中央空调控制系统设计报告.docx
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中央空调控制系统设计报告
课程设计报告
课程名称：
楼宇自动化课程设计
题目名称：
准格尔旗卫生局中央空调控制系统设计
年级专业及班级：
2008级智能01班
姓名：
学号：
081305134
指导教师：
陈虹曹晴峰靳宏
评定成绩：
教师评语：
指导老师签名：
2012年01月12日
扬州大学能源与动力工程学院楼宇自动化课程设计任务书
一、目的和要求
目的：
通过本次设计使学生在学习《楼宇自动化技术与应用》课程的基础上，能够运用计算机控制技术、网络技术和其他相关的基本理论和方法完成楼宇自动化控制系统设计的方案设计；进行测点的的选定；设备选型；施工图设计，了解系统设计的全过程。
能达到系统的巩固所学的理论知识与专业知识，并扩大知识面，使理论联系实际。
在指导教师的指导下能独立解决有关工程的系统方案设计、测点确定、设备选型和施工图设计问题，从而表现出有一定的科学性与创造性，提高设计、绘图、综合分析问题与解决问题的能力。
要求：
学生应严格按照指导老师的安排有组织、有秩序地进行本次设计。
先经过老师辅导、答疑以后，学生自行进行设计，完成主要工作以后，在规定的时间内再进行解疑、审图后，每位学生必须将全部设计图纸外加说明书和封面装订成册。
二、设计条件
在《楼宇自动化技术与应用》、《计算机控制技术与应用》课程学习的基础上，进行楼宇自动化控制系统设计或中央空调自动控制系统方案的设计，并完成控制系统施工图设计和方案说明。
三、设计内容及图纸要求
用计算机按电气制图标准规定绘制A3图纸，完成下列内容：
1.空调控制系统图（或其他控制系统图）；
2.中央空调控制系统拓扑结构图（或其他控制系统图）（或其他控制系统图）；
3.测点一览表；
4.DDC直接数字控制器、控制系统所用到的设备、检测仪表和执行机构选型；
5.课程设计报告。
目录
1绪论……………………….……………………………….……………………………3
1.1工程概况………………………….…………....………………………………………3
1.2工程意义……………………………………………………………………………4
1.3设计要求……………………………………………….………………………………….5
1.4设计依据………………………………………………………..……………………5
2.中央空调一般控制系统方案综述…………………………..……………………..………6
3.风机盘管加新风空调系统综述………….……….……..…….………………....…….…..7
4.定风量空调控制系统设计………..….………………………………………………8
4.1系统的总体设计……………..……….…………………………………………………8
4.2冷热源、冷热水控制、监测系统设计…….….…...……………………………………10
4.3新风机组、中央空调机组的控制系统设计………….…….…………………………12
4.4定风量空调控制及监测原理图………..……..………………………………………15
4.5风机盘管的控制系统设计………………...………………………………………15
4.6测点一览表………………………………………………………………………………16
5.设备选型…………………………………………………………………………17
6.中央空调控制系统拓扑结构图…………………………………..………………20
7.个人总结……………………………………………………………………………21
主要参考文献…………………………………………………………..…………………21
附录课程设计图纸
1.绪论
1.1工程概况
准格尔卫生局位于内蒙古自治区伊克邵盟准格尔旗忔堵镇。
本次设计为1栋办公楼，占地面积约70亩。
地上5层，首层为架空层，其功能为车库、设备及电气用房;1至4层均为办公、会议室等。
