，然后通过电脑的调整，其所输出的信号，再操作其转换器，使原来系气动或电动的组件按指示信号操作。

若空调的控制器件，原系气动式，则需要另加一套将气动动作变为电器信号的装置，将电器信号输入电脑操作。

原系电动操作元件者亦相同。

至于输入DDC 系统后，则不需另加任何硬件设备，即可作任何性能控制的操作。

（2）变频器
变频器驱动电动机是利用二极管等整流器件将电源予以整流后，再经由电容器等平滑，使之由交流转换成直流。

利用Power Transister、SCR(Thynstor)等将直流换成任一频率，然后以交流电方式输出。

用变频器驱动感应电动机，除可避免电动机磁气饱和外，同时亦可压制起动电流，且由于驱动电动机而产生必要的扭力矩，故必须控制变频器的输出电压，好呼应频率的变化。

变频器可分为电压形变频器和电流形变频器。

电压形变频器利用SCR或二极管整流后，可再用平滑电容器使其成为电压源。

另一方面，电流形变频器利用SCR整流后，打开电抗器，便可因SCR而具有电流源的作用。

其控制方式有电压控制和电流控制两种。

2.3设计方案
2.3.1 DELTA控制公司简介
DELTA控制公司是一家专业的楼宇自动化产品制造商，总部位于加拿大温哥华，该公司成立于1987年，主要产品包括ORCA系统及相关的外围设备，应用范围覆盖了暖通空调、照明、门禁、CCTV等领域。

ORCA的含义是开放实时控制系统（Open Real-time Control Architecture），是一个全面遵循BACnet标准的系统，其中任何控制器或软件
都是标准的BACnet产品。

ORCA系统结构采用分级式的设计，这样，无论应用在大型、复杂项目中还是小型、简单项目中，都可以保证通信的简便、高效。

同时，ORCA的这种结构又是十分灵活的，能够实现多种形式的配置。

共有4种级别的ORCA硬件：
区域级：（DSM系列）区域级控制器主要用于将广域网（WAN）分成需要的网段；
系统级：（DSC系列）系统级控制器用于将网络按建筑物进行分段。

任何一种DSC控制器都可组建相应子网实现控制。

子网级：（DAC系列）对主要的被控设备系统而言，系统级控制器是I/O控制器，如：AHU系统设备。

LINKnet级：（DFM系列）主要对子网级的设备提供I/O的扩展。

2.3.2 大楼系统布置
该现代化商业智能建筑：面积15000平方米，由地下一层和地上十五层组成。

空调系统根据不同分区的情况，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Delta Controls控制公司的系列产品为主要的参考和选择依据，进行设计。

根据设计要求，画出该大厦的Delta系统结构图如图2.2所示，总站为监控站，与国际互连网相连。

子系统又分为暖通空调系统、门禁系统、照明系统、
第图2.2 系统结构图
三方接口。

暖通空调分为三级控制器，分别为系统控制器、网络控制器和扩展模块。

(1)大楼布置
一栋商业大厦通常包含商场、餐厅、会议室、办公室、会议室、监测控制中心、客房等组成，同时考虑到冷热源集中由动力站供给等情况，大楼的布置情况如表2.1所示。

表2.1 大楼布置表
11层—15层客房
10层监测控制中心
6层—9层办公室
5层会议室
4层餐厅
1层—3层商场
地下1层冷冻站、换热站
(2)各个楼层的空调系统的选择
该楼共有16层，由地下1层和地上15层组成。

空调系统根据不同分区的情况，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，按照设计要求，我们对空调设备的选择如下：
①地下1层为冷冻站、换热站场所，除工作人员以外，人流量出入很少，空调热湿负荷比较稳定，因此我们采用定风量系统。

同时对空气的质量要求也不高，考虑到系统的节能状况，我们采用循环式系统，全部使用回风，其冷、热消耗量最省，空气品质差。

②1到3层为商场，人流量出入很大，空调负荷的变化也比较大，对空气品质要求也比较高，因此我们采用变风量系统。

同时对场地的使用面积也提出了较高的要求，因此可采用吊顶式空调，它挂在楼层的顶板下面，可以节省空间，较适合人流量比较大场合。

这里采用中央空调系统进行控制，也就是所要设计的内容。

③4层、5层为餐厅和会议室，对空气的品质要求较高，因此可采用风机盘管加新风机组的控制方式进行控制。

④6到9层为办公楼，其对空气的品质要求同餐厅和会议室，因此，也采用风机盘管加新风机组的控制方式进行控制。

⑤10层为系统的监测和控制要求，里面的设备非常贵重，同时对温湿度的要求也非常高，为防止空调水管结露和滴水损坏设备而采用全空气系统。

全空气送风方式，水管不进入空调房间，从而避免了一些意外发生。

在此我们采用
定风量系统。

⑥11到15层为客房，其对空气的品质要求同餐厅和会议室，要求非常高，也正因为如此，才对房间温度的微调提出了要求，因此采用风机盘管加新风机组可以满足用户不同品质的需求。

每层按30个房间进行设计。

(3)通风系统
排风烟机为双速风机，低速用于空调排风，高速用于消防排烟。

由消防控制系统控制其转换。

正压风机用于消防排风，由消防系统控制。

①监测内容
1)自动检测排风排烟机启停状态;
2)自动检测排风排烟机故障状态;
3)自动检测正压风机的启停状态;
4)自动检测正压风机的故障状态;
②控制与管理
控制排风排烟机的启停。

2.3.3 中央空调系统
（1）中央空调系统简介
按照空气处理设备的设置情况，空气调节系统可分为集中系统、半集中系统和全分散系统（中央空调系统则属于集中系统，因此在此只介绍集中系统）。

集中系统的所有空气处理设备（包括风机、表冷器、加热器、加湿器和过滤器等）都设在一个集中的空调房间内。

经集中处理后的空气，用风道分送到各空调房间。

因而系统便于集中管理和维护。

在建筑物中，一般采用集中式空调系统，通常称之为中央空调系统。

对空气的处理集中在专用的机房内，有处理空气用的冷源和热源，也有专门的冷冻站和锅炉房。

按照所处理的空气来源，集中式中央空调系统可分为循环式空调、直流式系统和混合式系统。

循环式系统的新风量为零，全部使用回风，其冷、热消耗。