机电一体化产品—空调设计方案
前言：随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，空调系统已广泛应用于工业与民用建筑领域，在宾馆、酒店、写字楼、商场、住院部大楼、工业厂房的空调系统，其制冷压缩机组、冷媒循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制热负荷或新风交换量需求选定的，且留有充足余量。在没有使用具备负载随动调节特性的控制系统中，无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，尽管有的系统采用了闸阀档板节流近年来由于电价的不断上涨，造成空调系统运行费用急剧上升，致使它在整个大厦营运电费成本中占据越来越大的比例，因此，电能费用的控制显然已经成为经营管理者所关注的问题所在。据统计，空调的用电量占各类大厦总用电量的60%以上，其中，空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20~40%，故节约低负荷时主压缩机系统和水泵、风机系统的电能消耗，具有极其重要的经济意义。所以，随着负荷变化而自动调节变化的变流量变频空调水泵、风机系统和自适应智能负荷调节的主压缩机系统应运而采用变频调速技术不仅能提高系统自动化控制水平，使空调系统达到更加理想的工作状态，而且，更重要的是能给用户带来良好的投资回报。在业已实施的项目中，各项目的节电率均高达30%以上，有的系统节电率高达60%。
空调一览
方式，但其能量的浪费仍是显而易见的。
生，并逐渐显示其巨大的性能优越性和经济性，得到了广泛的推广与应用。
一、 设计目标 ：
空调系统的组成
1. 冷水机组 这是空调的“制冷源”，“心藏”，通往各个房间循环水由冷水机组进行“内部交换”，降温为“冷却水”。
2. 冷却水塔
用于为冷水机组提供冷却水。 3．外部热交换系统
由两个循环水系统组成—— （1）冷冻水循环系统
由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷水机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，在个房间内进行热交换，带走房间内热量，是房间内的温度下降。
（2）冷却水循环系统
由冷却泵及冷却水管道及冷却塔组成。冷水机组进行热交换，是水温冷却的同时，必将释放大量的热量。该热量被冷却水吸收，是冷却水温度升高。冷却泵将升了温冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再降了温的冷却水，送回到冷水机组。如此不断循环，带走冷水机组释放的热量。
4．冷却风机
安装于所需要降温的房间内，用于将由冷冻水冷却了的空气吹入房间，加速房间内的热交换。
大、中型空调由3部分组成:
(1) 制冷、制热站 (2) 空调水管网系统
(3) 空调末端装置(空调机组，风机盘管和新风机组等)
二、原理方案设计：
1.1空调原理：
1、空调制冷原理：有压缩式、吸收式等
2、空调系统原理：有风系统工作原理、水系统工作原理、盘管系统工作原理等，简单介绍如下
（1）空的有风系统原理分析：室外的新鲜空气受到风处理机的吸引进入风柜，并经过过滤降温除湿后由风道送入每个房间，这时的新风不能满足室内的热湿负荷，仅能满足室内所需的新风量，随着室内风机盘管处理室内空气热湿负荷的同时，多余出来的空气通过回风机按阀门的开启比例一部分排出室外，一部分返回到进风口处以便再次循环利用。
空调原理图
（2）空调的制冷剂循环与普通家用空调完全相同，即：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，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。
空调的制冷剂循环与普通家用空调和VRV形式的家用空调的不同在于：空调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。
（3）空调的载冷剂循环为：从各用户换热器返回的高／低温(供冷时为高温，供热时为低温)回水在集水器中混合，经空调水泵加压送入水冷换热器中换热成为低／高温（供冷时为低温，供热时为高温)载冷剂进入分水器，再由分水器分流进入各空调空间的供水管路，供水在各房间的换热设备(譬如：风机盘管)中向空调空间释放冷／热量后成为高／低温回水由回水管路回到集水器中，进入下一循环。
