个体送风空调系统控制分析及模拟研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 7.12MB 73 页 15积分
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摘 要
传统的全空间空气调节（混合式和置换式）在室内创造一个均匀的环境，无
法同时为所有的人提供满意的热感觉和室内空气品质。采用个体送风方式，使每
一位使用者能够控制其局部微环境，使室内绝大多数使用者得到满意的环境条件。
而要实现良好的个体送风空调系统效果，需要有合适的控制系统。
本论文在上海理工大学建筑环境与设备工程系 HVAC 综合实验室基础上，进
行了个体送风空调系统控制研究。实验房间是隔热的恒温恒湿的模拟房间，试验
中门窗关闭，采用桌面式个体送风空调系统。
本论文以上述目标为出发点，研究个体送风空调系统的控制及控制设备。在
人工环境室内模拟实际的办公间，设计制作个体送风空调风量测量装置和控制系
统，搭建一套个体送风空调系统实验台；本课题以 Airpak 作为 CFD 计算软件，选
用标准的 k－ε两方程模型作为湍流计算模型进行相关分析和仿真，首先模拟分析
在不同的人数、不同的风口出风速度时，人体的周围距地面 1.1m，半径 0.2m 范围
的温度值；然后以不同温度对应的不同风量的数据作为相应的控制方案的送风参
数，通过个体送风空调系统实验台实测温度变化与模拟数据比较，找出适合于个
体送风系统末端的送风智能模块控制方案，最终实现人机交换界面的控制。
结果表明：在实验条件下，我们研制的个体送风空调控制系统可以保证人体
周围温度分布在 22℃～28℃之间的舒适区域内，达到了研究目标。
关键词：个体送风空调系统 温度 送风参数 模拟 试验 控制系统
ABSTRACT
The whole-space air-conditioning principles (mixing and displacement) which aim
at establishing a uniform environment within the occupied zone of rooms are unable to
provide each occupant with acceptable thermal sensation and air quality. By providing
each occupant with the possibility to control his/her own preferred individual air supply,
most of the occupants may accept such environmental conditions. But have an prefect
effect of the personal air-conditioning systems, appropriate control systems is necessary.
This dissertation is coming from a synthesized HVAC laboratory in the college of
urban construction and environment engineering, USST, which have a research on the
personal air-conditioning systems control. The laboratory room is a constant
temperature and humility simulated room which is insulated and small, and all of the
gates and windows are closed in the experiment, adopting Desktop-based personal air-
conditioning systems.
Aimed at the above, the dissertation makes a research on the personal
air-conditioning systems control and control equipment. In the simulated room, builds a
simulated office, designs personal air-conditioning systems air volume testing
equipment and control system, makes a personal air-conditioning systems experiment
site.The dissertation makes the CFD analysis and simulation, adopts the k-ε
two-equation as the calculating model of turbulence by using AirPak as its analyzing
and simulating software, first simulates and analyzes the person circumference
temperature with the different number of person and the different velocity of the supply
air from the opening, which the spot of temperature is 1.1m from the ground vertically
and radius of 0.2m, then makes the temperature data of the different air volume as the
relevant control parameter of supply air, compares the temperature data of the
experiment for the personal air-conditioning systems and the data of CFD, seeks the
accessible intelligent supply air control module of the persona air-conditioning systems,
ultimate realizes the interface of the man-machine communication control.
The results indicate that the personal air-conditioning control systems can make the
circumference temperature of the person distribute the span of the comfort from 22℃to
28℃.