在暖通空调负荷计算之前，按照《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005的要求，配合建筑专业对建筑围护结构热工进行了详细计算。
通过计算使建筑热工设计满足节能标准的要求，为暖通空调节能设计奠定基础。
执行要求
总体要求：
空调主机设备、终端及机房设备的设计、制造、检验、运输、调试、运行、卫生、验收需符合国家最新标准。
《公共建筑节能设计标准》GB50189－2005
《地源热泵系统工程技术规范》GB50019－2005
空调负荷计算
以建筑热工计算的围护结构热工性能参数为基础，根据《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005第5.1.1条的规定，对该建筑的冷热负荷进行了计算。
暖通空调系统及方式
基于以上负荷计算，通过对建筑性质的分析和各方面综合比较，本工程空调系统采用了以下形式:
1、办公、会议、走廊等公共场所采用风机盘管加新风系统。
2、车库采用采暖系统，设平时通风和火灾时排烟系统。
3、变配电室、消防控制室等采用了带独立冷热源的分体空调器。
考虑《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005要求
以上系统方案和方式，充分考虑了《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005的要求，具体体现在以下方面：
1、按使用时间和用途划分空调分区，充分利用室外自然环境降温。
2、风机盘管的供回水支管均设电动调节两通阀及三速开关，可根据室温自动控制进出风机盘管的水量。
3、新风系统均采用了旁通型新风换气热回收系统。
在过渡季节采用直流方式通风，即节能又可提高室内空气品质;在冬夏季空调季节可回收排风中的冷、热量。
回收效率不低于70%。
4、高大空间采用分层空调方式，仅对空调高度区域送风;大空间采用全空气空调方式，过渡季节采用全新风。
5、车库内的排风机均采用双速风机，并且采用了多系统、小风量的设计方案，以便于根据停放车辆的多少，决定风机的转速和台数，以实现节能。
空调冷热源及水系统
1、本工程六栋楼设集中冷热源机房，为各单体建筑提供空调冷热源。
通过各种方案的综合比较，最终选择采用2台制冷量为232KW的螺杆式冷水机组，满足各个建筑夏季冷负荷的要求。
冬季热源由城市集中供热管网提供0.6MPa的高压蒸汽，经4台2700KW的换热器换热后提供。
2、空调水系统采用两管制二级泵变流量冷、热水系统。
夏季冷冻水供回水温为5/12℃，冷却水进出水温为32/37℃，冬季二次空调水温为5/12℃。
3、以上空调冷热源及水系统设备和方案的选择也充分体现了《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005的要求，具体表现为:
1）冬季热源由城市供热管网提供，满足《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005对热源优选的要求。
2）螺杆式冷水机组设备的制冷系数（CPO）满足《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005的要求。
3）冷却塔采用变频型，其电机的功率消耗随着制冷机组的负荷及环境温度的变化自动调节，从而达到节能效果。
另一方面，进塔的风量绝大部分时间在低于设计值状态下运行，使冷却塔的蒸发损失随着降低，飘逸损失也会减少。
4）空调水系统采用分环路二级泵变流量形式，二级泵采用变频电机，并且根据系统阻力的不同选用二级泵，提高了水泵的输送系数。
5）换热器一次水供水管设电动阀，冷水机组供回水管道上设置电动两通阀，使系统总水量随负荷变化而变化。
1.2工程意义
我国20世纪60年代中期至70年代，由于片面的强调降低基本建设的造价和减轻结构自重，导致一再削弱维护结构的保温隔热水平，采暖和空调能耗大，经济和社会效益都很差。
