某大型厂房空调系统设计 电气工程及其自动化专业毕业设计.docx

某大型厂房空调系统设计 电气工程及其自动化专业毕业设计.docx

《某大型厂房空调系统设计 电气工程及其自动化专业毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《某大型厂房空调系统设计 电气工程及其自动化专业毕业设计.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

某大型厂房空调系统设计电气工程及其自动化专业毕业设计

毕业设计[论文]

题目：

某大型厂房空调系统设计

学院：

电气与信息工程学院

专业：

电气工程及其自动化专业

姓名：

学号：

指导老师：

完成时间：

2013年5月28日

摘要

本文从该厂房安装空调自控系统的必要性出发，分析了厂房所在地的天气温度特点，结合设计施工过程中的基本需求，从多种型式中选取了最适合本厂房的各个硬件系统部分。

详细介绍了系统的硬件部分—空调系统的基本组成和作用，如空调风系统、冷热水系统、空气处理系统、变频控制系统、DDC控制系统等重要组成部分。

介绍完硬件系统开始详细描述软件部分，主要是为满足中央空调控制要求而编写的PLC程序及对一些相关变频参数的设置。

METASYS（智能化楼宇控制系统）是用C语言编写的控制程序，通过TCP/IP协议把命令传达到下级执行器件NAE,NAE又通过N2协议把接收到的信息下达给每个DDC控制箱，DDC箱直接控制各类阀门等执行器件动作，达到控制效果。

在设计过程中使用例图对风系统、水系统进行面向对象的具体分析;在设计和实现阶段使用类图、截图对各个系统结构、模块间关系予以描述。

。

由于对电机实现了软起动，大大降低了起动电流，避免了对电机和电网的冲击。

同时系统还设计了报警和保护功能，使中央空调在发生异常时，能够自动报警和停机保护。

关键词：

空调系统，风系统，水系统，自动控制

ABSTRACT

Inthispaper,basedonthenecessitytoinstallairconditioningautomaticcontrolsystemofthefactory,thetemperaturecharacteristicsoftheweatherthatthefactorylocateisanalyzed,andcombinedthebasicneedsofthedesignintherocessofconstruction,choosedthemostsuitablepartofeveryhardwaresystemofthefactoryfromkindsofstyles.

Thenthehardwarepartsoftheairconditioningautomaticcontrolsystem—heroleandthebasiccomponentsofairconditioneraredemonstratedindetail，suchasairconditioningwindsystems,hotandcoldwatersystems,airhandlingsystems,frequencycontrolsystems,DDCcontrolsystemsandotherimportantcomponents.Adetaileddescriptionofthesoftwarecomponentsbeginsafteranintroductiontohardwaresystem,mainlycontainingDDC-FX15programming,MSEAsystemplatform,ADSapplicationsanddataservicessoftware,andcontrolMETASYSsystem.

METASYS（IntelligentBuildingControlSystem）systemisakindofcontrolprogramwritteninC,conveyingcommandstothelowerimplementationofthedeviceNAEthroughTCP/IPprotocol.AndNAEconveysthereceivedinformationtoeachDDCcontrolboxthroughN2protocolandtheactionsofvariousvalvesandotherdevicesarecontrolledbyDDCboxdirectly.

Object-orientedfunctiontothewindsystemandwatersystemisanalyzedwiththemethodofusingdiagramsintheprogressofdesignment;Instageofdesignmentandimplementationsystemstructureandrelationbetweenmodulesarerepresentwithmethodoftheclassdiagramsandscreenshots,.Achievedduetosoftstartthemotor,Greatlyreducethestartingcurrent,Avoidtheimpactofthemotorandpowergrid.Atthesametimethesystemisalsodesignedtoalarmandprotection,Thecentralairconditioningwhenanexceptionoccurs,Automaticallyalarmandshutdownprotection.

Keywords:

airconditioningsystem,airsystem,watersystem,automaticcontrol

一绪论

工业的飞速发展推动了现代化的生产厂房发展，同时对厂房的环境提出了更高的要求，对恒温、恒湿环境的应用和需求也在日益增加。

同时近年来能源短缺的现实，已经迫使我们把节能问题提到一个十分重要的位置上来。

因此，认清目前存在的问题，高效利用空调系统的能源，采取有效的节能措施，提高经济效益就成为迫切需要解决的问题。

厂房恒温空调控制系统是完成精密制造不可缺少的部分，它是中央空调技术与计算机信息技术、控制技术、传感技术相结合的产物，是信息社会和经济发展的需要。

厂房恒温恒湿空调系统目前主要有空调制冷系统、管道系统、自动控制系统三大系统组成，其中自动控制系统是厂房恒温恒湿空调控制系统中最基本和最重要的部分。

一个良好的恒温控制系统不但需要有良好的设备，还必须有优秀的管理。

由于该空调系统的自动控制系统比较复杂，设备分散，采用人工操作的方式完成每台空调设备的操作己不可能，所以，该空调控制系统必须具有较高的自动化水平，要求在系统的中央控制室中就能进行和完成所以操作。

