摘要：隨著科學技術的進步和人民生活水平的不斷提高,人們對于日常生活和勞動生產環境的要求也不斷提高。空調系統作為智能建筑的重要組成部分,是樓宇自動化系統的主要監控對象,也是建筑智能化系統主要的管理內容之一。空調是“空氣調節”的簡稱,旨在把經過處理的空氣以一定的方式送入室內,使室內的溫度、濕度等指標滿足人體舒適度的要求,以此來提高人們的生活質量。近年來,研究人員結合建筑物的數學模型,通過對不同類型的空調系統進行建模來分析空調系統的能耗特性、優化控制管理策略以及進行故障診斷等研究。

關鍵詞:制冷系統;部件模型;系統模型

1、空調系統的基本工作原理

當環境溫度過高時,空調系統通過循環方式把室內的熱量帶走,將室內溫度維持在一定值。當循環空氣通過風機盤管時,高溫空氣經過冷卻盤管先進行熱交換,盤管吸收了空氣中的熱量,使空氣溫度降低,然后再將冷卻后的空氣送入室內。冷卻盤管的冷凍水由冷凍機提供,冷凍機由壓縮機、冷凝器和蒸發器組成。壓縮機把制冷劑壓縮,經壓縮的制冷劑進入冷凝器,被冷卻水冷卻后,變成液體,析出的熱量由冷卻水帶走,并在冷卻塔里排入大氣。液體制冷劑由冷凝器進入蒸發器進行蒸發吸熱,使冷凍水溫降低,然后冷凍水進入水冷風機盤管吸收空氣中的熱量,如此周而復始地循環,把室內熱量帶走。當環境溫度過低時,需要以熱水進入風機盤管,和上述原理一樣,空氣加熱后送入室內。空氣經過冷卻后,有水分析出,空氣相對濕度減少,變得干燥,所以需增加濕度,這就需要加裝加濕器進行噴水或噴蒸汽,對空氣進行加濕處理,用這樣的濕空氣去補充室內水汽量的不足。

2、空調制冷系統的建模研究

在智能建筑中,空調系統的能耗占整個建筑總能耗的一半以上。因此,在保證向人們提供舒適環境的前提下,盡量降低空調系統的能耗,對于智能建筑自動控制系統有著非常重大的意義。制冷系統是空調系統的主要能量消耗,因此對空調制冷系統的優化研究便成為暖通空調業的熱點問題之一。

隨著數學建模技術的不斷發展,研究人員將建模與仿真技術應用于空調系統中。建模是研究系統的重要手段和前提,是一個實際系統模型化的過程模型的選擇直接影響系統的分析和執行的可行性根據人們對研究對象的認知過程,空調制冷系統的建模經歷了由穩態到動態、由部件建模到系統建模的發展過程。

2.1部件模型

制冷系統包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器等四大部件,各部件的關系如圖2所示。壓縮機是制冷循環能夠實現制冷的關鍵部件,它為制冷劑的流動提供動力,被稱作是制冷系統的“心臟”;膨脹閥是制冷系統中的壓力調節機構,它直接決定了系統的蒸發壓力和冷凝壓力;冷凝器和蒸發器分別擔負放熱和吸熱的重任,并構成了系統的高壓和低壓側,二者換熱狀態的好壞直接關系到整個制冷系統的效率。建立系統各部件的模型是實現系統仿真分析的前提,研究人員針對各部件的不同性能,采用了不同的建模方法對部件功能進行優化,從而提高整個制冷系統的性能。

