暖通空調信息技術及其發(fā)展

1、 暖通空調信息技術及其發(fā)展暖通空調信息技術包括計算機軟硬件、自動控制、人工智能、網絡技術等方面，它們共同構成了暖通空調領域一個重要的發(fā)展方向，本文就這些技術本身及其發(fā)展作一個簡要的回顧。從控制的角度看，空調從一開始就是對室內溫濕度等參數的控制，使之達到設計要求。以前，人們只能采用手動控制，隨著電子技術的發(fā)展，人們開始在空調設備上采用自動控制，例如典型的 pid 控制。自 1946 年第一臺電子計算機誕生以來，科學技術發(fā)生了一場深刻的革命，計算機不僅有驚人的運算速度和很高的計算精度，還具有記憶、判斷等功能，隨著計算機技術的不斷發(fā)展和完善，它的可靠性不斷提高，價格不斷降低，從而在數據處理和工業(yè)控制

2、方面得到了越來越廣泛的應用，計算機技術用于空調系統(tǒng)控制已經取得了喜人的成績。與此同時，自動控制技術也在不斷發(fā)展，出現了諸如自適應控制、最優(yōu)化控制、模糊控制和神經網絡控制等新的控制方法和技術，這些控制方法已經或正在給空調技術的發(fā)展帶來新的活力。七十年代以后，出現了大規(guī)模的集成電路、單片機和微型計算機，它與自動控制技術相結合，在空調技術實驗室、空調設備生產車間、恒溫恒濕空調房間及智能化大樓等空調領域得到了廣泛的應用，并且大致經歷了以下幾個發(fā)展階段： （1）微機巡回檢測數據處理系統(tǒng)（2）微機操作指導控制系統(tǒng)（3）微機直接數字控制系統(tǒng)（ddc，direct digital control）（4）微機監(jiān)

3、督控制系統(tǒng)（scc，supervisory computer cntrol）（5）微機分布式控制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)），包括三個控制級別：ddc 級、scc 級和 mis 級（management information system）現在，空調產品及空調系統(tǒng)中都或多或地應用了計算機技術和自動控制技術?？照{設備如果能加上計算機控制，那么它的可靠性和運行經濟性就很明顯，它的用戶也就越多；現在，幾乎所有的制冷機組都安裝了計算機控制裝置，以便根據負荷的變化調整冷量和水量，從而保證節(jié)能和最優(yōu)化運行；計算機自動控制技術和變頻技術相結合，在空調領域產生了不可忽視的影響，vav 系統(tǒng)和 vrv 系統(tǒng)就是在這種

4、情況下取得飛速發(fā)展的；模糊控制家用空調器就是計算機技術和模糊控制技術相結合的產物，預計不久的將來，將出現神經網絡控制空調器。 在中央空調系統(tǒng)中，要求根據室外氣候條件的變化，調整空調房間的溫濕度參數和空調設備的運行工況，因此，自動控制系統(tǒng)早就得到了應用，集散控制系統(tǒng)是一種很成功的中央空調控制系統(tǒng)，在現代建筑中，空調控制系統(tǒng)與安全保衛(wèi)系統(tǒng)、自動辦公系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)相結合，成為大樓智能化控制系統(tǒng)，這樣的建筑也就稱為智能化建筑，此即所謂的樓宇自動化（bas）。 同時，計算機軟件的發(fā)展，也使空調設計和制造領域的計算機輔助設計成為可能，目前，空調 cad已經取得了很大的成就，空調設計專家系統(tǒng)已經用于空調

5、系統(tǒng)的設計和決策，能耗分析軟件、氣流模擬cfd（計算流體力學）軟件的應用使設計人員在大樓建成之前就能對空調系統(tǒng)的運行工況和能耗情況進行模擬，從而據此選擇最優(yōu)的設計方案。 不難發(fā)現，空調技術的發(fā)展過程，也是一個控制不斷加強、精確、深化的過程，隨著計算機技術和自動控制技術的不斷發(fā)展，空調控制也會發(fā)展得更加完善。我們處在信息時代，計算機網絡和信息處理技術高速發(fā)展，日新月異，作為空調工作者，應該跟上時代的步伐，及時地充分利用計算機技術和自動控制技術，使空調技術的發(fā)展不斷推向前進。暖通空調信息技術樓宇自動化系統(tǒng)（bas） 空調設備控制的發(fā)展經歷了由手動到自動、由單體到系統(tǒng)的過程。在智能化大樓中，集成了各

