現代節能樓宇生態新風電複合空調系統的製作方法
2023-04-24 09:58:16 3
本發明屬於節能技術領域，特別涉及一種現代節能樓宇生態新風電複合空調系統。
背景技術：
目前，隨著城市建設現代化步伐的不斷加快、人們生活水平的日益提高、以及供需矛盾日劇加劇的能源緊張問題，降低高層樓宇建築物綜合使用能耗，提高建築內部能源系統綜合使用效率，增強樓宇住宅居住舒適性，開展高層樓宇建築節能工作已成為世界各國政府緩解能源緊張的重要舉措。我國在建築節能方面的研究較國外一些發達國家而言，起步相對較晚，大致起步於二十世紀八十年代，以1989年建設部批准頒發的第一版居住建築節能設計標準為代表，並以此為基礎在工程實踐中得到進一步完善。
隨著城市化的發展，許多大城市多為高層建築，從賓館酒店到商業金融建築，從文化體育到醫療保健建築，從辦公寫字樓到商住公寓樓，各種功能類別的高層建築如雨後春筍般拔地而起，鱗次櫛比。新的建築、新的使用功能對建築設備提出了新的、更高的要求，暖通空調已成為現代化建築必不可少的重要設施，暖通空調產業進入了黃金時期。因地制宜的合理選擇能源資源，充分有效的用能，提高高層建築用能系統的效率，合理設計創造舒適的室內環境而同時儘可能減少對室外環境的負面影響，是高層建築暖通空調設計中必須解決的問題。
技術實現要素：
本發明提出一種現代節能樓宇生態新風電複合空調系統，解決了現有技術中高層建築用能不夠合理，用能效率低下以及對室外境產生不利影響的問題。
本發明的技術方案是這樣實現的：
一種現代節能樓宇生態新風電複合空調系統，包括控制器，所述控制器連接有空氣傳輸系統、製冷系統以及制暖系統，所述空氣傳輸系統包括空調機組，所述空氣傳輸系統的一端連接所述制暖系統，所述空氣傳輸系統的另一端連接所述製冷系統，所述製冷系統包括冷凍水迴路和冷卻水迴路。
進一步地，所述冷凍水迴路包括冷凍水泵，所述冷凍水泵通過冷凍水供應和返回管路連接所述空調機組的冷凍水熱交換器，所述冷凍水泵連接有蒸發器，所述蒸發器連接有冷凝器，所述冷凝器連接有壓縮機，所述冷凝器連接有冷卻水泵和冷卻塔。
進一步地，所述空調機組包括風機盤管、熱水熱交換器以及過濾器，所述過濾器通過迴風閥連接有新風閥，所述迴風閥還連接有迴風風扇以及排風閥，所述迴風風扇連接有迴風格柵，所述空調機組還連接有終端箱，所述終端箱連接有供風格柵。
進一步地，所述空氣傳輸系統還包括出風風扇，所述出風風扇一端連接有出風口，另一端連接排風格柵。
進一步地，所述制暖系統包括熱水散熱器，所述熱水散熱器通過熱水泵連接有鍋爐，所述熱水散熱器及所述鍋爐通過熱水供應和返回線連接至所述熱水熱交換器。
進一步地，所述控制器為基於繼電反饋自整定pid控制器，所述基於繼電反饋自整定pid控制器非線性環節的輸入為正弦變化，輸出為非正弦周期變化且其周期與輸入信號周期相同，其輸出的一次諧波分量對輸入的定義滿足：
其中，n稱為描述函數，y1為輸出的一次諧波分量振幅，a為正弦輸入的振幅，φ1為輸出的一次諧波分量的相位移；若非線性環節中不包含儲能元件，那麼n只是輸入振幅a的函數，定義為n(a)；若非線性環節中包含儲能元件，則n是輸入振幅a和頻率的函數。
進一步地，所述基於繼電反饋自整定pid控制器的繼電特性非線性環節輸入輸出曲線滿足：
即：
