暖通空调研究生毕业论文

随着计算机技术、软件技术和系统仿真技术的发展，控制系统的计算机辅助设计(Computer-Aided Control System Design，简称为 CACSD)技术进入到了一个崭新的阶段，出现了以MATLAB/Simulink 为代表的面向对象的集成仿真环境[1]。计算机辅助设计应用于暖通空调工程开始于六十年代[2]，是从空调负荷计算开始的。利用 MATLAB/Simulink 进行空调控制系统的分析设计简捷、快速而有效，其设计分析结果有很强的实用性和对实际工程有较高的参考价值。MATLAB 是 Mathworks公司推出的一个包含数值计算、高级图形与可视化、高级编程语言的集成化科学计算环境。它具有两个最显著的特点：强大的矩阵运算和完善的图形可视化功能。此外，它还提供了与其它高级语言如 C，FORTRAN等的接口，以及它的开放式、可扩充结构，使得它成为当今国际控制界应用最广的首选计算机工具。Simulink 是 MATLAB 软件环境中的一个面向结构图方式的应用工具箱，主要用来对动态系统进行建模、仿真和分析。借助于 MATLAB 软件提供的控制系统工具箱，可以对空调系统被控对象（包括空调房间、加热器和热交换器、温度传感器、及调节阀等）的特性进行建模，运用经典控制理论的时域分析法对空调控制系统的稳定性、动态与稳态性能进行全面的仿真分析与设计。一、空调自动控制系统模型的建立控制系统的分析就是考察控制系统是否符合生产上要求的性能指标，如超调量、调节时间、稳态误差等。控制系统分析的方法有两种：实验法和解析法。实验法就是在控制系统的输入端加入典型信号（例如阶跃信号、正弦信号等），分析系统的输出响应（例如阶跃响应、频率响应等），分析系统响应的特性是否符合所要求的性能指标；解析法是从控制系统数学模型的结构和参数入手，通过一定的计算求出系统的性能，分析其是否符合生产上提出的要求，解析法的前提是要能较方便、正确地建立控制系统的数学模型。空调系统房间温度自动控制系统图如图1所示，对应各个组成部分建立其数学模型组成如图2所示的系统框图。 图1 房间温度自动控制系统图 图 2 房间温度自动控制系统框图二、利用MATLAB对空调自动控制系统进行稳定性判断一个系统正常工作的首要条件是它必须是稳定的。所谓稳定性，是指系统受到扰动作用后偏离原来的平衡状态，在扰动作用消失后，经过一段时间能否恢复到原来的平衡状态或足够准确的回到原来的平衡状态的性能。若系统能恢复到原来的平衡状态，则称系统是稳定的；若扰动消失后不能恢复到原来的平衡状态，则称系统是不稳定的。不稳定的控制系统是不能应用的。控制系统的稳定性取决于系统本身固有的特性，而与扰动信号无关。线性反馈控制系统稳定的充分必要条件是：系统特征方程式所有的根（即闭环传递函数的极点）全部为负实数或为具有负实部的共轭复数，也就是所有的极点分布在复平面（即 S 平面）虚轴的左侧。因此，可以根据求解特征方程式的根来判断系统的稳定与否。特征方程法是研究自动控制系统稳定性的基本方法，在研究空调自动控制系统时，可以采用求解特征方程的根、时域法、根轨迹法和频域法来判断系统的稳定性或者是系统稳定的范围。在MATLAB程序中有专门的命令来实现，如pzmap，step，root。如图3所示，采用Simulink仿真得到如图4所示的阶越响应曲线，系统衰减振荡，最终趋于稳定。图3 空调自动控制系统Simulink仿真图 图4 空调系统的阶越响应曲线 图5 参数Kp对系统性能的影响三、利用MATLAB对空调自动控制系统进行动态与稳态性能分析通常采用上升时间、调节时间和超调量来评价系统的动态性能，稳态误差来评价系统稳态性能的好坏。它是控制系统控制精度或抗干扰能力的一种度量。影响系统稳态误差的因素很多，如系统的结构、参数以及输入的形式等。控制系统的性能可通过其单位阶跃响应曲线来获得。如图4所示，系统的动态性能指标上升时间、调节时间和超调量与稳态性能指标稳态误差都可以通过阶越响应曲线容易的得出。