Key words: Personal air-conditioning systems, Temperature, Supply
air parameter, Simulation, Experiment, Control system
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ......................................................... 1
§1.1 课题的背景和意义 ............................................... 1
§1.2 国内外研究现状 ................................................. 2
§1.3 研究内容及实施方案 ............................................. 5
第二章 个体送风空调系统的介绍 ....................................... 7
§2.1 概述 ........................................................... 7
§2.2 个体送风空调系统设计 ......................................... 7
§2.2.1 空调系统介绍 ............................................ 7
§2.2.1.1 空气处理系统 ........................................ 7
§2.2.1.2 室内环境系统 ........................................ 8
§2.2.1.3 冷冻水系统 .......................................... 9
§2.2.1.4 冷水机组系统 ........................................ 9
§2.2.1.5 冷却水系统 ......................................... 10
§2.2.1.6 模拟负荷发生系统 ................................... 10
§2.2.2 控制系统及参数测量系统 ................................ 11
§2.2.2.1 电器控制系统 ....................................... 11
§2.2.2.2 空调系统控制系统 ................................... 11
§2.2.2.3 参数测量系统 ....................................... 13
§2.2.3 个体送风的设计要求 ...................................... 13
第三章 个体送风系统的模拟 .......................................... 15
§3.1 CFD 技术在暖通空调领域的应用 .................................. 15
§3.2 Airpak 模拟软件简介 ........................................... 16
§3.3 湍流的数值模拟的方法简介 ...................................... 17
§3.3.1 室内零方程湍流模型 ...................................... 17
§3.3.2 零方程湍流模型 .......................................... 17
§3.3.3 两方程湍流模型 .......................................... 18
§3.3.4 RNG 湍流模型 ............................................. 18
§3.4 个体送风系统模型的建立 ........................................ 19
§3.4.1 物理模型的设置 ........................................... 19
§3.4.2 模拟计算模型的比较 ....................................... 20
§3.4.3 模拟结果 ................................................ 22
第四章 个体送风实验台的搭建和测试 .................................. 27
§4.1 原环境模拟房间变风量空调系统的介绍 ............................ 27
§4.1.1.设计参数 ................................................ 27
§4.1.2.设备及其参数 ............................................ 27
§4.2 个体送风工位桌面设计 .......................................... 28
§4.3 送风量的计算 .................................................. 30
§4.4 个体送风风量测量装置 ........................................ 31
§4.4.1 差压式流量计的概述 ...................................... 31
§4.4.2 理论基础和流量公式 .................................... 32
