空调机组控制系统设计毕业设计.docx
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空调机组控制系统设计毕业设计
空调机组控制系统设计毕业设计
摘要i
ABSTRACTii
目录iii
1绪论1
1.1课题背景及意义1
1.2课题容及目的1
1.3国外研究现状2
2建筑智能化系统4
2.1组成与分类4
2.2智能建筑要求4
2.2.1基本功能4
2.2.2投资与回报6
2.3发展趋势6
3空调末端与冷源设备的协调运行8
3.1楼控系统与空调系统8
3.1.1楼控系统的运行8
3.1.2中央空调组成8
3.2空调系统末端9
3.2.2新风机组16
3.2.3风机盘管18
3.3系统冷热源21
3.3.1冷水机组（制冷机）：
21
3.3.2冷却塔22
3.3.3热源23
3.4冷水机组和空调末端设备的配合运行24
3.5空调末端设备比较与选择25
3.5.1末端设备的比较25
3.5.2末端设备的选择27
4控制器（DDC）与外围设备29
4.1控制器29
4.2传感器/执行器30
4.2.1传感器30
4.2.2执行器31
4.3艾顿公司控制器31
4.4控制器与传感器执行器连接规律33
5控制网络36
5.1BACnet网络36
5.1.1BACnet标准的推出36
5.1.2BACnet的体系37
5.1.3BACnet的应用分析38
5.1.4BACnet支持六种控制网络40
5.2LonWorks网络41
5.2.1LonWorks网络41
5.2.2LonWorks网络的应用41
5.3控制网络选择的优化分析42
5.3.1LonWorks与BACnet的比较42
5.3.2控制网络的展望43
6设计举例45
6.1工程概况45
6.2空调设计参数45
6.3空调冷热源46
6.3.1空调冷负荷及热负荷计算46
6.3.2空调冷热源设置47
6.4空调风系统47
6.5空调水系统与自控系统48
结论50
致谢51
参考文献52
附录一53
附录二59
1绪论
1.1课题背景及意义
按照国际上流行的观点，智能楼宇中楼宇自控系统是由采暖、制冷及空调系统、照明设备控制系统、给排水、电梯控制、供配电停车场管理系统、安全监控系统和消防监控系统组成。
建筑智能化已经成为当今和今后大中型甚至中小型建筑物发展的主流趋势。
空调系统是楼宇自动化的一个重要组成部分，其能耗通常占楼宇能耗的65％以上。
空调机组担负着夏季制冷冬季加热空气的任务，同时还担负起空气质量检测与控制的重任。
如何降低控制处理能耗和保持室空气质量成为智能建筑发展的重点，同时也具有重要的实践意义。
世界卫生组织（WHO）的调查指出，许多在室工作的人员都患有不同程度的大厦相关性病症（BRI）如头痛、疲倦和过度性疲劳等，这些相关性病症都与中央空调系统的设计运行有关。
通风系统性能的欠佳或不足是引起室空气污染的最常见的原因，故设计出性能优异空调系统具有重要意义。
1.2课题容及目的
现代楼宇自控系统要求采用先进的楼宇自控技术，接入设备使用简便。
对应于系统组态的编程简单，具有良好的人性化的人机界面，配备应用数据库，加快编程和调试速度，网络结构合理。
楼宇自动控制的神经中枢是通信，采用开放的通信协议与标准是实现系统具有开放性的基本条件。
楼宇自控系统的主要功能是：
使整个建筑中的主要机电设备高效协调地工作和经济地运行。
除此之外，楼宇自控系统还支持结构化综合布线和使被控设备具有灵活性、兼容性、集成性、开放性。
楼宇自控系统使用温度、湿度、压力、空气质量等传感器采集现场物理量,并使用驱动器、控制阀、调节阀、流量计、流量开关、控制器等来实现对机电设备的运行监控。
空调机组是指集中在空调机房的集中式的空气处理设备，是整个空调系统的重要组成部分和核心，对空调机组进行智能控制具有显著的经济效益。
