摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)于日常生活和勞動(dòng)生產(chǎn)環(huán)境的要求也不斷提高。空調(diào)系統(tǒng)作為智能建筑的重要組成部分，是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的主要監(jiān)控對(duì)象，也是建筑智能化系統(tǒng)主要的管理內(nèi)容之一。空調(diào)是“空氣調(diào)節(jié)”的簡(jiǎn)稱(chēng)，旨在把經(jīng)過(guò)處理的空氣以一定的方式送入室內(nèi)，使室內(nèi)的溫度、濕度等指標(biāo)滿(mǎn)足人體舒適度的要求，以此來(lái)提高人們的生活質(zhì)量。近年來(lái)，研究人員結(jié)合建筑物的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行建模來(lái)分析空調(diào)系統(tǒng)的能耗特性、優(yōu)化控制管理策略以及進(jìn)行故障診斷等研究。
　　關(guān)鍵詞：制冷系統(tǒng)；部件模型；系統(tǒng)模型
　　1空調(diào)系統(tǒng)的基本工作原理
　　當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)循環(huán)方式把室內(nèi)的熱量帶走，將室內(nèi)溫度維持在一定值。當(dāng)循環(huán)空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)盤(pán)管時(shí)，高溫空氣經(jīng)過(guò)冷卻盤(pán)管先進(jìn)行熱交換，盤(pán)管吸收了空氣中的熱量，使空氣溫度降低，然后再將冷卻后的空氣送入室內(nèi)。冷卻盤(pán)管的冷凍水由冷凍機(jī)提供，冷凍機(jī)由壓縮機(jī)、冷凝器和蒸發(fā)器組成。壓縮機(jī)把制冷劑壓縮，經(jīng)壓縮的制冷劑進(jìn)入冷凝器，被冷卻水冷卻后，變成液體，析出的熱量由冷卻水帶走，并在冷卻塔里排入大氣。液體制冷劑由冷凝器進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，使冷凍水溫降低，然后冷凍水進(jìn)入水冷風(fēng)機(jī)盤(pán)管吸收空氣中的熱量，如此周而復(fù)始地循環(huán)，把室內(nèi)熱量帶走。當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，需要以熱水進(jìn)入風(fēng)機(jī)盤(pán)管，和上述原理一樣，空氣加熱后送入室內(nèi)。空氣經(jīng)過(guò)冷卻后，有水分析出，空氣相對(duì)濕度減少，變得干燥，所以需增加濕度，這就需要加裝加濕器進(jìn)行噴水或噴蒸汽，對(duì)空氣進(jìn)行加濕處理，用這樣的濕空氣去補(bǔ)充室內(nèi)水汽量的不足。
　　空調(diào)系統(tǒng)的基本工作原理如圖1所示。
　　           
　　2空調(diào)制冷系統(tǒng)的建模研究
　　在智能建筑中，空調(diào)系統(tǒng)的能耗占整個(gè)建筑總能耗的一半以上。因此，在保證向人們提供舒適環(huán)境的前提下，盡量降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，對(duì)于智能建筑自動(dòng)控制系統(tǒng)有著非常重大的意義。制冷系統(tǒng)是空調(diào)系統(tǒng)的主要能量消耗，因此對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)的優(yōu)化研究便成為暖通空調(diào)業(yè)的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。
　　隨著數(shù)學(xué)建模技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員將建模與仿真技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)中。建模是研究系統(tǒng)的重要手段和前提，是一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)模型化的過(guò)程模型的選擇直接影響系統(tǒng)的分析和執(zhí)行的可行性根據(jù)人們對(duì)研究對(duì)象的認(rèn)知過(guò)程，空調(diào)制冷系統(tǒng)的建模經(jīng)歷了由穩(wěn)態(tài)到動(dòng)態(tài)、由部件建模到系統(tǒng)建模的發(fā)展過(guò)程。
　　2.1部件模型
　　制冷系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器等四大部件，各部件的關(guān)系如圖2所示。壓縮機(jī)是制冷循環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)制冷的關(guān)鍵部件，它為制冷劑的流動(dòng)提供動(dòng)力，被稱(chēng)作是制冷系統(tǒng)的“心臟”；膨脹閥是制冷系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，它直接決定了系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力；冷凝器和蒸發(fā)器分別擔(dān)負(fù)放熱和吸熱的重任，并構(gòu)成了系統(tǒng)的高壓和低壓側(cè)，二者換熱狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到整個(gè)制冷系統(tǒng)的效率。建立系統(tǒng)各部件的模型是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真分析的前提，研究人員針對(duì)各部件的不同性能，采用了不同的建模方法對(duì)部件功能進(jìn)行優(yōu)化，從而提高整個(gè)制冷系統(tǒng)的性能。
　　部件的穩(wěn)態(tài)模型是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，提高空調(diào)系統(tǒng)的效率和降低成本是穩(wěn)態(tài)特性研究和優(yōu)化的目的。穩(wěn)態(tài)是系統(tǒng)的一種理想狀態(tài)，這種理想化的假設(shè)對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)是必需的。
　　                            
