第3章 楼宇智能化的空调系统

第3章楼宇智能化的空调系统•空调系统是现代建筑的重要组成部分，是楼宇自动化系统的主要监控对象，也是建筑智能化系统主要的管理内容之一。现代建筑中的空调及其自动控制系统的重要性体现在以下几个方面：首先，智能建筑的主要功能之一就是为人们提供一个舒适的生活和工作环境，而这一功能主要是通过空调及其控制系统来实现的；其次，空调系统是整个建筑最主要的耗能系统之一，有资料表明，空调系统的耗能已占到建筑总能耗的50%左右。3.1空调系统组成•空气调节简称空调，它的目的是创建一个合适的（室内）大气环境，使人在该环境中感到舒适；或者是保证（室内）大气环境满足生产工艺过程或科学研究、实验过程的需要。为实现这一目的，空气调节所依靠的技术手段主要是通风换气，具体地说，就是加工和处理一定质量的空气送入室内，使室内大气环境满足要求。对空气的处理过程包括加温（降温）、加湿（除湿）、净化等，即常说的热湿处理。空气调节主要包括温度调节和湿度调节。3.1.1空调系统的特点•1．多干扰性•2．调节对象的特性•3．温度和湿度相关性•4．多工况性•5．整体控制性3.1.2中央空调系统的基本构成•楼宇自动化系统对空调系统的监控主要是针对集中式中央空调系统。一般的局部空调如窗式空调机、柜式空调机、专用恒温湿机等都自带冷、热源和控制系统，不是楼宇自动化系统的主要监控内容。当然，有时候也需要将建筑中的局部空调机纳入楼宇自动化系统，这时只是对他们的启／停状态进行监视或控制，这些空调机本身的运行控制由其自身配备的控制系统完成，一般不纳入楼宇自动化系统。因此，楼宇自动化系统涉及的空调系统专指中央空调系统。中央空调系统可简单分为冷源、热源和前段设备两个主要组成部分。中央空调的冷源系统包括冷水机组、冷冻水循环系统、冷却水系统。中央空调的热源系统包括锅炉机组、热交换器等。3.1.3中央空调的工作原理•（1）冷（热）水机组的基本工作过程：室外的制冷机组对冷（热）媒水进行制冷降温（或加热升温），然后由水泵将降温后的冷媒（热）水输送到安装在室内的风机盘管机组中，由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处理的目的。•（2）风管（道）式机组的基本工作过程：供冷时，室外的制冷机组吸收来自室内机组的制冷剂蒸气，经压缩、冷凝后向各室内机组输送液体制冷剂；供热时，室外的制冷机组吸收来自冷凝器的制冷剂蒸气，经压缩后向各室内机组输送汽体制冷剂3.1.4控制对象的特点•空调的耗电量W可简化认为与室内外的温度差成正比，即•式中，为室外温度；为室内温度。在夏季，假设室外平均气温为30℃，将室内平均温度维持在20℃和25℃相比，耗电量相差可达50%左右。因此，应通过对空调系统的控制，将夏季室温保持在舒适温度的上限附近，而冬季则应将室温保持在舒适温度的下限附近，从而达到良好控制效果和节能效果。3.2新风送风系统•建筑供配电系统的变配电站通常由高压系统和低压系统两部分组成。•新风机组是一种没有回风装置的空调机组，其监测和控制与空调机组相同。•（1）新风机组的节能控制•（2）湿度调节•（3）新风阀的调节•（4）过滤器堵塞、防冻保护•（5）空气质量保证•（6）设备的开/关控制3.3变风量空调系统•变风量（VariableAirVolume，VAV）空调系统在智能楼宇等方面的应用日益广泛。在低负荷下，其节能效果大大优于定风量（CAV）系统。与定风量系统（固定送风量而改变送风温度的空调系统）相比，变风量系统增加了系统总送风量控制，并在室内不同的空调区域设置了变风量的末端设备。在常规控制下，系统通常控制其送风静压不变，VAV末端装置通过增加气流阻力而达到降低送风量的效果。变风量空调方式起源于高速送风空调系统，近几年来，变风量空调方式在低速送风空调系统中的应用越来越普遍，其主要原因在于变风量空调方式具有良好的可控性。VAV空调系统的成功与否在很大程度上取决于是否采用最佳的系统控制方法以及有无良好的调试服务。3.3.1变风量空调系统的起源、背景和发展现状•变风量空调系统于20世纪60年代起源于美国，原本是为了改进高速送风空调系统的，因为减少送风量对于高速送风空调系统有明显的节能效益。变风量空调系统出现以后并没有立刻得到推广，在很长一段时间内，美国占主导地位的空调方式仍是定风量空调系统加末端再热和双风道系统，直到1973年西方石油危机之后，能源危机推动了变风空调系统的研究和应用，此后20年中不断发展，并已经成为美国空调系统的主流。进入20世纪90年代以后，大量70年代以前建造的空调系统在翻新过程中，越来越多的工程从定风量空调系统改造为变风量空调系统。•利用变风量空调系统，可以有效地减少建筑物电耗，如在我国南方地区，典型办公楼每平方米、每年节电40～50kW·h（地板面积）。从风量角度来讲，因春、夏、秋、冬风量可分别减少34%、25%、42%和44%，而使整个VAN系统的能耗比定风量系统减少20%～30%。3.3.2变风量空调系统基本原理•全空气空调系统设计的基本要求是要决定向空调房间输送足够数量的、经过一定处理的空气，用以吸收室内的余热和余湿，从而维持室内所需要的温度和湿度。