其中n(a)為非線性環節描述函數，d為繼電幅值，y1為輸出的一次諧波分量振幅，a為正弦輸入的振幅。
進一步地，所述基於繼電反饋自整定pid控制器的飽和非線性環節的輸入輸出特性曲線滿足：
其中，k為輸入輸出特性曲線的斜率，n(a)為非線性環節描述函數，a為正弦輸入的振幅，s為兩母線形成的面積差值。
進一步地，所述基於繼電反饋自整定pid控制器的有滯環的繼電型非線性環節的輸入輸出特性曲線滿足：
其中，其中n(a)為非線性環節描述函數，d為繼電幅值，h為母線底圓圓心之上的高度，a為正弦輸入的振幅。
本發明的有益效果是：
本發明根據室內環境質量的不同要求，分別應用供暖、通風和空氣調節技術來消除各種幹擾，進而在建築物內部建立並維持一種具有特定使用功能，並且可以按照需求調控的舒適″人造環境″。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明一個實施例的結構示意圖；
圖2為本發明的循環迴路原理圖；
圖3為非線性控制系統原理圖；
圖4為繼電反饋自整定控制原理圖；
圖5為繼電器型非線性的輸入輸出特性曲線；
圖6為飽和非線性的輸入輸出特性曲線。
圖中，1-空調機組；2-冷凍水泵；3-冷凍水供應和返回管路；4-蒸發器；5-冷凝器；6-壓縮機；7-冷卻水泵；8-冷卻塔；9-風機盤管；10-熱水熱交換器；11-過濾器；12-迴風閥；13-新風閥；14-迴風風扇；15-排風閥；16-迴風格柵；17-終端箱；18-供風格柵；19-出風風扇；20-出風口；21-排風格柵；22-熱水散熱器；23-熱水泵；24-鍋爐；25-熱水供應和返回線；26-冷凍水熱交換器。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
如圖1-6所示，本發明現代節能樓宇生態新風電複合空調系統，包括控制器(圖中未示出)，所述控制器連接有空氣傳輸系統、製冷系統以及制暖系統，所述空氣傳輸系統包括空調機組1，所述空氣傳輸系統的一端連接所述制暖系統，所述空氣傳輸系統的另一端連接所述製冷系統，所述製冷系統包括冷凍水迴路和冷卻水迴路。所述冷凍水迴路包括冷凍水泵2，所述冷凍水泵2通過冷凍水供應和返回管路3連接所述空調機組1的冷凍水熱交換器26，所述冷凍水泵2連接有蒸發器4，所述蒸發器4連接有冷凝器5，所述冷凝器5連接有壓縮機6，所述冷凝器5連接有冷卻水泵7和冷卻塔8。所述空調機組1包括風機盤管9、熱水熱交換器10以及過濾器11，所述過濾器11通過迴風閥12連接有新風閥13，所述迴風閥12還連接有迴風風扇14以及排風閥15，所述迴風風扇14連接有迴風格柵16，所述空調機組1還連接有終端箱17，所述終端箱17連接有供風格柵18。所述空氣傳輸系統還包括出風風扇19，所述出風風扇19一端連接有出風口20，另一端連接排風格柵21。所述制暖系統包括熱水散熱器22，所述熱水散熱器22通過熱水泵23連接有鍋爐24，所述熱水散熱器22及所述鍋爐24通過熱水供應和返回線25連接至所述熱水熱交換器10。
具體的，風機盤管9：風機盤管9負責一個或多個空間的空氣調節，其大小滿足所有空間需要的最大量的要求，加上所有的外部負荷，譬如風扇的散熱、管道的熱損失、管道空氣洩露和室外的新風。在設計條件下，一個風機盤管9提供設計的空氣流量和空氣的溫溼度，使其符合各個區域的溫度和溼度要求。對於需要除溼的應用，風機盤管9除了應該具有合理的冷卻容量外，還應該有足夠的潛熱冷卻容量。風機盤管9的大小選擇要考慮空氣迴路和水迴路的進水以及出水設計溫度、流速及壓降。為了提高盤管的熱傳遞性能同時減少空氣迴路的壓降，應選擇較低的表面風速和較低的趨近溫度。
