别墅智能空调系统设计方案.docx

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别墅智能空调系统设计方案

漳州职业技术学院

计算机系2014级工程项目训练

别墅智能空调系统设计方案

班级：

2014级楼宇智能化工程技术

姓名：

***

学号：

**********

指导老师：

***

2016年05月19日

项目背景

随着生活水平的提高，人们的住房条件不断得到改善，大面积多居室的单元房、复式住宅、别墅群和高档商住楼大量建造。

而对于别墅，人们在其智能化及节能环保方面提出了更高的要求。

根据使用需要，同时结合《全国智能化住宅小区智能化技术示范工程建设工作大纲》的要求，智能化住宅建筑的智能化系统一般分为四大系统，即智能化安防系统、家庭多媒体系统、信息通信系统及家居智能化系统。

别墅的家居智能化系统主要承担暖通与空调控制、照明控制、遮阳系统控制（电动窗帘、电动百叶、电动门等的智能控制）、远程控制（现场遥控、远程电话及Internet控制等）以及特定场景控制，控制区域覆盖别墅内所有空间。

暖通与空调控制系统是别墅家居智能化系统最重要的组成部分之一，其对空气参数的调节、控制效果是人们衡量家居舒适度的主要标准。

目前别墅中采用的暖通与空调控制系统的形式和控制方法因建筑实际情况的差异各有不同。

1.中央空调智能控制系统

1.1中央空调系统与冷热源关系

中央空调系统由冷热源系统和空气调节系统组成。

制冷系统为空气调节系统提供所需冷量，用以抵消室内环境的冷负荷；制热系统为空气调节系统提供用以抵消室内环境热负荷的热量。

制冷系统是中央空调系统至关重要的部分，其采用种类、运行方式、结构形式等直接影响了中央空调系统在运行中的经济性、高效性、合理性。

1.2中央空调控制系统

中央空调系统一般由冷热源和末端设备组成。

目前应用于别墅的中央空调系统冷热源一般有三种形式：

集中供冷供热管网、独立冷水机组，以及锅炉或独立的地源热泵。

系统末端一般都采用风机盘管、地暖或毛细辐射.

1.3中央空调系统工作原理

室外的制冷（热）机组对冷（热）媒水进行制冷降温（或加热升温），然后水泵将降温后的冷（热）媒水输送到安装在室内的风机盘管机组或毛细辐射中，风机盘管机组采取就地回风的方式与室内空气进行热交换，实现对室内空气进行处理的目的。

1.4智能空调控制系统定义

智能空调控制系统，主要针对中央空调的中央部分——冷源系统实现自控，它利用了现代网络技术，计算机技术，通讯技术，图形技术，图形显示技术和控制技术，实施智能控制的中央空调冷源系统，包括制冷机组、冷冻泵和冷却塔等设备，起能耗占整个中央空调系统能耗的50%以上，实践证明，多台机组联合运行时，依靠传统的人工操作会造成电能的巨大浪费。

1.5智能群控

目前，市场主要采用智能群控，运用专门的直接数字控制器DDC与冷水机控制单元通讯，根据负荷相应地改变启停台数实现群控，辅机如冷却水泵，冷却塔，冷冻水泵等也由同一控制器控制，

2.用户需求

中央空调是楼宇里的耗电大户，每年的电费中空调耗电占40～60％左右，因此中央空调的节能改造显得尤为重要。

由于设计时，中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，并且留10-20％设计余量。

但实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下的，存在较大的富余。

中央空调系统冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化做出相应调节，存在很大的浪费。

因此，通过引进先进的中央空调节能技术及设备，可以大幅度降低酒店的能源消耗，创造显著的经济效益。

最终实现20％以上的综合节能，降低中央空调能耗，降低用电成本。

3.总体设计

3.1设计目标

3.1.1实现显著的节能效果

根据对空调系统负荷变化的跟踪，系统自动调节水泵和冷却塔风机的转速，并动态修正系统的运行参数，对空调水系统进行全面优化，水泵和风机平均节能60%～80%的节能效果。

