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(huán)境的要求也不斷提高。空調系統(tǒng)作為智能建筑的重要組成部分,是樓宇自動化系統(tǒng)的主要監(jiān)控對象,也是建筑智能化系統(tǒng)主要的管理內容之一。空調是“空氣調節(jié)”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(tǒng)進行建模來分析空調系統(tǒng)的能耗特性、優(yōu)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(tǒng);部件模型;系統(tǒng)模型

1、空調系統(tǒng)的基本工作原理

當環(huán)境溫度過高時,空調系統(tǒng)通過循環(huán)方式把室內的熱量帶走,將室內溫度維持在一定值。當循環(huán)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(fā)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(fā)器進行蒸發(fā)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(huán),把室內熱量帶走。當環(huán)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(tǒng)的建模研究

在智能建筑中,空調系統(tǒng)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(huán)境的前提下,盡量降低空調系統(tǒng)的能耗,對于智能建筑自動控制系統(tǒng)有著非常重大的意義。制冷系統(tǒng)是空調系統(tǒng)的主要能量消耗,因此對空調制冷系統(tǒng)的優(yōu)化研究便成為暖通空調業(yè)的熱點問題之一。

隨著數學建模技術的不斷發(fā)展,研究人員將建模與仿真技術應用于空調系統(tǒng)中。建模是研究系統(tǒng)的重要手段和前提,是一個實際系統(tǒng)模型化的過程模型的選擇直接影響系統(tǒng)的分析和執(zhí)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(tǒng)的建模經歷了由穩(wěn)態(tài)到動態(tài)、由部件建模到系統(tǒng)建模的發(fā)展過程。

2.1部件模型

制冷系統(tǒng)包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)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(huán)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(tǒng)的“心臟”;膨脹閥是制冷系統(tǒng)中的壓力調節(jié)機構,它直接決定了系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力;冷凝器和蒸發(fā)器分別擔負放熱和吸熱的重任,并構成了系統(tǒng)的高壓和低壓側,二者換熱狀態(tài)的好壞直接關系到整個制冷系統(tǒng)的效率。建立系統(tǒng)各部件的模型是實現系統(tǒng)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(yōu)化,從而提高整個制冷系統(tǒng)的性能。

部件的穩(wěn)態(tài)模型是對整個系統(tǒng)參數優(yōu)化設計的前提和基礎,提高空調系統(tǒng)的效率和降低成本是穩(wěn)態(tài)特性研究和優(yōu)化的目的。

穩(wěn)態(tài)是系統(tǒng)的一種理想狀態(tài),這種理想化的假設對于系統(tǒng)設計是必需的。

國內很多研究人員在制冷系統(tǒng)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(fā)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(wěn)態(tài)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(yōu)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(qū)分別建立了穩(wěn)態(tài)分布參數模型;2005年徐小來等人針對壓縮機故障診斷系統(tǒng)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(guī)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(yōu)化及建立系統(tǒng)的動態(tài)模型打下了基礎。然而,由于系統(tǒng)各部件是一個有機的整體,對某個部件的性能優(yōu)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(tǒng)的模型,以此來兼顧系統(tǒng)各部件作用的發(fā)揮。

2.2系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型是由系統(tǒng)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(tǒng)建模是將實際系統(tǒng)進行簡化而便于更好地分析系統(tǒng)的性能,以便于實現系統(tǒng)的優(yōu)化控制。因此,研究人員通常是基于控制的目的而建立系統(tǒng)模型。

1986年HeXD等人建立的制冷系統(tǒng)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(tǒng)蒸發(fā)壓力、冷凝壓力及蒸發(fā)器過熱度的影響。并分析了壓縮機轉速、膨脹閥開度與蒸發(fā)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(tǒng)屬性模型來研究變工況下系統(tǒng)的動態(tài)特性;2003年RajatShahs*先對制冷系統(tǒng)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(fā)器蒸汽壓縮系統(tǒng)的數學模型,并針對單蒸發(fā)器系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)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(tǒng)的動態(tài)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(fā)器、電子膨脹閥、壓縮機為一體的雙聯(lián)空調系統(tǒng)的熱力學模型,對雙聯(lián)變頻空調系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性及雙蒸發(fā)器間耦合關系進行仿真研究,為雙蒸發(fā)器的優(yōu)化設計、控制及節(jié)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(tài)模型系統(tǒng)模型以及壓縮機和膨脹閥的穩(wěn)態(tài)流動模型,所建立的系統(tǒng)模型對制。冷系統(tǒng)的控制具有通用性,能完整地反映制冷系統(tǒng)的多輸入多輸出關系,并能從模型仿真中獲得系統(tǒng)參數之間的動態(tài)關聯(lián),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(tǒng)實施綜合優(yōu)化和z*佳控制。

3、結論

本文針對空調制冷系統(tǒng)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(tǒng)進行建模,國內外的研究人員對制冷系統(tǒng)的模型研究已經取得了一定的成果,使制冷系統(tǒng)的性能從某些方面得到了有效的改善。

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