房间空调系统的动态特性及控制分析

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1、房间空调系统的动态特性及控制分析＋王婧陈振乾施明恒东南大学能源与环境学院，南京210096+电话：025-83790626Email:zqchen@seu.edu.cn摘要本文针对一个实际的房间空调系统，考虑了外界气候条件的变化因素的影响，分别建立了各传热环节的数学模型和总的传热模型，并对系统的动态特性进行了分析。在此基础上，用变流量的方法对冷冻水系统进行控制，比较了常规的PID控制和模糊自适应PI控制两种控制方法的优劣。模拟结果表明，模糊自适应PI控制超调量更小，响应时间更快。关键词房间空调动态特性PID控制模糊自适应PI控制变流量1.引言随着我国经济的快速增长和人民生活

2、水平的逐步提高，能源消耗也迅速增长。而空调能耗在建筑总能耗中占有很大部分的比例。暖通空调系统的动态特性对于整个空调系统的能耗有着很大的影响。为了研究系统在设计工况下的动态特性，不少学者已经建立了各个部件的近似的数学模型并采取了各种控制方法对其进行优化控制。但是，很多数学模型都只是用一些经验的系统参数来近似的确定某一特性，进而来模拟动态过程。模拟结果只能反映过程的趋势，并不能具体的模拟出建筑能耗。本文在前人的基础上针对具体的对象，对其各个传热环节分别建立了数学模型，并用变水流量和加湿量的方法对其进行模糊控制。2.数学模型与模拟房间空调系统由空调房间，围护结构，空气处理机组等组

3、成，如图1图1房间空调系统原理图在夏季，室内和室外的空气混合后由风机送入表冷器，冷却去湿后送入房间。房间的温度传感器感受室内温度后把信号送到温度控制器中，控制器根据已定的算法算出冷冻水量后，通过执行器调节泵的转速使之满足负荷变化的需要。2.1复合墙体的结构及其数学模型以文献[1]中列举的墙体8作为空调房间的外墙。其材料及特性参数见表1。表1外墙的结构和热物性参数通过墙体的传热及墙体温度的变化是一个动态传热过程，由于墙体表面积远大于避厚，所以可以把这一问题简化为无限大平板的一维导热问题。其传热方程为：∂t∂∂tρc=(λ)∂τ∂x∂x∂t(0,τ)边界条件为，x=0,−λ=h

4、(t(0,τ)−t)zz∂x（1）∂t(l,τ)x=l,−λ=h(t(l,τ)−tlout∂τ初始条件为，τ=0,t(x,0)=tout式中，λ是各层的热导率，ρ是墙体材料的密度，c是比热，h和h分别是内表面和外表面的对流zl2换热系数。假定室内温度t为25℃，室外温度t为35℃。由文献2查得h=8.72w/mkh=18.6zoutzl2w/mk。运用有限差分法的显式差分格式求解上面的方程，取空间步长为0.01，由各内部节点和对流边界节点的稳定性判定条件得出，时间步长不应小于1s。2.2窗户的传热模型2采用铝合金框无切断冷桥，中间有6mm空气层的双层玻璃窗。玻璃厚3mm，热

5、导率为5.94w/mk，3密度为2500kg/m，比热为840j/kgk。通过玻璃窗传入室内的热量分为两部分：一部分是瞬变传热引起的冷负荷，另一部分是透过玻璃窗的日射得热引起的冷负荷。[5]第一部分的传热方程同墙体传热一样，这里就不再列出。第二部分的冷负荷为：Q=qACC（3）τfτsn2其中，q—逐时通过单层普通玻璃进入室内的太阳辐射热，w/m（数据参见文献[8]）fτC—玻璃窗类型修正系数，查表得值为0.86sC—遮阳系数，取值为1。n2.3换热器模型换热器是空气处理单元中非常重要的一个设备，盘管中流的是冷冻水，它与管外的热空气交换热量，从而使得空气温度降低，水的温度升

6、高。在此过程中要满足热湿平衡原理。已知量为，冷冻[9]水流量m(kg/s)，送风量f（kg/s）的特性参数。数学描述如下：sa11−1换热系数：K=[+]（4）mpnAV(ψ/c)Bwya式中，V—空气迎面风速，m/syw—换热器管内冷冻水的流速，m/sA,B,p,m,n—具体换热器的实验系数ψ—焓差与湿球温度差的平均比例常数，一般取2.86进行计算c—空气比热，(j/kg·k)a−β(1−γ)1−e湿球换热效率：E=（5）s−β/(1−γ)1−γeKFfsaψ式中，β=γ=fψmcsa2F—换热面积（m）c—水的比热(j/kg·k)出风湿球温度：t=t−(t−t)E（6）

7、s2s1s1iws式中，t—冷冻水进水温度，t—进换热器的空气的湿球温度。iws1出风干球温度：t=t+(1−E')(t−t)（7）2s2zs1式中，E’—换热器可提供的热交换效率。f(h−h)sainout出水温度：t=t+（8）owiwcm2式中，h=0.0707t+0.6452t+16.18。ss经分析整理后，在matlab中编程，把中间的传递函数封装起来，可以得到如下传递函数模型图3表冷器传热传质的传递函数模型2.4温度传感器模型温度传感器的作用是测量房间的温度并把信号传递给控制器来调节被调量的值使之满足要