3.1.2自动控制

系统对冷/热水流量和供回水温差、对冷却水进出水温差，进行自动调节和优化，对制冷主机采取多种安全保护措施，既实现全系统自动节能运行，又实现系统安全可靠运行。

3.1.3系统技术指标

系统满足以下技术参数要求：

◆工作环境温度0℃～40℃

◆相对湿度≤90%（20℃）,无凝露

◆安装使用地点的海拔高度≤1000m

◆输入电源频率50Hz

◆输出频率（控制柜）0Hz～50Hz

◆输入电源电压三相AC380V±38V

◆输出电压（控制柜）三相AC0V～380V

◆控制柜防护等级IP20

◆操作方式自动、手动

3.2设计依据

本系统的设计严格按照下述标准规范执行：

（1）ISO/IEC11801-95信息技术互连国际标准

（2）GBJ93－86工业自动化仪表工程施工及验收规范

（3）GBJ42-1981工业企业通信设计规范

（4）GBJ232-92电气装置安装工程施工及验收规范

（5）GBJ19-2001中国采暖通风与空气调节设计规范

（6）GBJ15-1989中国室内给水排水热水供应设计规范

3.3设计原则

为实现上述设计目标，本设计提出并遵循以下的设计原则：

3.3.1标准化原则

严格贯彻国家有关的标准或工业标准，以实现系统的标准化，以保障系统的兼容性、可维护性与可扩展性。

3.3.2实用性原则

依据用户需求进行功能、性能设计，充分满足用户的需求，功能实用。

3.3.3先进性原则

系统采用的技术设施一定要有先进性或超前性。

系统设计在满足功能的实用性和满足用户现有需求的前提下,同时考虑技术上的先进性，以避免在短期内因技术陈旧而造成整个系统性能不高或过早淘汰。

3.3.4安全性原则

确保中央空调系统设备的运行安全，是系统设计中最重要的原则。

设备的自动控制和节能固然重要，但安全应是第一位的。

3.3.5可靠性原则

可靠性是工程设计的基本准则。

系统应能满足使用环境条件的要求，能长期稳定可靠地运行。

系统的各项资源包括材料、器件、设备等硬件的可靠性要高。

为了系统运行的稳定与可靠，系统选用的设备和器材必须成熟，具有极高的安全性、可靠性和容错性。

3.3.6经济性原则

在实现系统先进性的基础上，同时做到经济上的优化设计、合理配置、精心安排，使有限的投资发挥最大的效用，并力求系统在投运后获得最佳的节能效果，使中央空调系统在整个运行生命周期获得最佳的性能/价格比。

4.详细设计

中央空调系统节能环保、节约空间、舒适性好，得到了越来越多用户的青睐，但是成本相对较高。

以冷水机组为冷热源的中央空调系统可采用通用楼控解决方案，使用直接数字控制器进行控制;以锅炉或地源热泵为冷热源的中央空调系统自身一般带有独立控制系统，如需实现智能化系统集成平台下的连锁控制则需通过网关实现对空调机组的全面管理，同时实施远程监控。

4.1温控器分控方式

该系统末端风机盘管或毛细辐射可借助温控器实现居住者对环境温度的控制，控制方式相对比较灵活。

温控器依据设定的工作状态、风速、温度以及当前的环境温度控制中央空调末端风机及电动水阀的开关，配合人性化的液晶面板和操作按钮，可使居住者方便地设置和控制各个区域的温度。

为了满足居住者在别墅任意位置都可以控制所有区域温度的需求，可使用联网型温控器构建温控器网络。

在这样的网络中，上位机可以实时读取和改变温控器的状态，温控器之间可以实现群控。

4.2温控器集散控制系统

每温控器通过总线连接在集中器（温控器网关）上，进而联入楼宇自控系统中。

整个网络系统采用集散式结构，现场控制域内的总线通信为无主式的点对点同层通信;结构直观简单，使用快捷方便。

该网络系统采用模块式设计，与软件配合使用，开放性好，可靠性高，节能效果突出。

4.2.1温控器选用建议

1.一体化话温控器，将地暖和风机盘管;毛细辐射和风机盘管设计一体化温控器，进行现场控制，方便用户使用，不会因为开错温控器造成其他使用麻烦。

同时可以拓展其他信号接入口，进行连锁控制。

2.温控器的制冷制热采用分背光色显示，制冷采用冷色调光，制热采用热色调光，通风一种中性光，方便客户在夜间的使用。

温控器颜色和安装要和家庭装修保持一致，方便维护和安装

3.短信远程操作：

将GSMModem通过RS-485接入温控器联网系统，从而使居住者在回家之前就可以根据自己的需要发送短信设置房间温度。

4.3红外控制系统

4.3.1红外控制系统原理

红外信号发挥作用的基本前提条件是使红外光在红外传感器和空调之间传输信号，红外光位于电磁频道的不可见部分，红外控制就是利用波长为0.78～1.4μm之间的近红外线来传送控制信号的，如图所示。

