燃气热泵末端系统变流量控制的研究（可编辑）

燃气热泵末端系统变流量控制的研究（可编辑） 燃气热泵末端系统变流量控制的研究 天津大学 硕士学位论文 燃气热泵末端系统变流量控制研究 姓名:冀英杰 申请学位级别:硕士 专业:制冷与低温工程 指导教师:杨昭 20090601 中文摘要 燃气热泵水系统实现变流量控制具有显著的节能潜力，有关其控制研究 日益 受到人们的重视。本文将模糊控制与定末端压差控制方式结合起来应用于末端变 流量系统控制，并通过电动调节阀的开度信号将末端冷水系统与室内温度控制系 统连接起来作为整体系统进行仿真研究。 首先，本文建立了室内温度控制系统中各环节传递函数模型并完成室内温度 控制系统仿真模型。其次，本文建立末端冷水变流量系统控制的仿真模型， 分别设计了PID控制器和模糊控制器，并对两种控制器在初始给定信号，阶跃干 扰信号和传递函数模型参数变化时系统控制性能进行了比较分析。结果表明:模 适合控制具有参数时糊控制器在模型参数变化时仍能保持优良的控制性能， 变性 的末端冷水变流量系统。最后，以电动调节阀开度信号为媒介，本文把室内温度 控制系统和末端冷水系统连接起来构成整个末端系统仿真模型。 在末端系统仿真模型基础上，本文选取各支路不同工况对末端系统进行仿真 计算。文章通过对仿真结果进行分析可知，加入模糊控制器的末端变流量系统控 制性能优良，房间温度响应良好，各支路工况变动对末端系统控制参数影响相同。 本文还针对压差设定值大小对系统控制性能和节能效果影响进行了研究。研究结 果表明，压差设定值不会影响系统控制的稳定性。随着压差设定值减小，水输配 系统节能效果就越明显;但是当空调房间负荷变大且压差设定值过小的话，则会 出现室内温度控制性能变差甚至室温达不到设定温度要求的情况。 关键词: 变流量系统PID控制模糊控制传递函数模型 ABSTRACT Variablewater onGas Heat volume VWV systemoperating Pump Engine more is andmoreattention GEHP hassignificantenergy―savingpotential(And paid totheresearchthecontrolofthe on this controland V、7?system(In paper,fuzzy fixed control is tothe VWV controlof pressure strategyapplied drop system(Andby virtue water ofthe of controlvalveindoor control openingsignal temperaturesystem and isconnectedasawhole terminalstudiedinthis V??system system paper( onthetransferfunctionmodelofeach oftheindoor Firstly,based part control simulationmodelofthecontrol isset temperaturesystem，the system up( vWV simulationmodelof isset andalsoPIDcontrolleras Secondly,the systemup wellas controlleris ofthetwocontrollers fuzzy designedseparately(Theperformance undertheinitialconstant aswellasthemodel inputsignal，stepsignal parameters conditionsis and showthatthe controller changing comparedanalyzed(Resultsfuzzy couldmaintainsatisfiedcharacteristicswhenthemodel parameterschanges(Fuzzy controllerissuitableforthecontrolofVWV whose system parameterschangesalong with virtueofthe of watercontrol time(Finally,by signal valve， indoor opening control andthechilledwater are toformthe connected temperaturesystem system wholesimulationmodelofthe tipsystem( Basedonthemodelofthewholeterminal workisdoneunder system，simulation several workconditions(Results different demonstratethatV、VV with systemfuzzy controllerobtainscontrol andsatisfiedroom good performance temperatureregulation( Eachroomhasan effectonothercontrol ofthe equivalent parameterssystem(And this alsostudiesthe whichtheset hasonthe paper impacts pressuredropset-point control andthe effect(Resultsshowthatthe performanceenergy-saving pressuredrop willnotaffectthecontrol butthe effectbecome set-point performanceenergy