在中央控制室中的监控计算机上，利用工业控制软件SYMMETRE作为开发平台，主要可以完成集中操作空调系统的所有设备、关键设备的运行状态和技术参数的集中监控和自动记录、事先根据生产计划设定空调机组的运行计划、对设备的报警和异常情况进行自动记录等。

要保证加工质量，就要保证空调系统能将车间温、湿度在加工期间随时都控制在要求范围内，为了达到最优的控制效果，该空调自动控制系统还引入了模糊控制策略，利用分布在车间各个位置的智能温、湿度传感器采集不同位置的车间温、湿度信息，通过模糊控制器处理后，送入PLC进行程序处理，控制多台空调机组动作，实时进行调整，使车间内的温、湿度总能处于系统设定的范围内。

同时，还可以根据车间温、湿度变化情况，实时控制空调机组的运行，大大减少了能耗，保证系统的安全运行和有效节能。

该系统的设计与实现为现代化精密制造的恒温控制与管理提供了新的思路，有效保证了生产制造精度。

1.1研究背景

1.1.1建筑空调系统节能国外研究现状

能源是整个经济系统的基本组成部份，作为一个能源消耗大国，美国在节能

和提高能源利用率方面投入了大量的人力、物力。

在美国的整个能源消耗中，有约1/3以上消耗在建筑能耗上，这些能耗用来满足人们的热舒适、空气品质提高人们的生活质量。

美国暖通空调制冷工程师协会、美国制冷协会、美国冷却塔协会等组织、美国能源部以及众多暖通空调设备生产厂家如York,Carrier等都为建筑节能做出了很大贡献。

特别是美国制冷设备生产厂商投入了大量的资源研究高性能冷水机组，使得冷水机组单位制冷量的能耗仅为20世纪70年代的62.3%。

美国在空调冷源水系统方面的研究也卓有成效，在冷却水系统方面着重于降低冷却水流量，以达到减少冷却水泵能耗的目的。

日本是一个资源贫困的国家，其主要能源来自进口，同时又是一个能源高消费国家。

因此，节能和提高能源的利用率对日本来讲有着重要的意义。

长期以来，在建筑节能方面，日本做了大量工作，颁布了许多节能法规，提出了建筑节能的评价方法。

日本的一些设备生产厂家对空调和制冷设备的投入也很大。

Daikin公司首推的变频VRV系统，为中小型建筑安装集中式空调系统创造了条件；Sany公司则在直燃式冷水机组上成绩卓著。

世界各国大力发展可再生能源作为空调冷热源用能。

地源热泵供暖空调是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的工程系统。

在美国地源热泵系统占整个空调系统的20%左右;瑞士40%的热泵为地源热泵，瑞典65%的热泵为地源热泵。

1.1.2建筑空调系统节能国内研究现状

我国是一个人均资源相对贫乏的国家，因此节能降耗有着十分重要的意义。

近年来，由于国民经济的快速发展，使我国的能源显得越来越紧张。

随着经济建设的不断深入和人们生活水平的不断提高，空调建筑物越来越多，建筑物消耗的能量也越来越大，甚至出现了空调系统与经济建设争抢电力资源的情况。

因此，在建筑物节能显得十分迫切。

在我国建筑总能耗中，空调系统的能耗占有相当大的比重，因此研究探讨空调系统的节能就显得十分重要。

在建筑物空调系统运行能耗中，冷源系统的能耗是最大的。

近年来，我国暖通空调学术界和工程界在空调冷源系统的节能方面做了大量的研究工作。

研究工作主要集中在冷源系统的形式选择上，对压缩式冷水机组和吸收式冷水机组的技术经济比较研究较多，通过对众多方案的分析已经基本达成共识：

吸收式冷水机组节电而不节能，对其在我国的应用应区别对待，对于有余热可以利用的地区，应大力提倡使用吸收式冷水机组，而一般建筑物则应采用蒸汽压缩式制冷。

当然，在进行冷热源系统的选择时，还要考虑建筑物所在地的气象条件、电力供应状况、能源情况、空调系统有无采用余热回收的可能性等方面的问题。

1.1.3我国建筑空调系统节能研究有待解决的问题