送入房间的风量按下式确定。•qxnsns3.63.6cQQLIItt3.3.3变风量空调系统的特点•变风量空调系统的主要优点如下。•（1）节能效果明显•（2）控制灵活•（3）减少了安装设备•从以上3点看，变风量空调系统的优点突出，因此取得了越来越广泛的应用。但在选择变风量空调系统型式时，应该同时注意到：变风量空调系统一次投资有所增加，控制相对复杂，对管理水平要求较高。3.3.4变风量空调机组的监测与控制•由于建筑物内空调系统的耗能很大，节能运行在建筑物自动化系统中显得相当重要。采用变风量系统节点率可以达到50％，因此，近几年国内外逐渐采用变风量空调系统。变风量空调系统属于全空气送风方式，系统的特点是送风温度不变，而改变送风量来满足房间对冷热负荷的要求，就是说表冷器回水调节阀开度恒定不变，用改变送风机的转速来改变送风量。通常采用变频调速来调节电动机的转速。3.4智能楼宇空调系统的节能控制•1．从节能角度确定室内空气的最佳状态•对于舒适性建筑，并非要求室内空气状态恒于一点，而是允许在较大范围内浮动，例如温度为20℃～27℃，相对湿度在40％～70％，均满足舒适性要求。这样，当室外状态偏低时，室内相应靠近此区域的下限；室外状态偏高时，室内则靠近此区域的上限。当室外处于此区域附近时，则尽可能多用新风，使室内状态随外界空气状态变化。这样既可以最大限度节能，又可以提高空气品质和舒适程度。•2．新风量的控制•足够的新风量对于提供良好的室内空气品质，保证室内人员的舒适感和身体健康有着直接意义。但新风取量过多，将增加新风能耗。在满足室内卫生要求的情况下，减少新风量，有显著节能效果。3.5空调通风监控系统的设计•采暖通风、空气调节系统在现代化的建筑中发挥着十分重要的作用，通过调节室内的空气温度、湿度、通风及洁净度，为人们的生活和工作提供一个温度适宜、湿度恰当、空气洁净的舒适环境。但对智能建筑而言，除要求暖通空调系统提供理想的空气品质外，还要求对大量的暖通空调设备进行全面的管理与控制，使其以最佳工作状态工作，达到高效节能的运行效果。3.5.1空调通风系统•智能建筑的空调通风系统主要由以下几部分组成。•（1）供暖系统。主要调节室内温度。•（2）冷热源系统。主要对冷却水、冷冻水的温差，热水的制备、压差及流量进行监控。•供暖系统与冷热源系统的主要设备有：锅炉、热水泵、热水的制备、终端散热器、冷水交换器、冷却塔、冷却水循环泵、冷冻水循环泵、制冷机组、分汽缸、凝结水回收系统、水流开关、各种阀门等。•（3）空调系统。主要由常规通风系统和防排烟系统组成，具体包括：厕所排风系统、地下室机房及车库送排风系统、空调新风送风系统、防烟系统、排烟系统及加压送风系统。对这些系统有定风量系统外，还有变风量系统。其设备主要包括：新风机组、空气处理机组、变风量机、通风及风机盘管等。3.5.2空调通风监控系统的任务及监控点•空调通风监控系统是由安装在智能建筑各处的暖通、空调水泵附近的直接数字控制智能控制器分散控制，现场总线连接各智能控制器后接入上位机并受其管理的自动监控系统。•1．监控任务•（1）通风系统的监控。主要监控新风机组、空调处理机组、风机盘管、变风机组等。•（2）供暖系统的监控。主要监控供暖热水锅炉、蒸汽—水及水—水换热站、供热网等。•（3）冷热源系统的监控。主要监控冷冻机与锅炉主机、冷冻水系统、冷却水系统、热水制备系统、能量调节与水系统。•2．监控点•建筑物设备自动化系统很重要的一项工作就是设置监控点，但监控点的设置并没有一个固定的模式和原则，随系统设备不同而异，应根据实际情况或用户的需求等确定监控点的数量和类型。•通常空调通风系统主要监控点有各设备的开关、运行状态、故障、手动/自动转换开关状态，水泵出水口压，出水水流开关状态，供水/回水压差，新风、送风、回风温度及湿度等。3.5.3空调通风监控系统的功能•1．新风机组监控系统的功能•（1）监控风机的启/停及其状态，过滤器是否需要更换。•（2）监视新风阀的开/关状态，因风机与所有电动控制阀联锁，风机停止要同时关闭新风阀门及电动阀。•（3）比较送风温度与系统中的温度设定值，调节、控制冷冻、回水阀，改变冷冻水流量，使风机出口温度达到设定值。•（4）比较送风湿度与湿度设定值，控制湿度调节阀，使送风湿度保持在适当的范围内。•（5）保护功能，如风机故障报警、过滤器淤塞报警以及新风温度防冻报警。•（6）对于新风机组，控制并监测各机组的启/停及其运行状态、送风温度、湿度及各阀门状态；而且新风机组工作异常时发出报警信号。•2．空调处理机的监控•空调处理机的调节对象不是送风参数，而是相应区域的温度、湿度，通过空调机组的监控可以使楼宇中某一区域的空气参数达到要求的数值。•空调处理机组监控系统的监控功能有：•（1）控制风机的启/停，并监控其运行状态；•（2）风机故障报警、过滤网淤塞报警等保护功能；•（3）带有回风管的空调机组，一要保证经过处理的空气参数满足舒适性的要求，二要重点根据回风管、新风管的温度、湿度的监测，控制新风、回风比例使空气处理能耗最小，达到节能的目的。