§4.4.2.1 测量原理和流动情况 ................................. 32
§4.4.2.2 节流装置的流量公式 ................................. 34
§4.4.3 标准节流装置 ............................................ 36
§4.4.4 经典文丘里管 ............................................ 37
§4.4.5 标准节流装置系数的确定和误差估计 ........................ 39
§4.4.5.1 文丘里管的流出系数
C
和膨胀系数
ε
................... 40
§4.4.5.2 经典文丘里管流量测量的不确定度估计 ................. 41
§4.5 工位温度测量装置 ............................................ 42
§4.6 工位控制系统 ................................................ 43
§4.6.1 智能 AI 模块控制器 ..................................... 43
§4.6.2 执行器和压力传感器 .................................... 45
§4.6.3 触摸控制屏 ............................................ 47
§4.6.4 个体送风控制的实现 .................................... 48
§4.6.4.1 个体送风系统末端风量控制的原理 ..................... 49
§4.4.4 个体送风系统实测实验 .................................... 51
§4.4.4.1 个体送风系统末端风量平衡调试 ....................... 51
§4.4.4.2 个体送风系统末端风量测试 ........................... 54
第五章 个体送风系统控制的实现 ...................................... 57
§5.1 MCGS 嵌入式组态软件的应用 .................................... 57
§5.1.1 MCGS 嵌入式组态软件概述 .................................. 57
§5.1.2 MCGS 组态软件介绍 ...................................... 57
§5.1.2.1 MCGS 组态软件的整体结构 ............................ 57
§5.1.2.2 MCGS 组态软件五大组成部分 .......................... 58
§5.1.3 个体送风系统中 MCGS 组态软件的应用 ...................... 59
§5.2 个体送风控制系统硬件模块的实现 ................................ 65
§5.2.1 AI 控制仪表与上位机的通讯 ................................ 65
§5.2.2 AI 控制仪表参数的设置 .................................... 66
§5.2.3 个体送风控制系统硬件模块控制作用的实现 .................. 67
§5.2.3.1 硬件功能的实现和硬件与硬件之间的关系 ............... 67
§5.2.3.2 个体送风控制系统硬件模块控制的原理 ................. 68
第六章 小结与讨论 .................................................. 69
§6.1 主要工作和结论 ............................................... 69
§6.2 建议与今后的研究方向 ......................................... 69
参考文献 ............................................................ 71
[18] AI 系列人工智能调节器使用说明书（V7.0） ........................ 72
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 73
致谢 ................................................................ 75
第一章 绪论
§1.1 课题的背景和意义
随着生产力的进步和生活方式的改变，据统计人们大约 90%的时间是在室内
度过，因此室内环境显得对人而言格外重要。人们渴望改变自然所带来的冬天冷、
夏天热的室内环境，在这种理想之下，空调走进了人们的生活。随着空调的日益
普及，传统空调的弊端也逐渐体现出来了，如空气品质的恶化、建筑综合症以及
能源浪费等。
目前，传统的全空间空气调节方式是在实践中应用最广的一种，主要包括混
合式以及置换式调节。混合式送风室内环境基本均匀，送风与室内空气混合后再
到达人的活动区域，对人的热舒适感和空气品质的改善代价很高，效率很低。送
风经过与室内空气混合、污染后，只有较少一部分新鲜空气被使用者利用。置换
式通风能够提供给使用者较高的空气品质，特别是房间内没有额外污染源时更是
如此。然而，和混合式通风相比，置换式通风具有较大的房间温度梯度，靠近地
面的温度比人体上部低，造成不舒服感[1]。因此，在置换式通风的房间内，房间垂
直温度差异造成的局部不适度一般比混合式高。