6、種帶自控終端的空調部件，并由中央控制系統(tǒng)協調運行。 為了節(jié)約能源，冷凍機 上必須裝備完善的自動控制模塊。由于冷水機組是空調系統(tǒng)的冷源，耗能的主要設備，而且，由于整個空調系統(tǒng)的冷負荷是隨著室外氣象條件和季節(jié)的變化而變化的，因此冷水機組的控制任務除了保證要求的冷量以外，還要使機組的冷量隨空調負荷的變化而變化，保持機組在部分負荷運行時仍然具有較高的效率。在活塞式機組內部，往往通過各氣缸的起停來改變制冷量。離心式、螺桿式冷水機組采用變頻調速技術已經能夠實現制冷量的無級調節(jié)。對溴化鋰吸收式制冷機組來說，需要具備完善的自控系統(tǒng)使各部分協調工作，并實現冷量的調節(jié)。就市場上銷售的冷水機組來看，自控程度越高的產

7、品越受到用戶的歡迎，進口產品幾乎全部采用計算機模塊控制，并能實現參數的自動顯示、記錄和打印，操作人員可以修改控制參數和程序，機組本身也可以連接到主控計算機上，通過控制總線和通信協議成為整個智能化控制中心的一個終端。 當大樓的空調負荷改變時，系統(tǒng)中的各個部件，如風機、水泵、空調機組、風機盤管等設備在負荷也要發(fā)生相應的變化，因此這些設備也需要有較好的控制模塊。目前，由于采用變頻調速，風機和水泵已經能夠實現無級調節(jié)，當空調房間負荷改變時，相應的風機就能很好地配合，而不是象以前那樣靠關小閥門增加管道阻力的方法來實現系統(tǒng)的平衡。目前，變風量空調機組已被廣泛采用，并且已經從簡單的三級電動機控制發(fā)展到 了變

8、頻調速控制。帶冷量控制的風機盤管也正在發(fā)展，這主要是為了適合個人控制空調的需要。 空調系統(tǒng)既可以調節(jié)風量、水量，也可以調節(jié)風溫、水溫，即量調節(jié)和質調節(jié)可以相互配合。在許多時候，還采用臺數調節(jié)。系統(tǒng)控制的設計必須由設計人員精心考慮。 在一個控制系統(tǒng)中，各空調設備之間是相互關聯，互動控制的，因此必須實現各設備之間的通訊，通訊協議成了設備之間信息交互的重要工具。通常，在一個智能化大樓中，由同一個公司提供全套設備時，不會存在通訊問題，但是當制冷機組和空調機組采用不同公司的產品時，可能會出現互不接受信息的問題，從而不能實現正常的控制，主要原因是各公司都采用了自己的一套通訊協議，并且不和其它公司兼容。為了

9、解決這個問題，一種新的通用的通訊協議 bacnet 應運而生。bacnet 是一種用于樓宇自動控制網絡數據通訊協議。它由美國供熱、制冷及空調工程師協會（ ashrae）制定并頒布，是現行美國國家標準及歐共體預備標準。運用 bacnet 協議，可以使不同廠商生產的樓宇自動化控制產品在一個系統(tǒng)中合作使用。bacnet 可以使樓宇自控系統(tǒng)升級，把一些hvac 設備如冷凍機自帶的控制器與不同廠商提供的控制系統(tǒng)一體化。通過 bacnet 還可以把原來一些獨立的樓宇控制系統(tǒng)如火災報警與遏制系統(tǒng)、hvac 控制系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)及安保系統(tǒng)一體化以提高系統(tǒng)的安全性、舒適性并減少運行和維護費用。bacnet 技

