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。

关键词：制冷系统；部件模型；系统模型 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，对某个部件的性能优化可能会引起其他部件性能的降低，因此需要从整体的角度来建立制冷系统的模型，以此来兼顾系统各部件作用的发挥。 2.2系统模型 系统模型是由系统的部件模型在其必须满足质量守恒、动量守恒及能量守恒条件下有机结合而成。为系统建模是将实际系统进行简化而便于更好地分析系统的性能，以便于实现系统的优化控制。因此，研究人员通常是基于控制的目的而建立系统模型。 1986年HeXD等人建立的制冷系统多输入多输出变量反馈控制的数学模型，通过对数学模型在工况范围内的线性化，计算了压缩机转速和膨胀阀开度对系统蒸发压力、冷凝压力及蒸发器过热度的影响。并分析了压缩机转速、膨胀阀开度与蒸发压力及过热度之间的耦合关系；1999年Svensson建立了一个完整的系统属性模型来研究变工况下系统的动态特性；2003年RajatShah首先对制冷系统的单个部件进行建模，然后建立了具有广泛适应性的多蒸发器蒸汽压缩系统的数学模型，并针对单蒸发器系统设计多变量自适应控制器，经过验证控制性能良好。 国内的研究人员在系统模型的建立上也取得了一定的成果。2000年陈则韶等建立了包含四个部件在内的较完整的单级压缩制冷循环的物理数学模型，并应用于开机过程的模拟，通过仿真数据预测参数的变化情况，揭示了系统的动态特性2002年周兴禧等人采用分布参数法并引入两相流理论，建立起以双蒸发器、电子膨胀阀、压缩机为一体的双联空调系统的热力学模型，对双联变频空调系统稳态特性及双蒸发器间耦合关系进行仿真研究，为双蒸发器的优化设计、控制及节能手段的运用提供了依据；同年，朱瑞琪等人用集总参数和相移动边界法建立了热交换器动态模型系统模型以及压缩机和膨胀阀的稳态流动模型，所建立的系统模型对制。冷系统的控制具有通用性，能完整地反映制冷系统的多输入多输出关系，并能从模型仿真中获得系统参数之间的动态关联，从而根据分析结果采取相应的控制对策。因此它可以针对所选定的受控参数和控制方式对制冷系统实施综合优化和最佳控制。 3、结论 本文针对空调制冷系统的建模研究进行了总结，无论是对部件进行建模还是对系统进行建模，国内外的研究人员对制冷系统的模型研究已经取得了一定的成果，使制冷系统的性能从某些方面得到了有效的改善。 但是除了制冷系统以外，在空调系统中还包括其他的子系统，因此，如果在建模的过程中将空调系统的各个子系统模型有机地结合起来，对于空调系统满足节能、舒适性等要求将会具有更加现实而深远的意义。