全空间调节有其局限性而且通常不能同时为每一位使用者提供高的热舒适感
和空气品质。在典型的办公及商用建筑中，即便现有的通风、空调标准能够满足，
仍然有使用者会觉得室内空气质量难以接受。一般而言，混合式或置换式通风房
间内的使用者不得不在热舒适感和空气品质间作出妥协，因为有些人对气流敏感
而另外一些人对空气品质敏感。这种妥协对每个使用者而言是不同的，通常还会
随时间而变化。
由此引入了个体送风方式，个体送风方式下的微环境之所以有可能让绝大多
数的使用者满意，是因为以下几个方面的原因[2]。其一，处理过的空气可以直接送
到人的呼吸区，减少了与室内空气的混合，使人体吸入的空气尽可能地不受周围
环境的污染，以保证较高的空气品质；其二，通过局部的个体送风，能够达到每
一位使用者满意的热感觉条件。芬兰研究人员发现房间温度的个体化调节能够提
高人对温度的满意程度并降低病态建筑综合症的症状。其三，个体送风的独立调
节手段可以满足不同个体对舒适性的要求，同时产生的心理作用也有助于提高舒
适感。使用个体送风之后，人们的抱怨减少而对局部环境的满意度提高。其四，
个体送风空调的设备运行与维护费用较低；而由于提高舒适性带来的工作人员生
产效率的提高会产生额外的效益[3]。
同时，合理设计的个体送风空调系统在节能性方面会有优秀的表现。一般说
个体送风空调系统控制分析及模拟研究
2
来，传统空调需要将整个室内环境维持在一个“舒适”的环境下；个体送风空调
可由个人控制将工位区维持在“舒适”的状态下，而背景区则由背景空调维持在
可接受的范围内。由于个体送风空调弱化了背景区的环境要求，减少了一部分能
量，它的节能潜力是很显著的。
因此，个体送风空调系统是一种全新的空气调节策略，是一种提高舒适效果，
节约能耗的新途径，当前国家大力提倡节能减排，所以个体送风空调系统及其控
制系统有着广阔的应用前景和研究价值。
§1.2 国内外研究现状
个体送风的实现，目前大多采用工位/背景调节(TAC)系统，而工位/背景调节
(TAC)系统从形式上可以分为 4类，地板送风系统、桌面送风系统、工作间送风系
统、天花板送风系统[4]。
一、地板送风系统
地板工位空调目前被应用得最广泛的工位空调，送风口整合在架空的地板上。
空气可以通过风口下面的小型风机送出或者利用地板下的气体压力将空气自然送
出。地板工位空调最先在南非和欧洲使用并得到发展，然后是日本。如图 1－1所
示。
二、桌面送风系统
桌面工位空调将风口安装在工作人员的桌面，环境区的风口仍然安装在地板
上。每一套桌面系统有各自独立的新回风混合箱，位于桌面的下面，用柔性管道
和位于桌面的风口相连。桌面风口呈自由射流状态。送风由混合箱中的小型变风
量风机送出。桌面系统可以用软管和架空地板相联接也可以由单独的管道从棚顶
接受新风。如图 1－2所示。
三、工作间送风系统
工作间送风系统高度集成在工作间的隔板上，可以很方便的与架空地板相联
接，但却无法用管道从棚顶接受新风。对于具有工作分区的大空间办公室，这是
一种非常合理的工位空调方法。该系统中在分隔板顶部和分隔板侧面略高于桌面
处都设有风口，分别控制背景区和工作区环境。这种系统可在靠近分隔板的地板
模块中安装小型风机，从静压箱中吸取空气。总的送风量是由室内的恒温器控制
的，保持相对稳定，使用者可以调节每侧风口的风量来满足个人要求。如图 1－3
所示。
四、天花板送风系统
天花板送风系统主要是为了适应大量的改建工程。风口位于工位区上方，以
足够大的速度向下射流，达到工作人员的工作区，这种空调适用于无法架空地板
第一章 绪论
3
或是层高受到限制的改建工程。由于风口离人较远，它对热环境的控制能力没有
其它三种强。如图 1－4所示。
图1－1地板送风系统
图1－2桌面送风系统
图1－3工作间送风系统
图1－4天花板送风系统
以上四种送风系统中，主要使用前两种送风系统来实现个体送风。
地板式系统一般采用架空地板（图 1－5），可以比较简单地安装在需要的地点。
地板式空调系统能够在一定程度上降低室内的空气污染物浓度，更有效地将新鲜
空气送到人的工作区，并且满足现代商业建筑室内布局变化的需要[5,6]。采用地板
式TAC 系统，能够使呼吸区颗粒浓度减小，提高空气品质[7]。有些研究指出，这
种方式存在额外的扬尘污染，但另一些研究者则声明并未出现扬尘。
个体送风空调系统控制分析及模拟研究
4
图1－5架空地板式送风系统
目前研究较多的则是桌面式系统，这种方式能够较好地保证供给使用者的空
气品质，其系统形式又可分为以下几种：
水平桌面格栅(图1－6），空气从桌面下边缘的格栅水平送出，与水平方向夹
角约 45 度，送风先到达人的上半身，然后再到达呼吸区，会受到人体生物挥发物
的污染。
垂直桌面格栅（图 1－7），空气从安置于桌面上的垂直格栅送出，与垂直方向
成大约 45 度夹角，送风直接到达人的呼吸区，受周围空气和人体自然对流气流的
影响小，但是会妨碍使用者的正常工作。
图1－6水平桌面格栅 图 1－7垂直桌面格栅
个体环境单元（图 1－8），在桌面远前端设置风口，可以沿垂直的轴旋转，在
水平方向调整角度，将气流直接送到人的呼吸区。由于距离较远，与周围空气的
掺混使送风效果不够理想。
可移动送风口（图 1－9），通过机械臂使风口位置可以立体移动，能够较好地
摘要：

摘要传统的全空间空气调节（混合式和置换式）在室内创造一个均匀的环境，无法同时为所有的人提供满意的热感觉和室内空气品质。采用个体送风方式，使每一位使用者能够控制其局部微环境，使室内绝大多数使用者得到满意的环境条件。而要实现良好的个体送风空调系统效果，需要有合适的控制系统。本论文在上海理工大学建筑环境与设备工程系HVAC综合实验室基础上，进行了个体送风空调系统控制研究。实验房间是隔热的恒温恒湿的模拟房间，试验中门窗关闭，采用桌面式个体送风空调系统。本论文以上述目标为出发点，研究个体送风空调系统的控制及控制设备。在人工环境室内模拟实际的办公间，设计制作个体送风空调风量测量装置和控制系统，搭建一套个体...

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