　　國(guó)內(nèi)很多研究人員在制冷系統(tǒng)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參數(shù)的方法建立蒸發(fā)器、冷凝器和毛細(xì)管的數(shù)學(xué)模型，采用集總參數(shù)法建立了壓縮機(jī)模型，并通過(guò)空調(diào)工況下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此仿真數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性；1996年張華俊采用步進(jìn)計(jì)算法建立了換熱器的穩(wěn)態(tài)分布模型，且經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果合理；2000年丁國(guó)良等將模糊方法引入壓縮機(jī)的熱力性能計(jì)算中，提出了預(yù)測(cè)壓縮機(jī)熱力性能的模糊建模方法，得到了具有很好的預(yù)測(cè)精度和泛化能力的建模方法，能夠?qū)�壓縮機(jī)熱力性能進(jìn)行計(jì)算，為制冷裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)；2001年王康迪等人對(duì)制冷劑在換熱器中的單相和氣液兩相區(qū)分別建立了穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型；2005年徐小來(lái)等人針對(duì)壓縮機(jī)故障診斷系統(tǒng)知識(shí)具有不確定性和模糊性的特點(diǎn)，給出了基于模糊產(chǎn)生式規(guī)則的模糊Petri網(wǎng)模型和反向推理算法，并采用模糊Petri網(wǎng)對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行故障診斷。
　　部件模型的建立為部件的優(yōu)化及建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型打下了基礎(chǔ)。然而，由于系統(tǒng)各部件是一個(gè)有機(jī)的整體，對(duì)某個(gè)部件的性能優(yōu)化可能會(huì)引起其他部件性能的降低，因此需要從整體的角度來(lái)建立制冷系統(tǒng)的模型，以此來(lái)兼顧系統(tǒng)各部件作用的發(fā)揮。
　　2.2系統(tǒng)模型
　　系統(tǒng)模型是由系統(tǒng)的部件模型在其必須滿(mǎn)足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒及能量守恒條件下有機(jī)結(jié)合而成。為系統(tǒng)建模是將實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化而便于更好地分析系統(tǒng)的性能，以便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。因此，研究人員通常是基于控制的目的而建立系統(tǒng)模型。
　　1986年HeXD等人建立的制冷系統(tǒng)多輸入多輸出變量反饋控制的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型在工況范圍內(nèi)的線(xiàn)性化，計(jì)算了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和膨脹閥開(kāi)度對(duì)系統(tǒng)蒸發(fā)壓力、冷凝壓力及蒸發(fā)器過(guò)熱度的影響。并分析了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、膨脹閥開(kāi)度與蒸發(fā)壓力及過(guò)熱度之間的耦合關(guān)系；1999年Svensson建立了一個(gè)完整的系統(tǒng)屬性模型來(lái)研究變工況下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；2003年RajatShah首先對(duì)制冷系統(tǒng)的單個(gè)部件進(jìn)行建模，然后建立了具有廣泛適應(yīng)性的多蒸發(fā)器蒸汽壓縮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)單蒸發(fā)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)多變量自適應(yīng)控制器，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證控制性能良好。
　　國(guó)內(nèi)的研究人員在系統(tǒng)模型的建立上也取得了一定的成果。2000年陳則韶等建立了包含四個(gè)部件在內(nèi)的較完整的單級(jí)壓縮制冷循環(huán)的物理數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用于開(kāi)機(jī)過(guò)程的模擬，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)參數(shù)的變化情況，揭示了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性2002年周興禧等人采用分布參數(shù)法并引入兩相流理論，建立起以雙蒸發(fā)器、電子膨脹閥、壓縮機(jī)為一體的雙聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，對(duì)雙聯(lián)變頻空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性及雙蒸發(fā)器間耦合關(guān)系進(jìn)行仿真研究，為雙蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制及節(jié)能手段的運(yùn)用提供了依據(jù)；同年，朱瑞琪等人用集總參數(shù)和相移動(dòng)邊界法建立了熱交換器動(dòng)態(tài)模型系統(tǒng)模型以及壓縮機(jī)和膨脹閥的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模型，所建立的系統(tǒng)模型對(duì)制。冷系統(tǒng)的控制具有通用性，能完整地反映制冷系統(tǒng)的多輸入多輸出關(guān)系，并能從模型仿真中獲得系統(tǒng)參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，從而根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的控制對(duì)策。因此它可以針對(duì)所選定的受控參數(shù)和控制方式對(duì)制冷系統(tǒng)實(shí)施綜合優(yōu)化和最佳控制。
　　3結(jié)論
　　本文針對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)的建模研究進(jìn)行了總結(jié)，無(wú)論是對(duì)部件進(jìn)行建模還是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)制冷系統(tǒng)的模型研究已經(jīng)取得了一定的成果，使制冷系統(tǒng)的性能從某些方面得到了有效的改善。但是除了制冷系統(tǒng)以外，在空調(diào)系統(tǒng)中還包括其他的子系統(tǒng)，因此，如果在建模的過(guò)程中將空調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)模型有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)滿(mǎn)足節(jié)能、舒適性等要求將會(huì)具有更加現(xiàn)實(shí)而深遠(yuǎn)的意義。