10、術為發(fā)展新型樓宇控制產品、處理樓宇狀態(tài)信息提供了可 能。例如故障檢測和診斷系統(tǒng)及一種在高層建筑發(fā)生火災時能安全使用的電梯等，都是新型樓宇控制產品。bacnet 還促進樓宇控制系統(tǒng)與電氣設施之間互相聯系，使實時電價及實時負荷管理等成為可能?？傊跇怯钭詣踊到y(tǒng)中，由于采用先進的自動控制手段，不但提高了空調房間的控制精度，而且提高了系統(tǒng)運行的安全性，節(jié)省了能源。模糊控制和變頻調速空調設備 對于空調器的常規(guī)控制方法，當室外氣象參數和室內負荷變化較大時，這些方法的控制效果較差，主要表現為所控制的室內溫濕度波動較大，使人有忽冷忽熱的感覺，因而總體舒適感受到一定的限制。為了使所控制的室內溫濕度相對穩(wěn)定，

11、提高空調房間的舒適性，近幾年來，在空調器領域，特別是家用空調器領域引進了模糊控制方法。模糊控制是一種全新的控制技術，它特別適用于室外氣象參數和室內負荷變化頻繁的場合。由于室外氣象參數和室內負荷變化的隨機性，因此對室內溫濕度的控制量是無法精確計算的，控制系統(tǒng)的傳遞函數也是無法預知的，這就是所謂的模糊性問題，模糊控制引進模糊數學的理論，成功地解決了此類問題的控制。與常規(guī)控制方法相比，模糊控制具有以下優(yōu)點：1.所控制的室內溫濕度比較穩(wěn)定，模糊控制空調器能夠根據室外氣象參數和室內負荷的變化，及時地調整制冷量或室內送風量，就象 有一位經驗豐富的空調專家在指揮一樣，始終能夠保持空調房間要求的舒適度。2.當

12、采用變頻壓縮機時，可以減少壓縮機的啟停次數，從而可以節(jié)能并延長家用空調器的使用壽命。 家用空調器的模糊控制系統(tǒng)由于涉及到的計算較多，算法也比較復雜，因此，一般采用單片機實現上述控制過程。一個理想的家用空調器還會考慮人的舒適感，同時考慮溫濕度控制，并做到節(jié)能和智能。 日本生產的家用空調，大多帶模糊控制和變頻調速，國內已經有廠家生產模糊控制空調器，也已經有人研制出了模糊控制風機盤管，模糊控制在空調系統(tǒng)的控制上正取得越來越多的成果。 變頻調速的成熟是最近幾年的事情，它為空調設備的優(yōu)化注入了新的活力，使空調設備真正實現了節(jié)能。模糊控制與變頻調速相結合，能解決空調控制領域的大部分問題。近年來，一些學者也

13、在研究神經網絡理論在空調領域的應用問題，特別是神經網絡控制，已經在家用空調器和某些空調系統(tǒng)上得到了成功的應用。 作為新的控制理論，模糊控制、神經網絡控制必將在空調領域得到更快的發(fā)展。vav 和 vrv 空調系統(tǒng)和設備 隨著計算機技術、自動控制技術和變頻技術的發(fā)展，空調系統(tǒng)和設備的控制變得更加精確和容易，同時，隨著辦公大樓智能化程度的提高，人們要求相應的空調系統(tǒng)更加舒 適、安全和節(jié)能，并具備智能化功能，于是一種新的空調設計技術-vav空調系統(tǒng)得以迅速發(fā)展。 vav 空調系統(tǒng)可根據空調負荷的變化及室內要求參數的改變，自動調節(jié)空調送風量（達到最小送風量時調節(jié)送風溫度），以滿足室內人員的舒適要求或其它

