冰蓄冷空调系统测控及性能优化研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.24MB 78 页 15积分
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摘 要
冰蓄冷空调是利用夜间低谷时段电力制冰并蓄存起来，在白天用电高峰时段
不开或少开制冷主机，利用夜间蓄存的冰来满足空调冷负荷。由于充分利用夜间
低谷廉价电力，从而大大降低了空调系统的运行费用，并把白天高峰时段电力需
求大量转移到夜间低谷时段，实现电网移峰填谷、平衡峰谷矛盾，因而从宏观上
大大降低峰谷差带来的能源损失。
本论文主要侧重对冰蓄冷系统的测控技术进行研究，开发研制了一套冰蓄冷
空调系统的自动控制与测试系统。在测试与控制系统研制过程中充分考虑系统运
行的稳定性，数据测量的精确性以及实验操作的简便性，整个系统基于触摸屏、
PLC(Programmable Logical Controller)和LabView 的软硬件平台，主要参数采用
PID 及PID 自整定技术控制，并且对实验数据进行自动采集与计算。该测控系统
通过人机界面进行友好的交互操作，具有实验操作向导、组态操作界面、实验过
程实时监控、实验系统故障报警与诊断等功能，是一套性能可靠、功能完备的实
验测控系统，通过空调系统的实际运行证明该测控系统很好地完成了冰蓄冷空调
系统要求的控制及数据采集任务，很好的完成了对冰蓄冷空调系统的性能研究。
本文所做的工作主要是如下两个方面：
（1） 提出了冰蓄冷空调系统的测控方案，开发了测控系统的软硬件平台
针对实验型冰蓄冷空调系统运行工况多，需要测量参数多，产生的数据量大
等要求，开发了基于 PLC 和触摸屏的下位现场管理工作站与基于 LabView 软件平
台的上位中央管理工作站的测控系统。各个工况实现无人值守一键式启闭自动运
行，人机界面友好；上位机实时显示系统运行状态和参数，自动保存和处理测试
数据，并能通过计算机执行打印任务。
（2） 系统调试和实验
利用研发的测控系统对冰蓄冷实验台进行了调试与实验，分析了测控系统的
准确度和可靠性。实验表明，该测控系统通过采用 PID 控制与参数自整定控制分
别用来控制系统的各关键温度控制点取得了比较好的控制效果，冰蓄冷空调系统
的各个参数都能在各自要求的范围之内稳定，并且能够按照实验的要求进行自动
调节，为今后对冰蓄冷空调系统单体和整体性能的研究提供了极大的便利。
关键词：测控系统 冰蓄冷空调系统 PLC PID 控制 数据采集
ABSTRACT
The ice-storage air conditioning system satisfied the cold load from ice whose
cooling energy stored by the power supply .It turns water into ice by using the cheap
power in valley periods at night. Which makes none or less refrigerator running. The
running cost remarkably reduced due to the much more cheaper power price at valley
night times we use for ice-storage. It also balanced the contradictions of demand and
supply of the power in peak and valley periods by transferring big demands of power
supply in daytimes to nighttimes. So it greatly reduces the energy losses carried out by
the difference of the power supply between the peak and valley periods On the view of
macroscopic.
In this paper, an automatic measure and control system is developed according to
the requirements of ice-storage air-conditioning’s performance test. This paper has
mainly studied testing and control technology in ice-storage air-conditioning system.
The stability, accuracy and convenience of the system are considered during the
developing process. The operating control of the system carries out on human-machine
interface, which communicates with PLC directly and parameters of PID are obtained
based on fuzzy self-tuning control technique. The system also has experimental
operation instruction, configuration operation interface, simulation and real time
display of the experimental process, failure alarm and diagnosis of the system.
Experiments show that the measure and control system meets the demand of research
on ice-storage air-conditioning performance. All parameters could retain stability at
certain range, and also be adjusted according to requirement of the experiment. Thus it
will be much more convenient to do research on respective and whole performance of
ice-storage air conditioning system.
This paper has reached the following achievements:
1. An automatic measure and control ice-storage air-conditioning system was
given and the software & hardware platform of it was established.
The automatic measure and control system ,Local management workstation based
on PLC and Touching Screen and Central management workstation based on
LabVIEW software platform, was designed according to the demand cased by more
influencing factors and electrical appliances , more operation modes and the high
demand in control precision of the system. It has a friendly human and machine
interface .Every running condition can open and shut down by one button without
operator attended.
2. System testing and experiment.
With the help of the automatic and measure system, the accuracy and reliability of
the system was analyzed. Experiments show that the control system through the use of
PID control and parameter self-tuning control system were used to control the
temperature of all critical control points to obtain a relatively good control effect, the
ice-storage air-conditioning system in their respective requirements of each parameter
can be within the scope of stability, and in accordance with the requirements of
experiments automatically adjust for the future of the ice-storage air-conditioning
system and overall performance of single study provides a great convenience.
