探讨不同类型空调制冷的系统建模

摘要：随着科学技术的进步和人民生活水平的不断提高,人们对于日常生活和劳动生产环境的要求也不断提高。空调系统作为智能建筑的重要组成部分,是楼宇自动化系统的主要监控对象,也是建筑智能化系统主要的管理内容之一。空调是“空气调节”的简称,旨在把经过处理的空气以一定的方式送入室内,使室内的温度、湿度等指标满足人体舒适度的要求,以此来提高人们的生活质量。近年来,研究人员结合建筑物的数学模型,通过对不同类型的空调系统进行建模来分析空调系统的能耗特性、优化控制管理策略以及进行故障诊断等研究。
1、空调系统的基本工作原理
当环境温度过高时,空调系统通过循环方式把室内的热量带走,将室内温度维持在一定值。当循环空气通过风机盘管时,高温空气经过冷却盘管先进行热交换,盘管吸收了空气中的热量,使空气温度降低,然后再将冷却后的空气送入室内。冷却盘管的冷冻水由冷冻机提供,冷冻机由 压缩机、冷凝器和蒸发器组成。压缩机把制冷剂压缩,经压缩的制冷剂进入冷凝器,被冷却水冷却后,变成液体,析出的热量由冷却水带走,并在冷却塔里排入大气。液体制冷剂由冷凝器进入蒸发器进行蒸发吸热,使冷冻水温降低,然后冷冻水进入水冷风机盘管吸收空气中的热量,如此周而复始地循环,把室内热量带走。当环境温度过低时,需要以热水进入风机盘管,和上述原理一样,空气加热后送入室内。空气经过冷却后,有水分析出,空气相对湿度减少,变得干燥,所以需增加湿度,这就需要加装加湿器进行喷水或喷蒸汽,对空气进行加湿处理,用这样的湿空气去补充室内水汽量的不足。
2、空调制冷系统的建模研究
在智能建筑中,空调系统的能耗占整个建筑总能耗的一半以上。因此,在保证向人们提供舒适环境的前提下,尽量降低空调系统的能耗,对于智能建筑自动控制系统有着非常重大的意义。制冷系统是空调系统的主要能量消耗,因此对空调制冷系统的优化研究便成为暖通空调业的热点问题之一。
随着数学建模技术的不断发展,研究人员将建模与仿真技术应用于空调系统中。建模是研究系统的重要手段和前提,是一个实际系统模型化的过程模型的选择直接影响系统的分析和执行的可行性根据人们对研究对象的认知过程,空调制冷系统的建模经历了由稳态到动态、由部件建模到系统建模的发展过程。
2.1部件模型
制冷系统包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等四大部件,各部件的关系如图2所示。压缩机是制冷循环能够实现制冷的关键部件,它为制冷剂的流动提供动力,被称作是制冷系统的“心脏”;膨胀阀是制冷系统中的压力调节机构,它直接决定了系统的蒸发压力和冷凝压力;冷凝器和蒸发器分别担负放热和吸热的重任,并构成了系统的高压和低压侧,二者换热状态的好坏直接关系到整个制冷系统的效率。建立系统各部件的模型是实现系统仿真分析的前提,研究人员针对各部件的不同性能,采用了不同的建模方法对部件功能进行优化,从而提高整个制冷系统的性能。
部件的稳态模型是对整个系统参数优化设计的前提和基础,提高空调系统的效率和降低成本是稳态特性研究和优化的目的。稳态是系统的一种理想状态,这种理想化的假设对于系统设计是必需的。

国内很多研究人员在制冷系统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参数的方法建立蒸发器、冷凝器和毛细管的数学模 型,采用集总参数法建立了 压缩机模型,并通过空调工况下的实验验证了此仿真数学模型的准确性;1996年张华俊采用步进计算法建立了换热器的 稳态分布模型,且经实验验证结果合理;2000年丁国良等将模糊方法引入压缩机的热力性能计算中,提出了预测压缩机热力性能的模糊建模方法,得到了具有很 好的预测精度和泛化能力的建模方法,能够对压缩机热力性能进行计算,为制冷装置进行优化设计奠定了基础;2001年王康迪等人对制冷剂在换热器中的单相和 气液两相区分别建立了稳态分布参数模型;2005年徐小来等人针对压缩机故障诊断系统知识具有不确定性和模糊性的特点,给出了基于模糊产生式规则的模糊 Petri网模型和反向推理算法,并采用模糊Petri网对压缩机进行故障诊断。

部件模型的建立为部件的优化及建立系统的动态模型打下了基础。然而,由于系统各部件是一个有机的整体,对某个部件的性能