中央空调控制系统设计Word下载.doc

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1.4中央空调的发展现状 4

1.5本论文的主要工作 6

第2章中央空调系统的原理及其构成 7

2.1中央空调系统的原理 7

2.1.1空气的物理性质 7

2.1.2空气调节原理 11

2.1.3中央空调原理 16

2.2中央空调系统的组成 17

第3章中央空调控制系统的设计 20

3.1中央空调控制系统的方案及要求 20

3.1.1空气温度控制 20

3.1.2湿度控制 21

3.1.3送风压力控制 22

3.1.4新风回风比例控制 22

3.2PID算法和变频器的原理介绍及检测元件的选型 22

3.2.1PID算法 23

3.2.2变频器调速原理及变频器的选型 25

3.2.3其他测量元件的选型 33

3.3I/O分配及硬件接线图 35

3.3.1I/O分配 35

3.3.2硬件接线图 36

第4章中央空调系统程序设计 38

4.1PLC简介 38

4.2PLC编程软件介绍 38

4.3中央空调控制系统的工作过程 39

4.4梯形图程序 40

4.4.1主程序 40

4.4.2温度控制程序 41

4.4.3湿度控制程序 44

4.4.4送风压力控制程序 46

第5章结束语 50

致谢 51

参考文献 52

第1章引言

1.1中央空调介绍

一般认为：

制冷量大于14000W，带风道的空调器称为中央空调或商用空调,其余称为家用空调。

中央空调是集中处理空调负荷的系统形式，空调机组产生的冷（热）量是通过一定的介质输送到空调房间的。

其核心是一种“小型的中央空调”，是由一台主机通过风道送风或冷热源带动空调末端的方式来控制各房间以达到调节室内空气品质之目的的空调。

它在制冷原理上、构造上类似于普通空调，但又结合了中央空调的众多功能。

其制冷量范围大致在7~120KW之间，相应的可供单元住房面积80~1500M2。

多个户式中央空调模块的组合可供更大空调面积使用，如长虹中央空调MLRFS65型冷水机组就是根据这种设计思路推出的，这种机型最多可以并联8台组成一个中央空调子系统。

多个中央空调子系统组合就可以满足大型公共建筑的空调需求。

模块组合这种方式非常灵活，且各子系统的使用互不影响。

空调机组产生的冷（热）量是通过一定的介质输送到空调房间的。

输送介质主要有三种：

空气、水、及制冷剂。

据此可将户式中央空调分为风管系统、冷热水系统、制冷剂系统。

小型中央空调系统是大型中央空调的小型化，几乎包含大型中央系统所有部件。

对于风冷式冷水机组小型中央空调系统包括用于循环水冷却的冷水机组，用于与空气二次换热的空气末端设备，水系统，风管系统，控制系统等，另外还包括其它一些辅材，主要有保温材料、水膨胀系统等；

风管式中央空调系统包括一个制冷系统和一个风系统，还包括控制系统，风管和风口等。

1.2中央空调研究背景

随着建筑业、工商设施及人民生活质量的提高，中央空调产品的需求日益增加，近十年是我国制冷空调行业蓬勃发展的时期，制冷空调工业产值平均年增长率达20％，处于平稳的上升趋势，市场潜力巨大。

随着世界范围内的产业结构调整，高新技术行业不断发展以及传统行业的高新技术改造都将导致大批的生产办公用房需设置中央空调。

由此可见，随着宏观经济的不断发展，采用中央空调的建筑物越来越多，因此，对中央空调制冷的需求量必将持续增加。

现如今，随着人们生活水平的进一步提高，人们的居住观念和居住行为方式都发生了重大的改变，居住面积越来越大，居住档次越来越高，居住环境越来越美，居住内环境也得到了前所未有的重视，以人为本的居住观念和居住需求。

随着人们生活水平的不断提高，人们对室内空气环境、建筑外部环境、小区环境要求也越来越高。

同时，随着社会的不断进步，国家对节能、环保也将日益重视。

传统空调必将由中央空调及区域供冷取代，中央空调的市场需求必然会增长。

随着时代的进步，生产效率逐步提高，技术革新速度越来越快，中央空调系统各种设备成本将不断下降；

需求市场的不断增加引起产量水平上升，规模经济效应也会导致产品价格的下调。

中央空调产品价格下调必然会增强其市场竞争力，中央空调的市场需求会逐渐增加。

1.3中央空调发展历史

在二十世纪六,七十年代,美国地区发生罕见的干旱天气,为解决干旱缺水地区的空调冷热源问题,美国率先研制出风冷式冷水机,用空气散热代替冷却塔,其英文名称是:

AircoolChiller,简称为Chiller!