4.3.2红外控制系统方式

红外控制主要由发送和接收两个部分组成。

目前大部分家电均采用红外一体化接收头来接收红外信号。

系统发送端采用MSP430单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列脉冲串信号，通过红外发射管发送红外信号;由空调内置的红外一体化接收头接收红外信号，同时对信号进行放大、检波、整形得到TTL电平的编码信号，再送给单片机，经单片机解码并作出相关应答。

发送和接收示意图如图所示。

4.4蓝牙控制系统

蓝牙是一种低功耗的无线技术，蓝牙技术的设计初衷是将智能移动电话与笔记本电脑、掌上电脑以及各种数字信息的外部设备用无线方式连接起来，取代PC、打印机、传真机和移动电话等设备上的有线接口，进而形成一种个人网络，使得在可达范围内各种信息化的移动便携设备都能无缝地共享资源。

蓝牙具有较强的移动性，可应用于多种通信场合。

蓝牙无线传输通过RF（2.4GHz）载波进行，功耗低，传输速度快，可同时连接多个系统。

采用蓝牙技术无需设置，只要两个蓝牙设备互相进入无线电平所允许的连接范围内，蓝牙协议就会自动扫描检测，实现连接，进行信息交换。

系统所采用的蓝牙设备分别是蓝牙模块和手机，其中蓝牙模块采用3.4V电源供电，两者连接后，在一定距离内手机可通过蓝牙串口软件向蓝牙模块发射信号，通过单片机解析，进而实现控制空调。

4.5冷却水智能控制系统

冷却水智能控制系统设置KTC·LQG-37-11GZ型冷却水控制柜1台，实现对3台37kW冷却水泵（一用两备）变频调速控制。

冷却水控制柜经通信电缆与智能控制器连接。

于主机冷却水进、出水总管上安装水温传感器3T、4T，每只水温传感器经传输导线与智能控制器连接。

在智能控制器面板上设置了冷却水自动运行开关和手动运行开关。

选择手动运行模式时，可在智能控制器面板上进行冷却水泵的起、停、调速等操作。

当选择自动运行模式时，由智能控制器自动控制冷却水泵的起、停并对冷却水泵的转速进行调节。

冷却水泵电动机采用软起动（从0Hz升至设定低限频率值约20秒），起动信号由智能控制器向对应变频器发出，冷却水泵起动后，按照智能控制器输出的控制参数值，自动调节各冷却水泵变频器的输出频率，控制冷却水泵的转速，动态调节冷却水的流量，使冷却水的进、出口温度逼近智能控制器给定的最优值，从而保证中央空调主机随时处于最佳转换效率状态下运行。

以实现冷却水泵和空调主机在最佳工况下节能运行。

由于智能控制器设定了冷却水泵的最低运行频率（设定低限频率值为大于中央空调主机冷却水容许最低流量时对应的水泵运行频率），故确保了中央空调主机冷却水的安全运行。

当冷却水系统运行水泵出现故障时，系统将给出报警信号。

机组运行时，如果冷却水出水温度超过高限温度，系统送出报警信号并采取相应的保护措施。

本系统设置有冷却水高、低限频率限制和冷却水高温保护等功能，以保证空调主机的安全运行。

当智能控制器接收到关机指令后，将自动转入软关机操作程序，对冷却水泵实施软关机。

5.智能中央空调冷热源系统

5.1冷热源系统

冷热源系统一般由冷热水机组组成，一般冷热源用直燃吸收式冷热水机组，该机组的输送介质通常为水或乙二醇溶液。

它通过室外主机产生出空调冷热水，由管路系统输送至室内的各末端装置，在末端装置处冷热水与室内空气进行热量交换，产生出冷热风，从而消除房间空调负荷。

它是一种集中产生冷热量，但分散处理各房间的空调系统形式。

该系统的室内末端装置通常为风机盘管。

目前风机盘管一般均可以调节其风机转速（或通过旁通阀调节经过盘管的水量），从而调节送入室内的冷热量，因此该系统可以对每个空调房间进行单独调节，满足各个房间不同的空调要求，同时其节能性也较好。