通过对一些地区空调系统的调查发现，设计人员在涉及选用冷水机组时多考虑其额定工况下的全负荷性能，而对其部分负荷性能的考虑较少。

在风冷式冷水机组和水冷式冷水机组的选择应用上我国制冷工程界也存在着认识上的差异。

我国在冷源水系统方面的研究目前较少，一般都是按冷水机组的样本提供的冷却水量和冷冻水量进行冷却水泵和冷冻水泵的选择。

对于水系统的水泵是否运行节能则关注不多。

事实上，对于冷水机组的运行而言，冷凝器和蒸发器都要求定流量，因此，对于冷水机组部分负荷状态运行时，水泵的输出都是全负荷输出，水系统的全年运行能耗是相当大的。

因此水系统的节能具有很大的潜力。

1.1.4空调系统的设计与建筑节能

空调制冷技术的诞生是建筑技术史一项重大进步，它标志着人类从被动适应宏观自然气候发展到主动控制建筑微气候，在改造和征服自然的过程的又迈出了坚实的一步。

但是对空调的依赖也逐渐成为建筑能耗增长的最主要的原因。

制冷空调系统的出现为人们创造了舒适的空调环境，但20世纪70年代的全球能源危机，使制冷空调系统这一能源消耗大户面临严重考验，节能降耗成为空调系统设计的关键环节。

据统计，我国建筑能耗约占全国总能能耗的35%，空调能耗又约占建筑能耗的50%～60%左右。

由此可见，暖通空调能耗占总能耗的比例可高达22.75%。

因此，建筑中的空调系统节能已成为节能领域中的一个重点和热点。

于是降低空调能耗也被纳于建筑节能的任务中，如何更好的利用现在的空调技术服务人类同时又能满足建筑能耗的要求，是现阶段专业技术人员的工作要点。

而暖通空调设计方案的好坏直接影响着建筑环境的质量和节能状况。

随着科学技术的迅速发展以及对节能和环保要求的不断提高，暖通空调领域中新的设计方案大量涌现，针对同一个设计项目，往往可以有很多不同的设计方案可供选择，设计人员要进行大量的方案比较和优选工作，设计方案技术经济性比较正在成为影响暖通空调设计质量和效率的一项重要工作。

如何对暖通空调设计方案进行科学的比较和优选，是暖通空调设计人员在实际设计工作中经常遇到的一个重要技术难题。

1.1.5中央空调的发展

中央空调是目前空调消费的流行趋势。

它与一般空调比，有着高性能运转、舒适静音、节能环保、能耗低的显著特点，它的出现改善了人们的生活质量。

我国作为中央空调强国，从20世纪80年代初开始到现在，中央空调已占其空调市场的40％左右。

中央空调在我国发展速度相当快，不到8年时间就达到与美国先进水平同步。

进入2000年，国内企业尤其是远大科技集团将吸收式空调技术与PAM控制技术结合应用，使空调完全进入中央空调的最高领域。

它不仅使中央空调系统的优越性能充分发挥，更能利用吸收式空调的特点，准确提高能效，达到节能51％的目的。

1.1.6无氟空调的发展

臭氧层破坏是当前全球面临的重大的环境问题之一，由于以前空调业所采用的传统制冷剂对臭氧层有破坏作用及产生温室效应，对大气造成破坏，因而无氟空调是众所期待的产品。

近年来以吸收式中央空调为代表的无氟空调的出现，标志着无氟空调时代的来临。

1.1.7舒适性空调的发展

健康是空调业发展的主题之一。

以前的空调采用了多种健康技术，如负离子、离子集尘、多元光触媒等，这些技术的运用使空调产品的健康性能得到了极大提升。

海尔空调把负离子、离子集尘、多元光触媒、双向换新风、健康除湿等领先技术在内的高科技手段组合起来使用，发挥了巨大的威力，而未来空调进步的一个方向也就是对各种技术的灵活使用。

1.1.8其它空调新技术的发展

.HEPA酶技术

HEPA酶杀菌技术，对于0.3微米以上的粉尘吸附率可达99.9 ％，对结核菌、大肠菌等有害细菌具有高效杀菌能力，对霉菌的生长也有很强的抑制作用。

.冷触媒技术

冷触媒这一技术采用日本专利，是一种低温低吸附的材料，根据吸附--催化原理，在常温下就能对甲醛等有害物质边吸附边分解成二氧化碳和水，这种触媒不需要再生，不需更换，使用寿命长达十年以上。