而系统性能指标的改变也可以通过改变参数的方法来实现，如图5右边的曲线是控制器参数Kp缩小一倍后得出的阶越响应曲线。在经典控制理论中，常用的解析方法有时域分析法、根轨迹法和频率分析法。本文主要研究用时域分析法分析空调自动控制系统，通过直接求解系统单位阶越响应，来分析系统的稳定性、动态性能和稳态性能，与其它方法比较具有直观和准确的优点，达到了系统仿真的要求。参考文献：[1] Jamshidi M ， Herget C J. Computer-aided Control Systems ：Elsevier Science Publishers B V，1985[2] 陈在康，武建勋，施鉴诺.暖通计算机方法.中国建筑工业出版社，

随着经济的迅速发展，能源和环境问题日益尖锐。在特别炎热的夏天，我们都切身地体会到了电力的紧张。可以预见，这种状况在今后还会出现，并且会日趋严重。一、暖通空调领域节能的重要性和可行性随着社会的发展，建筑能耗在总能耗中所占的比例越来越大，在发达国家已达到40%，据统计在湖南省也达到。在城市远高于这个比例。而在建筑能耗里，用于暖通空调的能耗又占建筑能耗的30%-50%，且在逐年上升。随着人均建筑面积的不断增大，暖通空调系统的广泛应用，用于暖通空调系统的能耗将进一步增大。这势必会使能源供求矛盾的进一步激化。另一方面，现有的暖通空调系统所使用的能源基本上是高品位的不可再生能源，其中电能占了绝对比例。对这些能源的大量使用，使得地球资源日益匮乏，同时也带来严重的环境问题，如在我国的一些地区酸雨、飘尘问题呈日益严重之势，对生态环境和可持续发展带来了很大影响。以湖南长沙地区为例，2003年夏季电力系统最大负荷大约为160万千瓦，据有关部门推算，其中空调系统的负荷就占了约60万千瓦。在最热的夏天，如果对暖通空调系统采取节能措施，不仅可以大大缓解电力紧张状况，同时对于降低不可再生能源的消耗、保护生态环境、维持可持续发展、振兴湖南经济等都有着重要的意义。根据暖通空调行业的研究成果，现有空调系统的能耗是惊人的，如果采用节能技术，现有空调系统节能20%-50%完全可能。显然，如果对长沙地区的空调系统和建筑系统采用节能措施，那么即使遇到今夏那样的炎热天气，长沙也不会超过现有电力系统峰值而停电了。二、暖通空调领域节能的途径与方法科学技术的不断进步，使暖通空调领域新的技术不断出现，我们可以通过多种方法实现暖通空调系统的节能。1、精心设计暖通空调系统，使其在高效经济的状况下运行暖通空调系统特别是中央空调系统是一个庞大复杂的系统，系统设计的优劣直接影响到系统的使用性能。例如系统往往都是按最大负荷设计的，而实际运行基本上是在部分负荷下运行，如果系统各部分的设计不能满足部分负荷运行的要求，那系统的能耗是很大的。又如新风系统的设计，系统应该能随着室外气象参数的变化改变新风量，以最大限度地缩短主机的开启时间。可以说空调系统的设计对系统的节能起着重要的作用。2、改善建筑维护结构的保温性能，减少冷热损失我们知道对于暖通空调系统而言，通过维护结构的空调负荷占有很大比例，而维护结构的保温性能决定维护结构综合传热系数的大小，亦即决定通过维护结构的空调负荷的大小。所以在国家出台的建筑节能设计规范和标准中，首先要求的就是提高维护结构的保温隔热性能。3、提高系统控制水平，调整室内热湿环境参数，尽可能降低空调系统能耗空调系统特别是舒适性空调系统对人体的作用是通过空气温度、湿度、风速、环境平均辐射温度进行的，人体对环境的冷热感觉是这些环境因素综合作用的结果。以往的空调控制方式仅仅是测控空气的温度湿度，甚至仅空气温度。显然是不全面的，势必带来许多问题，如空调系统对人体的作用不直接、当环境变化时对环境的调控不迅速、人体感到不舒适、空调系统的这种调控方式不节能。热湿环境研究成果的应用，为我们采用新的控制方式方法提供了理论基础。如果采用舒适性评价指标即体感指标作为空调系统的调控参数，如采用PMV或SET*指标对空调系统进行调控，不仅可以解决传统控制方法存在的弊病，而且可以实现大幅度的节能，据我们的初步研究表明，采用这种控制方法可使空调系统在人体舒适的条件下节能30%左右。