此外，由于冷热水机组的输配系统所占空间很小，因此一般不受作宅层高的限制。

但此种系统一般难以引进新风对于通常密闭的空调房间而言，其舒适性较差。

直燃吸收式冷热水机组有高/低压发生器、高/低压换热器、冷凝器、蒸发器、冷剂水泵、溶液泵、控制设备等主要设备组成。

工作原理分为制冷循环、供热循环和卫生热水循环三个不同方式

在空调供热循环中，蒸发器用作冷水起，通过阀门的切换时高压发生器产生的冷凝水蒸汽直接进入蒸发器与热水进行热交换后变为冷剂水进入吸收器，高压发生器产生的中间溶液流入吸收器中，吸收由蒸发器来的放热后的冷剂水而成为稀溶液，通过溶液泵重新送入高压发生器中，完成了一个供热循环过程，这一过程中，冷剂水泵停止运行。

5.2热源

.空调热源有两种：

蒸汽和热水

5.2.1蒸汽

蒸汽热值比较高，载热能力大，且不需要输送设备（只靠自身的压力既可送至用户的空调机组之中）。

其汽化潜热在2200kj/kg左右（随蒸汽压力的不同省略有区别），占使用的蒸汽热量的95%以上。

采用蒸汽做为空调热原的工程中，通常都采用表压为0.2Mpa以下的蒸汽。

当凝结水回水较为通畅时。

可以采用背压回水，反之，则使用凝结水泵。

另外，如果蒸汽压力过高，也限制了换热器的使用类型。

5.2.2热水

热水在使用的安全性方面比蒸汽优越，与空调冷水的性质基本相同，传热比较稳定。

在空调机组中，采用冷、热盘管合用的方式（亦即人们常说的两管制），以减少机组及系统的造价，热水能较好地满足此种方式，而蒸汽盘管通常不能与冷水盘管合用，再一点就是热水使用时，不用那么多附件，让维护运行带来了方便。

5.3.冷源

空调冷源包括天然冷源和人工冷源。

5.3.1天然冷源

天然冷源利用自然界存在的冰、深井水等来制冷；

5.3.2人工冷源

人工冷源应用现代制冷技术来制冷。

5.4中央空调系统冷热源选取

5.4.1空调冷热元概省略比较表

5.4.2“蒸汽溴化锂吸收式机组”加“换热器”

大型商场、办公楼建议用“蒸汽溴化锂吸收式机组”加“换热器”，它夏季利用热电厂送来的蒸汽，通过溴化锂吸收式机组进行制冷，冬季通过换热器将蒸汽转换成60℃热水，供空调器使用。