在空调历史中，美国已经发展和改进了有风管的中央单元式系统，并得到了正在现场安装和修理有风管的单元式空调系统的空调设备分销商和经销商的强力支持。

WRAC是最简单和最便宜的系统，能够很容易的在零售商店中购得，并在持续高温来的时候自己安装。

同时，无风管的SRAC和SPAC自70年代起在有别于美国市场的动力下在日本得到发展和改进。

之后，设备设计和制造技术在90年代被转让到中国，这是通过与当地公司（包括主要元件如压缩机、热交换器、电劝机、精细阀和电子控制器的本地制造商）组成的合资公司进行的。

在90年代中国也从其它先进国家吸收了较大型空调设备的先进高新技术，并与多数是美国的大公司组成合资企业。

现今，中国已是一个顶级国家，她的当地主要工厂和合资企业制造了大量SRAC和SPAC以满足增长的国内市场和出口需要。

日本过去几年在把SRAC和SPAC机组出口到中国、欧洲和中东以建立新的市场。

但是中国现今已是最大的空调出口国，在2001年出口的WRAC，SRAC和SPAC机组总数达500万台，2002年预计有750或800万台机组出口，而日本正在失去出口的地位。

美国　　美国是最大的空调市场，占世界总空调设备销售额的28％，大多数是有风管的单元式空调系统。

但是，热泵比例相对的低，在2001年以数量计占20％而以销售额计‘占30％。

美国空调市场与其它国家的差别，一些明显的原因是：

　　大多数人居住在位于有广阔空间的郊区独立房屋内，可以更方便地为整个室内空间的舒适优先选择安装风管。

能源价格相对要低，全国范围有电力和燃气可以供应，在冬季可以通过天然气管路网络用燃气炉取暖。

大部分陆地在冬季的寒冷天气并不适用没有辅助电加热的热泵，而辅助电加热是不经济的。

强大工业分销商和经济商网络以相对低的安装费用和维修后缓支持推销有风管的中央空调系统。

日本　　开利公司五十年代发明溴化锂机组技术以后并没有马上大力推广（当时美国的电力、能源并不紧缺，全球对氟里昂制冷剂破坏地球大气臭氧层还没有引起足够的重视）、也没有进一步研究发展。

日本厂商引进溴化锂技术以后便大力发展，诸如荏原、日立、三菱重工、川崎重工等公司都形成了成熟、稳定的技术，现在日本国内溴化锂机组占据了主机市场份额的90％左右。

　　而到了八十年代全球对氟里昂制冷剂地球大气臭氧层的破坏引起广泛的重视，再加上电力、能源日益紧缺，各个国家的厂商开始重视溴化锂技术，但发现日本公司已经形成了强大的竞争实力、成熟稳定的技术。

　同时，公司致力于围绕中央空调系统不断地开发新产品，发展新事业，逐步实现从中央空调主机供应商向中央空调系统集成供应商的转变。

1.4中央空调的发展现状

伴随着计算机控制技术的发展，世界上HVAC系统的控制从五十年代开始就采用气动仪表控制系统，六十年代改进为电动单元组合仪表，七十年代采用小型专用微型计算机进行集中式控制系统，直到1984年，美国哈特福德市第一幢采用微星计算机集散式控制系统大厦的出现，标志着智能建筑时代的开始。

集散式自控系统，目前技术趋于成熟，主要技术特征是采用了DDC（DirectDigitalControl）。

作为控制系统中的主要单元控制器，目前国内外主要采用的是常规的PID控制，因其控制简单．实用．低成本．技术成熟．易于实现．参数调整方便．并且具有一定的鲁棒性，在空气调节的应比较广泛。

１９８２年ｓｈａｖｉｔ和ｂｒａｎｄｔ等对控制阀门和执行器实现温度和湿度控制的不同特性做了研究。

１９８４年ｓｈａｖｉｔ和ｂｒａｎｄｔ对ＰＩＤ控制的废气温度控制系统的单位阶跃响应做了仿真研究。

１９９５年ＫALMAN等人将PID控制用于压缩机和蒸发器的电机速度调节，以实现制冷去湿，并建立了系统的数学模型遗迹PID算法的三个参数的解析整定发发，同时给出了系统的两种控制策略。

我国空调产业一直沿用家用空调和中央空调的分类，家用空调和中央空调的两类生产厂家互不涉足。

目前,市场出售的两类空调都有其局限性:

一般家用空调使用于小面积、居室少的环境中,大型建筑采用中央空调。

但是随着社会经济的不断发展与进步,随着居民居住面积的增大,对室内空气品质的要求也越来越高。

例如一个三居室用户要装三部空调器,需要三个不同的室外空间,原来使用的家用空调特别是分体式空调器的安装就受到限制;

虽然有些空调器生产厂家加装了排气扇,但空气流通不畅,空气质量差等弊端仍没有从根本上克服。

而大型中央空调虽可同时为多用户集中供冷暖,但缺少个性化选择、自由度小,一次性投资较大,只能应用在大型建筑物和高档住宅小区,同时中央空调用于大型建筑特别是出租式建筑时又会遇到收费较困难等问题。

为了解决上述两种空调的弊端户式中央空调就应运而生。

通过分析得出户式中央空调的一下优点：

①户式中央空调系统是小型化的中央空调系统可满足用户多居室需求,以家庭为单元,可适应用户的个性化需求不受其他用户影响。

②由于户式空调采用了分体式空调室内机与室外机相分离的结构形式,使主机与末端装置相分离,这样就保证了宁静的家居环境;

符合空调低噪声的发展趋势。

③室内末端装置可采用多种方式安装如:

暗藏、半暗藏、明装等方式,极适宜配合室内装修,尤其适合高档装修。

④由于主机由微电脑控制,在室内可完成全部操作,且操作简便;

采用先进的电子控制技术系统可根据实际负荷自动化运行,节约能源及运行费用。

在户式中央空调的销售方面，可以和房地产商进行匹配销售。

因为对房地产商而言，户式中央空调系统运行可靠、维护量极小、收费直观合理、不需设机房、这样可以减少公用设施和土建投资，降低房地产价格。

此外户式中央空调可以分批投资添置各用户的空调系统，这样可以减少资金的固定化。

关于变频技术的运用，是由于现阶段的能源紧张所导致的。

2004年9月16日国家空谈的强制性能效新标准出台，新标准按空调能效等级分为五级：

一级为最高标准其能效指标为3.4；

五级为最低标准，能效指标为2.6。

一台1.5匹的一级产品每小时用电量不超过1度，五级产品每小时用电量不超过1.35度。

从2005年3月1日起达不到最低标准的空调将不允许上市销售。

所谓的“变频空调”是与传统的“定频空调”相比较而产生的概念。

众所周知，我国的电网电压为220伏、50赫兹，在这种条件下工作的空调称之为“定频空调”。

由于供电频率不能改变，传统的定频空调的压缩机转速基本不变，依靠不断地“开、停”压缩机来调整室内温度，其一开一关之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。

而与之相比的“变频空调”变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速，依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，室温波动小、电能消耗少，其舒适度得到较大提高。

运用变频控制技术的变频空调，可根据环境温度自动选择制热、制冷和除湿运转方式，使居室在短时间内迅速达到所需要温度，并在低转速、低能消耗状态下以较小的温差波动，实现了快速、节能和舒适控温效果。

供电频率高，压缩机转速快，空调器制冷（热）量就大；

而当电频率较低时，空调器冷（热）就小，这就是所谓”定频”的原理。

变频空调的核心是它的变频器，变频技术是20世纪80年代问世的高新技术，它通过对电流的转换来实现电动机运转频率的自动调节，把50Hz的固定电网频率改为30至130Hz的变化频率，使空调完成了一个新革命；

同时，还使电源电压范围达到142V至270V，彻底解决了由于电源电压不稳造成空调机不能正常工作的难题。

变频每次开始使用时，通常是让空调以最大功率、最大风速量进行制冷或制热，迅速接近所设定的温度。

由于变频空调通过提高压缩机工作频率的方式增大了在低温时的制热能力，最大制热量可达到同品牌同级别空调器的1.5倍，低温下仍能保持良好的制冷效果。

此外，一般的分体机只有四风速可供调节，而变频空调的室内风机自动运行时，转速会随压缩机的工作频率在12档风速范围内变化，由于风机的转速与空调器的能力配合较为合理，实现了低噪音的宁静运行。

在空调高功率运转时，迅速接近所设定的温度。

这样不但温度稳定，还避免了压缩机频繁地开开停停所造成的对压缩机寿命的衰减，而且耗电量大大下降，实现了高效节能。

“变频空调”采用了比较先进的技术，启动时电压较小，可在低电压和低温条件下启动，这对于某些地区由于电压不稳或冬天室外温度较低而空调难以启动的情况，有一定的改善作用。