saving more thedecreaseofthe with theroom significant set-point(However,whencooling is load andthe istoo control becomebadand big small，the set-point performance evenindoor willnotbemaintainedattheset temperature temperature( KEY functionmodel control，Fuzzycontrol，Transfer WORDS:、f懈n，system，PID 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得蠢盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签字日期:?们夕年‖月乒日 学位论文作者签名貅 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞苤堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意 学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名貅 新签名:栲鸭 签字同期:?哆年否月 仁日 签字同期:矽09年否月车同 天津大学硕士学位论文 第一章绪 论 第一章绪论 1(1课研究的意义 能源是一种宝贵的自然资源，无论是人的生存，还是社会的发展都离不开充 足的能源供应。而建筑行业是一个耗能大户，一方面建筑材料的生产过程需要消 耗大量的能源;另一方面，为了在建筑物的内部创造一个适合人们生活、生产和 开展各类社会活动的环境，建筑物在使用过程中还将不断地消耗能源。 建筑使用过程中所需能量，即通常所说的建筑能耗，在社会总能耗中占有很 大的比例，而且社会经济越发达，生活水平越高，这个比例越大。西方发达国家， 建筑能耗占社会总能耗的30,---45,。2000年，美国一次能源消耗量达到36(55 亿吨煤，其中建筑能耗占33(7,，工业能耗35(9,，交通能耗占24(8,。法 国建筑能耗占社会总能耗的45,。我国尽管社会经济发展水平和生活水平都还不 高，但建筑能耗已占社会总能耗的20,-25,。正逐步上升到30,【l】。据统计， 空调的建筑物中，中央空调的能耗约占总能耗的70,，而且呈现在有中央 逐年增 长的趋势口J。因此中央空调系统的节能研究对降低建筑能耗具有十分重要的意 义。 现代中央空调系统在系统及设备上的节能研究主要集中在两个方面，一方面 是冷热源节能方面和新能源的利用;另一方面是空调装置输送系统节能方面的研 究，比如变风量技术，空调大温差的研究等。水系统变流量是一种能有效节 约冷 水输送系统能耗的节能技术，随着变频器和控制技术的发展，这项传统技术开始 焕发出新的生命力，其应用也就越来越广泛。 空调系统一般是按设计日最大负荷来选择冷水机组及水泵的，并按最大负荷 ,时间在75,负荷下运行。 设计水管的大小。但是系统在实际运行时90 表1(1空调负荷的全年分布 I 冷负荷率 , 75,100 50,75 25,50 25 l占运行时间的百分数 , 10 50 30 10 当空调水系统为定流量时，将会长期处于低温差，大流量的情况下工作，即 长期处于“大马拉小车一的状态下运行，造成大量的能源浪费和设备损耗。而实 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 现水系统变流量则可以使供水量随着空调负荷的变化而增减，能最大限度的实现 水输配系统的节能。 而中央空调中水系统输配用电，在冬季供暖期间约占整个建筑动力用电的 20,一25,，夏季供冷期间占12,一24,。因此对于水系统变流量控制进行研究， 使末端水流量能更好地跟踪用户负荷的变化，同时实现输配系统最大限度的节能 具有重要的意义t3]。 1(2课题研究的背景 1(2(1燃气热泵系统特点 燃气热泵是利用燃气发动机驱动蒸汽压缩式热泵，同时回收发动机废 热，实 现冬季供热，夏季供冷的空调装置，是一种高效利用天然气的终端产品。 对于燃气热泵系统，由于压缩机和燃气发动机是直接相联 通过联轴器或皮 带轮 ，故压缩机转速的调节就转化为燃气发动机转速的调节，通过对燃气发动 进而实现对压缩机的有效压缩量进行调节。燃气热泵系统机转速进行调节， 的发 动机容易实现转速调节，且有良好的经济性，其部分负荷时性能良好，在低转速 下其COP值要略高一些。对于制冷工况，当冷负荷变大时，燃气发动机的转速 增大，压缩机的转速也随之增大，从而得到更多的制冷量:相反当冷负荷变小时， 燃气发动机的转速变小，压缩机的转速也随之减小，从而得到更小的制冷量【4】。 燃气热泵的一个突出优势就在于，其制冷量可通过控制燃气发动机的燃气进 气量实现转速的无级调节，可以很好地同空调用户冷热负荷相适应，这也为在燃 气热泵上实现末端水系统变流量提供了便利的条件。 1(2(2水系统变流量的发展 中央空调水系统变流量设计形式经历了一次泵系统 定速水泵 ，一、二次 泵系统 一次泵定速，二次泵定速一变速 ，一次泵系统 变速水泵 。 在上世纪50年代的美国，水系统采用定流量形式，水泵恒定转速。到了60 年代，一些采用机械方法变速的水泵在大型的冷水系统中，目的是降低部分负荷 时过高的水压。1967年美国辛辛那提大学使用的变速水泵，使变流量技术首次 成功应用到真正的系统中。 70年代，模拟电子控制出现并取代了机械控制方式，能源危机引起人们对 节能的重视，变流量技术的研究和应用开始出现，末端装置也用二通调节阀取代 了三通调节阀，水系统形式相应地出现了一级泵定流量系统和次级泵台数调节的 第一章绪 论 天津大学硕士学位论文 二级泵系统，并且在80年代起的国内冷水系统中得到了广泛应用。