部件的穩態模型是對整個系統參數優化設計的前提和基礎,提高空調系統的效率和降低成本是穩態特性研究和優化的目的。

穩態是系統的一種理想狀態,這種理想化的假設對于系統設計是必需的。

國內很多研究人員在制冷系統的部件的建模上也取得了一定的成果。1995年葛云亭等人用分布參數的方法建立蒸發器、冷凝器和毛細管的數學模型,采用集總參數法建立了壓縮機模型,并通過空調工況下的實驗驗證了此仿真數學模型的準確性;1996年張華俊采用步進計算法建立了換熱器的穩態分布模型,且經實驗驗證結果合理;2000年丁國良等將模糊方法引入壓縮機的熱力性能計算中,提出了預測壓縮機熱力性能的模糊建模方法,得到了具有很好的預測精度和泛化能力的建模方法,能夠對壓縮機熱力性能進行計算,為制冷裝置進行優化設計奠定了基礎;2001年王康迪等人對制冷劑在換熱器中的單相和氣液兩相區分別建立了穩態分布參數模型;2005年徐小來等人針對壓縮機故障診斷系統知識具有不確定性和模糊性的特點,給出了基于模糊產生式規則的模糊Petri網模型和反向推理算法,并采用模糊Petri網對壓縮機進行故障診斷。

部件模型的建立為部件的優化及建立系統的動態模型打下了基礎。然而,由于系統各部件是一個有機的整體,對某個部件的性能優化可能會引起其他部件性能的降低,因此需要從整體的角度來建立制冷系統的模型,以此來兼顧系統各部件作用的發揮。

2.2系統模型

系統模型是由系統的部件模型在其必須滿足質量守恒、動量守恒及能量守恒條件下有機結合而成。為系統建模是將實際系統進行簡化而便于更好地分析系統的性能,以便于實現系統的優化控制。因此,研究人員通常是基于控制的目的而建立系統模型。

1986年HeXD等人建立的制冷系統多輸入多輸出變量反饋控制的數學模型,通過對數學模型在工況范圍內的線性化,計算了壓縮機轉速和膨脹閥開度對系統蒸發壓力、冷凝壓力及蒸發器過熱度的影響。并分析了壓縮機轉速、膨脹閥開度與蒸發壓力及過熱度之間的耦合關系;1999年Svensson建立了一個完整的系統屬性模型來研究變工況下系統的動態特性;2003年RajatShahs*先對制冷系統的單個部件進行建模,然后建立了具有廣泛適應性的多蒸發器蒸汽壓縮系統的數學模型,并針對單蒸發器系統設計多變量自適應控制器,經過驗證控制性能良好。

國內的研究人員在系統模型的建立上也取得了一定的成果。2000年陳則韶等建立了包含四個部件在內的較完整的單級壓縮制冷循環的物理數學模型,并應用于開機過程的模擬,通過仿真數據預測參數的變化情況,揭示了系統的動態特性2002年周興禧等人采用分布參數法并引入兩相流理論,建立起以雙蒸發器、電子膨脹閥、壓縮機為一體的雙聯空調系統的熱力學模型,對雙聯變頻空調系統穩態特性及雙蒸發器間耦合關系進行仿真研究,為雙蒸發器的優化設計、控制及節能手段的運用提供了依據;同年,朱瑞琪等人用集總參數和相移動邊界法建立了熱交換器動態模型系統模型以及壓縮機和膨脹閥的穩態流動模型,所建立的系統模型對制。冷系統的控制具有通用性,能完整地反映制冷系統的多輸入多輸出關系,并能從模型仿真中獲得系統參數之間的動態關聯,從而根據分析結果采取相應的控制對策。因此它可以針對所選定的受控參數和控制方式對制冷系統實施綜合優化和z*佳控制。

3、結論

本文針對空調制冷系統的建模研究進行了總結,無論是對部件進行建模還是對系統進行建模,國內外的研究人員對制冷系統的模型研究已經取得了一定的成果,使制冷系統的性能從某些方面得到了有效的改善。

但是除了制冷系統以外,在空調系統中還包括其他的子系統,因此,如果在建模的過程中將空調系統的各個子系統模型有機地結合起來,對于空調系統滿足節能、舒適性等要求將會具有更加現實而深遠的意義。