蒸發器4：蒸發器4主要作用是對貫穿設備循環的冷凍水進行冷卻。製冷劑以低溫低壓的狀態離開膨脹閥，並且以低溫液氣混合物的狀態進入蒸發器4。蒸發器4有一個外殼和管道熱交換器，液態製冷劑在這裡從貫穿設備循環的二次水或冷凍水中吸收熱能並轉為蒸汽狀態。
冷凝器5：冷凝器5是與蒸發器4類似的一種換熱器，它將來自壓縮機6的高壓製冷劑從氣態凝結成液態。製冷劑蒸發放出的熱量使冷凝器5的水溫升高，隨後冷凝器5的水將熱能運載到冷卻塔8，在那裡熱能被釋放到大氣中。水冷式系統中，熱量通過室外的冷卻塔8或城市水網或深井水釋放掉，熱能也可以由室外的風冷式冷凝器釋放。風冷式冷凝器可以是獨立的，也可以是整裝式，通常製冷劑以液態形式流出冷凝器5。
冷卻塔8：制冷機組的負荷等於蒸發器4的負荷加上壓縮機6的發熱量。冷卻塔8的大小以制冷機組的冷負荷及來自管道、泵和其他設備的熱損失為基礎。一旦決定了冷卻容量，使用ashrae的設計溫度條件可確定冷卻塔8的大小。宜選取多單元且帶風扇變速器的冷卻塔8，一個較大的冷卻塔8提供較低的冷卻水溫度，從而提高冷凝器5的效率。
壓縮機6：壓縮機6是蒸汽壓縮式製冷循環的主要驅動。壓縮機6的作用是將製冷劑從低壓蒸汽壓縮成高壓蒸汽，壓縮機6由主要由原動機和壓縮機6組成，它通過將動能轉換成壓力來升高製冷劑的壓力和溫度。
在本系統設計過程中，常規pid參數的工程整定法在自整定調節器中難以直接使用，因此本發明中控制器採用基於繼電反饋自整定pid控制器，而且由於繼電反饋試驗對具有很大時間常數的過程和高度非線性的過程也能實現良好的工作，而本發明現代節能樓宇生態新風電複合空調系統具有很強的非線性、大慣性、強幹擾等特性，採用基於繼電反饋自整定pid控制器，其中非線性環節的描述函數n(a)以及被控制對象gp(s)之間，當描述函數n(a)是假定非線性環節的輸入為正弦變化時，輸出是非正弦周期變化且其周期與輸入信號周期相同。這樣，非線性環節描述函數由輸出的一次諧波分量對輸入的複比來定義，即：
其中，n稱為描述函數，y1為輸出的一次諧波分量振幅，a為正弦輸入的振幅，φ1為輸出的一次諧波分量的相位移；若非線性環節中不包含儲能元件，那麼n只是輸入振幅a的函數，定義為n(a)；若非線性環節中包含儲能元件，則n是輸入振幅a和頻率的函數；或者基於繼電反饋自整定pid控制器的繼電特性非線性環節輸入輸出曲線滿足：
即：
其中n(a)為非線性環節描述函數，d為繼電幅值，y1為輸出的一次諧波分量振幅，a為正弦輸入的振幅。
或者，所述基於繼電反饋自整定pid控制器的飽和非線性環節的輸入輸出特性曲線滿足：
其中，k為輸入輸出特性曲線的斜率，n(a)為非線性環節描述函數，a為正弦輸入的振幅，s為兩母線形成的面積差值。
或者，所述基於繼電反饋自整定pid控制器的有滯環的繼電特性的非線性環節的輸入輸出特性曲線滿足：
其中，其中n(a)為非線性環節描述函數，d為繼電幅值，h母線底圓圓心之上的高度，a為正弦輸入的振幅。