现我国建筑用能已接近全国能源消费总量的1/3。
就目前中国居民的消费水平和消费习惯而言，居住建筑能耗与公共建筑或国外居住建筑相比是非常少的。
居住建筑提倡节能设计，目的是提高人们生活的舒适性。
而公共建筑提倡节能设计才是建立集约型社会的关键环节。
公共建筑分为以下几类：
办公建筑（写字楼、政府部门办公楼），商业建筑（商场、金融建筑）,旅游建筑（旅馆、娱乐场所），科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗、卫生、体育），通信建筑（邮电、通讯、广播）以及交通运输（机场、车站等）。
有数据显示：
就政府部门办公楼每年所消耗能量相当于全国八亿农民全年全部的能耗：
办公室里夏天穿毛衣御寒、冬天衬衣短袖解署、白天亮灯办公、热水机饮水机下班后没人关。
现在全球范围内已开始能源紧张，尤以中国较为严重，随着中国经济的高速发展,对能源的使用和节约就更加迫切了。
准格尔旗卫生局中央空调控制系统设计，是节能要求中应首先引起重视的建筑类型。
本次设计从建筑热工计算入手，在暖通空调节能方面做了多方面努力，使本次工程设计满足了节能50%这一节能目标。
1.3设计要求
1）设备保证是符合中华人民共和国最新执行标准，须为国内外知名品牌并通过国家、行业检测中心检测合格的设备。
2）产品及其所有零部件应是技术先进、设计正确、结构合理、安全可靠、节省能源、遵守机械、电器及建筑方面的通用技术要求，维护方便。
制造产品的材料应具有足够的强度和合适的性能，且为原厂生产，并有该厂商标。
产品必须是最新制造生产，不得有生锈、陈旧、过时的配件。
1.4设计依据
《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005
1.4.1选配空气过滤器时，应符合下列要求：
1．粗效过滤器的初阻力小于或等于50Pa（粒径大于或等于5.0μm，效率：
80％>E≥20%）；终阻力小于或等于100Pa；
2．中效过滤器的初阻力小于或等于80Pa（粒径大于或等于1.0μm，效率：
70％>E≥20％）；终阻力小于或等于160Pa；
3．全空气空气调节系统的过滤器，应能满足全新风运行的需要。
1.4.2空气调节风系统（包括空气调节机组）应满足下列基本控制要求：
1．空气温、湿度的监测和控制；
2．采用定风量全空气空气调节系统时，宜采用变新风比焓值控制方式；
3．采用变风量系统时，风机宜采用变速控制方式；
4．设备运行状态的监测及故障报警；
5．需要时，设置盘管防冻保护；
6．过滤器超压报警或显示。
2．中央空调定风量控制系统方案综述
中央空调系统的所有空气处理设备（包括风机、冷却器、加热器、加湿器、过滤器等）都设在一个空调集中的空调机房内，其特点是，经集中设备处理后的空气，通过风道分送到各空调房间。
主要包括以下几个部分:
（1）进风部分
（2）空气过滤部分（3）空气的热湿处理部分（4）空气输送和分配部分（5）冷热源部分
全空气系统分为定风量和变风量两种。
变风量空调系统简称VAV系统（VariableAirVolumeSystem），它根据被控区域空调负荷的变化及室内要求参数的改变，自动调节空调系统的送风量，从而保证室内参数达到要求。
对于一个风系统服务于多个房间时，采用变风量空调系统可以使每个房间的变风量末端装置随该房间温度的变化自动控制送风量，使得空调房间过冷或过热现象得以消除，也使能量得以合理利用。
该工程采用中央空调定风量控制系统。
定风量CAV（ConstantAirVolume）系统是指当室内空气余热Q值发生变化而又需要使室内温度保持不变时，可将送风量固定，而改变送风温度的控制的系统。
定风量控制系统的原理是：
通过改变送风温度来满足室内冷（热）负荷变化。
若向室内吹冷风，送入室内的冷量是：
Q＝cρL（tn－ts）式中，c是空气的比热容；ρ是空气密度；L是送风量；tn是室内温度，ts是送风温度；吸收（或送入）室内的热流量。
风机以恒速运行，从而保持风量的恒定，仅通过改变送风温度来进行空气的温度调节