.体感温度控制技术

智能装在遥控器上的感温元件，感知室内人们活动范围的温度，并将信息发射到主机接收器上，使主机随时调整运行状态，实现真正的体感温度控制自动化。

.人感控制技术

人感控制技术利用双红外感应器控测人的方位，自动调节送风方向（左送风、中送风、右送风或全方位送风），风随人行。

.PTC电辅助加热技术

PTC电辅助加热技术，可在超低温条件下迅速制热，效力强劲，安全可靠，可长期使用。

二器件选择

本设计为一厂房空调系统的设计，系统的选定应注意档次和安全的要求。

本课题拟设定占地面积约为4000平方米，建筑面积为10000平方米。

共分为两层，第一层为生产车间，第二层主要是中央控制室和办公室。

屋顶有风机和冷却塔。

在前期的需求分析过程中，设定此厂房对生产厂房室内温湿度的控制要求较高，温度的控制范围在±2.0C，相对湿度控制范围在±5%。

在研究过程中对课题进行了反复论证后，确定将模糊控制技术引入到中央空调控制系统中，使系统具有模糊控制灵活、适应性强的特点，且较之传统PID控制，减少震荡，从而达到节能目的。

本建筑物为非高层建筑，建筑物各区域均有外窗自然采光和室外遮阳设备。

2.1空气处理方式的比较与选择

空调系统的分类方式很多，根据空调冷热源的布置，冷媒输送方式及空气处理过程的特点，概括性地说空调系统一般有三种形式，即集中式空调系统、半集中式空调系统、分散式空调系统。

对空调系统的选择，《采暖通风与空气调节设计规范》（GBG19－87）规定了选择空调系统的总原则和要求：

.选择空调系统时，应根据建筑物的用途、规模、使用特点、室外气象条件、负荷变化情况和参数要求等因素，通过技术经济比较确定。

这样就可在满足要求的前提下，尽量做到投资省、系统运行经济和能耗小。

.对集中式空调系统，要求一般宜用单风管式的空调系统，当房间负荷变化较大，采用变风量系统能满足要求时，不宜采用定风量再热的定风量再热式系统，不过普通舒适性空调对空调精度无严格的要求，目前仍较多采用无再热的定风量集中式系统。

仅作为夏季降温用的系统，不应采用二次回风系统。

.空调面积较小的房间，或建筑物中仅个别房间有空调要求的情况，宜采用分散式空调系统。

对空气调节房间较多，且各房间空调要求不一的建筑物，条件

许可时，宜采用四管制或双风道变风量空调系统。

.面积很大的空调房间，或者室内空气设计状态相同、热湿比和使用时间也大致相同，且不要求单独调节的多个空调房间，通常多采用单风管、低速、一次回风、无再热的定风量集中式空调系统。