这种变流量 系统将冷水系统分为冷源环路和负荷环路两个系统，蒸发器侧 冷源环路侧 保 持定流量以主机运行安全 蒸发器不冻结 和控制稳定 冷水出口温度的控 制 ， 负荷侧环路则根据负荷变化进行水泵台数调节而实现变流量。目前国内的绝 大部 分冷水系统还处于此阶段归】。 随着中央空调控制技术的发展，主机的控制已由电子控制取代了机械，气动 控制，控制系统能够对负荷变化做出及时的响应，使得主机在蒸发器变流量的情 61【71人提出采用况下也能正常稳定的工作。90年代后期，Hartman等【 蒸发器可变 冷水流量的一次泵交流量系统，迸一步挖掘了变流量系统节能的空间，在欧美国 家得到了广泛的应用和推广。不少学者对常规冷水机组能否在蒸发器变水量的情 况下正常工作进行了理论和实验上的研究，结果表明只要在一定的范围内改变蒸 发器的水流量，不会对冷水机组有能耗及稳定性产生影响【8】【9】【101。 随着科学技术的发展，人们对交流量系统的设计和控制有了更深入的认 识， 设备性能在不断提高，投资在不断降低，水系统变流量已是水系统设计的必然发 展趋势，各国的空调设计中都明文规定冷水系统应当设计成变流量系统。 (2(3水系统变流量相关技术性问题的研究 1 变流量水系统节能是指在满足各空调末端的冷热负荷前提下尽可能实现能 量的最小消耗。变流量水系统在实际运行的时候对其它各个设备都有直接或间接 的影响。因此，为了保证系统稳定安全地运行，很多学者对变流量运行时其它设 备工作性能进行了分析。 :1(变流量水系统对主机性能的影响 传统观点认为，为保证制冷效率和防止蒸发器被冻裂，要求通过蒸发器的冷 水流量保持恒定。Redden在文献[11】研究表明，蒸发器中水流量在一定范围内改 变不会影响主机性能。文献[12】通过计算机模拟对变冷水流量对主机性能影响进 行了分析，结果表明部分负荷时，变冷水流量对机组的效率几乎没有影响。文献 对冷水变流量对主机制冷性能做了详细的分析。文章指出，根据实际[131@ 样例 变流量系统相对于定流量系统会引起机组COP下降，但是由于机组的最高效率 点设定在70,负荷左右，流量在70,以上时，变流量系统和定流量系统的COP 差别不大，而且随着负荷变化比较缓慢。70,负荷时，定流量情况下COP升高 到额定状态下的107(2,，变流量情况下COP升高到106(1,。因此可以认为在 60,负荷以上，变流量对主机性能影响并不大。文章还依据蒸发器的传热特性经 验公式分析得出，蒸发器内变流量不会影响到水侧放热。文献[8]还提到冷水流 量降低导致蒸发器中制冷剂流量减少，当冷水流量变化率过大且流量过小时，由 天津大学硕士学位论文 第,章绪论 于制冷剂流量未能及时发生相应变化，造成冷水温度急剧下降，其温度可能会低 于O?，使蒸发器盘管冻裂，因此建议一次泵变流量系统中蒸发器流量每分钟降 低速率不应大于5,，蒸发器内流量不得低于额定流量的50,。 2(变流量对末端设备性能影响 关于水量变化对末端设备工作性能的影响的问题，文献[8]指出，由于风机 盘管中的水量与其的传热量并不成线性关系，流量减小后并不会影响盘管的处理 能力，盘管负荷为75,时，需水量仅为额定流量的50,。文献[13】指出风机盘管 中的水量发生变化时，不会对供冷量产生不利影响，但是盘管表面的平均温度会 升高，导致盘管处理空气的除湿能力下降，因此，在有特殊要求的热湿环境中， 采取变流量系统时要慎重考虑。 1(3国内外变流量控制系统研究 目前国内外中央空调变流量水系统的控制方式主要有四种:供回水干管温差 控制，供回水干管定压差控制，最不利末端定压差控制以及最小阻力控制法。其 中最小阻力控制法要求调节设备具有较高的性能，而且控制系统较复杂，工程上 应用主要限于前三种控制方式。 关于前三种变流量控制方式的特点，不少学者对此做过详细深入的研究。文 献E141[151详细分析了三种控制方式的节能潜力和适用的场合。文章指出:温差 控制法进行变流量控制时，节能空间最大，但是对于使用功能不同的房间，难以 实现流量的合理分配，供回水干管定压差控制法进行变流量控制，避免了温差控 制所具有的短处，但是以牺牲节能为代价;而压差控制法可靠性较好，采用最不 利末端定压差控制的话，相对于供回水干管定压差控制节能效果可大大提高。采 不应该不分场合盲目推广，应该根据空调系统本身的特点用何种控制方式， 和要 求采用最佳组合，达到空调系统运行能耗的最优化。文献[16]通过建立数学模型 并分析了供回水干管压差控制方式和最不利末端压差控制的系统调节特性和节 能情况，得出系统调节性能和系统的节能是一对矛盾，供回水干管压差控制方式 较最不利末端压差控制方式调节性能好，但是节能效果差，而最不利环路末端压 使用功能相同或相近的场合，其对系统具有良差控制方式适用于系统较大， 好的 节能效果，但系统调节阀的调节性能差，易畸变。文献【5】对变流量系统的控制 方法进行理论分析和实验方面的研究，利用传统的PID算法验证了压差控制方式 的可靠性，并通过实验验证了最小阻力控制法，即根据调节阀开度的情况实时的 改变压差设定值能起到很好的节能效果，是一种行之有效的控制方法。文章还指 出压差控制提高了系统的水力稳定度，而且在最不利末端定压差控制中，压差设 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 定值的变化不会对水力稳定度产生影响。柏晨在其文章中指出【17】末端定压差控制 法中的控制曲线在流量非等比例变化时，并不是一条曲线，而是一个区间，称为 “控制带”，它的存在为以后进一步研究空调变水量系统的控制方法提出了新的 课题。文献【18】利用Matlab仿真方式对变流量系统的部分特性进行了分析，对变 流量空调系统中关键部件的选择和定流量系统的变流量改造进行了探讨，结论指 出供回水温差控制方式相对于末端定压差控制方式更简单易行。同时不少学者利 用TRNSYS软件对冷水系统的运行特性进行了仿真研究【19]120]，建立了能 够反映 系统能量及控制特性的动态仿真程序，该仿真程序可以用于实验并实施各种上位 机或中央控制系统的优化控制，可以为实际控制方案提供便利的试验条件。 [21]分析了空调变流量系统中异程系统干管定压差控制、异程系统末端文献 定压 差控制、同程系统干管压差控制、同程系统末端压差控制、环形管网干管压差控 制和环形管网末端压差控制中水系统水力稳定性的影响，结果表明异程系统中， 干管压差控制的稳定性好于末端压差控制稳定性;同程系统和环形管网中，末端 环形管网干管压差控制的稳压差控制的稳定性好于干管压差控制的稳定性， 定性 好于同程系统干管压差控制的稳定性。 综上所述，关于变流量控制方式对控制特点，系统节能和水力稳定性的影响， 前期研究者已经做了全面而详细的研究工作，为本文中水系统变流量自动控制的 研究提供的很好的基础。 关于自动控制技术在变流量水系统中应用，其中大部分的变流量系统都没有 使用智能控制系统，只是使用传统的PID控制，而传统的PID控制器结构简单， 具有一定的鲁棒性，实现容易，稳态误差小，控制精度高，能满足大部分工业控 制的要求。但是PID控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型 如 、传递函数或状态方程 的基础上，由于变流量系统存在非线性、微分方程 大滞 后、参数时变性和模型不确定性，因而采用普通的PID控制器难以获得满意的控 制效果。 相比之下，属于智能控制的模糊控制理论具有很多优点，模糊控制不需要建 立精确的数学模型，根据实际系统的输入输出的结果，参考专家的运行经验，对 系统进行实时的控制。模糊控制具有较强的自适应能力，而且对于干扰和参数变 化抗干扰能力强，尤其适用于非线性、时变及纯滞后系统的控制。由于模糊控制 的上述优点，其应用于暖通控制系统比PID控制拥有无可比拟的优势。 模糊控制正式应用于暖通空调中始于20世纪80年代中期。1985年，日本 三菱重工开创了模糊控制变频空调器研究的先河。1991年，日本又研制出模糊 控制空调器，根据实验结梨勿，模糊控制在室温稳定性、压缩机频繁启停、节能 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 在原有工作的基础上【23】提出基于控制相平面响应轨迹特性的自调整模糊控制方 法。另外，Haissing提出了空调水系统自适应模糊控制方法【241。文献【25】中采用 取得较好仿真结模糊控制以温差控制为载体对变流量模糊控制进行了仿真， 果。 结果表明:模糊控制器具有较好的自适应能力，稳定性和抗干扰能力，可以较好 的适应空调系统冷负荷的变化以及保持制冷主机进出水冷水温差。刘学义在文章 @[261所研究的中央空调变流量节能控制系统是采用模糊控制理论和变频技术， 根据空调负荷的变化，采集供回水温差的信号，对冷温水泵进行实时的优化控制， 使流体流量跟随负荷的变化而同步变化，利用模糊控制理论方法开发的样机在实 际工程中的应用表明控制可靠，节能效果显著。在中央空调变流量自动控制方面， 吉林大学刘钢老师也对此进行了研究，他在文章【27]将模糊PID控制应用到中央 空调变流量系统控制上，并通过某宾馆的中央空调实验证实了加入了这种控制方 法可以综合模糊控制响应快和PID精确输出的特点，改善了系统的动态性能，提 高了系统的稳定性。不过这种控制方法中，控制的目标仍然是保持冷水进出口水 温温差恒定，没有采用控制更为可靠的压差控制方法。 但总体看来，国内外流量模糊控制技术的研究还没有进入实际大规模应用阶 段。模糊控制产品开发品种少，无规模效应。尤其是如何将模糊控制与节能效果 显著的最不利末端环路定压差控制方式结合起来并应用到实际系统中去尚需进 一步研究。目前来看变流量系统中模糊控制的研究主要采用计算机仿真手段，因 此模糊控制技术在变流量系统中应用和推广任重道远。 1(4本文主要内容 本文选择燃气热泵的末端水系统和室内温度控制系统为研究对象，以最不利 末端定压差控制方式为载体，采用计算机辅助设计方法使用Matlab,Simulink建 立传递函数模型和设计模糊控制器，对系统进行模拟仿真。本文所述变流量系统 控制基本流程如下:当室内温度降低时，安装在风机盘管前端的电动二通调节阀 关小，从而引起末端支路两端压差值增大，而压差变送器则把压差信号传给模糊 控制器，调小变频器输出频率，降低水泵转速，改变循环冷水流量，维持末端压 差值恒定，从而达到和用户空调负荷相匹配的目的和降低水系统输送能耗降低的 目的。 前人进行的冷水系统方面的控制研究都是以温差控制为载体采用模糊控制， 而且只是对冷水变流量系统或者室内温度控制系统控制单独进行研究。针对前人 研究的情况，本文进行了以下两点创新和改进: 1 将模糊控制与最不利末端压差控制方式结合起来应用于末端交流量系 第一章绪论 天津大学硕士学位论文 统控制。 2 通过电动调节阀的开度信号将末端冷水系统与支路室内温度控制系统 连接起来作为整体进行仿真研究。 本文的主要内容包括: 1 对一次泵变流量系统对系统的影响作了介绍，包括对主机的影响和末 端风机盘管的影响;并对变流量系统常用几种控制方式作了详细介绍，包括各种 控制方式的适用范围和优缺点。 2 结合具体的系统，对室内温度控制系统建立了传递函数模型，借助于 Matlab,Simulink对室内温度控制系统进行了仿真。 3 在最不利末端定压差控制方式中加入模糊控制器，分别设计模糊控制 器和PID控制器并进行对其进行仿真分析。在模型参数变化时，将PID控制器 仿真结果同模糊控制器仿真结果进行了比较分析，结果表明模糊控制更适于控制 具有参数时变特性的末端冷水系统。 4 借助于电动调节阀门开度信号将室内温度控制系统和末端冷水系统控 制连接起来，选择系统实际运行时的几种工况进行末端系统模拟仿真。本文最后 研究了末端压差设定值对末端系统调节性能和节能效果的影响。 1(5本章小结 能源形势日趋紧张，各个系统节能工作势在必行。而中央空调水系统节能具 有重要意义。变流量控制是水输配系统节能重要手段。本章主要介绍了变流量控 制方式和自动控制技术在变流量系统中的应用，指出模糊控制在变流量水系 统中 应用优势，同时介绍了本文主要研究内容和研究方法。 