本發明中基於繼電反饋自整定pid控制器在整定過程中是在閉環中進行的，能夠控制系統仍然在工作點附近運行，這樣既不會影響系統的正常運行，又可以克服系統非線性對參數整定的影響，在繼電反饋控制下，被控對象gp(jω)只要高頻具有至少-π的相位滯後就可以產生臨界振蕩，即繼電反饋控制閉環系統輸出就會產生等幅振蕩，得出在非線性理論下系統產生等幅振蕩的條件，其滿足
其中tc為等幅振蕩周期，a為等幅振蕩振幅，ωc為等幅振蕩臨界點的頻率；等幅振蕩的條件是1+n(a)gp(jω)＝0，即-1/n(a)＝gp(jω)，gp(jω)為被控制對象，d為繼電幅值；滿足-1/n(a)＝-πa/4d，即為負實軸，臨界振蕩點既是被控對象的nyquist圖與負實軸的交點，又是與繼電特性的描述函數負倒數的交點，所述等幅振蕩臨界點的頻率ωc的幅值為kc＝πa/4d。
長期以來，控制理論工作者致力於各種條件下的控制策略及其性質的研究，提出了各種各樣的控制算法，將控制理論不斷的推向新的高度。同時，人們也普遍認識到控制系統的性能會隨著時間的推移變化，不好的性能降低了效率，浪費了能量，因此評估系統的性能並維護系統是必要的。
本發明現代節能樓宇生態新風電複合空調系統，結構複雜，不僅包括一系列驅動液體流動的部件如：水泵、風機以及壓縮機等，還有各種類型的熱交換器：風機盤管、蒸發器、冷凝器及中間加熱交換器，這些裝置通過閥件和各種管道如：風管、水管及冷媒管等連接，系統在長期的運行過程中，隨著工況條件不斷發生變化，各種裝置的運行特性也不斷發生變化，因此空調系統發生也是時時變化的；同時由於現有的系統控制器都是固定的，在固定的參數控制下，系統的運行不僅效率低下，而且浪費了大量的能源，鑑於此，需要建立合理的性能指標評估系統的性能，並由此實時調整控制器的參數以達到提高效率、降低能耗的目的。
制暖系統為低溫供暖系統，低溫供暖系統運行調節與傳統高溫供暖系統運行調節一致，主要有供水溫度調節(質調節)和熱水流量調節(量調節)兩種方式。由於低溫供暖系統可採用熱泵等低溫熱源，通過調節供水溫度降低熱源溫度將能進一步提高熱源的能源利用率。此外，對於低溫供暖系統，相關研究表明採用供水溫度調節能更好地適應房間熱負荷的變化。因此從節能和舒適角度考慮，供水溫度調節方式是低溫供暖系統的最佳運行調節方式。
為了便於複合系統的工程應用，低溫供暖與混合通風複合系統和低溫輻射地板供暖與混合通風複合系統為例，推導低溫供暖系統供水溫度調節關係式。
(1)低溫強制對流供暖系統水溫調節關係式的推導
以標準層南向低溫強制對流供暖與混合通風房間為例，為了簡化供暖系統供水溫度調節關係式，假設室內空氣溫度等於室內計算溫度，通過整理低溫強制對流供暖與混合通風房間熱負荷計算式、低溫強制對流供暖系統的供熱量計算公式，根據能量守恆原理，可以得到下式。
式中m，n——外圍護結構熱負荷和新風熱負荷的等效係數(w/℃)；
cp，w——熱水定壓比熱(kj/(kg℃)；
gw——供暖系統熱水流量(kg/s)；
tw，in——供暖系統供水溫度(℃)；
tw，out——供暖系統回水溫度(℃)；
上式中字母上方帶點表示設計狀態，不帶點表示為運行狀態，簡化後如下式所示：
通過上式，可到低溫強制對流供暖系統供水溫度和回水溫度調節關係式，如所示。
同樣，以標準層南向低溫輻射地板供暖與混合通風房間為例，也假設室內空氣溫度等於室內計算溫度。
