基于能量的中央空调节能控制系统开发

【摘要】： 随着大型建筑的不断涌现和中央空调的普遍应用,建筑能耗大大增加,中央空调的能耗约占建筑能耗一半以上。目前,在大型公共建筑中中央空调传统的控制方法是采用楼宇自控系统(BAS),但是由于BAS针对各中央空调设备实行分别监控,它很难实现全局最优控制效果,很难获得最大限度的节能。因此,对中央空调进行节能研究具有重要意义。 本文在分析原有大型公共建筑中央空调节能控制不足的基础上,以中央空调全局节能为目标,提出以能量为控制参数的中央空调系统节能控制方法。从理论上阐述这种方法的节能原理,从实际应用上完成控制系统的开发,并通过实验数据分析和工程应用表明该方法有助于提高中央空调的节能效果。 首先,根据能量守恒定律,利用冷冻站的输出冷负荷和建筑物室内外的温度等数据,建立建筑物末端冷负荷的计算模型,并采用这个模型完成建筑物末端冷负荷的实时计算。提出基准冷负荷概念,分析其计算方法,并作为中央空调的节能控制参数。 其次,结合中央空调设备传统控制方法,利用建筑末端的冷负荷和动态能耗指标,实现中央空调能耗设备的单独节能控制和整体节能控制。根据冷负荷需求量和水泵变流量的传统控制方法(PID),设计冷冻水泵的控制算法,实现在满足末端冷负荷需求的要求下使冷冻站输出冷负荷最低,避免水泵超调过大和输出反复调整等现象;利用水泵变流量的数据、冷冻水路管道的蓄含冷量以及末端冷负荷需求量,完成制冷机的停机节能控制;通过制冷机COP和影响COP的相关因素,建立冷却塔和制冷机的能耗数学模型,并利用这两个模型完成冷却塔功耗与制冷机功耗整体节能的理论分析和整体最优控制算法设计。 再次,HVAC节能控制系统的研发。采用Microchip公司的微控制器作为主控单元,设计包括制冷机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机操作控制和信息采集在内的控制系统,并对控制系统进行稳定性分析和抗干扰设计。软件方面,采用嵌入式操作系统进行开发,提高系统的稳定性、可靠性和扩展性;硬件方面,包括冷冻站设备的控制,HVAC信号采集、控制柜操作检测、以太网通讯、RS485通讯、实时时钟、外部存储等。电磁干扰方面,采取数字地与模拟地的隔离、电源的频率补偿、输入信号的滤波、强电与弱电分离以及大电磁干扰元件的隔离等措施,提高硬件电路的稳定性和抗干扰能力。 最后,利用开发系统对现有中央空调的数据进行能耗分析,试验表明该方法可以实现27%的节能;研发的系统应用于实际项目中对中央空调冷冻泵进行节能控制,现场运行数据表明节能达到30%。 【关键词】：中央空调 节能 能效 冷负荷 COP 变流量
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TU831
【目录】：

• 目录4-7
• CONTENTS7-10
• 摘要10-12
• ABSTRACT12-14
• 第一章 绪论14-21
• §1.1 课题的提出14-15
• §1.2 国内外研究现状、发展动态15
• §1.3 中央空调系统的特点和问题15-16
• §1.4 空调系统的节能措施16-19
• §1.4.1 建筑设计节能17
• §1.4.2 合理降低室内温、湿度标准17
• §1.4.3 空调系统方面节能17-19
• §1.5 本课题的研究内容和意义19-21
• 第二章 冷负荷模型建立21-41
• §2.1 辐射时间序列法计算冷负荷22-26
• §2.1.1 基本假设22
• §2.1.2 计算流程22-23
• §2.1.3 表面导热得热量和辐射冷负荷的计算23-24
• §2.1.4 周期响应因子的计算24-25
• §2.1.5 辐射时间因子的计算25-26
• §2.1.6 总结26
• §2.2 基于能量守恒的末端冷负荷计算26-32
• §2.2.1 基本假设27
• §2.2.2 模型分析27-30
• §2.2.3 算法设计30-32
• §2.3 基准冷负荷32-40
• §2.3.1 基本假设33
• §2.3.2 室内空气状况的研究33-35
• §2.3.3 基准冷负荷计算35-40
• §2.3.4 误差分析40
• §2.4 总结40-41
• 第三章 基于能量的节能原理及控制算法41-62
• §3.1 中央空调能效节能指标41-46
• §3.1.1 中央空调传统节能指标41-42
• §3.1.2 能效指标提出的前提42-43
• §3.1.3 冷冻站能效的概念43-46
• §3.2 中央空调整体优化数学模型46-47
• §3.3 冷冻泵节能分析与算法47-50
• §3.3.1 冷冻泵节能分析47-49
• §3.3.2 冷冻水泵控制算法49-50
• §3.4 冷却泵节能分析与算法50-53
• §3.4.1 冷却泵节能分析50-51
• §3.4.2 冷却泵控制算法51-53
• §3.5 冷却塔与制冷机整体节能分析53-58
• §3.5.1 冷却塔数学模型53-55
• §3.5.1.1 基于机理法冷却塔模型53-54
• §3.5.1.2 基于拟合法冷却塔模型54-55
• §3.5.2 制冷机数学模型55-56
• §3.5.2.1 机理模型55
• §3.5.2.2 拟合法模型55-56
• §3.5.3 控制算法56-58
• §3.6 制冷机节能分析及控制算法58-61
• §3.6.1 节能分析58-60
• §3.6.2 控制算法60-61
• §3.6.3 制冷机关机节能注意事项61
• §3.7 小结61-62
• 第四章 控制系统的开发与测试62-85
• §4.1 控制系统的构架设计62-63
• §4.2 控制系统功能介绍63-66
• §4.3 软件设计66-74
• §4.3.1 嵌入式实时操作系统66-67
• §4.3.2 RTOS软件设计67-71
• §4.3.3 基于操作系统的控制流程设计71-74
• §4.4 硬件设计74-81
• §4.4.1 节点控制器74-78
• §4.4.2 机房服务控制器78-81
• §4.5 节能效果81-85
• §4.5.1 数据分析81-84
• §4.5.2 在工程应用中的节能效果84-85
• 第五章 总结与展望85-87
• §5.1 研究总结85-86
• §5.2 控制系统节能结果分析86
• §5.3 相关工作的展望86-87
• 附录一 MATLAB仿真源代码87-89
• 附录二 中央空调数据89-93
• 附录三 控制器实物图(一)93-94
• 附录四 控制器实物图(二)94-95
• 附录五 实验室调试图95-96
• 参考文献96-99
• 致谢99-100
• 攻读硕士期间发表的论文及参与项目100-101
• 学位论文评阅及答辩情况表101

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