根据空气处理设备的集中程度，空调系统分为:
集中式空调系统，半集中式空调系统和分散式空调系统；集中式是指所有的空气处理设备均设在一个集中的空调机房内。
半集中式除了集中空调机房（主要处理室外新风）外，还包括分散放在空调房间内的二次设备，其中多半设有冷热交换装置，如风机盘管等。
全分散式没有集中空调机房，而是完全采用组合式设备向各房间进行空调，自带制冷机组的空调机组方式就属于这一类，如各房间的空调器等。
集中式和半集中式也可通称为中央空调，而全分散式系统也称为局部空调。
集中式、半集中式空调系统和全分散式空调系统相比，具有以下优点：
空调效果好；可送新风，保证室内空气新鲜度；投资低；运行管理方便，运行费用低；故障少，便于维修；设备寿命长；噪声小；宜于装饰配合，达到现代建筑要求的高档、舒适和美观的目的。
根据上述系统特点，本系统选用集中式空调系统。
3.风机盘管加新风空调系统综述
风机盘管加新风系统是空气-水系统的一种主要形式，也是我国目前多层或高层民用建筑中的最为普遍的一种空调方式，它以投资少，占用空间小和使用灵活等优点广泛应用于各建筑之中。
3.1风机盘管加新风空调系统的特点
3.1.1与直流系统相比，节省能源。
此系统中，新风只是保证卫生间标准为基础，不承担空调器符合，因此新风负荷相对较小，处理新风所需的冷热量也相对小。
实际上，这一系统对冷热源的消耗在设计上与新风量相同的与一次回风系统是完全相同的。
3.1.2与集中式空调相比，可进行局部区域的温度控制。
首先，各房间在各自不同的温度要求下使用，因而使用更灵活。
第二，当部分房间符合变小时，其供热量可随自动控制而减小。
3.1.3可节省整个大楼的空调系统的电器安装容量。
风机盘管属于全水系统那个范畴，冷热水送至使用房间。
由于水的比热远大于空气，因此输送同样的冷热量至同一地点时，通常用水管输送的时的能耗小于用风管输送的能耗。
系统在设计下的输送能耗采用风机盘管加新风系统也将小于全空气空调系统。
3.1.4由于风机盘管的体积小，结构紧凑，因此布置比较灵活。
3.1.5由于各房间都设有风机盘管，因此其台数较多，导致检修和日常维护的工作量上升。
这些工作量包括：
风机维护，过滤器清洁，控制阀门的维护检修等。
3.1.6与全空气系统相比，可能延长冷水机组的运行时间而耗能。
除非新风协调采用双风量方式，否则在过渡季节很少能利用室外冷风直接降温，因而可能延长冷水机组的运行时间而耗能，另外全年若都按最小风量运行，室内空气品质较差。
3.2空调系统节能技术措施
1）制定空调系统节能运行的全年调节方案，确定相应的风、水系统的质、量调节方式；
2）制定空调冷、热负荷随室外天气变化的曲线图，随时关注室内负荷和室外天气的变化情况，及时调节供冷、供热量。
3）确定新风使用量标准
要求：
全空气系统的新风使用量，在夏、冬季要维持在设计或规定要求的最低值；在春、秋过渡季则要根据室内外情况尽可能多地使用，甚至全部使用；为空调房间预冷或预热期间不供新风。
根据上面规定设定空调系统的自动开启和关闭。
根据其第三点确定新风使用量标准确定送风、回风、排风开启的大小。
节能运行调节技术方案
根据《公共建筑空调温度管理办法》中第四节空调设备及监测仪表的第二十二条（测量精度）：
建筑所有权人或使用人选用的室内温度测量仪表测量范围应为10℃～30℃，最小分辨率为0.1℃，其准确度等级不应低于±0.5级。
从而确定使用安装温度传感器。
原系统采用手动操作控制方式，本次改造方案采用自动控制方式，通过自动控制可以实现制冷系统监测、控制、报警、数据记录、报表打印等功能。
配置德国西门子公司的工业级可编程控制器与触摸屏作为下位机系统，实现系统的智能化运行。
上位机系统由工控机和打印机组成。
4.定风量空调控制系统设计
4.1系统的总体设计
系统的设计要求：
“办公、会议、走廊等公共场所采用风机盘管加新风系统。
按使用时间和用途划分空调分区，充分利用室外自然环境降温。
风机盘管的供回水支管均设电动调节两通阀及三速开关，可根据室温自动控制进出风机盘管的水量。
