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Homecentralair-conditioningisanimportantpartoftheIntelligentBuilding.Alongwithourcountryeconomy'
sdevelopmentandthepeoplelivingstandard'
senhancement,thehomeusecentralairconditioning'
susewillbegettingmoreandmorecommon.
Thedesignistargetedatthehomecentralair-conditioning,intheanalysisofhomecentralairconditioning,basedontheuseofsingle-chipmicrocomputerasthecoreofhomecentralair-conditioningcontrolsystems,toachieveanair-conditionedroomtemperature,humidity,windandotherparametersofthenewautomation.ProposedPIDcontrolandfuzzycontrolofthethinkingofswitchingcontrol,improvetheoperatingefficiencyoftheair-conditioningtoachievehighefficiencyandenergysavingeffect.
Hardwaredesignincludinginputcircuit,single-chipmicrocomputersystemandtheinterfacecircuit,theoutputcircuitofthreeparts,especiallythetemperaturedetectedbytemperaturesensorDS18B20,thebiggestfeatureisverysimpletoconnectthehardwaredetectionandhighaccuracy.Softwaredesignincludingtemperaturesampling,therealizationofcontrolalgorithmtocontrolthevolumeofoutput,allofthesearethecontrollerofthecoreofthecontrolfunctions.
FuzzyPIDcontrollerwithtwoseparatecontrolchannel,whenthedeviationislarger,theuseoffuzzycontrol,tospeeduptheresponsetime;
deviationsmallerwhenusingPIDcontrol,improvequalitycontrol.fuzzycontrolusingLook-uptablemethod;
PIDcontrolalgorithmusingincremental.
Keywords:
homecentralair-conditioning;
fancoil;
fuzzycontrol;
PIDcontrol
摘要I
AbstractII
第一章家用中央空调的概述1
1.1我国住宅建设和家用空调的发展1
1.2家用中央空调的特征2
1.3家用中央空调的分类和组成4
1.3.1家用中央空调的分类4
1.3.2家用中央空调的组成6
1.4家用中央空调的系统设计6
1.4.1家用中央空调制冷循环工作原理6
1.4.2家用中央空调系统的设计8
1.4.3其他系统结构组成13
第二章家用中央空调自动控制系统简介15
2.1家用中央空调自动控制系统介绍15
2.1.1空调自动调节系统分类15
2.1.2家用中央空调自动调节系统的特点16
2.2家用中央空调的常用控制部件介绍17
2.3家用中央空调控制的发展方向18
2.3.1控制风机盘管方法的比较19
2.4模糊PID控制技术介绍23
2.4.1PID控制技术23
2.4.2模糊控制技术介绍25
2.4.3模糊控制算法26
2.4.4模糊控制器的设计32