天津大学硕士学位论文 第二章水系统变流量控制理论基础 第二章水系统交流量控制理论基础 冷水系统是中央空调系统中重要的一个环节，也是一个相对复杂的环节。研 究变流量水系统控制对于流体力学和流体管网知识和其它变流量设备的知识要 求很高，而且还要了解变流量水系统中各设备工作基本原理和性能。 2(1流体力学相关理论 流体力学包括流体静力学和流体动力学等相关内容。流体静力学是研究流体 流体动力学研究在静止或相对静止状态下的平衡规律及其在工程中的应用。的是 流体的运动规律，以及应用这些规律解决各种实际工程问题，研究流体的运动规 律具有更重要、更普遍的意义。同时流体力学也是研究水系统变流量性能的基础。 2(1(1管内流体流动阻力 管内流动的能量方程不仅在整个工程流体力学中具有理论指导意义，而且在 工程实际中得到广泛应用，管内流动的能量方程式【28】如式 2(1 : 2(1 z1+旦+掣:z2+堕+等+hwl-2 7 zg 7 zg z(，z，选定的1，2渐变流断面上的点相对于选定基准面的高度 m ，称为 过流断面上流体质点相对于某一基准面的位置水头; P。，P，相应断面同一选定点的压强，用相对压强或绝对压强 Pa 表示，兰‘ 7 称为过流断面上流体质点的压强水头; a。，a，相应断面的动能修正系数，v2,29称为过流断面上流体的速度水头; h小:两断面间的平均单位损失水头 m 。 能量方程式的几何示意图如图2(1所示。 流体阻力分为沿程阻力和局部阻力，能量损失分为沿程损失h，和局部损失 h，。在边壁沿程不变的管段上，阻碍流体流动的阻力沿程也基本不变，称这类阻 力为沿程阻力。克服沿程阻力引起的能量损失称为沿程损失。在边界急剧变化的 区域，如管道的阀门、突然扩大或缩小等等，阻力主要集中在该区域内以及 附件， 这种集中分布的阻力称为局部阻力。克服局部阻力的能量损失称为局部损失。 能量损失的计算，多用水头损失来表示，以mH20为单位时，沿程水头损失 天津大学硕士学位论文 第二章水系统交流量控制理论基础 按式 2(2 计算，局部水头损失按式 2―3 计算。 I 1? ! (j 协 (4别 ! pll h|7 ’ 如 J 《 毛 一 r 1 图2-1能量方程式几何示意图 办，:力三兰 2(2 。d 29 2-3 驴f丢 用压强损失表示，以只为单位时，上两式分别变为: 弦4， 驴五吾譬 2-5 p， f竿 上述各式中: ，一管长，m; d,管径，m; v一断面平均流速，m,s; 五一沿程阻力系数; f一局部阻力系数。 整个管路的总能量损失等于各管段的沿程损失和所有局部损失之和，如 下式 所示: 2-6 h。--Zh，+?hJ ? 蚍 ?矗，+?^，28 ?A石li+?蠡 V2,29 将v 4Q,翮12代入得 2-8 矗w Zhf+?办，2 8 ?五万li+?缶 Q2, 万2d49 天津大学硕士学位论文 第二章水系统变流量控制理论基础 定义s 8 ?五百Ii+?, , 万2J49 称为管道阻抗，单位为s2,m5，是反映管 道流动阻力情况的综合系数，可得^。 S02。 2(1(2管路特性曲线 管路特性曲线是管路中通过的流量与水头损失之间的关系曲线， p p 2―9 H-- z2+二生 一 zl+1 +h。 日二+无。 jy ( l 式 2―9 中: 日一管路中对应某一流量下所需水泵提供的扬程，111: D D 5 矾一静压头，H盯 z2+生 - z。+1 ，闭式系统，以 O 1 jy JIl。一吸入管路及压出管路的阻力，取决于管路的阻力特性，h。 s02。 S一综合反映管路阻力特性的系数，简称阻抗，亦称管道阻抗; Q一管路流体流量。 在开式液体管网中，管网两端分别与大气相通，则有日甜 Z:一Z，， 即静压 头等于管网两端点的位置高差; 在闭式液体管网中，皿， 0，则有日 SQ2。 管道特性曲线是二次抛物线，管道阻抗S越大，曲线越陡。 H H I 1 H SI*Q2H S2tQ2H S3*Q2 H sI??Q2H S2*Q2H S3幸Q2 Q Q 图2(2 a 开式管网特性曲线图 图2-2 b 闭式管网 特性曲线图 2(1(3串并联管路 在串联管段中，串联管段的阻力数为各串联管段阻力数之各: S曲 sl+s2+s3+„„ 式中:S曲一串联管段的总阻力数; s。，s2，S3,各串联管段的阻力数。 第二章水系统交流量控 制理论基础 天津大学硕士学位论文 串联管路中的流量处处相同。 并联管路阻抗计算: 1 1 1 1 再2面+再+再t„ 并联管路中的流量分配如下: 卵幺:g 2击:击:去 S。为并联管段的总阻力数。 2(2水泵相关理论 因为在实际应用中离心水泵的使用率很高，我们实验使用的也是离心水 泵， 所以在这里主要讨论离心水泵。 1(水泵的功率 (离心泵的有效功率: Ne 尼形 望堕生竺坚等等掣 离心泵的轴功率:?。 坐 离心泵的马达输入功率:虬 生 Q一离心泵输送流体的体积流量，m3,s; 日一离心泵的扬程，m; ，，一流体的重度，N,m3; r,;一离心泵的效率，,; r,。一马达效率，,。 2(水泵的相似率 ，， I D，几玎, 十扬程换算城堡 万py'H P 瞰予 2 十„„:号 等7,"2 五 五功率换算媾矿N 刀,oD25,,,3 夤时 爿3 在特殊情况下，如同一台水泵 D， D’， ，且忽略流体密度变化，则上 述 天津大学硕士学位论文 第二章水 系统变流量控制理论基础 换算公式可以转换为以下公式【291: n H ? Q f，，l、2 f，聆、5 虿2了。可2L了,J。‘矿2L了j。 ’ 3(水泵工作特性 水泵在实际运行时的工作状态，不仅取决于其本身的性能曲线，而且还取决 将水泵的性能曲线和管路系统的特于水泵所在的整个装置的管路特性曲线。 性曲 线用相同的比例尺，相同的单位绘在同一个直角坐标图上，其交点即为水泵工作 点。如图2(3中点M即为水泵的工作点。 水泵运行工况的调节中，变速调节经济性最好，由于无能量损失，故在工程 上得到了广泛的应用。