同时，人们对生活环境的要求也越来越高，除了希望智能建筑能带来方便的低成本的生活外，更希望能带来健康的生活环境。
本设计采用美国艾顿公司控制系统为主要对象对空调系统进行研究，同时研究了控制器、传感器、执行器的选择，并以极地海洋世界极地馆工程为例说明系统如何运行与控制。
空调系统目的就是为用户提供一个舒适的生活或工作环境，空调系统通过通风换气，加工处理一定质量的空气，使室热系统和气系统满足要求。
本设计通过控制系统实施适时控制使之实现节能运行。
1.3国外研究现状
随着我国国民经济水平的不断提高，建筑业也在持续稳定地向前发展。
和前几年建筑业的发展相比，目前的发展商将眼光放的更远，他们不再片面的追求容积率及如何将开发成本降得越低越好，而是更多的考虑以人为本，开发真正舒适度高、建筑质量高的居住及商用建筑。
随着中国加入世贸及承办2008年奥运会，中国将向全世界全面开放。
为了适应国际贸易、旅游、及城市建设迅速发展的需要，高层建筑的发展不会停留在过去的发展水平，特别是对建筑物的空气品质及舒适程度的要求也会越来越高。
空调系统在建筑物的作用将不再停留在只对建筑物的温度进行调节，而是作为控制室环境的一个重要组成部分。
因为室空气品质已经成为当今世界室环境最为关注的话题之一。
同时，当人们在享受着空调技术给生产和生活带来方便和舒适的同时，也在思考如何减少空调系统所需消耗的能量。
国外发达国家的空调系统与国通常采用的空调系统的比较：
从目前国外发达国家空调技术的发展来看，从八十年代起，变风量空调系统已在发达国家的公共建筑物中出现，到近期在西方国家中，国目前常用的风机盘管加新风系统已不允许在办公大楼中采用，因为该系统无法解决房间的全面通风问题，特别是在区的房间（没有外窗的房间）。
同时，国常用的两管制风机盘管加新风系统更无法解决区房间的冬季制冷问题。
欧洲的一些国家更是对建筑物的空气品质进行检测，如被定为“病态建筑”，该大楼将不允许使用，由此可见发达国家对室环境的高标准及室环保的重视。
变风量空调系统是一种全空气系统，它是用送风温度来控制室温度的。
变风量系统可以同时满足室的空气品质，又达到节能的目的。
是目前发达国家在办公大楼及公共商业建筑中普遍采用的系统。
2建筑智能化系统
2.1组成与分类
国家标准《智能建筑设计标准》对智能建筑定义为“以建筑物为平台，兼备信息设施系统、信息化应用系统、建筑设备管理系统、公共安全系统等，集结构、系统、服务、管理及其优化组合为一体，向人们提供安全、高效、便捷、节能、环保、健康的建筑环境”。
智能型建筑是现代建筑技术与现代通信技术、计算机技术、控制技术相结合的产物。
智能建筑由楼宇自动化系统（BAS）、办公自动化系统（OAS）、通信网络自动化系统（CAS）、安防自动化系统（SAS）和火灾自动报警联动控制系统（FAS）组成。
楼宇自动化系统（BAS）是对整个建筑的所有公用机电设备,包括建筑的中央空调系统、给排水系统、供配电系统、照明系统、电梯系统，进行集中监测和遥控来提高建筑的管理水平，降低设备故障率，减少维护及营运成本。
2.2智能建筑要求
2.2.1基本功能
智能建筑的基本功能是实现了楼宇控制的自动化（BAS）、楼宇通信的自动化（CAS）、办公自动化（OAS），而这几个方面的自动化通过系统集成，借助于通信网络自动化系统（CAS）中的通信设施和网络设施，高效率的实现和外界以及建筑物部之间的信息交互、通信、数据传输和处理。
通过楼宇自动化系统（BAS）应能实现楼宇的各种执行设备、终端的自动控制、供配电系统、照明系统和动力设备的高效控制和检测。
通过现场总线如LonWorks来控制楼宇中现场设备、控制仪表，并实现分散控制和现场设备的互操作及彼此间的通信。
通过安防自动化系统（SAS）实现对建筑物的安全监控，包括自动报警环节和视频监控环节。