低溫輻射地板供暖房間所得的熱量一部分來自此房間輻射地板向上的散熱量，一部分來自上層房間輻射地板向下的散熱量，兩部分之和為整個輻射地板的散熱量。根據之前得到的低溫輻射地板換熱單元散熱量計算方法，通過積分可以得到整個低溫輻射地板與室內之間的熱交換量。低溫輻射地板供暖系統的供熱量計算式與低溫強制對流供暖系統一樣。根據能量守恆原理，可以得到低溫輻射地板供暖系統的供水溫度調節關係式，如下式所示。
式中af——輻射地板表面有效散熱面積(m2)；
δt——輻射地板與室內之間的平均溫差(℃)。
房間室溫控制主要是以室溫控制參數作為控制目標通過調節低溫供暖末端設備的散熱量實現的，因此房間室溫控制策略主要包括低溫末端設備散熱量調節方式和室溫控制參數的確定。
(1)低溫末端設備散熱量的調節方式
以低溫強制對流散熱器和低溫輻射地板為例，低溫供暖末端設備散熱量的調節方式如下所示。
低溫強制對流散熱器散熱量的調節方式與傳統的風機盤管基本一致，主要有風量調節、熱水流量調節和供水溫度調節三種方式。其中風量調節是通過改變散熱器中的風機風量來改變散熱器散熱量，主要有三速手動調節、無級自動調節和風閥調節等方式，相對應的散熱量調節範圍分別為30～100％，30～100％和43～100％。熱水流量調節是通過改變散熱器熱水流量來改變散熱器散熱量，主要有連續流量調節和間歇流量調節兩種。前者常採用電動調節閥調節散熱器熱水流量，後者常採用電動通斷閥調節散熱器熱水流量，相對應的散熱量調節範圍分別為75～100％及0～100％。供水溫度調節是通過改變散熱器供水溫度來改變散熱器散熱量，一般通過三通電動調節閥調節散熱器進水口的供水與回水的混水比方法來實現，散熱器的散熱量調節範圍為0～100％。
低溫輻射地板散熱量的調節方式與傳統的散熱器基本一致，主要有熱水流量調節和供水溫度調節兩種。熱水流量調節是通過調節閥調節低溫輻射地板的熱水流量來改變低溫輻射地板散熱量，主要有連續流量調節和間歇流量調節兩種。而供水溫度調節是通過調節閥調節低溫輻射地板的供水溫度來改變低溫輻射地板散熱量。
(2)室溫控制參數
在複合系統實際運行中，房間室內溫度將會受到太陽輻射、室外溫度、人員及辦公設備熱源的影響，在設定值上下波動，其波動程度與供暖系統方式、室溫設定值及室外擾動的大小有關。雖然國內外對室內溫度的控制方法進行了大量研究，如on/off控制、pid控制及預測控制等，但很少根據房間熱負荷特性對室內溫度設定值的大小進行研究。在房間熱負荷特性和供暖系統運行特性不同的建築房間，室內溫度設定值對室內熱環境影響將很大。對於熱惰性較大的房間或供暖系統，室溫設定值應該設置較低些，從而達到部分消除熱惰性的影響；而對於熱惰性較小的房間或供暖系統，室溫設定值就可以設置較高些。
另外，室內溫度控制參數一般為室內空氣溫度和操作溫度。athienitis發現以室內空氣溫度作為控制參數後，室內溫度波動比較大，室內熱舒適性較差。而若以室內操作溫度作為控制參數，室內溫度波動將較小，並且反應時間也減小了一半。隨著建築技術的不斷發展，房間熱負荷不斷減小，導致室內空氣溫度與室內操作溫度的差值越來越小，以室內操作溫度作為室內溫度控制參數具有的上述優勢可能就不明顯。