变速调节是在管路特性曲线不变的情况下，用改变水泵的 转速来改变泵的性能曲线，从而达到移动水泵工作点的目的，使水泵的流量发生 变化。变速水泵工作特性曲线如图2-4所示。 H I _,(r 7 ,7l一, 一 图2(3水泵工作点确定 图2(4变速水泵 工作特性 2(3变频器 在异步电动机的几中调速方式中，变频调速在运行的经济性、调速的 平滑性、 调速的机械特性这几方面都具有明显的优势。随着电力电子器件及单片机的 大规 模应用，交流异步电动机变频调速已成为交流调速的首选方案‘301。 由电磁学原理三相异步电动机的转速与供电电源的频率有如下关系: n 60f 1一s ,只 式中: 刀一转速，r,rnin; 厂一供电电源的频率，Hz; s―异步电机的转差率; 只一电动机的磁极对数。 天津大学硕士学位论文 第二章水系统变流量控制理论基础 所以可以通过变频器改变供电频率来改变电动机的转速改变水泵的转速，进 而达到调节流量的目的。由于水泵的流量与转速成正比，水泵的轴功率与转 速三 次方成正比，当转速减少时水泵所需的轴功率大大减少，节能效益十分显著。 变频器的变频形式主要是交一交和交一直一交两种。交,交变频器可将工频 交流直接变换成频率、电压可控制的交流，又称为直接式变频器。交一直一交变 然后把直流电变换成频率，电频器则是把工频电流通过整流器变成直流电， 压均 可控制的交流电，亦称间接式变频器，工作原理如图2(5所示。 频率电压可调 交流电 交流电 ――――??一 ――-一整 图2(5变频器基本原理 2(4电动调节阀 电动调节阀广泛应用于采暖、通风、空调、制冷等楼宇自动控制系统。 电动调节阀在空调水系统中应用的主要性能指标包括[31】【32】: 1(流通能力 流通能力是反映流体在调节阀中体积流量通过能力的指标。在空调水系统 中，电动调节阀的流通能力必须满足它所调控的设计流量要求，这是电动调节阀 选型的最基本要求。 流量系数K。是描述电动调节阀流通能力的基本参数。指介质为水，调节阀 全开并且调节阀两端的压差为1Bar时单位时间内通过调节阀的体积量。 根据图2-6并由流体力学的基本公式可知: Q K。 叱口 0’3 其中Q为流过电动调节阀的流量:叱。是调节阀进出口A，B两点压差。 可见，根据调节阀的最大流量系数K。，以及调节阀两端的压差值嵋8，就能 从而准确地判断所选调节阀是否满准确地计算出调节阀在全开时的流量数， 足被 调设备的设计流量要求。 实际上在调节阀选型时，是根据被调设备设计流量值和调节阀两端压差，反 算出所需调节阀的流量系数，然后根据流量系数选择相应口径的电动调节阀。 天津大学硕士学位论文 第二章水系统变流量控制理论基础 图2-6电动调节阀安装示意图 2(流量特性曲线 电动调节阀的流量特性曲线是反映电动调节阀的调节能力、保证调节精度的 流量特性曲线分为理想流量特性曲线以及实际的流量特性曲主要性能指标。 线。 评价调节阀在系统中实际运行时的调节能力和精度的是实际流量特性曲线。 1 调节阀的理想流量特性曲线 调节阀的理想流量特性曲线是指调节阀在两端压差不变时开度和流量的关 系曲线。图2(7为调节阀常用的几种理想流量特性曲线，有直线型、快开型、等 百分比型等。 Q捌 图2(7调节阀流量特性曲线 根据电动调节阀的介质、使用场合不同，所需流量特性曲线也不同。在暖通 空调系统中，一般对于介质为水的，宜采用选用等百分比流量特性曲线。 2 调节阀实际流量特性曲线 决定电动调节阀实际运行时的调节能力和精度的是实际流量特性曲线。 电动调节阀在实际使用时两端的压差是变化的，因此其实际流量特性曲线与 天津大学硕士学位论文 第二章水系统变流量控制理论基础 理想流量特性曲线不一致，存在偏离 其实际流量特性曲线与理想流量特性曲线偏离的程度通常用阀权度来表示。 阀权度是指电动调节阀全开时两端压差与全闭时两端压差的比值，是电 动调 节阀的主要的系统参数之一。 如图2-6所示，设阀权度为11，则其等于调节阀两端A、B点全开压差与全 闭压差之比，即: F ?，么全开,?，么全闭 对于较大的水系统，可以近似认为主管即A、C两点之间的压差是不变的， 那么: ,闭 必c 贝0 F ?只脸开,?只c?APaB全开, ,开+?珞调箱 由此可见，阀权度实际上是调节阀全开时调节阀在调节阀和空调箱管路上的 分压比。 阀权度等于l时，调节阀的实际流量特性曲线与理想的流量特性曲线一致。 阀权度越小，调节阀实际流量特性曲线偏离理想流量特性曲线的程度越大。 如图2(8所示，随着阀权度为0(6和0(3，实际流量特性曲线偏离理想的流量 (3~0(5。 特性曲线的程度越来越大。一般空调系统的阀权度取值为0 根据阀权度的取值和被调设备的设计压差值，就可以算出电动调节阀全开时 的压差必口全开，进而算出调节阀的流量系数K。，从而可以依此选取所需的调 节阀口径。 流量? ， 10似r――――]J,, ,,，, 7,，,,| 瑚，7 趁 鲨L一 3(动态平衡时间常数 动态平衡时间常数是反应调节阀稳定性和搞干扰能力，或者说动态平衡能力 天津大学硕士学位论文 第二章水系统变流量控制理论基础 的主要性能指标。 动态平衡时间常数指的是调节阀在受到系统压力变化的干扰到调节阀接受 信号动作以消除这种干扰所需要的时间。 动态平衡时间常数越小，表示调节阀受到干扰后反应的速度越快，抗干扰能 力越强，动态平衡能越好;动态平衡时间常数越大，表示调节阀受到干扰后反应 的速度越慢，抗干扰能力越弱，动态平衡能越差。 电动调节阀的动态平衡时间常数主要取决于空调水，风系统的空间和分布形 式以及温度传感器的安装位置。 2(5本章小结 本章对变流量系统中基础流体理论知识作了介绍，并分别介绍了变流量系统 中重要设备如水泵，变频器和电动调节阀的基本的工作原理与特性，为以后对其 末端系统分析和建模做了充分的准备。 天津大学硕士学位论文 第三章水系统变流量自动控制与实现方式 第三章水系统变流量自动控制与实现方式 3(1水系统变流量控制方式 空调水系统变流量运行时使用变频器控制泵变转速运行已经成为众多的空 调系统节能设计中的应用最为广泛的一种。