通过消防自动化系统（FAS）实现对建筑物有害性烟尘、异常高温、有害性气体的自动检测并报警和启动联动控制系统及时处理可能导致火灾事件的情况。
办公自动化系统（OAS）实现办公高效化、信息化、数据库化，实现管理高效能化和用户关系亲和化。
智能化的楼宇建筑主要能达到以下要求：
1、创造安全、健康、舒适宜人和能提高工作效率的办公环境
智能建筑首先确保环境的安全和健康，其防火与保安系统均已智能化；其空调系统能监测出空气中的有害污染物含量，并能自动消毒，使之成为“安全健康大厦”。
智能大厦对温度、湿度、照度均加以自动调节，甚至控制色彩、背景噪声，使人们心情舒畅，从而能大大提高工作效率。
2、节能
以现代化的商厦为例，其空调与照明系统的能耗很大，约占大厦总能耗的70%。
在满足使用者对环境要求的前提下，智能大厦应通过其“智能”，尽可能利用自然光和大气冷量（或热量）来调节室环境，以最大限度减少能源消耗。
按事先在日历上确定的程序，区分“工作”与“非工作”时间，对室环境实施不同标准的自动控制，下班后自动降低室照度与温湿度控制标准，已成为智能大厦的基本功能。
利用空调与控制等行业的最新技术，最大限度地节省能源是智能建筑的主要特点之一。
其经济性也是智能建筑得以迅速推广的重要原因之一。
3、能满足多种用户对不同环境功能的要求
传统建筑是根据事先给定的功能要求，完成其建筑与结构设计。
智能建筑要求其建筑结构设计必须具有智能功能，必须是开放式结构，允许用户迅速而方便地改变建筑物的使用功能或重新规划建筑平面。
室办公所必需的通信与电力供应也具有极大的灵活性，通过结构化综合布线系统，在室分布着多种标准化的弱点与强电插座，只要改变跳接线，就可快速改变插座功能，如变程控为计算机通信接口等。
智能建筑的灵活性与机动性极强，一天之，使办公环境面目一新已不足为奇。
4、现代化的通信手段与办公条件
在信息时代，时间就是金钱。
在智能建筑中，用户通过国际直拨、可视、电子、声音、视频会议、信息检索与统计分析等多种手段，可及时获得全球性金融商业情报、科技情报及各种数据库系统中的最新信息；通过计算机通信网络，可以随时与世界各地的企业或机构进行商贸等各种业务工作。
2.2.2投资与回报
智能化系统是高科技的产物，技术性强，系统庞大，结构复杂，功能齐全，涉及的领域多，包括从电气、电子、计算机、自动化到暖通空调、系统集成等多方面的容。
智能化系统的实施更是一个完整的系统工程项目。
智能建筑节能是高效能和具有高投资回报率的体现。
相对整个建筑和建筑各种机电设备而言，虽然楼宇自控系统的投资不大，但楼宇自控系统的价格还是不低的。
广大业主和楼宇自控系统的设计工程人员都应关注楼宇自控系统的作用和产生的效益，任何业主不可能为追求先进技术或宣传作用，把楼宇自控系统作为一种摆设对其进行投资，它必须能够为业主带来足够的效益。
建筑耗能组成中，采暖、空调、通风设备耗能达65%，故如何优化安排协调较大耗能设备使之较大幅度节能是我们当先不断探索的重要课题。
2.3发展趋势
智能建筑是个国家的综合国力和科技水平的具体体现之一，被认为是本世纪建筑发展的主流。
目前，世界各国都在加大力度发展信息高速公路。
中国也把信息高速公路的建设纳入了重要的议程。
智能建筑与国际信息高速公路接轨，也将促进信息高速公路的极大发展。
智能建筑要想给人们带来安全、舒适、高效等的工作和生活空间，要综合运用现代高科技，进行规化、标准化、集约化的开发与设计，既充分利用现有资源，又不破坏周边环境，向“绿色建筑”的方向发展，才能实现智能建筑的可持续发展。
具体来说，随着楼宇智能化技术的发展特别是以太网技术在楼宇自动化系统中的应用，传统的“3A”说法将淡化，系统趋于统一，OAS、CAS、BAS界限将更加模糊，系统集成将更加简便，楼宇智能化系统的成本也将进一步下降。