由于实现了压缩机的无级变速，它也可以适应更大面积的制热要求。

不过，“变频空调”的价位通常较“定频空调”高出几百元。

根据目前的变频技术的发展主要表现在以下两个方面：

（1）机的驱动方式——从交流变频到直流调速；

（2）制技术——VVVF变频技术，PWM脉宽调速控制技术，矢量控制技术。

变频技术的优点：

（3）或制热速度快

（4）较好的舒适性。

1.5本论文的主要工作

本论文的主要工作有两部分：

一.中央空调控制系统设计方案

二.关于中央空调控制系统PLC编程

全论文分为5章：

第一章介绍什么是中央空调及中央空调的发展概况

第二章介绍中央空调控制系统的原理及其构成

第三章关于中央空调的设计

第四章关于中央空调控制系统的PLC程序控制

第五章结论及结束语

第2章中央空调系统的原理及其构成

2.1中央空调系统的原理

要讨论空调技术，就必须对控制对象及空调系统有全面，深入的了解。

只有掌握了其原理和特性及要达到的母的和实现手段才能决定采用何种控制策略。

本文在此将先对空调系统原理及组成作介绍。

2.1.1空气的物理性质

1.空气的成分

自然界的空气是由于空气和水蒸气组成的混合气体，成为湿空气。

另外空气中还含有不同程度的灰尘、微生物、及其它杂质。

空气中水蒸气的大幅度变化，将造成不同的空气环境状态。

在大气层中，距地面高度10km以内的范围内，都含有一定量的水蒸气。

因此，湿空气使我们生活中的真是空气环境，而空调主要是解决空气的温度和湿度问题，所以空调是以湿空气为对象的。

2.空气的状态参数

空气的物理性质不仅取决于它的组成成分，而且也与它所处的状态有关。

空气的状态可用一些物理量来表示，例如压力、温度和湿度等，这些物理量称为空气的状态参数。

空气调节工程中常常用的空气状态参数叙述如下：

（1）压力

1）大气压力p

地球表面的空气层作用在单位面议上的压力称为大气压力。

大气压力一般用帕斯卡（pa）表示。

大气压力随季节、天气的变化稍有高低。

通常以纬度45°

的海平面上的平均大气压作为一个标准大气压，或者无力大气压，它相当于101.325kpa（760mmHg）。

2）水汽分压力pc

任何气体分子，由于不停地地热运动的结果，使它们都具有一定的压力，水汽当然也不例外。

不过空气中的水汽是和干空气同时存在的，这是两种气体各有自己的压力，称之为分压力，而且两者之和应该是空气的总压力，即：

p=pg+pc（2-1）

其中p为湿空气的总压力，一般即大气压力，单位kpa；

pg为干空气的分压力，单位为kpa；

pc为水汽的分压力，单位为kpa。

在空调中，经常会用到水汽分压力这个参数。

水汽分压力的大小反映了水汽的多少，湿空气湿度的一个指标。

此外，空气的加湿、干燥处理过程是水分蒸发到空气中去或水汽从空气中冷凝出来的湿交换过程。

这种交换和空气中的水汽分压力也是有关系的。

（2）湿度t或T

温度时表示空气冷热程度的指标，它反映了空气分子热运动的剧烈程度，一般用t表示摄氏度温度（单位为℃），用T表示热力学温度（单位为K），关系式：

T=273+t（2-2）

空气湿度的高低，将直接影响着人体的散热状况，当空气温度过高或者过低时，便会造成人体的不适感和产生疾病。

空气环境温度的高低，对某些生产环节的映象也是很大的。

如半导体器件的生产，当温度超出一定的范围时，便会大大的映象产品的各项性能指标。

因此在空气调节中，温度是衡量空气环境对人体和生产是否合适的一个重要参数。

干球温度计由两只棒状温度计组成。

一只是直接测量环境空气本身温度的；

另外一只是在测温球上包上湿布，测得湿球温度。

由于在湿空气未达到饱和前，湿布上的水分蒸发，吸收了一部分汽化潜热，所以湿球温度计上的读数总要低些。

环境空气的相对湿度越小，湿球上水分蒸发的就越快，湿球温度降低的幅度就越大。

比较连个温度值，便可计算出相对湿度。

（3）湿度

人体感觉的冷热成都，不仅与空气温度的高低有关，而且还与空气中水蒸气的多少有关，即与湿度有关。