这种系统现在在我国民用建筑舒适性中央空调中采用最多。

分别以定风量全空气系统，风机盘管+新风系统和单元式空调机，作为集中式空调、半集中式空调和分散式空调系统的代表，比较其特征和适用性，见下表2.1：

表2.1空气处理方式的比较表

名称

集中式

分散式

半集中式

风管、设备与布置

风管系统

1.空调送回风管系统复杂，布置困难

2.支风管和风口较多时不易均衡调节风量

3.风管要求保温，影响造价

1.系统小，风管短，各个风口风量的调节比较容易达到均匀

2.直接放室内时，可不接送风管，也没有回风管

3.小型机组余压小，有时难于满足风管布置和必需的新风量

放室内时，不接送、回风管；当和新风系统联合使用时，新风管较小

设备布置与机房

1.空调与制冷设备可以集中布置在机房

2.机房面积较大，层高较高

3.有时可以布置在屋顶上或安设在车间柱间平台上

1.设备成套，紧凑，可以放在房间内，也可以安装在空调机房内

2.机房面积较小，只及集中系统的50%，机房层高较低

3.机组分散布置，敷设各种管线较麻烦

1.只需要新风空调机房，机房面积小

2.风机盘管可以安设在空调房间内

3.分散布置，敷设各种管线较麻烦

风管互相串通

空调房间之间有风管连通，使各房间互相污染。

当发生火灾时会通过风管迅速蔓延

空调房间之间有风管连通，使各房间互相污染。

当发生火灾时也不会通过风管蔓延

各空调房间之间不会互相污染

空调控制品质

温湿度控制

可以严格地控制室内温度和室内相对湿度

各房间可以根据各自和负荷变化与参数要求进行温湿度调节。

对要求全年须保证室内相对湿度允许波动范围小于±5%或要求室内相对湿度较大时，较难满足。

多数机组按17～21KJ/Kg的最大焓降设计，对室内温度要求较低、室外湿球温度较高、新风量要求较多时，较难满足

对室内温湿度要求较严时，难于满足

空气过滤与净化

可以采用初效、中效和高效过滤器，满足室内空气清洁度的不同要求。

采用喷水室时，水与空气直接接触，易受污染，须常换水

过滤性能差，室内清洁度要求较高时难于满足

过滤性能差，室内清洁度要求较高时难于满足

空调控制品质

空气分布

可以进行理想的气流分布

气流分布受制约

气流分布受一定制约

安装与维护

安装

设备与风管的安装工作量大，周期长

安装设产快；对旧建筑改造和工艺变更和适应性强

安装投产较快，介于集中式空调系统与单元式空调器之间

消声与隔振

可以有效地采取消声和隔振措施

机组安设在空调房间内时，噪声、振动不好处理

必须采用低噪声风机，才能保证室内要求

维护运行

空调与制冷设备集中安设在机房，便于管理和维修

机组易积灰与油垢，清理比较麻烦，使用二三年后，风量、冷量将减少；难以做到快速加热（冬天）与快速冷却（夏天）。

分散维修与管理麻烦

布置分散，维护管理不方便。

水系统复杂，易漏水

根据以上各系统的特征及优缺点，结合本厂房情况，本设计空调风系统选择集中式系统，因为此厂房对生产厂房室内温湿度的控制要求较高，温度的控制范围在±2.0℃，相对湿度控制范围在±5%，只有集中式空调系统可以严格地控制室内温度和室内相对湿度，而且本建筑共分为两层，第一层为生产车间，第二层主要是中央控制室和办公室。

集中式系统使用寿命长，而且本建筑面积大，可布置风道，室内温度精确，还能满足洁净度要求严格的生产车间等室内空气清洁度要求不同的需求。

2.2空调气流组织的比较与选择

所谓气流组织，就是指如何送入空调房间内的空气，使其在室内合理的流动和分配。

空调房间的温度场和速度场的均匀与气流组织的合理与否有着密切的关系，气流组织的好坏直接影响到要保证的区域温差和气流速度的规定值及洁净房间内空气洁净度。

目前对于一般性舒适性空调来说送风口一般采用侧送风或散流器上平送风。

根据以下对气流组织的分析及比较，在本设计中空调房间均采用散流器上部平送，下部回风的气流组织方式。

气流组织的基本要求：

表2.2空调气流组织的基本要求：

选择散流器送风

室内温湿度要求

送风温差

（℃）

每小时换气次数

风速（m/s）

常见气流组织形式

特点、技术要求及适用范围

送风出口

工作区

冬季：

18-22℃

夏季：

24-28℃

φ=40-60%

不宜于10（送风高度h<5m）

不宜小于5次

全部采用散流器送风方式，建议出口风速为2-5

冬季不大于0.2；

夏季不大于0.3

1.散流器平送风下部回风

2.散流器下送，下部回风

3.送吸式散流器，上送上回

1.温度场均匀，速度场均匀，混合层高度为0.5-1.0m

2.需设置吊顶或技术夹层。

散流器平送风时应对称布置，其轴线与侧墙距离不小于1m

3.散流器平送用于一般空调，室温允许波动范围为±1℃

4.散流器下送密集布置用于净化空调

表2.3空调气流组织的基本要求：

选择侧面送风

室内温湿度要求

送风温差

（℃）

每小时换气次数

风速（m/s）

常见气流组织形式

特点、技术要求及适用范围

送风出口

工作区

冬季：

18-22℃

夏季：

24-28℃

φ=40-60%

不宜大于10（送风高度h<5m）

不宜小于5次

2-5（送风口位置较高时取较大值）

冬季不大于0.2；夏季不大于0.3。

1.单侧上送下回、走廊回风

2.单侧上送上回

3.双侧上送下回

1.温度场均匀，速度场均匀，混合层高度为0.3-0.5m

2.贴附侧送风口宜贴顶布置，宜采用可调双层百叶风口。

回风口宜设在送风口同侧。

3.用于一般空调，室温允许波动范围为±1℃

根据以上各系统的特征及优缺点，结合本厂房情况，本设计空调送风采用上送下回。

从送风口的布置把风口设于顶棚或侧墙的房间上部，把回风口设于地板或侧墙的房间下部，即可形成上送下回的空气分布方式，一般来说全年中以冬季送热风为主且建筑的楼层较高的舒适型空调系统中，此外再有恒温要求和洁净度要求的公益性空调中也可以采用这种方式，本建筑共分为两层，第一层为生产车间，第二层主要是中央控制室和办公室，考虑建筑层对恒温和洁净度有较高的要求，因此适合选