第三章家用中央空调控制器设计34
3.1家用中央空调控制器的硬件设计34
3.1.1主控电路35
3.1.2输入电路40
3.1.3输出电路43
3.2家用中央空调模糊PID控制器的软件设计46
3.2.1控制模块的设计46
3.2.2温度采集程序设计54
3.2.3按键程序设计54
第四章系统的调试57
4.1硬件调试57
4.2软件调试58
总结60
参考文献62
附录A64
附录B68
附录C69
致谢78
第一章家用中央空调的概述
一.1我国住宅建设和家用空调的发展
随着生活水平的提高,人们对住宅和居住舒适度的要求也在提高。
从过去的“居者忧其屋”转变成“居者有其屋”,即从无房到有房(自主产权)的转变;
从“居者有其屋”转变成为“居者优其屋”,即对室内舒适的要求从可居性标准向舒适性标准转变,人们对家居环境的舒适性和健康性的要求越来越高。
当前我国住宅仍处于解决紧缺的粗放型发展阶段,实现向舒适型集约化的转变必须加快技术创新和技术进步,用信息化、工业化和集约化改造住宅产业,使住宅生产走上科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型发展道路。
舒适型的居住需求集中体现在五个方面:
一是住宅的功能空间要更加合理,要在较小的空间内创造较大的舒适度,提高单位住宅面积使用率和功能空间的合理性;
二是住宅的物理性能要有较大的改善。
住宅保温、隔热、通风、采光、日照等物理性能,越来越成为衡量住宅质量的重要因素。
三是住宅设施、设备的装备水平要进一步提高,厨房、卫生间设施,采暖与制冷系统,智能化技术系统的高效性、实用性已成为体现住宅舒适性的重要内容;
四是居住区的环境配套水平要更加完善,要创造自然和谐、朴实优美、安全环保、舒适便捷的住区环境;
五是住宅的耐久性要延长,住宅具有价值量大、位置固定的特点,对耐用性有很强要求。
应当在目前砖混结构50年的基础上,延长住宅使用寿命。
推动住宅建设质的飞跃和住宅的更新换代,是市场发展的必然要求。
我国建筑业特别是住宅产业的持续高速发展,带动了房间空调器的快速增长。
我国第一台窗式空调器于1965年在上海诞生;
改革开放以来,我国的空调产业从无到有,从小到大,从引进世界先进技术到自我研发创新,取得了令人瞩目的长足发展。
随着国民经济的持续发展,人民的生活水平稳步提高,住宅空调迅速普及。
在全国大部分地区特别是气候炎热和夏热冬冷的经济比较发达地区,每百户居民空调器拥有量迅速增加。
住宅面积的增大,消费观念的改变,生活质量的提高,舒适性需要的增加,个性化要求的彰显,一户拥有多台空调器的住户已不在少数。
与此相应,家用空调也从窗式、分体式空调的单一方式发展到窗式、分体式、家用中央空调、住宅小区中央空调等多种空调方式,特别是家用中央空调更是异军突起,得到了迅猛的发展。
一.2家用中央空调的特征
家用中央空调又可称为户用中央空调、户式中央空调,它是集中处理空调负荷的系统形式,其冷热量通过一定的介质输送到空调房间,以满足居住的舒适性要求。
它是介于传统中央空调和家用空调器两者之间的一个新领域,是随着人们住房条件的改善和生活质量的提高而逐渐发展起来的一种空调新潮流、新方式。
随着家用中央空调研究和制造技术水平的提高,它正以其巨大的潜力和应用优势取得突破性的发展,并将成为我国21世纪空调产业发展方向之一。
家用空调行业的发展主要取决于一个国家的综合经济实力,而且与建筑业的发展关联度极高,并且有着其自身技术发展的内在必然性。
建筑物用舒适性空调按传统方式可分为中央空调和家用空调两大领域。
中央空调主要指用于为大型公共建筑提供冷热量需要的大中型冷热水机组系统。
而家用空调主要指为居住用房提供冷热需要的窗式、分体式和柜式空调器等房间空调器。
家用中央空调是介于中央空调和房间空调器两个领域之间的新的空调发展领域,为我国家用空调发展带来了新的技术解决方案。
到目前为止,对于以办公为主的公用建筑物来说,其供暖制冷设备是以提高工作效率为主要目的进行规划设计的,而对于公共住宅,则要根据居住者的生活方式、年龄、家庭成员的构成、地区以及社会环境的变化等各种因素满足用户对房间的使用要求及随时间变化的要求等,目的是为用户提供健康、安全、舒适的生活空间。
家用中央空调制冷范围大致在7~80kw,可供给单元住房面积在80~600㎡的多居室公寓、复式公寓、别墅、小型办公楼及小型商业用房使用。