Key Words: Measure and Control System, Ice-storage Air
Conditioning System, PLC, PID Control, Data Acquisition
目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 8
§1.1 课题研究的背景及意义 ......................................... 1
§1.2 冰蓄冷技术的发展历史及现状 ................................... 2
§1.3 冰蓄冷测控技术的发展趋势 ..................................... 4
§1.4 本文主要研究的内容 ........................................... 5
第二章 冰蓄冷技术概况及实验装置介绍 .............................. 6
§2.1 冰蓄冷技术的基本概念 ......................................... 6
§2.1.1 冰蓄冷的特点 ........................................... 6
§2.1.2 制冰率与融冰率 ......................................... 6
§2.1.3 蓄冷特性与释冷特性 ..................................... 7
§2.1.4 蓄冷量的确定方法 ....................................... 7
§2.2 冰蓄冷技术的分类及其基本特征 ................................ 7
§2.2.1 冰蓄冷空调系统分类 ..................................... 7
§2.2.2 冰蓄冷系统与常规系统的比较 ............................. 8
§2.3 冰蓄冷实验装置 .............................................. 8
§2.3.1 概述 ................................................... 8
§2.3.2 制冷剂循环回路 ........................................ 10
§2.3.3 冷媒水循环回路 ........................................ 11
§2.3.4 冷冻水循环回路 ........................................ 13
§2.3.5 空气循环回路 .......................................... 13
第三章 冰蓄冷空调测控系统设计 ....................................... 15
§3.1 概述 ....................................................... 15
§3.2 冰蓄冷空调系统测控系统设计 ................................. 15
§3.2.1 测控目标 .............................................. 15
§3.2.2 冰蓄冷空调测控系统的总体方案 .......................... 16
§3.3 冰蓄冷空调控制子系统设计 ................................... 19
§3.3.1 制冷机组控制 .......................................... 19
§3.3.2 蓄冷装置控制 .......................................... 23
§3.3.3 风系统控制 ............................................. 25
§3.4 数据采集与监测子系统的设计与安装 ........................... 25
§3.4.1 数据采集 .............................................. 27
§3.4.2 信号采集与传输 ........................................ 28
§3.5 实验数据的处理子系统设计 .................................... 30
§3.6 安全与报警处理子系统的设计与安装 ............................ 30
第四章 测控系统硬件组成和软件编程 .................................. 31
§4.1 测控系统硬件组成 ........................................... 31
§4.1.1 测控系统硬件组成 ...................................... 31
§4.1.2 数据采集、监测与处理系统硬件组成 ...................... 37
§4.2 测控系统软件编程 ............................................ 45
§4.2.1 控制子系统软件设计 .................................... 45