4、采用新型节能舒适健康的空调方式如上所述，影响人体热舒适性的环境参数众多，不同的环境参数组合可以得到相同的热舒适性效果，但不同的热湿环境参数组合空调系统的能耗是不相同 的。例如在冬季，如果我们采用传统的空调方式，把整个室内的空气加热，通过空气实现人体与环境的热湿交换，就需要较高的空气温度，此时通过维护结构的热损失和加热新风的热损失都比较大。如果我们根据热湿环境的研究成果，改变传统的空调方式，增加辐射热（如低温地板辐射采暖），此时所需要的空气温度降显著下降，一般可达到12~14度，而传统方式一般在18~20度，显然后者比前者具有显著的节能效果。在夏季也有类似的结果。5、推广应用使用可再生能源或低品位能源的空调系统随着空调系统的广泛应用，空调对不可再生能源的消耗将大幅度上升，同时对生态环境的破坏也在日趋加剧。如何利用可再生能源及低品位能源已经成了该领域重要的研究课题。地源热泵空调系统就是在这种形势下发展起来的，它利源地下恒温层土壤热显著提高空调系统的COP值，使得同等制热（或制冷）量下的系统能耗大幅度下降。另外，利用太阳能供热或制冷技术也在开发研究着。6、开展冷热回收利用的研究运用工作，实现能源的最大限度利用目前许多空调系统冷热回收利用研究也在蓬勃开展，如空调系统排风的全热回收器，夏季利用冷凝热的卫生热水供应等，都是对系统冷热的回收利用，显著提高了空调系统能源利用率。三、存在的问题与对策要实现空调系统的节能降耗，已经具备了许多成熟的条件，但同时也存在许多问题有待于解决：1、暖通空调系统的设计管理问题如前所述，空调系统的设计对空调系统的节能性有着重要的影响。然而在实际中往往得不到一些设计部门和设计人员的足够重视，使得设计建造的系统不仅初投资大，运行能耗也相当惊人，大大超过了国家标准。据实测，有的公共建筑的空调能耗占建筑总能耗的60%。为此， 我们有必要建议政府有关职能部门加强对暖通空调设计项目的管理，可以委托相关技术部门如学会等对设计图纸文件进行严格审查，对未达到国家有关节能标准的设计严禁施工建造。2、暖通空调系统的运行管理问题除设计外，我们发现运行管理也起着重要的作用。有些单位的空调系统，一年四季只有开机关机和冬夏季转换操作，显然系统达不到相应的节能效果。为此 要求运行管理人员不仅要有强烈的责任心，上岗前还必须要进行系统的培训和考核，对没有达到要求的，应重新培训，考核合格后才能上岗。在调查中我们发现，同样一套系统，管理人员不同，系统的能耗大不相同，有的甚至相差50%以上。3、新型空调方式、控制方法及新的节能技术的开发应用问题如前所述，采用新型空调方式、新的控制方法，不仅能显著提高热舒适性而且可以使系统大幅度节能。在我省对新型空调方式和控制方法的研究可以说在全国都是比较早的，并且已经取得了一些可喜的成果，只要政府部门略加扶持这些成果将很快能得到适用，并形成产业化，对这些项目的实施，将对我省的能源、环境和经济都将起到巨大的推动作用。4、公众对空调系统作用的理解观念问题对于舒适性空调系统，从本专业的角度来讲就是使人体有好的热舒适性。而在社会上我们常常发现一种这样的观念：认为空调在夏季是越冷冬季越热效果越好。这显然与舒适性空调的出发点相违背的。事实上，这样不仅大大增大了空调系统的能耗，同时由于室内外温差的增大，也使人体对不同环境的适应性下降，身体免疫力降低。这些可以通过宣传改变人们的观念。5、使用可再生能源空调系统的开发推广应用问题利用可再生能源的暖通空调系统，如地源热泵空调系统、太阳能制冷、供热系统，不仅有着显著的环境和社会效益，有的还有着显著的经济效益（如地源热泵空调系统），应大力开发推广。当然，和其他任何新技术一样，这些技术也存在着一些问题（如地源热泵系统的地源热提取问题等），也需要进一步研究完善，也需要政府部门的重视和支持。综上所述，暖通空调系统在建筑节能中占据重要的位置，起着重要的作用，节能技术的研究开发和运用是暖通空调系统、建筑系统节能的基础，政府职能部门的重视和支持，则是实现大幅度节能、产生显著的环境和社会效益、推动经济发展的保证。