现代节能楼宇生态新风电复合空调系统的制作方法

本发明属于节能技术领域，特别涉及一种现代节能楼宇生态新风电复合空调系统。

背景技术：

目前，随着城市建设现代化步伐的不断加快、人们生活水平的日益提高、以及供需矛盾日剧加剧的能源紧张问题，降低高层楼宇建筑物综合使用能耗，提高建筑内部能源系统综合使用效率，增强楼宇住宅居住舒适性，开展高层楼宇建筑节能工作已成为世界各国政府缓解能源紧张的重要举措。我国在建筑节能方面的研究较国外一些发达国家而言，起步相对较晚，大致起步于二十世纪八十年代，以1989年建设部批准颁发的第一版居住建筑节能设计标准为代表，并以此为基础在工程实践中得到进一步完善。

随着城市化的发展，许多大城市多为高层建筑，从宾馆酒店到商业金融建筑，从文化体育到医疗保健建筑，从办公写字楼到商住公寓楼，各种功能类别的高层建筑如雨后春笋般拔地而起，鳞次栉比。新的建筑、新的使用功能对建筑设备提出了新的、更高的要求，暖通空调已成为现代化建筑必不可少的重要设施，暖通空调产业进入了黄金时期。因地制宜的合理选择能源资源，充分有效的用能，提高高层建筑用能系统的效率，合理设计创造舒适的室内环境而同时尽可能减少对室外环境的负面影响，是高层建筑暖通空调设计中必须解决的问题。

技术实现要素：

本发明提出一种现代节能楼宇生态新风电复合空调系统，解决了现有技术中高层建筑用能不够合理，用能效率低下以及对室外境产生不利影响的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种现代节能楼宇生态新风电复合空调系统，包括控制器，所述控制器连接有空气传输系统、制冷系统以及制暖系统，所述空气传输系统包括空调机组，所述空气传输系统的一端连接所述制暖系统，所述空气传输系统的另一端连接所述制冷系统，所述制冷系统包括冷冻水回路和冷却水回路。

进一步地，所述冷冻水回路包括冷冻水泵，所述冷冻水泵通过冷冻水供应和返回管路连接所述空调机组的冷冻水热交换器，所述冷冻水泵连接有蒸发器，所述蒸发器连接有冷凝器，所述冷凝器连接有压缩机，所述冷凝器连接有冷却水泵和冷却塔。

进一步地，所述空调机组包括风机盘管、热水热交换器以及过滤器，所述过滤器通过回风阀连接有新风阀，所述回风阀还连接有回风风扇以及排风阀，所述回风风扇连接有回风格栅，所述空调机组还连接有终端箱，所述终端箱连接有供风格栅。

进一步地，所述空气传输系统还包括出风风扇，所述出风风扇一端连接有出风口，另一端连接排风格栅。

进一步地，所述制暖系统包括热水散热器，所述热水散热器通过热水泵连接有锅炉，所述热水散热器及所述锅炉通过热水供应和返回线连接至所述热水热交换器。

进一步地，所述控制器为基于继电反馈自整定pid控制器，所述基于继电反馈自整定pid控制器非线性环节的输入为正弦变化，输出为非正弦周期变化且其周期与输入信号周期相同，其输出的一次谐波分量对输入的定义满足：

其中，n称为描述函数，y1为输出的一次谐波分量振幅，a为正弦输入的振幅，φ1为输出的一次谐波分量的相位移；若非线性环节中不包含储能元件，那么n只是输入振幅a的函数，定义为n(a)；若非线性环节中包含储能元件，则n是输入振幅a和频率的函数。

进一步地，所述基于继电反馈自整定pid控制器的继电特性非线性环节输入输出曲线满足：

即：

其中n(a)为非线性环节描述函数，d为继电幅值，y1为输出的一次谐波分量振幅，a为正弦输入的振幅。

进一步地，所述基于继电反馈自整定pid控制器的饱和非线性环节的输入输出特性曲线满足：

其中，k为输入输出特性曲线的斜率，n(a)为非线性环节描述函数，a为正弦输入的振幅，s为两母线形成的面积差值。

进一步地，所述基于继电反馈自整定pid控制器的有滞环的继电型非线性环节的输入输出特性曲线满足：

其中，其中n(a)为非线性环节描述函数，d为继电幅值，h为母线底圆圆心之上的高度，a为正弦输入的振幅。

本发明的有益效果是：

本发明根据室内环境质量的不同要求，分别应用供暖、通风和空气调节技术来消除各种干扰，进而在建筑物内部建立并维持一种具有特定使用功能，并且可以按照需求调控的舒适″人造环境″。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的结构示意图；