§4.2.2 数据采集、处理软件编程 ................................ 52
第五章 冰蓄冷空调测控系统调试与实验分析 ............................. 57
§5.1 测控系统的调试与运行 ........................................ 57
§5.2 冰蓄冷空调控制子系统的调试 .................................. 57
§5.3 数据采集与监测子系统的调试 ................................. 63
§5.3.1 数据采集与监测子系统硬件调试 .......................... 63
§5.3.2 数据采集与监测子系统软件调试 .......................... 64
§5.3.3 数据采集与监测子系统联合调试 .......................... 64
§5.4 实验数据的处理子系统调试 .................................... 65
§5.5 安全与报警处理子系统的调试 .................................. 65
§5.6 实验研究及分析 .............................................. 65
§5.6.1 性能测试实验 .......................................... 66
§5.6.2 蓄冷工况蓄冰温度控制结果及分析 ........................ 66
§5.6.3 融冰过程温度控制及分析 ................................ 67
§5.6.4 制冷主机单独供冷温度控制及分析 ........................ 69
第六章 结论与展望 ................................................... 70
参考文献 ............................................................ 72
致 谢 ........................................................... 75
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究的背景及意义
20 世纪 70 年代，由于中东战争引发了世界第一次能源危机，造成油价暴涨
和石油短缺，严重影响了西方发达国家的经济发展，从而促使了美国及其他西方
工业国开始重视节能节电，重视能源问题，以提高能源的综合利用效益。
近些年来,由于我国经济迅猛发展, 各地用电构成发生了很大的变化，电力供
应较为紧张, 尤其是上海等东部较发达地区在用电较高的季节和用电高峰时段这
个问题显得尤为突出,有的电网峰、谷负荷之差达 30%[1]以上, 出现白天拉闸限电,
夜间有电送不出去的现象, 电网运行日趋困难，资源利用不合理。上海作为中国
的金融中心，这个问题尤为突出， 2004 年统计数据显示[2]，在上海市最高电力负
荷构成中，占第一位的工业用电耗电比率为 45.2％，而空调用电以 43.8％的比例
居第二位，耗电量仅比上海庞大的工业系统低不到 1.5 个百分点，更是远远超过
照明和家电 11％的用电比率 30 多个百分点。空调负荷是拉大电网峰谷荷差的主
要原因。以 2008 年为例，上海市用电负荷达到了 2243.2 万千瓦，其中制冷电空
调负荷 900 万千瓦，占夏季最高负荷的 40%。
如何解决这一问题？电力需求侧管理作为一种先进的资源规划方法和管理技
术，能够促进经济，资源和环境的协调发展，对缓解电力短缺，提高用电效率和
提高效益等方面具有十分重要的作用[3]，在这种大背景下应运而生。其技术手段
涉及改变电力客户用电方式和提高终端用电效率两个方面。主要的具体措施有：
(1)削峰技术。从电力系统的安全，可靠和经济性出发。当电力系统的总负荷
大于或等于供电负荷时“削峰技术”就成为必须。削峰是指在电网高峰负荷期减
少客户的电力需求，避免增设边际成本高于平均成本的装机容量，平稳了系统负
荷，提高了电力系统运行的可靠性和经济性。
(2)填谷技术。填谷技术主要是从经济性角度出发提出的一种电力负荷管理技
术。填谷是指在电网负荷的低谷期增加客户的电力需求，有利于启动电力系统空
闲的发电容量，并使电网负荷趋于平稳，提高电力系统运行的经济性的一种方法。
填谷技术中主要包括增加季节性客户负荷，增加低谷用电设备和增加蓄能用电等。
(3)移峰填谷技术。移峰填谷是指将电网高峰负荷的用电需求移到低谷负荷时
段，同时起到削峰和填谷的双重作用。它可以充分利用现有装机容量，改善负荷
特性，尽可能地减少新电厂或机组上马，缓解电力建设资金不足和电煤问题的矛
盾。在缺电状态下是一种较好的手段。移峰填谷的个体措施有采用蓄冷蓄热技术，
能源替代运行等。
冰蓄冷空调系统测控及性能优化研究
2
冰蓄冷空调是利用夜间低谷时段电力制冰并蓄存起来，在白天用电高峰时段
不开或少开制冷主机，利用夜间蓄存的冰来满足空调冷负荷。由于充分利用夜间
低谷廉价电力，从而大大降低了空调系统的运行费用，并把白天高峰时段电力需
求大量转移到夜间低谷时段，实现电网移峰填谷、平衡峰谷矛盾，因而从宏观上
大大降低峰谷差带来的能源损失。因此，冰蓄冷空调技术是任何国家在经济发展
到一定水平之后所必然要大力推行的节能减排技术。
测量是人们对客观事物所发生的现象取得数量观念的一种认识过程，它借助专门
的仪器设备，并通过适当的实验方法和必要的信号分析以及数据处理来获得被测