多个家庭中央空调系统的组合可供给更大空调面积使用。
从某种意义上来说,家用中央空调系统适用范围已超出传统的住宅观念,用途更广了。
家用中央空调则兼具中央空调和房间空调器两者的优点。
与传统的中央空调相比,省却了专用机房和庞大复杂的管路系统,维护管理方便,使用计费灵活。
对住户来说,既能充分享受中央空调的舒适性,又可根据自己的个性化需要方便灵活使用,合理承担日常运行费用,而且在进行室内装修时可结合空调的布置凸显装饰个性。
家用中央空调作为一个小型化的独立空调系统,能耗在大型冷水机组与传统的房间空调器之间,在制冷方式、机组结构、空气处理方法上基本与大型中央空洞系统类似,可实现建筑与空调的和谐,提高居住环境的舒适性。
日常运行费用低于大型中央空调系统,略高于房间空调器。
与传统的房间空调器相比,家用中央空调具有舒适、调节方便、噪声低、振动小、不破坏建筑外观等突出的优点,家用中央空调机组可同时解决多个房间的冷热,大部分机组可引入新风,改善室内空气品质,免除“空调病”的烦恼;
在空调系统设计上,可与厨房、卫生间排风统一考虑,形成有效合理的气流流向,提高通风效率,有效地利用引入室内的新风:
可实现各居室的个性化需求,温度分布均匀,波动小,舒适感好;
多种规格的室内机选样可与室内装修紧密结合,营造雅致宜人的室内环境效果,室外机布置可与建筑设计同步考虑,融入建筑整体效果或尽量避免对建筑景观的干扰;
可免除传统分体机的制冷剂连接管暴露并悬挂在室内外半空中的不雅观等问题。
在我国目前的经济发展水平和市场条件下,家用中央空调的发展具有良好的市场前景和巨大的发展潜力,家用中央空调作为“以人为本,个性发展”的空调发展新潮流,不但能够为众多的国内生产厂商带来巨大的商机,而且开辟出一个家用中央空调“设计生产、配套、安装、服务”的崭新模式,启动家用中央空调的巨大市场。
预计未来几年内,家用中央空调市场占有率将达到10%以上。
一.3家用中央空调的分类和组成
一.3.1家用中央空调的分类
根据家用中央空调冷、热量输送介质的不同,可将家用中央空调分为风管式系统、冷热水系统、制冷剂系统三种类型。
1.风管式系统风管式系统以空气为输送介质,其原理与大型全空气中央空调系统的原理基本相同。
它利用室外主机集中产生冷热量,将从室内引回的回风(或回风和新风的混合风)进行冷却(加热)处理后,再送人室内消除其空调冷热负荷。
相对于其他的家用中央空调形式,风管式系统初投资较小。
如若引入新风,其空气品质能得到较大的改善。
但风管式系统的空气输配系统所占用建筑物空间较大,一般要求住宅要有较大的层高。
而且它采用统一送风的方式,在没有变风量末端的情况下,难以满足不同房间空调负荷的要求。
而变风量末端的引入将会使整个空调系统的初投资大大增加。
美国的家用中央空调形式是以风管式系统为主、其具体形式多种多样。
这主要是由于美国别墅型住宅具有宽敞、高大的特点,通常由中、高收入的家庭居住。
由于其层高较大,具有足够的建筑空间用于布置风道,因此在美国,风管式系统在家用中央空调中所占的比重相当大。
同时,出于美国居民对家用中央空调舒适性的要求较高,因此多采用有新风的风管式系统。
2.制冷剂系统变制冷剂流量空调系统是一种制冷剂空调系统,它以制冷剂为输送介质,室外主机内外侧换热器、压缩机和其他制冷附件组成,末端装置是由蒸发器和风机组成的室内机。
一台室外机通过管路能够向若干个室内机输送制冷剂液体。
通过控制压缩机的制冷剂循环量和进入室内各换热器的制冷剂流量,可以适时地满足室内冷、热负荷要求。
制冷剂系统具有节能、舒适、运转平衡等诸多优点,而且各房间可独立调节,能满足不同房间不同空调负荷的需求。
但该系统控制复杂,对管材材质、制造工艺、现场焊接等方面要求非常高,且其初投资比较高。
日本的家用中央空调是以冷剂式系统为主。
这是由于在20世纪90年代以前,日本在空调设备开发和控制技术上都处于世界最前沿,这为日本发展制冷剂系统提供了技术保证。
同时,日本人口密度非常大,其住宅多属于高密度住宅,其层高一般均较低,不适合布置需要占用较大层高的风管式空调系统。
家用空调作为能源消耗大户,其节能技术的开发尤其受到重视。
制冷剂系统的节能性是其在日本得到广泛应用的一个重要原因。
以上这些因素决定了日本家用中央空调的形式以制冷剂系统为主。
3.冷热水机组该机组的输送介质通常为水或乙二醇溶液。