图2为本发明的循环回路原理图；

图3为非线性控制系统原理图；

图4为继电反馈自整定控制原理图；

图5为继电器型非线性的输入输出特性曲线；

图6为饱和非线性的输入输出特性曲线。

图中，1-空调机组；2-冷冻水泵；3-冷冻水供应和返回管路；4-蒸发器；5-冷凝器；6-压缩机；7-冷却水泵；8-冷却塔；9-风机盘管；10-热水热交换器；11-过滤器；12-回风阀；13-新风阀；14-回风风扇；15-排风阀；16-回风格栅；17-终端箱；18-供风格栅；19-出风风扇；20-出风口；21-排风格栅；22-热水散热器；23-热水泵；24-锅炉；25-热水供应和返回线；26-冷冻水热交换器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示，本发明现代节能楼宇生态新风电复合空调系统，包括控制器(图中未示出)，所述控制器连接有空气传输系统、制冷系统以及制暖系统，所述空气传输系统包括空调机组1，所述空气传输系统的一端连接所述制暖系统，所述空气传输系统的另一端连接所述制冷系统，所述制冷系统包括冷冻水回路和冷却水回路。所述冷冻水回路包括冷冻水泵2，所述冷冻水泵2通过冷冻水供应和返回管路3连接所述空调机组1的冷冻水热交换器26，所述冷冻水泵2连接有蒸发器4，所述蒸发器4连接有冷凝器5，所述冷凝器5连接有压缩机6，所述冷凝器5连接有冷却水泵7和冷却塔8。所述空调机组1包括风机盘管9、热水热交换器10以及过滤器11，所述过滤器11通过回风阀12连接有新风阀13，所述回风阀12还连接有回风风扇14以及排风阀15，所述回风风扇14连接有回风格栅16，所述空调机组1还连接有终端箱17，所述终端箱17连接有供风格栅18。所述空气传输系统还包括出风风扇19，所述出风风扇19一端连接有出风口20，另一端连接排风格栅21。所述制暖系统包括热水散热器22，所述热水散热器22通过热水泵23连接有锅炉24，所述热水散热器22及所述锅炉24通过热水供应和返回线25连接至所述热水热交换器10。

具体的，风机盘管9：风机盘管9负责一个或多个空间的空气调节，其大小满足所有空间需要的最大量的要求，加上所有的外部负荷，譬如风扇的散热、管道的热损失、管道空气泄露和室外的新风。在设计条件下，一个风机盘管9提供设计的空气流量和空气的温湿度，使其符合各个区域的温度和湿度要求。对于需要除湿的应用，风机盘管9除了应该具有合理的冷却容量外，还应该有足够的潜热冷却容量。风机盘管9的大小选择要考虑空气回路和水回路的进水以及出水设计温度、流速及压降。为了提高盘管的热传递性能同时减少空气回路的压降，应选择较低的表面风速和较低的趋近温度。

蒸发器4：蒸发器4主要作用是对贯穿设备循环的冷冻水进行冷却。制冷剂以低温低压的状态离开膨胀阀，并且以低温液气混合物的状态进入蒸发器4。蒸发器4有一个外壳和管道热交换器，液态制冷剂在这里从贯穿设备循环的二次水或冷冻水中吸收热能并转为蒸汽状态。

冷凝器5：冷凝器5是与蒸发器4类似的一种换热器，它将来自压缩机6的高压制冷剂从气态凝结成液态。制冷剂蒸发放出的热量使冷凝器5的水温升高，随后冷凝器5的水将热能运载到冷却塔8，在那里热能被释放到大气中。水冷式系统中，热量通过室外的冷却塔8或城市水网或深井水释放掉，热能也可以由室外的风冷式冷凝器释放。风冷式冷凝器可以是独立的，也可以是整装式，通常制冷剂以液态形式流出冷凝器5。

冷却塔8：制冷机组的负荷等于蒸发器4的负荷加上压缩机6的发热量。冷却塔8的大小以制冷机组的冷负荷及来自管道、泵和其他设备的热损失为基础。一旦决定了冷却容量，使用ashrae的设计温度条件可确定冷却塔8的大小。宜选取多单元且带风扇变速器的冷却塔8，一个较大的冷却塔8提供较低的冷却水温度，从而提高冷凝器5的效率。