新风系统均采用了旁通型新风换气热回收系统。
在过渡季节采用直流方式通风，即节能又可提高室内空气品质;在冬夏季空调季节可回收排风中的冷、热量。
”因此可以在风机盘管的回水管上设置电动两通阀，可调节各房间的温度。
风机转速和电动两通阀均安装于室内的温控器控制。
在新风机组进口和出口处安装温湿度传感器，设置两级过滤层，在过滤网两侧安装压差开关以测量过滤网两侧的压差。
设置防冻开关。
风系统设计：
1）空调机组选型
空调机组是变风量空调系统中最重要的部件之一，在设计上比普通的空调机组要多考虑一些问题。
它要求风机的工作范围在流量静压特性曲线中较为陡峭的一段，这和普通的空调机组刚好相反。
因为变风量空调系统一般通过维持送风系统静压来控制送风机的风量，这就要求在风机的特性中，流量的变化对系统静压变化必须敏感。
2）变风量末端的选择
在目前的工程实践当中，主要使用两种类型的变风量末端：
（压力无关型）变风量箱和变风量风口。
两者均能实现区域的独立温度控制，不过变风量箱具备较大的通风能力，通常每个变风量箱带3~6个风口，可控制的空调区域范围较大;当要求将空调空间划分为多个较小单元的独立控制区域时，从经济性考虑，可采用变风量风口。
3）气流组织设计
对普通变风量箱+送风口形式的系统而言，在风量减少时送风口的风速衰减较快，可能会产生送冷风时冷气流下坠，送热风时热空气无法抵达工作区域等弊端，解决办法是采用扩散性能好的送风口：
如条缝形风口，灯具型风口等。
对采用变风量风口的系统而言，因为可随室内负荷变化自动调节送风口风阀开度，从而改变送风量，因此能维持送风口风速相对恒定，可以保证送风的高射程和良好的贴附能力。
4）风管设计
由于变风量系统是一种全空气系统，相对风机盘管+新风系统而言，势必要在节省吊顶空间上多作考虑，通常做法是提高送风的流速;在吊顶空间受限制的情况下，一种可行办法是采用风机动力型变风量箱，只输送一次风，可加大送风温差，减少送风量，缩小风管尺寸。
因为压力无关型变风量箱都带有风速传感器，对于连接变风量箱的入口支管，应留有3倍管径以上长度的直管段，以保证测量准确。
在设计风量下从变风量箱出风口到房间送风口间的风管压力损失一般不要超过50Pa。
4.2.冷热源、冷热水控制、监测系统设计
控制系统的任务：
适时控制基本设备的输出量，使其与符合变化相匹配，以保证被控参数（如温度、湿度、压力、流量等）达到给定值，同时也应保证制冷装置安全运行，参数超限保护及报警、参数记录、故障显示诊断等。
4.2.1冷热源机房的组成：
1.冷水机组：
这是空调系统的制冷源，通往各个房间的循环水由冷水机组进行“内部交换”，降温为“冷却水”。
2.冷却塔：
利用空气同水的接触（直接或间接）来降低水的温度，为冷水机组提供冷却水。
3.外部热交换系统：
由两个循环水系统组成——
冷冻水系统：
由冷冻水泵和冷冻水管道组成。
从冷水机组流出的冷冻水由冷冻水泵加压送入冷冻水管道，在各房间内进行热交换，带走房间热量，使房间的温度下降。
冷却水系统：
由冷却水泵和冷却水管道组成。
冷水机组进行热交换，使冷冻水温度降低的同时，释放大量的热量。
该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。
冷却水泵将升温冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降温后的冷却水送回至冷却机组。
如此不断循环，带走冷水机组释放的热量。
4.膨胀水箱及补水泵：
为了补偿闭式系统中存水因温度温度变化而引起的体积膨胀余地并有利于系统内的空气排除而设置膨胀水箱。
同时能起到补水箱的作用，当系统冷冻水由于蒸发等因素减少时向系统补充水量。
4.2.2螺杆式冷水机组的特点
在本工程的设计要求中，冷水机组选择的是螺杆式冷水机组。
螺杆式冷水机组的主要特点有：
1）与活塞式冷水机组相比，结构简单，运动部件少，无往复运动的惯性力，转速高，运转平稳，振动小，易损件少，运行可靠。
2）容积效率较高，压缩比大。