能源危机已经成为当代急需解决的问题之一，也成了当前研究的热点。
楼宇智能化系统可对能源进行科学合理的分配达到节能的目的。
因此，高效节能也将是楼宇自动化系统发展的重要方向，这其中也包括新能源的利用，如目前的太阳能光伏建筑,如何在智能建筑中利用光伏电能也将是智能楼宇自动化系统研究和发展的一个方向。
无线网络可以省去布线，节约资源，在楼宇自控网络系统中也有较大的研究和应用价值。
楼宇自动化系统与网络技术结合紧密，DCS和现场总线在目前楼宇自控系统已经得到广泛应用，但也存在一些诸如没有统一协议标准以致集成成本过高等问题。
BACnet标准以其先进的技术、完善的体系结构和开放的理念正式成为建筑智能化系统领域中的唯一ISO标准，将得到广泛应用。
工业以太网技术由于其全开放、成本低、带宽高、稳定性和可靠性高、应用广泛、共享资源丰富等优点将成为楼宇自控系统研究应用的热点。
家居自动化、家用智能电器的网络化在不久的将来也将进入楼宇自动化控制系统的研究应用领域。
节能研究、新能源开发利用、无线网络等技术在智能楼宇领域的应用也将成为楼宇自动化系统的重要研究方向。
智能建筑是信息时代的必然产物，是信息技术与现代建筑的有机集成。
其发展趋向主要体现在一下几个方面:
1）使用工程方法设计、开发和进行智能建筑的工程施工；
2）不断提高智能建筑开放性；
3）信息系统中多媒体、视频数据处理技术以及无线网络技术的更深入应用；
4）智能建筑互联网技术更加成熟；
5）办公方式多样化高效化；
6）智能建筑节能定量化和高精度控制。
3空调末端与冷源设备的协调运行
3.1楼控系统与空调系统
3.1.1楼控系统的运行
楼控系统可以实现建筑水、电、热量、燃气等能源消耗的自动统计计量。
常规仪表对水、电、燃气等能源消耗的计量只能显示能耗总量，不同时段能耗的统计需要靠人工读取常规仪表的数据来完成。
楼控系统在总量计量的基础上，自动采集能耗计量数据，将建筑各区域、各时段、各种能源的消耗量记录分类保存到数据库中，并且通过调整采样频率，可以实现逐年、逐月、逐日、逐时，甚至每分钟能源消耗的统计，为建筑能耗的动态分析提供了依据。
在能耗分析软件的帮助下，楼控系统利用能耗数据库记录的数据，绘制各个时段、各建筑区域能耗曲线，分析能耗特点以及节能潜力，为节能措施的合理选择提供帮助。
合理的配置和设计楼控系统可以事半功倍地改善建筑运行状况，降低系统运行能耗，改善居住办公环境。
因而，楼控系统对改善建筑运行有着重要的意义。
3.1.2中央空调组成
中央空调系统是由冷/热源和前端设备两大部分组成。
中央空调系统的前端设备主要有：
空调机组、分机盘管、新风机组和变风量空调机组等。
冷热源设备是空调系统的主要组成部分。
冷热源设备不仅监控过程较为复杂，而且节能技术手段容丰富,其中央空调原理示意图如6.1所示：
图3.1中央空调系统原理图
3.2空调系统末端
当室空气参数偏离设定值时，采取相应的空气调节技术，使其恢复到定值，完成空气调节的设备叫做空调机组末端设备也叫空气处理设备。
空调系统由空调机组和冷/热源组成。
常见的空调末端设备包括空调机组、新风机组、风机盘管、变风量空调系统等。
3.2.1空调机组
在一栋大楼里，每层几乎都需要配备空调机组。
空调机组如图，它的组成包括：
新风阀、回风阀、排风阀、过滤器、冷/热盘管和送风机。
空调机组的任务就是把新风和回风两部分的混合风，经过表冷表热，把空气的温度调整到所需要的温度使室空气参数达到预定要求。
控制系统中的现场设备由现场控制器（DDC）、新风温度传感器、新风湿度传感器、回风温度传感器、回风湿度传感器、送风温度传感器、送风湿度传感器、防冻开关、压差开关、电动调节
阀、风阀执行器组成。
四管制空调机组就是可以表冷也可以表热的空调。
每两根管子为一组，一根管子是由自控阀门控制的，另外一根管子是旁通管。