压缩机6：压缩机6是蒸汽压缩式制冷循环的主要驱动。压缩机6的作用是将制冷剂从低压蒸汽压缩成高压蒸汽，压缩机6由主要由原动机和压缩机6组成，它通过将动能转换成压力来升高制冷剂的压力和温度。

在本系统设计过程中，常规pid参数的工程整定法在自整定调节器中难以直接使用，因此本发明中控制器采用基于继电反馈自整定pid控制器，而且由于继电反馈试验对具有很大时间常数的过程和高度非线性的过程也能实现良好的工作，而本发明现代节能楼宇生态新风电复合空调系统具有很强的非线性、大惯性、强干扰等特性，采用基于继电反馈自整定pid控制器，其中非线性环节的描述函数n(a)以及被控制对象gp(s)之间，当描述函数n(a)是假定非线性环节的输入为正弦变化时，输出是非正弦周期变化且其周期与输入信号周期相同。这样，非线性环节描述函数由输出的一次谐波分量对输入的复比来定义，即：

其中，n称为描述函数，y1为输出的一次谐波分量振幅，a为正弦输入的振幅，φ1为输出的一次谐波分量的相位移；若非线性环节中不包含储能元件，那么n只是输入振幅a的函数，定义为n(a)；若非线性环节中包含储能元件，则n是输入振幅a和频率的函数；或者基于继电反馈自整定pid控制器的继电特性非线性环节输入输出曲线满足：

即：

其中n(a)为非线性环节描述函数，d为继电幅值，y1为输出的一次谐波分量振幅，a为正弦输入的振幅。

或者，所述基于继电反馈自整定pid控制器的饱和非线性环节的输入输出特性曲线满足：

其中，k为输入输出特性曲线的斜率，n(a)为非线性环节描述函数，a为正弦输入的振幅，s为两母线形成的面积差值。

或者，所述基于继电反馈自整定pid控制器的有滞环的继电特性的非线性环节的输入输出特性曲线满足：

其中，其中n(a)为非线性环节描述函数，d为继电幅值，h母线底圆圆心之上的高度，a为正弦输入的振幅。

本发明中基于继电反馈自整定pid控制器在整定过程中是在闭环中进行的，能够控制系统仍然在工作点附近运行，这样既不会影响系统的正常运行，又可以克服系统非线性对参数整定的影响，在继电反馈控制下，被控对象gp(jω)只要高频具有至少-π的相位滞后就可以产生临界振荡，即继电反馈控制闭环系统输出就会产生等幅振荡，得出在非线性理论下系统产生等幅振荡的条件，其满足

其中tc为等幅振荡周期，a为等幅振荡振幅，ωc为等幅振荡临界点的频率；等幅振荡的条件是1+n(a)gp(jω)＝0，即-1/n(a)＝gp(jω)，gp(jω)为被控制对象，d为继电幅值；满足-1/n(a)＝-πa/4d，即为负实轴，临界振荡点既是被控对象的nyquist图与负实轴的交点，又是与继电特性的描述函数负倒数的交点，所述等幅振荡临界点的频率ωc的幅值为kc＝πa/4d。

长期以来，控制理论工作者致力于各种条件下的控制策略及其性质的研究，提出了各种各样的控制算法，将控制理论不断的推向新的高度。同时，人们也普遍认识到控制系统的性能会随着时间的推移变化，不好的性能降低了效率，浪费了能量，因此评估系统的性能并维护系统是必要的。

本发明现代节能楼宇生态新风电复合空调系统，结构复杂，不仅包括一系列驱动液体流动的部件如：水泵、风机以及压缩机等，还有各种类型的热交换器：风机盘管、蒸发器、冷凝器及中间加热交换器，这些装置通过阀件和各种管道如：风管、水管及冷媒管等连接，系统在长期的运行过程中，随着工况条件不断发生变化，各种装置的运行特性也不断发生变化，因此空调系统发生也是时时变化的；同时由于现有的系统控制器都是固定的，在固定的参数控制下，系统的运行不仅效率低下，而且浪费了大量的能源，鉴于此，需要建立合理的性能指标评估系统的性能，并由此实时调整控制器的参数以达到提高效率、降低能耗的目的。