1.2空调系统控制设计：空调系统的外部热交换由2个循环水系统来完成。循环水系统的回水与进(出)水温度之差，反映了需要进行热交换的热量。因此，根据回水与进(出)水温度之差来控制循环水的流动速度，从而控制了热交换的速度，是比较合理的控制方法。
1、 冷冻水循环系统的控制
由于冷冻水的出水温度是冷冻机组“冷冻”的结果，常常是比较稳定的。因此，单是回水温度的高低就足以反映房间内的温度。所以，冷冻泵变频调速系统，可以简单地根据
回水温度进行如下控制:回水温度高，说明房间温度高，应提高冷冻泵的循环速度，以节约能源。反之则反。总之，对于冷冻水循环系统，控制依据是回水温度，即通过变频调速，实现回水的恒温控制。原理图见图2。
2、 冷却水循环系统的控制
由于冷却塔的水温是随环境温度而变的，其单测水温不能准确地反映冷冻机组内产生热量的多少。所以，对于冷却泵，以进水和回水间的温差作为控制依据，实现进水和回水间的恒温差控制是比较合理的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度;温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以节约能源。冷却水循环系统的控制原理图见图3。
冷却水循环系统的控制原理图
3、 末端送风机的变频控制
随着生活水平的提高，人们已开始关注生活与工作环境的舒适性。大型公共建筑(如商场、宾馆、影剧院等)均设置有空调系统，而大多数空调的运行，绝大部分末端机采用开/关控制方式，难以满足人们对舒适感的要求。变频技术的飞速发展，成本进一步下降，使得这一要求成为现实。
手动调节控制终端
（1）调节风量
在空调系统中，冷、暖的输送介质通常是水，在末端将与热交换器充分接触的清洁空气由风机直接送入室内，从而达到调节室温的目的。
在输送介质(水)温度恒定的情况下，改变送风量可以改变带入室内的制冷(热)量，从而较方便地调节室内温度。这样，便可以根据自己的要求来设定需要的室温。
调整风机的转速可以控制送风量。使用变频器对风机实现无级变速，在变频的同时，输出端的电压亦随之改变，从而节约了能源，降低了系统噪音，其经济性和舒适性是不言而喻的。
（2） 控制方式的确立
a、在室内适当的位置，安装手动调节控制终端，如图4所示，调速电位器vr和运行开关kk置于控制终端盒内，变频器的集中供电由空气开关控制，需要送电时在配电控制室直接操作。
调整频率设定电位器vr，可以改变变频器的输出频率，从而控制风机的送风量，关闭时断开kk即可，此方式成本低廉，随意性强。
b、当室外温度变化，或者冷/暖输送介质温度发生改变时，将可能造成室温随之改变，对环境舒适要求较高的消费群体，则可以采用自动恒温运行方式，如图5所示
自动恒温运行方式
选择内置pid软件模块的变频器。控制终端的方式同手动方式。电位器用来设定温度(而不是调整频率)。变频器通过采集来自反馈端vpf/ipf的温度测量值，与给定值作比较，送入pid模块运算事自动改变u、v、w端子的输出频率，调整送风量，达到自动恒温运行。 c、送风机的分布可能不是均匀的，对于稍大的室内空间，则可以采用“区域温度平均法”策略调节送风量，以满足特殊需要量场所。
d、为降低成本，个别的变频器可能没有内置pid软件模块，选用外加pid调节器即可。
1.3空调的形态学矩阵： 方案数为：N=6*3*3*2=108 功能元解 子功能 FX-60真空泵 10HP三菱冷凝器 BR.1板式换热器 吊顶风柜 60DPD07空调主机 水泵机组 1 2 3 4 5 6 动力设备 电气控制系统 欧姆龙C三菱F系列 S7-200 系列 PLC 直流电机 交流电机 永磁同步电机 驱动 速度控制 无刷直流ARM 控制器 二、 结构方案设计
2.1、方案说明：由于整个实验室正在逐步筹划和建设的过程中，许多设计还处于探讨之中，众多功能还未付诸实施。
现在本文就系统改造实现情况作简单介绍：本文的系统调试应分为两步，设备电气控制系统调试和中心网络系统调试。我们就已完成的设备电气控制系统设计、调试及使用情况作一下说明：针对实验室的要求：要求电气系统运行稳定，感温精确度高，维护方便寿命长，并能联网进行管理。除此之外在实际使用中系统的故障报警部分设计还不够完善，许多功能还未开发。本文经过对设备状况和同学们对空调学习认识的调研，本文认为可采用三菱公司的A系列PLC作为设备的控制系统核心。它不仅具备普通PLC可编程控制器的各种优点，而且能够利用以太网网络模块（B2/B5）组建MELSECNET网络，最终达到建成先进的分布式控制系统，既实现各种设备之间的联网，实现远程控制和管理。 当然系统基本达到了设计的要求，它不仅具备基本逻辑控制功能，还具有联网通信功能和管理功能等。另外相对与老的控制系统，它工作稳定、故障率低，并能进行系统自动报警，操作及维护十分简便，维修综合成本（待机时间等）大大降低。