也可直接用溴化锂机供暖。

5.4.2.1“蒸汽溴化锂吸收式机组”加“换热器”优点

（1）可以减少环境污染，防止臭氧层破坏，减轻温室效应。

（2）合理使用能源，削减夏季电力高峰，不受缺电拉闸影响，还可减省电力贴费和减少变配电所投资。

（3）溴化锂机组在低压下运行，比较安全。

（4）除屏蔽泵外，没有其他运动部件，噪声为70-80dB（A），同时不必作防振基础，安装简单。

（5）制冷量可在20％～100％的范围内进行无级调节，有利于部分负荷时的运行调节。

（6）可以充分利用余热、废热等低位热能。

（7）必要时可以安装在屋顶或室外，节省机房面积。

5.4.2.2“蒸汽溴化锂吸收式机组”加“换热器”缺点

（1）与电动机组相比，溴化锂吸收式机组节电不节能，热力系数低，一次能耗蒸汽型为电动冷水机组的2倍。

（2）与离心式、螺杆式制冷机相比，占地面积大，机房高度高，设备重量大。

（3）排热量大，冷却塔和冷却水系统容量大。

（4）机组气密性要求很高，只要逸入少量空气就会破坏真空度，导致机组性能大幅下降。

但近几年我国几家大厂的产品已基本解决了这个问题。

（5）溴化锂水溶液对碳钢的耐蚀性较强，因此做好钢板防腐蚀的处理和提高缓蚀剂性能是十分重要的。

5.4.3房间空调器

房间空调器适合家庭使用，属分散式空调系统，舒适健康条件差，适合住宅家用，办公楼在建设经费紧张时也可考虑采用。

5.4.3.1房间空调器优点

（1）初投资最低，这是因为房间空调器的市场竞争激烈，售价特低。

（2）运行费最低，每个房间可以独立操作，用则开，不用则关。

（3）便于分户计量，分户控制，分户安装。

任一台有故障不会影响其他用户。

（4）采用变频型，可快速启动，室温稳定。

（5）作为传统中央空调系统的补充，对某些常加班房间加装房间空调器。

5.4.3.2房间空调器缺点

（1）由于没有新风系统，只能开窗换气，卫生条件差。

（2）室外机影响建筑立面美观。

（3）气流组织不均衡，影响舒适性。

（4）冬季供热条件差。

（5）冷凝水滴水影响。

（6）室外机有可能下机排热影响上机的使用（青蛙跳现象）。

6.中央空调风机点位设计

6.1风口的布置

风机盘管加新风系统的送风口根据送风管尺寸新风量和风机盘管风量之和选择合适的双层百叶送风口（45度角），同时也要考虑送风距离、送风速度的影响。

新风送风口选择双层百叶风口。

6.1.1新风入口注意事项

6.1.1.1新风进口位置

采用独立的新风系统，因此只须考虑风机盘管机组配置合理；布置时应尽量使排风口与进风口远离，进风口应尽量放在排风口的上风侧；为避免吸入室外地面灰尘，进风口底部应距地面不宜低于2m。

6.1.1.2新风口其他要求

进风口应设百叶窗，以防雨水进入，百叶窗应采用固定的百叶窗，在多雨地区，宜采用防水的百叶窗。

6.2风道的布置和制作要求

风管应注意布置整齐，美观和便于维修、测试，应与其他管道统一考虑，要防止冷热源管道之间的不利影响，设计时应考虑各管道的装拆方便。

6.2.1风道的布置注意事项

（1）由于存在新风管道和排风管道的叠加，故新、排风管均采用底齐式，在叠加出新、排风管道之间距离应至少相距100mm，便于新风风管的安装。

（2）由于风管处于室内，所以新风管外层应包25mm保温层即可，以防止经新风机处理后的新风吸收外界热量升温。

（3）风管布置应尽量减少局部阻力。

（4）风管法兰间应放置具有弹性的垫片，如海绵橡胶、橡皮等，以防止漏风，风管与风管之间不应有看得见的孔洞。

（5）风管涂漆。

本系统设计时选用镀锌薄板钢板，可以不涂漆，但咬口损坏处要涂漆，施工时已发现锈蚀时要涂漆。

6.3新风机组进气口设有电动风阀和止逆阀

（1）电动风阀设于新风机入口前，与新风机联动，作用在于当冬季新风机内盘管温度低于保护温度而导致停机时可以联动闭合风管。

（2）止逆阀的作用：

防止气流倒流，类似于水系统中的单向阀。

7.系统特点

7.1技术先进，具有智能控制功能

系统采用具有智能控制功能，可以进行类似人脑的知识处理和推理的先进的模糊控制技术，使系统具有优化控制功能，可以根据中央空调运行环境及负荷的变化择优选择最佳的运行参量和控制方案。

7.1.1智能控制器自动控制

中央空调冷/热水泵、冷却水泵的启动、停止；

系统循环介质（冷/热水、冷却水）流量和温度的优化控制。

7.1.2动态负荷跟随，实现高效节能

系统突破了传统中央空调冷媒系统的运行方式，实现空调系统负荷的跟随性，实现空调系统运行参数的动态调整，既确保中央空调系统的舒适性，又实现最大的节能。

7.2系统主要功能

7.2.1系统预加压功能

空调主机开机后，冷/热水泵在系统软件规定的时间内先在允许的最高频率运行，使其至少完成一个水循环周期，在系统软件规定的时间内再降至系统设置的最低频率运行，然后再进入系统自动调节模式，以保证空调管路中无气阻现象。

7.2.2冷水供水低温保护

当空调主机冷水供水温度低于设定的下限值时，冷水泵应立即进入低温保护运行模式，快速提高冷水供水温度，直至温度值不低于设定的下限值为止，以保障空调主机蒸发器不致因温度过低而冻管。

7.2.3冷却水出水高温保护

当空调主机冷却水的出水温度高于其设定的上限值时，系统应自动采取措施，降低冷却水的出水温度，直到冷却水出水温度低于设定的上限值为止，以保障主机冷凝器的热交换效率。

7.2.4变频切换

当控制系统需要切换到工频运行或变频器出现故障后，为了保证空调系统的正常使用，本装置中设置有一套经电气互锁的工/变频转换装置。

当需作能耗比较测试或变频器因故障短时间内不能恢复且又不能及时置换时，可方便快捷地切换为原工频状态运行。

7.2.5操作按钮的自保护功能

本控制系统运行时，面板上的有关按钮等进入保护状态。

以防人员误操作引入故障。

其中：

1）通电前设置工作水泵，通电后水泵选择旋钮屏蔽；

2）自动运行时，手动操作按钮、工变频选择开关屏蔽；

3）手动变频运行时，自动启停按钮软件屏蔽；

1）变频运行时，工频控制屏蔽；

5）工频运行时，自动运行功能屏蔽等。