制暖系统为低温供暖系统，低温供暖系统运行调节与传统高温供暖系统运行调节一致，主要有供水温度调节(质调节)和热水流量调节(量调节)两种方式。由于低温供暖系统可采用热泵等低温热源，通过调节供水温度降低热源温度将能进一步提高热源的能源利用率。此外，对于低温供暖系统，相关研究表明采用供水温度调节能更好地适应房间热负荷的变化。因此从节能和舒适角度考虑，供水温度调节方式是低温供暖系统的最佳运行调节方式。

为了便于复合系统的工程应用，低温供暖与混合通风复合系统和低温辐射地板供暖与混合通风复合系统为例，推导低温供暖系统供水温度调节关系式。

(1)低温强制对流供暖系统水温调节关系式的推导

以标准层南向低温强制对流供暖与混合通风房间为例，为了简化供暖系统供水温度调节关系式，假设室内空气温度等于室内计算温度，通过整理低温强制对流供暖与混合通风房间热负荷计算式、低温强制对流供暖系统的供热量计算公式，根据能量守恒原理，可以得到下式。

式中m，n——外围护结构热负荷和新风热负荷的等效系数(w/℃)；

cp，w——热水定压比热(kj/(kg℃)；

gw——供暖系统热水流量(kg/s)；

tw，in——供暖系统供水温度(℃)；

tw，out——供暖系统回水温度(℃)；

上式中字母上方带点表示设计状态，不带点表示为运行状态，简化后如下式所示：

通过上式，可到低温强制对流供暖系统供水温度和回水温度调节关系式，如所示。

同样，以标准层南向低温辐射地板供暖与混合通风房间为例，也假设室内空气温度等于室内计算温度。

低温辐射地板供暖房间所得的热量一部分来自此房间辐射地板向上的散热量，一部分来自上层房间辐射地板向下的散热量，两部分之和为整个辐射地板的散热量。根据之前得到的低温辐射地板换热单元散热量计算方法，通过积分可以得到整个低温辐射地板与室内之间的热交换量。低温辐射地板供暖系统的供热量计算式与低温强制对流供暖系统一样。根据能量守恒原理，可以得到低温辐射地板供暖系统的供水温度调节关系式，如下式所示。

式中af——辐射地板表面有效散热面积(m2)；

δt——辐射地板与室内之间的平均温差(℃)。

房间室温控制主要是以室温控制参数作为控制目标通过调节低温供暖末端设备的散热量实现的，因此房间室温控制策略主要包括低温末端设备散热量调节方式和室温控制参数的确定。

(1)低温末端设备散热量的调节方式

以低温强制对流散热器和低温辐射地板为例，低温供暖末端设备散热量的调节方式如下所示。

低温强制对流散热器散热量的调节方式与传统的风机盘管基本一致，主要有风量调节、热水流量调节和供水温度调节三种方式。其中风量调节是通过改变散热器中的风机风量来改变散热器散热量，主要有三速手动调节、无级自动调节和风阀调节等方式，相对应的散热量调节范围分别为30～100％，30～100％和43～100％。热水流量调节是通过改变散热器热水流量来改变散热器散热量，主要有连续流量调节和间歇流量调节两种。前者常采用电动调节阀调节散热器热水流量，后者常采用电动通断阀调节散热器热水流量，相对应的散热量调节范围分别为75～100％及0～100％。供水温度调节是通过改变散热器供水温度来改变散热器散热量，一般通过三通电动调节阀调节散热器进水口的供水与回水的混水比方法来实现，散热器的散热量调节范围为0～100％。

低温辐射地板散热量的调节方式与传统的散热器基本一致，主要有热水流量调节和供水温度调节两种。热水流量调节是通过调节阀调节低温辐射地板的热水流量来改变低温辐射地板散热量，主要有连续流量调节和间歇流量调节两种。而供水温度调节是通过调节阀调节低温辐射地板的供水温度来改变低温辐射地板散热量。

(2)室温控制参数

在复合系统实际运行中，房间室内温度将会受到太阳辐射、室外温度、人员及办公设备热源的影响，在设定值上下波动，其波动程度与供暖系统方式、室温设定值及室外扰动的大小有关。虽然国内外对室内温度的控制方法进行了大量研究，如on/off控制、pid控制及预测控制等，但很少根据房间热负荷特性对室内温度设定值的大小进行研究。在房间热负荷特性和供暖系统运行特性不同的建筑房间，室内温度设定值对室内热环境影响将很大。对于热惰性较大的房间或供暖系统，室温设定值应该设置较低些，从而达到部分消除热惰性的影响；而对于热惰性较小的房间或供暖系统，室温设定值就可以设置较高些。