低溫熱水供暖系統(lowtemperatureheatingsystems，lths)，簡稱低溫供暖系統，是指採用低於60℃的低溫熱水作為介質的供暖系統。按照供暖系統末端設備散熱原理及方式不同，低溫供暖系統可分為低溫對流供暖系統及低溫輻射供暖系統。前者主要有低溫強制對流供暖系統和低溫自然對流供暖系統等，後者主要有低溫輻射地板供暖系統和低溫輻射吊頂供暖系統等。
獨立新風系統(dedicatedoutdoorairsupplysystems，doas)，簡稱新風系統，是指沒有迴風的獨立全新風系統。為了降低系統能耗，新風系統通常帶有熱回收裝置。按照室內氣流組織方式的不同，新風系統一般可以分為混合通風系統和置換通風系統等。
為了方便計算低溫供暖與供新風房間熱負荷，本發明根據室內熱環境是否均勻分布作為劃分標準，將低溫供暖與新風複合系統劃分為低溫供暖與混合通風複合系統和低溫供暖與置換通風複合系統兩種。對於前者，室內熱環境是均勻分布的；而對於後者，室內熱環境是非均勻分布的。
按照供暖系統末端設備散熱原理及方式的不同，低溫供暖與混合通風複合系統包括低溫對流供暖與混合通風複合系統和低溫輻射供暖與混合通風複合系統。前者主要有低溫自然對流供暖與混合通風複合系統(nc+mv)和低溫強制對流供暖與混合通風複合系統(fc+mv)等，後者主要有低溫輻射地板供暖與混合通風複合系統(fh+mv)和低溫輻射吊頂供暖與混合通風複合系統(ch+mv)等。
對於低溫對流供暖與混合通風複合系統，其室內空氣流動換熱過程如下：室外新鮮空氣通過新風系統送風機作用由送風口進入房間，而室內汙濁空氣通過新風系統排風機作用由排風口排到室外；同時，通過低溫對流散熱器熱浮力或風機抽吸作用，地板表面處冷空氣進入散熱器被熱的翅片管加熱後通過散熱器出口進入房間。由於混合通風系統送入的空氣溫度比室內空氣溫度低，新鮮冷空氣從頂部進風口進入房間後下沉，與熱浮力作用產生的室內熱源上端及散熱器出口的熱空氣充分混合，從而使室內空氣溫度分布比較均勻。
高層樓宇智能化系統是樓宇建築智能服務水平的重要保證基礎，它是融合了供配電技術、計算機技術、電機技術、自動控制技術、通信網絡技術等先進技術為一體的優良產物。通過提高高層樓宇住宅安全防範、物業管理、以及信息智能服務等方面的綜合自動化水平，使住宅用戶得到一個安全、舒適、方便快捷的起居、工作、學習的良好環境。高層樓宇建築是我國城市基礎設施建設信息體系中的一個重要樓宇建築標誌，進行智能化、節能化設計是提高高層樓宇建築綜合智能服務技術性能和高效能源利用的重要保證基礎，是推動高層樓宇建築在規劃設計、施工建設、後期運行維護等過程中建築電氣節能可持續建設發展的重要技術手段。
由於我國建築電氣節能形勢十分嚴峻，政府也對建築電氣節能工作十分重視，並已頒布實施了一系列完善的法律法規、節能標準規範、設計指導文件等，以期推動我國建築電氣節能工作高效穩定的進行。目前，國內很多專家學者已開展了大量科學研究並取得了一些令人滿意的成果，但是總體來看，我國建築電氣節能還不是很完善，建築電氣節能技術理論研究、實踐應用等方面還有待進一步的研究推廣使用。開展高層樓宇建築電氣節能技術的應用研究，既是建築行業落實國家能源可持續發展戰略的重要舉措，同時也是建築行業節能降耗工程建設可持續發展的必然選擇，具有非常大的建築節能工程設計應用實際意義。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。