量对象的量值；控制是利用外加的设备和装置，使被控对象的工作状态或参数按
照预定的规律运行，如果这一过程无人参与就是自动控制。
过程控制和参数测量[4]也可以相互独立的进行。测控技术与工程实践和科学研究
密切相关。工程实践和科学研究的需求以及科学技术本身的发展，特别是计算机
的出现，极大地促进了测控技术的发展，而测控技术的进步反过来又推动了科学
研究水平的提高，它们相互促进、相辅相成从而推动社会生产力的极大发展。
目前的测控技术主要以美国NATIONAL INSTRUMENTS、德国SIMENS、日
本的三菱重工等发达国家的大公司为代表，国内的测控技术从硬件到软件整体发
展较晚，因此需要加大发展的力度，缩小与国外的差距。冰蓄冷测控技术是以冰
蓄冷系统为载体，通过实验室的开发、实验，最终应用到冰蓄冷系统中。进行自
主研究开发，大大降低了项目的成本，同时拓展了我们的知识面，提高了我们自
身的科研水平。因此深入开展冰蓄冷测控技术的研究是十分必要的。
§1.2 冰蓄冷技术的发展历史及现状
采用人工制冷的空调蓄冷可以追溯到 1930 年前后，当时，美国在教堂、剧
院和乳品厂等处间歇供冷，负荷集中的用户则使用冰蓄冷方式。那时，应用“蓄
冷”只是着眼于减少制冷机装机容量和制冷设备的投资费用。随着机械制造业的
发展，制冷设备造价大幅度降低，致使该项技术的应用不受重视。相反，蓄冷装
置价格昂贵和耗电多的不利因素变得突出，使该项技术的应用长期处于停止状态。
70 年代以来，世界范围的能源危机改变了这种状况，空调蓄冷技术 70 年代
又再度崛起。首先，在美国将蓄冷技术作为电力负荷的调峰手段广泛应用在建筑
物的空调降温工程中。南加利福尼亚爱迪生电力公司于 1978 年率先制定分时计费
的电费结构。
1979 年编写并出版了“建筑物非峰值期降温导则”，
1981 年后推广
应用蓄冷技术，并颁布相关的法律措施。至 1987 年，美国的一些研究人员呼吁在
空调行业推广应用蓄冷技术进行调峰，至少有 40 多家电力公司仿效实行分时计费
第一章 绪论
3
的电费结构和有关奖励措施，至 9 0 年代，每移峰 1k W 负荷奖励金额最高可达
500 美元[5]。并从 1990 年起开始对蓄冷系统的优化设计、控制和计算机模拟以及
节能问题进行研究。美国从事蓄冷系统开发的公司，多达数十家。至今，美国空
调蓄冷系统己相当普及，约有 4000 多个蓄冷系统在运行，蓄冷容量 70 万kWh
以上的系统己不鲜见。而且规模越来越大，已形成区域性蓄冷和供冷系统。
欧洲和日本等经济发达国家在 80 年代初期就开始对蓄冷技术的应用进行研
究。日本自然资源相当贫乏，同时人口密度大，经济发达，能源消耗大，因此对
节能非常重视。1952 年东日会馆大楼第一个采用了水蓄热的中央空调系统。60
年代以后，水蓄热的中央空调系统在日本得到大量应用。80 年代中期，由于冰蓄
冷较水蓄冷有许多优点，同时电力部门采用了分时电价制，促进了冰蓄冷的迅速
发展。在英国，大型冰蓄冷系统就有 300 多个，总容量达 4.2×106m3。在加拿大、
德国、澳大利亚等国，蓄冷技术也得到了广泛的应用。
在我国的台湾省，能源几乎全部要从岛外购进，合理利用电力更为迫切，自
1984 年从国外引进蓄冷技术建成第一个空调蓄冷系统以来，近几年空调蓄冷系统
发展很快，至今己建成 200 多个蓄冷式空调系统，总蓄冷量己达 200 万kWh。转
移高峰电力约超过 52 万kW ，并呈逐年大幅度递增的趋势。在蓄冷装置的开发
研制和应用技术方面取得了一定的成果和经验。修建于 1988 年，总面积达 9万多
平方米的台北国贸大楼，采用了冰蓄冷低温送风空调系统，该工程获得了 1991
年美国 ASHRAE 科技奖。
我国大陆地区研究和应用冰蓄冷空调技术起步较晚，80 年代才开始介绍和引
入冰蓄冷技术，但有关部门对此十分重视。为迅速缓解全国各大电网电力供应紧
张的局面，国家电力部门早作出了在 2000 年前在全国移峰 1000 -1200 万千瓦的
规划要求，己经圆满完成。为此，国内一些电网和城市已陆续实行分时峰谷计价
的电费制，峰、谷电价比在 2-5 之间;有些城市还给予其它优惠的减免费用(如减
免部分购电权费) ，为推广应用蓄冷技术，给予政策上的支持。国家电力公司杭
州机械设计研究院专门成立了冰蓄冷空调分析研究中心，许多著名高校(如清华大
学、中国科技大学、浙江大学、天津大学、同济大学等) 也都有研究文章发表，
其中清华大学和中国科技大学还建有专门的冰蓄冷测试装置供科学研究，并取得
了不少成果。主要由政府有关部门、电力部门的领导、管理人员及空调制冷界专
家、学者、设计人员等组成的跨行业性组织“全国蓄冷空调研究中心”于 1995
年4月正式成立，它已经或将对我国蓄冷空调事业的发展起到指导和推动作用。
1996 年5月，中国节能协会又组建了“全国蓄冷空调节能技术工程中心”，并相
继在北京、济南、天津、苏州等大中城市成立地区蓄冷空调研究中心。这些措施
摘要：

摘要冰蓄冷空调是利用夜间低谷时段电力制冰并蓄存起来，在白天用电高峰时段不开或少开制冷主机，利用夜间蓄存的冰来满足空调冷负荷。由于充分利用夜间低谷廉价电力，从而大大降低了空调系统的运行费用，并把白天高峰时段电力需求大量转移到夜间低谷时段，实现电网移峰填谷、平衡峰谷矛盾，因而从宏观上大大降低峰谷差带来的能源损失。本论文主要侧重对冰蓄冷系统的测控技术进行研究，开发研制了一套冰蓄冷空调系统的自动控制与测试系统。在测试与控制系统研制过程中充分考虑系统运行的稳定性，数据测量的精确性以及实验操作的简便性，整个系统基于触摸屏、PLC(ProgrammableLogicalController)和LabView...

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