变流量运行的控制方法主要有温差控 压差控制法 包括最不利末端压差控制和供回水干管压差控制 ，以及制法， 最 小阻力控制法。 关于水系统变流量运行控制方式的具体介绍，不少学者在他们的文章出对其 应用特点都作了详细的介绍。鉴于水系统变流量实现方式是自动控制在水系统中 应用的前提，有必要对具体控制方式和原理作下简要介绍[5】【141【33】【34】。 3(1(1供回水干管定温差控制 温差控制方式的原理见图3-1。部分负荷时，供回水温差减小，供回水干管 间的温度传感器将温度信号传至控制器，控制器按预先设定好的算法计算出输出 偏差，并产生输出信号控制水泵电机的频率降低，从而通过水泵的流量的降低使 供回水干管间的温差升高或降低，回到设定值。实际的调节过程是通过控制器和 水泵电机频率的几次反复作用才能达到新的稳定状态。 ―I办:、。(。11 上 审(动二捅J 型小水 :1 一z、 o。一 ， 盟差j二_”调节闽 j 旁1 蒸 篷送器风! j 通7二 „ _ 发 机 :j 阀丁J 器 盘 j J, 管， 《 L。。‘。。’’一’。一 集水器, 一――‘―1 图3(1供回水干管温差控制原理图 空调负荷与水泵流量存在如下关系: 3(1 Q G×AT×C 天津大学硕士学位论文 第三章水系统交流量自动控制与实现方式 式 3―1 中: Q一空调负荷，kw; G一水泵流量，kg,s; ?丁一空调供回水温差，?; C一水的比热，kJ,kg?。 空调供回水温度一般为7?,12?，温差为5?，当保持供回水温差不变时， ，空调负荷与冷水的流量按比例变化，由水泵相似定律可知，水泵的流量G扬程 日，轴功率?，与转速有如下关系: G n H N f，n、2 f，疗、3 万2了7可2【了J5矿2【了J( G，日，?分别为水泵在转速n时的流量，扬程和轴功率; G’，日’，?’分别为水泵在转速刀’时的流量，扬程和轴功率。 由式 3(1 可以看出，当实际负荷为设计负荷的50,时，实际水泵耗功率 公为设计条件下的12(5,。因此，采用供回水干管温差控制方式时，降低水泵的 转速，就可能使单位供水量的电耗减少，节能效益显著。 由于空调设计时，系统的冷负荷是按最大负荷来计算的，并没有考虑末端设 备同时使用系数，而空调系统在设计负荷下运行时间不到总运行的1,，大多数 时间系统是在65,负荷以下工作的，系统具有较大的节能空间。 温差控制具有很多优点。采用温差控制可以充分利用水泵的相似定律，在压 差控制方式中，由于部分负荷下，电动二通调节阀的调节作用，系统的阻力系数 发生很大变化，水泵满足几何相似，但不满足动力相似和运动相似的条件，因而 不满足相似定律，水泵的耗功率并不与转速成三次方关系，因而节能效果也并不 显著。但温差控制对于末端风机盘管不设调节阀的系统和设通断调节阀的系统， 由于在部分负荷下，系统的阻力系数不变化或者变化很小，满足水泵的三次方定 律，因而具有显著的节能效果。 系统改造简单，由于商业建筑中末端大多为风机盘管，当部分房间暂时不使 用时，关闭相应的风机控制器即可，对系统的水力工况无影响。温差控制对原有 系统的改造仅在主机系统处直接进行，不影响商业建筑的正常使用。 但由于温度采样点离负荷变化点有一定距离，冷水经过一个循环后，其温度 变化才反应出来，因为信号传递延迟大，特别是在系统较大和在部分负荷时，信 号的延迟时间更长，给系统控制的及时性造成一定的影响。冷水流动过程中受外 界干扰影响大，应注意加强管道的保温，特别是回水干管的保温，以防止回水温 度受外界的影响而升高，造成温差增大，水泵变频空间减小，影响水泵的节能。 天津大学硕士学位论文 第三章水系统交流量 自动控制与实现方式 对于由于使用功能而造成的负荷差别较大的末端房间，控制的准确性较差。 实际上，空调水系统是由许多支路，换热器、调节阀等组成的系统，每一支路调 节阀的动作，都会造成整个管网压力分布的重新变化，在总流量变化同时，造成 流量分配的不均匀。供回水干管间的温差只是一个集总参数，只能反映总负荷的 变化，而不能反映出某一支路的负荷变化，不能合理分配支路的负荷，这是不够 精确的。 3(1(2供回水干管定压差控制 压差控制是变流量系统常见的控制方式，其闭环控制方式如图3(2所示。此 种控制方式主要由压力或压差变送器、变频控制器 PLC或DDC控制器 、水 泵及管路组成，它要求空调系统末端装置必须设置能随负荷变化而调节流量的二 通调节阀。 图3-2压差闭环控制原理图 供回水干管定压差控制即压差传感器设在供回水干管间 通常设在泵房的分 水器和集水器间 ，如图3(3所示。部分负荷下，室内温度传感器根据室内温度 从而引起供回水干管间压差增大，供回水干管间压差变化关小电动二通阀， 传感 器感受到这一变化，通过变送器将偏差送到控制器，控制器按预先设定的算法计 算出输出偏差，并产生输出信号控制水泵电机的频率降低，从而通过水泵流量的 降低使供回水干管间压差降低，回到设定值。实际的调节过程是通过调节阀和水 泵电机的频率几次反复作用才达到新的平衡的。 供回水干管定压差控制简单，布线方便，适用于系统较小的工程，对于旧系 统改造，也仅限于泵房，改造简单。供回水干管定压差控制对于最不利环路非最 远端末端用户的空调水系统，如最不利环路靠近冷源端，或系统由于使用功能的 成的最不利环路不易确定的场合 如室外温度下降，大多数用户处差异而造 于部 分负荷下，而个别用户仍需保持设计流量而成为最不利环路 也具有明显的优势。 供回水干管定压差控制的另一优点是可提高调节阀的调节性能，不至于使调 节阀发生过大畸变。部分负荷时，由于流量减小，实际用户末端设备 如盘管 阻力减小，而由于支路定压差的作用，实际经过调节达到稳定后调节阀两端的压 学位论文 第三章水系统变流天津大学硕士 量自动控制与实现方式 降是增大的，这无疑增大了水泵的能量损耗，但却提高了调节阀在部分负荷下的 调节性能，从而可以看出，节能和调节性能是一对矛盾。 图3(3供回水干管压差控制原理图 3(1(3最不利末端定压差控制 最不利末端定压差控制与供回水干管定压差控制区别在于压差信号采集点 的位置不同。