3）对湿冲程不敏感，允许少量液滴入缸，液击危险性小。
4）润滑油系统比较庞大而复杂，耗油量较大。
5）噪声比离心式的高。
4.2.3冷热源的监测与自动控制的主要功能
1）基本参数的测量
参数的测量是使冷热源系统能够安全正常运行的基本保证。
冷热源系统中的基本参数包括：
各机组的运行、故障、手自动参数；冷冻水、热水循环系统总管的温度、流量，有的会同时考虑压力；冷冻水泵、热水循环水泵的运行、故障、手自动参数；冷却水循环系统总管的温度、冷却水泵和冷却塔风机的运行、故障、手自动参数；分集水器之间旁通阀的压差反馈；以及冷冻、冷却水路的电动阀门的开关状态。
2）基本的能量调节
主要是机组本身的能量调节，机组根据水温自动调节导叶的开度或滑阀位置，给系统增减热量或者冷量，电机电流会随之改变。
3）冷热源系统的全面调节与控制
即根据测量参数和设定值，合理安排设备的开停顺序和适当地确定设备的运行台数，最终实现“无人机房”。
这是计算机系统发挥其可计算性的优势，通过合理的调节控制，节省运行能耗，产生经济效益的途径，也是计算机控制系统与常规仪表调节或手动调节的主要区别所在。
温度控制结构见图1。
图1温度控制结构
4.2.4冷冻站监控系统的作用
通过对冷水机组、冷却水塔、冷水循环泵台数的控制，在满足室内舒适度或工艺温湿度的参数条件下，有效地、大幅度地降低冷源设备的能量消耗，并能保护设备安全运行。
水冷螺杆式冷水机组控制系统硬件结构示意图见图2
图2水冷螺杆式冷水机组控制系统硬件结构示意图
常见的冷冻站监控系统原理图：
见图3
图3冷冻站监控系统原理图
4.3.新风机组、中央空调机组的控制系统设计
4.3.1新风门及风机的监测控制方案
1）新风机组运行参数的监测：
新风进口温湿度；新风出口温湿度，防冻报警，过滤器两端压差报警，回水电动调节阀、蒸汽加湿电动调节阀开度显示，新风状态显示与故障报警。
2）新风机组运行参数的自动控制，把温度传感器测量的新风机出口风温送入DDC与给定值比较，根据温度偏差，由DDC按照PID规律调节表冷器回水电动调节阀开度来控制空气的温度。
新风机的湿度自动调节表冷器回水电动调节阀开度来控制空气的湿度。
新风机的湿度自动调节，把湿度传感器测量的新风出口湿度送入DDC与给定值比较，根据偏差，由DDC按照PID规律调节加湿阀控制蒸汽量控制空气的湿度。
3）风机盘管内风机和其他电动阀的控制是由于安装在空调房间内的带三速开关的室内温控器（TC）来完成。
TC是一个完全的负反馈式温控系统，它由室温控制器和电动阀组成，通过调节冷、热水量而改变盘管的供冷和供热量，控制室内的温湿度。
当拨动TC上面的“高、中、低”三档的任意键，风机盘管内的风机按照选择的风速向房内供风，使室内温度保持在所需的范围之内。
4.3.2保护功能
冬季当某种原因造成热水温度降低或热水停止供应时，应该停止风机工作，关闭新风阀门，以防止机组内温度过低导致冻裂空气—水换热器；当热水恢复正常供热时，应该能启动风机，打开新风阀，恢复机组正常工作。
4.3.3集中管理功能
智能大楼各机组附近的DDC控制装置通过现场总线与相应的中央管理机相连，于是可以显示各机组启/停状态；传送温度、湿度及各阀门状态值；发出任一机组的启/停控制信号；修改送风参数设定值；任一新风机组工作出现异常时，发出报警信号。
空调机组的调节对象是相应区域的温度、湿度参数，因此，送入装置的输入信号还包括被调区域内的温、湿度信号。
当被调区域较大时，应安装几组温、湿度测点，以各点测量信号的平均值或重要位置的测量值作为反馈信号；若被调区域与空调机组DDC装置安装现场距离较远时，可专设一台智能化的数据采集装置装于被调区域，将测量信息处理后通过现场总线送至空调DDC装置。
在控制方式上，一般采用串级调节方式，以防室内外的热干扰、空调区域的热惯性以及各种调节阀门的非线性等因素的影响。
4.3.4新风系统控制流程图见图4
图4新风系统控
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