在智能化空调冷冻系统中，采用PLC控制系统是切实可行的，空调冷冻系统用PLC控制可以有效地保证其工作稳定、可便于维护，且性能价格比高。 同时以PLC为核心的高可靠的监控系统实现了对空调主机的控制及两台主机之间的协制，具有先进、可靠、经济、灵活等显著特点。
本工程可供选择的冷源方案有常规空调系统（水冷主机+常规风机盘管）、常规空调系统（水冷主机+无刷直流风机盘管+全热交换器新风机组）、多联机VRV空调系统和水源热泵空调系统四种方案，在此，对每种空调方案进行优缺点及初投资经济性对比分析，以便为本项目选择合适的空调方案。
2.2、常规空调系统（水冷主机+常规风机盘管）
本方案制冷主机采用离心式水冷冷水机组，制冷剂为R134a。根据各房间使用功能不同、使用时间差别较大的特点，制冷主机总装机容量为900USRT，选用二台450 USRT离心式水冷冷水机组。其配套的冷水泵、冷却水泵及冷却塔之间均采用一对一运行。冷水机组、冷水泵、冷却水泵设在地下一层制冷机房内，冷却塔设在31.6M的屋面上。 本工程全部采用风机盘管加新风柜机系统。从室外吸入的新风经新风柜机降温、除湿至室内空气状态焓值并经风机加压送至各室内风机盘管的送风管，与经风机盘管加压、冷却、除湿后的回风混合，最后由散流器送入室内。
2.3常规空调系统（水冷主机+无刷直流风机盘管+全热交换器新风机组）
2.3.1常规空调系统（水冷主机+无刷直流风机盘管+全热交换器新风机组）简介 由于本方案采用了全热交换器新风机组，回收了部分排风冷量，因此主机装机容量与方案一相比可减少100RT，故选择为800USRT，选用二台400 USRT离心式水冷冷水机组。其配套的冷水泵、冷却水泵及冷却塔之间均采用一对一运行。冷水机组、冷水泵、冷却水泵设在地下一层制冷机房内，冷却塔设在31.6M的屋面上。
2.3.2末端部分
末端部分全部采用无刷直流风机盘管加全热交换器新风机。从室外吸入的新风经热回收芯体回收冷量后再经新风柜机表冷器降温、除湿至室内空气状态焓值并经风机加压送至各室内风机盘管的送风管，与经风机盘管加压、冷却、除湿后的回风混合，最后由散流器送入室内。
（1）全热交换器新风机组：采用了全热交换器新风机组（总新风量为：
3
33*2000=66000m/h），回收（热回收效率为：65%）了一部分冷量，可减少主机装机容量及启用时间，达到节能效果。
深圳夏天空调设计温度，室外干球温度：33.0℃，湿球温度：27.9℃，查焓湿图可得空气焓值为：.5kJ/kg；设计室内空气干球温度：26℃，相对湿度：65%，空气焓值为：61.4kJ/kg。全热回收量为：66000/3600*（.5-61.4）*1.1*65%=368kW=104RT。
假定冷水主机COP值为5，则计算回收冷量的耗电量为368/5=73.6kW。
假设空调每天运行时间为10小时，每年运行220天，深圳市电费为1.05元/度，平均负荷系数为0.7，则由热回收节省的冷水机组运行电费为：73.6*1.05*0.7*220*10/10000=11.9万元。
全热交换器新、排风口均采用了驻极静电空气过滤器。过滤材料为经特殊处理的光催化驻极静电超细丙纶纤维，该空气过滤器的特点是过滤效率高，计数效率(≥0.3m)为95%以上，阻留在过滤器上的细菌99.99%可以被光催化材料杀灭，空气阻力小(<40Pa)，价格便宜。如果用于有特殊要求的建筑，过滤效率可以达到(≥0.3m)99.9%以上，空气阻力不超过50Pa。
（2）无刷直流风机盘管：采用了永磁无刷直流电机，风机盘管机组的能耗目前居于国际领先水平，同时实现了风机盘管机组的无级调速控制，电机为单相220伏输入，直流运行，电机性能明显优于普通交流电机，节能、低噪、长寿命。
本风机盘管系列所采用的风机为专业厂生产，经国家检测中心检测主要性能参数均为国内领先，风机全部采用大轮径、大风量、低转速、低能耗、低噪声的先进技术。 由于无刷直流风机盘管电机耗电量明显小于常规风机盘管，经统计，无刷直流风机盘管总耗电量比常规风机盘管少