另外，室内温度控制参数一般为室内空气温度和操作温度。athienitis发现以室内空气温度作为控制参数后，室内温度波动比较大，室内热舒适性较差。而若以室内操作温度作为控制参数，室内温度波动将较小，并且反应时间也减小了一半。随着建筑技术的不断发展，房间热负荷不断减小，导致室内空气温度与室内操作温度的差值越来越小，以室内操作温度作为室内温度控制参数具有的上述优势可能就不明显。

低温热水供暖系统(lowtemperatureheatingsystems，lths)，简称低温供暖系统，是指采用低于60℃的低温热水作为介质的供暖系统。按照供暖系统末端设备散热原理及方式不同，低温供暖系统可分为低温对流供暖系统及低温辐射供暖系统。前者主要有低温强制对流供暖系统和低温自然对流供暖系统等，后者主要有低温辐射地板供暖系统和低温辐射吊顶供暖系统等。

独立新风系统(dedicatedoutdoorairsupplysystems，doas)，简称新风系统，是指没有回风的独立全新风系统。为了降低系统能耗，新风系统通常带有热回收装置。按照室内气流组织方式的不同，新风系统一般可以分为混合通风系统和置换通风系统等。

为了方便计算低温供暖与供新风房间热负荷，本发明根据室内热环境是否均匀分布作为划分标准，将低温供暖与新风复合系统划分为低温供暖与混合通风复合系统和低温供暖与置换通风复合系统两种。对于前者，室内热环境是均匀分布的；而对于后者，室内热环境是非均匀分布的。

按照供暖系统末端设备散热原理及方式的不同，低温供暖与混合通风复合系统包括低温对流供暖与混合通风复合系统和低温辐射供暖与混合通风复合系统。前者主要有低温自然对流供暖与混合通风复合系统(nc+mv)和低温强制对流供暖与混合通风复合系统(fc+mv)等，后者主要有低温辐射地板供暖与混合通风复合系统(fh+mv)和低温辐射吊顶供暖与混合通风复合系统(ch+mv)等。

对于低温对流供暖与混合通风复合系统，其室内空气流动换热过程如下：室外新鲜空气通过新风系统送风机作用由送风口进入房间，而室内污浊空气通过新风系统排风机作用由排风口排到室外；同时，通过低温对流散热器热浮力或风机抽吸作用，地板表面处冷空气进入散热器被热的翅片管加热后通过散热器出口进入房间。由于混合通风系统送入的空气温度比室内空气温度低，新鲜冷空气从顶部进风口进入房间后下沉，与热浮力作用产生的室内热源上端及散热器出口的热空气充分混合，从而使室内空气温度分布比较均匀。

高层楼宇智能化系统是楼宇建筑智能服务水平的重要保证基础，它是融合了供配电技术、计算机技术、电机技术、自动控制技术、通信网络技术等先进技术为一体的优良产物。通过提高高层楼宇住宅安全防范、物业管理、以及信息智能服务等方面的综合自动化水平，使住宅用户得到一个安全、舒适、方便快捷的起居、工作、学习的良好环境。高层楼宇建筑是我国城市基础设施建设信息体系中的一个重要楼宇建筑标志，进行智能化、节能化设计是提高高层楼宇建筑综合智能服务技术性能和高效能源利用的重要保证基础，是推动高层楼宇建筑在规划设计、施工建设、后期运行维护等过程中建筑电气节能可持续建设发展的重要技术手段。

由于我国建筑电气节能形势十分严峻，政府也对建筑电气节能工作十分重视，并已颁布实施了一系列完善的法律法规、节能标准规范、设计指导文件等，以期推动我国建筑电气节能工作高效稳定的进行。目前，国内很多专家学者已开展了大量科学研究并取得了一些令人满意的成果，但是总体来看，我国建筑电气节能还不是很完善，建筑电气节能技术理论研究、实践应用等方面还有待进一步的研究推广使用。开展高层楼宇建筑电气节能技术的应用研究，既是建筑行业落实国家能源可持续发展战略的重要举措，同时也是建筑行业节能降耗工程建设可持续发展的必然选择，具有非常大的建筑节能工程设计应用实际意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。