当装有自动阀门的管子需要维护维修的时候，旁通管做为备用管来用。
其实物如下所示：
图3.2空调机组实物图
空调机组的工作原理：
空调系统的特点是改变送风量来满足室冷（热）负荷变化的。
空调机组原理图如下：
图3.3空调机组原理图
空调向室送冷风，送入室的冷（热）量及计算公式为：
Q=C*P*L（tn-ts）
式中：
C—空气的比热容[kj/（kg·℃）];
P—空气密度（kg/m^3）;
L—送风量（m^3/s）;
tn—室温度（℃）;
ts—送风温度（℃）;
Q—吸收（或送入）室的热流量（kw）。
从上式可看出，为了吸收室相同的热量，可设L为一常数，改变送风温度ts,ts越小，吸收室热流量越大，因此改变送风温度就可适应室负荷变化，维持室温不变，这就是定风量空调系统的工作原理。
在该系统中，空调机接通电源后以衡转速运行，风量是恒定的故称为定风量空调系统。
空调机组运行状态及参量监控：
（1）从室外的温度传感器和新风口上的风管式温度传感器采集室外新风温度。
（2）从室外的湿度传感器和新风口上的风管式湿度传感器采集室外新风湿度。
（3）安装在过滤网上的压差开关监测过滤网两侧压差。
（4）从安装在送风管和回风管上的风管空气温度传感器采集送/回风温度。
（5）从安装在送风管和回风管上的风管空气湿度传感器采集送/回风湿度。
（6）使用安装在空调区域或回风管上的空气质量传感器（如CO2传感器）进行空气质量监测。
（7）自安装在送风管表冷器出风侧的防冻开关采集防冻开关状态监测信号（在冬季温度低于0℃的北方地区使用）。
（8）通过送/回风机配电柜热继电器辅助触点处的开闭状态采集到送/回风机故障状态的监测。
（9）通过对送/回风机配电柜热继电器辅助触点，对送/回机运行状态进行监测。
（10）从DDC的DO口到新风口风门驱动器控制电路，调节控制新风口风门开度。
（11）从DDC的DO口到回风/排风风门驱动控制电路，控制调节回风/排风风门开度。
（12）从DDC的AO口输出到冷/热水阀门的驱动控制器控制输入口，控制调节冷/热水阀门开度。
（13）从DDC的DO口到送/回风机配电箱接触器控制回路，进行送/回风机启停控制。
空调机组的自动控制与节能运行：
（1）连锁控制
空调机组启动时的连锁控制顺序为：
新风风门→回风风门→排风风门开启→送风机启动→回风机启动→冷热水调节阀启动→加湿阀开启。
空调机组停机控制顺序：
关闭加湿阀→关闭冷热水阀→送风机停机→新风风门关闭→回风风门关闭→排风风门关闭。
（2）空调机组的温度调节与节能运行
空调机组中，用回风温度作为被调参数，由回风温度传感器测出的回风温度量传给DDC，DDC计算回风温度与设定温度的差值，按PID调节规律处理并输出调节控制信号。
通过调节空调机组冷热水阀门开度调节冷/热水量，使被控区域的温度保持在设定值，室外温度变化通过新风温度变化来反映，新风温度只输入给DDC进行处理好后控制相应的调节阀开度，进而达到空调区域的温度控制。
（3）空调机组回风适度控制
由回风湿度传感器测出的回风湿度量值信号送回DDC，通过与给定值比较后产生一个偏差，经由给定算法（PI规律调节）后产生控制调节加湿电动阀开度，使被调节区域的空气湿度值满足设定要求，一般来讲，夏季房间的相对湿度保持在小于75%而冬季则应大于30%。
（4）新风风门、回风风门及排风风门的控制
由新风温/湿度传感器和回风温/湿度传感器测出的温/湿度信号量值传送给DDC，DDC处根据这些数据进行焓差计算，按回风和新风的焓烩值比例及新风量的要求，调节新风风门和回风风门开度，同时使系统在趋近较佳的新风、回风比例上节能调节。
（5）过滤器压差报警及机组防冻
在过滤网出现堵塞严重、积灰较严重的情况下，装置在过滤器上的压差开关报警。
冬季时，还需要对机组进行防冻监测和控制。
（6）空气质量控制