空气中的湿度有以下几种表示方法：

1）绝对湿度x

1m³

湿空气中含有的水汽量（单位为kg），称为空气的绝对湿度。

它和水汽分压力pc有如下管辖：

x=pc/（Rc·

T）（2-3）

其中Rc是水汽的气体常量，等于461J/（kg·

k）,T是空气的热力学温度。

它表明，当温度一定是，水汽分压力Pc越大，则绝对湿度x越大，所以水汽分压力也可以反应空气中的湿度多少。

2）含湿量d

在空调中一般都是用1kg干空气中含有的水汽量来代表空气湿度，这样就可以排除空气温度和水汽量变化时对湿度这个概念造成的影响。

这种湿度习惯上称之为含湿量d。

在空调设计中，含湿量和温度一样，是一个十分重要的参数，反映了空气中带有水汽量的多少。

任何空气发生变化的过程，例如加湿或干燥过程，都必须用含湿量来反映水量增减的情况。

3）相对湿度Ψ

相对湿度表示空气湿度接近饱和绝对湿度的程度。

所谓饱和绝对湿度，即指空气中的水汽超过了最大限度，多余的水汽开始发生凝结的水汽量。

在一定的温度下，相对湿度越大，这时空气就越超市，反之，空气就越干燥。

在空调中，相对湿度是衡量空气环境的超市程度对人体和生产是否合适的一项重要指标。

空气的相对湿度大，人体不能充分发挥出汗的散热作用，变会感到闷热；

相对湿度小，水分便会蒸发的过多过快，人体会觉得口干舌燥。

4）露点温度t1

空气在某一温度下，其相对湿度小于100％，但如果时期温度降至另一适当温度时，其相对湿度也达到了100％，此时，空气中的水汽变凝结盛水——结露，这个降低后的温度称为露点温度。

湿度越大，露点与实际温度之差就越小。

如果已知空气的含湿量d，根据空气性质表查处饱和含湿量等于这个d时对应的温度，他就是这时空气的露点温度t1，这说明，根据空气的含湿量，便可确定露点温度。

在一些冷表面上会发生结露现象，能否产生结露，视冷表面的温度t与露点温度（t1）相对比较而决定，当t≥t1时不会结露，反之会结霜。

3空气状态参数相互间的关系在实际运行中，只要掌握住空气温度t、含湿量d、相对湿度Ψ和水汽分压力pc之间的关系，就能较准确的保证室内空气状态要求的参数。

因此，把t、d、Ψ、pc之间的关系绘制成图，对运行来说就更为直观，对运行来说就更为直观。

如图所示：

图2-1t,d,Ψ，pc关系图

图中标示t、d、Ψ、pc之间的关系图，下图标示的是t、Ψ、pc之间的关系图：

图2-2t,d,Ψ，pc关系图

2.1.2空气调节原理

空气调节的任务，在于按照使用的目的，对房间或公共建筑内的空气状态参数进行调节，为人们的工作和生活，创造一个温度适宜、湿度恰当的术士环境。

一般来说，空气调节主要是指空气的温度﹑湿度控制。

（1）温度调节

按照人类的生理特征和生活习惯，常常要求居住和工作环境与外界温差不宜过大，从保健的角度来看，以5℃左右对人体健康比较有益。

夏日里，如果降温过剧，则有室外进入室内时将受到冷冲击；

而有室内走到室外，将受到热冲击，这两种情况都会使人体感受到不舒适。

因此对于大多数人，居住室温夏季包吃在25~27℃，冬季保持在16~20℃是比较适宜的。

（2）湿度调节

生活经验得知，空气过于潮湿或者过于干燥都将使人感到不舒适。

一般来说，相对湿度的冬季在40％~50％之间，夏季在50％~60％之间，认得感觉比较良好，加入温度适宜，相对湿度在40％~70％的范围内变化，人们也能基本适应。

1调温调湿设备

（1）空气的加热设备空气的加热时通过加热器来实现的。

空调系统中所用的加热器一般是以热水或蒸汽为热媒的空气加热器和电加热器。

以热水或蒸汽为热媒的空气加热器一般都采用肋片管式换热器。

它由几排肋片管和联箱组成的。

当热水或蒸汽在管内流动，空气在肋片管之间流动时，空气被高温的肋片表面及基管加热，空气和管内的流速越大，加热量越大；

热水（或蒸汽）与空气间的温差越大，加热量越大；

空气与加热器接触面积越大，加热量也越大。

但增加空气和谁的流速