空调每天运行时间为10小时，每年运行220天，深圳市电费为1.05元/度，取平均负荷系数为0.7，则由末端风机电机节省的电费为：63*1.05*220*10*0.7/10000=10.2万元。由以上计算可知，采用全热交换器新风机组和无刷直流风机盘管后，年运行费用要比采用常规风机盘管少11.9+10.2=22.1万元/年（此项费用还未计算因水泵及冷却塔装机功率减小而节省的费用）。
2.4多联机VRV空调系统
VRV空调系统为变制冷剂流量系统。系统结构上类似于分体式空调机组，采用一台室外机对应一组室内机（一般可达16台）。控制技术上采用变频控制方式，按室内机开启的数量控制室外机内的旋涡式压缩机转速或压缩比，进行制冷剂流量的控制。
VRV空调系统与全空气系统，全水系统、空气—水系统相比，更能满足用户个性化的使用要求，设备占用的建筑空间比较小（原设计设备占用了办公空间），而且更节能。正是由于这些特点，其更适合那些需经常加班使用的办公楼建筑工程项目。
多联机VRV 空调系统是在电力空调系统中，通过控制压缩机的制冷剂循环量和进入室内换热器的制冷剂流量，适时地满足室内冷热负荷要求的高效率冷剂空调系统。其工作原
理是：由控制系统采集室内舒适性参数、室外环境参数和表征制冷系统运行状况的状态参数 ，根据系统运行优化准则和人体舒适性准则，通过变频等手段调节压缩机输气量，并控制空调系统的风扇、电子膨胀阀等一切可控部件，保证室内环境的舒适性，并使空调系统稳定丁作在最佳工作状态。
2.5水环热泵空调系统
水环热泵空调系统（Water –Loop Heat Pump）是水源热泵空调系统的一种特殊的应用方式,即用双管封闭式循环水环路将小型的水/空气热泵机组并联在一起，构成一个以回收建筑物内部余热为主要特征的热泵供暖、供冷的空调系统。典型的水环热泵空调系统由三部分组成：（1）室内的小型水/空气热泵机组；（2）水循环环路；（3）辅助设备（如冷却塔、加热设备、蓄热装置等）。
安装水环热泵的工程具有下列特点：回收建筑物内余热，具有高效的节能功能；便于分户计量和计费，便于安装、管理；此外它还具有避免传统采暖系统会对环境产生严重的污染；省掉或减少常规空调系统的冷热源设备和机房等优点。
2.6方案对比表 比较项目 优点 （1）初投资低。 （2）运动部件少，故障率低，可靠性高； （3）性能系数值高，一般在5.0以上。30％负荷运行可实现无级调节，节能效果更加明显； （4）容易实现多级压缩和常规多种蒸发温度，容易实现中间冷空调系统 却，使得耗功较低。 （5）离心机组中混入的润滑油极少，对换热器的传热效果影响较小，机组具有较高的效率。 （6）机组无需大修，只需水系统的清洗，维修费用低。 （1）可依据室内负荷，在不同转速下连续运行，减少了因VRV压缩机频繁启停造成的能量损空调系统 失； （2）采用压缩机低频启动，降低 了启动电流，电气设（1）系统回油易存在问题； （2）系统配管长度与室外气温对制冷量有较大影响； （3）制冷剂大量充灌容易造成泄漏，污染环境； （1）主机房占地面积较大； （2）主机为大型冷水机，在小负荷时（如，个别房间使用空调），不易启动主机。 （3）需专门的技术人员管理； （4）控制部分较复杂； （5）费用不易计量，无论用户用否或用多少，费用一样支付； 缺点 备将大大节能，同时避免了对其它用电设备和电网的冲击； （3）具有能调节容量的特性，改善了室内的舒适性； （4）设计安装方便； （5）布置灵活多变，所需建筑空间小； （6）使用方便、可靠性高； （7）不需机房、无水系统 （1）费用低廉，安全环保 （2）省电节能 （3）分户计量、分户计费 水源热泵系统 本 2.7性能参数对比表
(4)运行可靠、维修简单 (5)节省机房，有效控制成（4）新风引入较困难，需采用专业厂生产的新风机，初投资较高。 （1）当建筑物内余热不足，需另外增加散热设备以满足设备运行需求； （2）主机安装在室内，噪音比较大 初投资、制冷量及耗电量表
序号 1 空 调 形 式 水冷主机+常规风机盘管 水冷主机+无刷直流风盘 多联机VRV空调系统 水环热泵空调系统 对比表
序号 空 调 形 式 单位冷量初投资（元/ kW） 单位冷量耗电量（kW/ kW） 初投资（万元） 639.114 制冷量（kW） 4032.1 耗电量（kW） 4.7 2 3 4 653.379 823.021 743.324 3746 4503.6 4377.2 738.1 1567.8 1698.7 1 水冷主机+常规风机盘管 水冷主机+无刷直流风盘 多联机VRV空调系统 水环热泵空调系统 1585 0.222 2 1744 0.197 3 4 1827 0.348 1698 0.388