它通过室外主机产生出空调冷热水,由管路系统输送至室内的各末端装置,在末端装置处冷热水与室内空气进行热量交换,产生出冷热风,从而消除房间空调负荷。
它是一种集中产生冷热量,但分散处理各房间的空调系统形式。
该系统的室内末端装置通常为风机盘管。
目前风机盘管一般均可以调节其风机转速(或通过旁通阀调节经过盘管的水量),从而调节送入室内的冷热量,因此该系统可以对每个空调房间进行单独调节,满足各个房间不同的空调要求,同时其节能性也较好。
此外,由于冷热水机组的输配系统所占空间很小,因此一般不受作宅层高的限制。
但此种系统一般难以引进新风,因此,对于通常密闭的空调房间而言,其舒适性较差。
我国的家用中央空调主要是以冷热水机组为主,目前其产量占我国家用中央空调总量的70%以上。
这主要是由于我国的风冷热泵技术经过多年的探索和研究,已经基本成熟,而在风机盘管技术上我国目前已经处于世界领先水平。
因此我国发展冷热水机组在技术上有保证。
另外,冷热水机组不需要占用太多建筑层高,在住宅内布置较为方便,且施工简单.安装费用低;
而风管式系统的设置需与建筑结构相配合,占用建筑空间大,且施工不方便。
对于制冷剂系统,还存在流量控制问题、管道材质问题、管道施工问题等需进一步研究和完善的方面;
且制冷剂系统的初投资较高,限制了它的广泛使用。
一.3.2家用中央空调的组成
家用中央空调产品的种类很多,有整体式、分体式,但大部分是分体式。
这是因为分体式可将压缩机置于窗外可大大降低室内生活环境的噪声。
目前其组成有一二十种之多,见附录A:
表A.1。
随着家用中央空调产品的发展,同时也为了满足人们对生活品质更高的要求,已有许多家用中央空调设备己与其他生活设备或辅助设备结合起来使用。
例如,空气源热泵冷热水机组冬天在较寒冷地区的制热效果不好,为了提高舒适性.这时往往配置辅助电加热器或采用地板辐射采暖等,以满足冬季供暖的需要。
更受欢迎的组合是空气源单冷冷水机配燃气热水炉,既可满足家庭供冷暖的需要,又能提供生活热水、供暖的方式也可选择风机盘管、传统的热水散热器或地板辐射采暖;
能够实现上述供冷暖、供生活热水的家用中央空调设备还有直燃型溴化锂冷热火机组。
除此以外,还有绿色能源、可再生能源如太阳能、地热能、风能的利用等:
家用中央空调系统的组成方式应满足当地的气候条件、地理环境、生活习惯的要求.还要根据当地的能源供应状况、能源使用价格等众多因素决定。
因此,其组成方式可以是因地而异,因人而异,多种多样的;
同时各个家用中央空调生产厂家仍在不断研究和开发新产品。
一.4家用中央空调的系统设计
一.4.1家用中央空调制冷循环工作原理
人工制冷就是借助一种专门装置,消耗一定的外界能量,迫使热量从温度较低的被冷却物体,转移到温度较高的周围介质,得到人们所需要的各种低温,这种专门装置称为制冷装置。
人工制冷的方法有蒸发相变制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和热电制冷。
其中液体蒸发相变制冷的应用最为广泛,它是利用液体汽化时的吸热效应而实现制冷的。
蒸发相变制冷有三种类型:
蒸气压缩式、吸收式和蒸气喷射式。
中、小型空调装置都采用蒸气压缩式制冷,而吸收式制冷主要用于—些大型空调系统中。
家用中央空调是小型空调装置主要用蒸气压缩式制冷循环。
空调器工作过程
空调器中的制冷装置是由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀等部件构成的。
它们通过管道连接形成一个封闭的系统,系统中充注着制冷剂R22(氟利昂22),由压缩机和节流阀的节流而完成整个系统的循环工作。
制冷剂在循环中经过四个热力变化过程,其工作过程如图1.1所示:
图1.1空调器制冷工作过程
(1)蒸发过程低压制冷剂进入蒸发器中即进行汽化,变成低压蒸气,吸收被冷却物的热量使被冷却物温度降低进行制冷。
(2)压缩过程蒸发器中的制冷剂低压蒸气被压缩机吸入到气缸中进行压缩,压力和温度都升高后被排入到冷凝器中。
(3)冷凝过程此过程由冷凝器来完成,蒸气状态的制冷剂在冷凝器中把所吸收的热量排出系统,同时制冷剂蒸气冷凝为液体,以便再循环使用。
冷凝器是一个散热器。
(4)节流过程节流过程也可认为是降压过程。
它是用节流元件来减小其流量,降低其压力。
在小型空调器中,一般采用毛细管来实现节流过程,也有用热力膨胀阀或电子膨胀阀进行节流。