其控制原理如图3(4所示。压差变送器设在末端支路两端，部分负 荷下，室内温控器根据室内温度的变化增大或关小电动二通阀，从而引起末端压 差增大，压差传感器将这一变化转变为4,20mA直流电流信号，送至控制器，控 制器将该输入信号与内部设定值进行比较，并将偏差按预先设定的算法计算输出 量，并产生输出信号控制水泵电机的频率减小，从而实现末端流量减小，末端压 差降低，回到设定值。系统中任一支路负荷发生变化时，该支路二通调节阀动作， 导致该支路阻力系数及流量发生变化，由于系统管路间的耦合作用，最不利末端 的流量也发生变化，同时导致该支路压差发生变化，这一变化是瞬时的，几乎不 存在延迟，因而压差控制具有反应快，较灵敏的特点。 差 送器 图3-4最不利末端压差控制原理图 天津大学硕士学位论文 第三章水系统变流 量自动控制与实现方式 从压差控制特点来看，这种控制方式比较适合于用户端设有电动二通调节阀 的系统，因为室内负荷的变化可以通过调节阀及时地反应到末端压差的变化。国 外，如美国的商业建筑中，大都采用末端为空调箱的全空气系统。而国内的办公 楼和商业建筑中占80,,90,以上的水系统是风机盘管水系统。风机盘管的水路 或采用三通阀，通断电磁阀，由于部分负荷时系统压差几乎不变，基本不控， 这 给信号的采集造成了很大困难，控制精度较差。 末端定压差控制的压差设定值是按最不利环路在设计工况下的压差值计算 的，最不利环路是最容易发生水力失调的部位，最不利环路末端设备保证了可以 正常工作，其它支路也相应得到保证，因而这种控制方式比较安全可靠。 末端定压差控制采用最不利环路在设计工况下的压差值，因此这种控制方式 比较安全可靠。但是这种控制方式仍存在很大的节能空间，在部分负荷下，可能 系统并不需要设计工况下那么大的压差值仍能正常运行。如当部分负荷下，系统 各支路流量均匀变化时，末端压差设定值完全可以同比例减小，系统仍能保证同 样的控制效果，而节能率却大大提高。 3(1(4最小阻力控制法 在压差控制方法中，压差设定值是恒定的，通常选取设计工况下的压差值， 这种控制方法，在负荷较小的情况下，由于压差设定值的存在，阀门开度变小， 仍然有一部分能量损失在阀门上。最小阻力控制就是在保持在末端电动调节阀开 重新设定压差值，即让阀门尽可能全开和压差设度尽量保持全开的情况下， 定值 尽可能减小的前提下，减小阀门的节流损失，从而实现输配系统的最大节能。为 了较精确的检测出系统的流量和调节精度，而且最小阻力控制法是根据空调水系 统的各调节阀开度信号来设定压差设定值的，因此这里使用的阀门要求都是比例 调节阀。 最小阻力控制关键是通过什么方式重新设定压差值。一般来说，要实 现最小 阻力控制，各末端支路的电动调节阀要能向压差控制器传送实时开度变化的信 号。当一定数量的末端调节阀的开度大于设定值的上限超过设定时间时，将压差 同样，当一定数量的末端调节阀的开度小于设定设定值增加一定预定步长; 值的 上限超过设定时间时，将压差设定值减小一定预定步长。 由于最小阻力控制法对设备性能要求较高，控制系统也较为复杂，因此在实 际应用中较少。 天津大学硕士学位论文 第三章水系统变流量自动控制与实现方式 3(2自动控制技术在变流量系统中应用 自动控制理论大致可分为经典控制理论和现代控制理论。经典控制理论是建 立在传递函数概念基础上的，采用时域分析、频域分析法、根轨迹法等方法研究 单输入，单输出控制系统。经典理论最辉煌的成果之一要首推PID控制规律。 PID控制原理简单，易于实现，对无时间延迟的单回路控制系统极为有效。到目 前为止，在工业过程控制中有80,,90,的系统还在使用PID控制规律。 经典控制理论和现代控制理论都有一个共同的特点，即控制器的综合设计都 要建立在被控对象准确的数学模型 如微分方程、传递函数或状态方程 的基础 上，但是在实际的工业生产中，系统的影响因素很多，十分复杂。建立精确的数 学模型特别困难，甚至是不可能的。而模糊控制不需要建立精确的数学模型，根 据实际系统的输入输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统 进行实时控制，是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。 冷水系统是典型的非线性、大滞后、大惯性及强耦合的复杂系统，简单的 相比之下，属于人工智能控制的模糊控制就PID算法难以达到理想的效果。 具有 许多优势:模糊控制的优点是能够得到较好的动态响应特性，并且无需知道被控 对象的数学模型，适应性强，上升时间快，鲁棒性好。但模糊控制受模糊规则有 限等级的限制，容易引起误差。 3(2(1控制系统性能评价指标 在典型输入信号作用下，任何一个控制系统的时间响应都由动态过程和稳态 过程两部分组成。因此控制系统性能的评价分为动态性能指标和稳态性能指 标两 类。 3(2(1(1稳态性能指标 稳态过程指系统在典型输入信号作用下，当时间t趋于无穷时，系统输出量 的表现方式。稳态过程又称稳态响应，表征系统输出量最终复现输入量的程度， 提供系统有关稳态误差的信息，用稳态性能描述。 稳态误差是描述系统稳态性能的一种性能指标，若时间趋于无穷时，系统的 输出量不等于输入量或输入量的确定函数，则系统存在稳态误差。稳态误差是系 统控制精度或抗扰动能力的一种度量。 3(2(1(2动态性能指标 动态过程又称过渡过程或瞬态过程，指系统在典型输入信号作用下，系 统输 天津大学硕士学位论文 第三章水系统交流量自动控制与实现方式 出量从初始状态到最终状态的响应过程。动态过程除提供系统稳定性的信息外， 还可以提供响应速度及阻尼情况等信息，用动态性能描述。 通常在阶跃函数作用下，测定或计算系统的动态性能。描述稳定的系统在单 位阶跃函数作用下，动态过程随时间t的变化状况的指标，称为动态性能指标。 对于图3(5所示的单位阶跃响应，动态性能指标通常如下: h t ‘ h 一 0(9h oo 0(5h oo 0(1h 一