使用CO、CO2等气体传感器监测室空气质量，DDC接收到这些测出量后，进行对比运算，再输出控制信号调节新风风门开度，通过调节新风量供给来控制空调区域的空气质量。
（7）空调机组的定时运行和远程控制
通过控制系统，按给定的时间表对空调机组进行定时启/停控制，并能对相关设备进行远程控制。
空调机组主要控制功能：
（1）回风温度自动控制
冬季自动调解热水阀开度，保证回风温度为设定值；夏季自动调节冷水阀开度，保证回风温度为设定值；过度季节根据新风温度计算焓值，自动调节混风比。
（2）回风湿度自动控制
有风道湿度传感器检测回风湿度，当回风湿度低于设定值时，自动开启加湿装置，当湿度达到设定值时关闭加湿器。
（3）新回风量比例调节
根据需要调节新风量，在满足需要的前提下最大限度的节能。
（4）机组报警
空气过滤器两端压差过大时报警，请示清扫，送风机热继电保护时报警。
（5）机组定时起停控制
根据事先排定的工作及节假日作息时间表，定时起停机组，自动统计机组工作时间，提示定时维修，设备保养期间显示保养状态。
（6）连锁保护控制
连锁风机停止后，新、回风阀门自动关闭；风机启动后，如果其前后压力差低于设定值时报警，并连锁停机；盘管处设温控开关，当温度低于5℃关闭新风阀，开启热水阀并报警。
其最重要的控制设备，传感器、执行器设备图以及点表如下：
图3.4空调机组控制系统
表3.1空调机组控制点表：
监控设备名称
控制点描述
设备数量
DI
AI
DO
AO
接口位置
空调机组
2
送风机运行状态
2
DDC数字输入接口
送风机故障报警
2
DDC数字输入接口
送风机手/自动状态
2
DDC数字输入接口
送风机启停控制
2
DDC数字输出接口
回风温度
2
风管温度传感器
风阀控制
2
DDC数字输出接口
水阀控制
2
DDC模拟输出接口
室外温湿度
2
室外温湿度传感器
3.2.2新风机组
新风机组的根本作用就是从外界获取新鲜空气，通过简单的表冷表热，再供应给空调机组使用。
其供应的方式就是往新风井里输送新风，空调机组从井中抽取空气。
每个大楼里并不是层层都有新风机组。
一般三十几层的大楼，有四至五台新风机组就够用了。
如下是新风机组实物：
图3.5新风机组实物图
新风机组的节能控制
（1）温度调节
新风机组的节能是以出风口温度或房间温度为调解参数的，把出风口温度或房间温度传感器测量的温度送入DDC控制器与给定值比较，产生偏差，由DDC按照PID规律调节表冷器回水调节阀开度以达到控制冷冻（加热）水量，使夏天房间的温度保持在低于28℃，冬季则高于16℃。
室外温度在新风机组中是一个变量，这个变量对上述调节系统是一个扰动量，为了提高系统的控制性能，把室外温度作为被调信号加入回风温度调节系统。
如室外温度增高，新风温度测量值增大，这个温度测量值经DDC运算后输出一个相应的控制电信号，使回水阀开度增大，补偿了新风温度增高对室温的影响。
空调机组的回水阀始终保持在最佳开度，很好的满足了冷负荷，实现节能目的。
（2）湿度调节
新风机组湿度的调节是把出风口（房间）湿度传感器测量的湿度信号送入DDC控制器与给定值进行比较，产生偏差，由DDC按PI规律调节加湿电动阀开度，以保持空调房间的相对湿度。
（3）新风阀的调节
根据新风的温湿度、房间的温室度及焓值计算，控制新风阀的开度，使系统在最佳的新风/回风比状态下运行，实现节能目的。
（4）过滤器堵塞、防冻保护
采用压差开关测量过滤器两端差压，当压差超限时，压差开关闭和报警；采用防冻保护开关检测表冷器前温度，当温度低于5℃报警。
（5）空气质量
为保证空调房间的空气质量，选用空气质量传感器。
当房间中CO2、CO浓度升高时，传感器输入信号到DDC,经计算输出控制信号，控制新风风门开度以增加新风量。
新风机组原理图和
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