在压缩机不停的运行中,上述四个热力过程连续不断地进行循环完成空调器的制冷过程。
一.4.2家用中央空调系统的设计
1.家用中央空调系统的比较和选择
各种家用中央空调系统有不同的优缺点和适用范围,其优缺点的概略比较见附录A:
表A.2。
根据其优缺点,本设计选择以空气源热泵冷热水机组为设计的研究对象。
主要研究空气源热泵冷热水机组系统的末端系统的智能控制系统。
2.空气源热泵冷热水系统设计
空气源热泵冷热水系统主要由冷热水机组,水循环系统、风机盘管系统和膨胀水箱组成,膨胀水箱用于调节系统水量。
(1)空气源热泵冷热水机组的介绍
“热泵”是指风可以在低温环境下吸收热量,并将其位能提高后,向高温环境输出热量的装置机械。
这样的系统可以不用水冷,省却了冷却塔。
空气源热泵冷热水机组就属空气一水热泵,其机组室外侧是通过空气进行热交换,室内侧产生空调冷热水,由管路系统输送到空调房间的末端装置,在末端装置处冷热水与房间空气进行热量交换,产生冷热风,从而实现空调房间的夏季供冷和冬季供暖效果。
该机组属于一种集中生产冷热水,但分散处理各房问负荷的空调系统形式。
图1.2是空气源热泵冷热水机组示意图。
图1.2空气源热泵冷热水机组示意图
空气源热泵冷热水机组的家用中央空调的制冷剂循过程是:
制冷时机组的风冷换热器为冷凝器,机组的水冷换热器为蒸发器;
制冷剂经压缩机压缩成为高温高压过热气体,在风冷换热器中冷凝放热,成为高压过冷液,再经节流装置阻力降压后成为低压低温两相流体进入水冷换热器蒸发吸热(此时载冷剂被冷却),最后再回到压缩机进入下一循环。
制热时热源是室外空气,机组的风冷换热器为蒸发器,机组的水冷换热器为冷凝器;
制冷剂经压缩机压缩成为高温高压过热气体,在水冷换热器中冷凝放热(此时载冷剂被加热),成为过冷液,成为过冷液,再经节流装置阻力降压后成为低压低温两相流体进入风冷换热器蒸发吸热,最后再回到压缩机进入下一循环。
冷热水机组的制冷剂循环中并没有直接将制冷剂作为输送介质送到用户的换热器中,而是通过水冷换热器将制冷剂的冷热量传给专门的输送介质—载冷剂送到用户端。
这种载冷剂通常为水。
特别要指出的是,在设计风冷热泵型机组时,其制热过程在室外温度低于0℃时,风冷换热器的扇片表面温度因低于空气露点温度,水蒸气会在扇片上凝结,故需要进行合理除霜处理。
同时利用高温高压的制冷剂气体的过热焓,给空调提供热量,但是,这会要求主机的制热功率加大,而且,当气温越低,所需的热负荷越大,而主机的制热能力却越低,造成了矛盾。
当气温低于风冷热泵的平衡温度以下时,一般也只能加辅助热源的办法,来增加其制热功率。
辅助热源一般可以用电加热器,燃油锅炉等,有的可以直接停用冷热泵,全部有电加热器或燃油锅炉提供热量。
(1)水循环系统的设计
在家用中央空调的空气调节中,通常用水作为载冷剂来实现热量的传递,因此水系统是家用中央空调系统的一个重要组成部分。
空气源热泵冷热水机组家用中央空调的水系统包括冷(热)水系统、冷凝水排放系统。
冷冻水循环系统:
来自空调设备的冷冻水回水经集水器、除污器、循环水泵,进入冷水机组蒸发器内,吸收了制冷剂蒸发的冷量,使其温度降低成为冷冻水,进入分水器后再送入空调设备的末端风机盘管内,与被处理的空气进行热交换后,再回到冷水机组内进行循环再冷却。
热水循环系统:
主要是完成冬季空调设备所需的热量,使其加热空气用。
从各用户换热器返回的低温回水在集水器中混合,经循环水泵加压送入水冷换热器中换热成为高温载冷剂进入分水器,再由分水器分流进入各空间的空调设备的表冷器或风机盘管内与被处理的空气进行热交换后,水由回水管路回到集水器中,进入下一循环。
冷凝水排放系统:
排放空调表冷器表面因结露而形成的冷凝水的水管。
(2)风机盘管系统
风机盘管系统工作原理
风机盘管是由风机、换热盘管(小型表面式换热器)和机壳组成,直接安装在房间内,风机将室内一部分空气进行循环处理(经空气过滤器过滤和盘管进行冷却或加热)后直接送入房间,以达到对室内空气进行温、湿度调节的目的。
房间所需要的新鲜空气可以通过门窗的渗透或直接通过房间所设新风口进入房间,或将室外空气经过新风处理机组集中处理后由管道直接送入被调房间,或者由风机盘管的空气入口处与室内空气进行混合后经风机盘管进行温度、湿度处理后送入
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