14、工藝要求。同時根據實際送風量自動調節(jié)送風機的轉速，最大限度地減少風機能耗，節(jié)約能量。在整個 vav 空調系統(tǒng)中，自動控制和調節(jié)是關鍵技術，從以下的vav 空調系統(tǒng)的特點可以看出：（1）能實現局部區(qū)域或房間的靈活控制，可根據負荷的變化或個人的舒適要求自動調節(jié)自己的工作環(huán)境；不用再熱方式或雙風管方式就能適應多種室內舒適要求和工藝設計要求，并完全消除再熱方式和雙風管方式所帶來的冷熱混合損失。（2）自動調節(jié)各房間的送入能量，在考慮同時使用系數的情況下空調器總裝機容量可減少 1030%。（3）室內無過熱過冷現象，由此可減少空調負荷 1530%。（4）部分負荷運轉時可大量減少送風動力，當全年平均空調負荷率

15、為 60%時，vav空調系統(tǒng)（變靜壓法控制）可節(jié)約風機動力 78%。vrv 空調系統(tǒng)也是在自動控制技術和變頻技術大力發(fā)展的基礎上產生的，它采用變頻控制技術和渦旋壓縮機，使一臺空調室外機可以聯 接多臺室內機，當聯接 8 臺室內機時，最大配管長度可達 100m，室內外機高差可允許 50m，每臺室內機之間的高差可允許 15m。在 vrv空調系統(tǒng)中，當室內負荷改變時，室內機的負荷也相應改變，系統(tǒng)可自動將室內機負荷的變化傳送到室外機，并通過調節(jié)供電頻率改變室外機制冷壓縮機的轉速，從而調整室外機的制冷量，節(jié)省能量?？照{輔助設計（cad）軟件 在空調的發(fā)展過程中，空調輔助設計軟件也在不斷地發(fā)展，就我國的情況

16、來說，空調 cad 的發(fā)展大致經歷了三個階段：起步、發(fā)展、成熟。（1）起步階段（70 年代左右） 計算機技術的飛速發(fā)展，引起了我國空調界一些人士的極大關注，開始研制開發(fā)一些符合國情的應用軟件，建立了一些空調程序軟件庫，但多為局部性的，覆蓋面不寬，水平也有限。（2）發(fā)展階段（80 年代左右） 計算技術迅猛發(fā)展，引起社會的廣泛關注。國家出巨資研制開發(fā)建筑工程設計軟件包（bdp），作為國家六五科技攻關項目，該軟件于 1986 年 5 月通過國家（部級）鑒定，被譽為當時具有國際水平的優(yōu)秀軟件，并在此后的數年里，在國內得到了較為廣泛的應用。與此同時，也有一些cad 軟件出現。（3）成熟階段（90 年代）

17、 隨著計算機技術的日新月異，windows 的出現，以及 autocad 的廣為應用；同時隨著改革開放和市場經濟的日益活躍，各種空調 cad 軟件如雨后春筍般出現，并得到日益廣泛的應用。1995 年 3 月，我國第一個在 windows 環(huán)境下開發(fā)的暖通空調計算軟件 easyhvac投放市場，它一出現即受到設計人員的青睞。我國的空調 cad 正日益走向成熟和完善，并具有以下兩個特點：建筑工程一元化：即建筑工程各工種（建筑、結構、水、暖、電等）在同一軟硬件環(huán)境下工作，特別是在網絡環(huán)境下，優(yōu)勢更為明顯。各工種互提資料、互傳信息，成為一個完整的設計系統(tǒng)，不僅可大大提高設計效率，而且還可使設計質量更加

18、滿意。計算繪圖一體化：單純的計算軟件或單純的繪圖軟件的應用范圍和發(fā)展前途將受到限制，優(yōu)秀的設計軟件應當實現計算與繪圖一體化，即計算與繪圖有機地結合成為一個整體；當需要進行計算時就能計算，計算的結果能用于繪圖，如此循環(huán)直至工程設計完成?？照{ cad 的應用范圍不限于空調工程的設計，它還用于空調新產品的開發(fā)。 空調能耗分析軟件，例如美國能源部開發(fā)的 doe 軟件，已經能夠對已經建成的和將要建造的大樓空調系統(tǒng)的運行進行全年負荷動態(tài)分析、能量消耗模擬和技術經濟分析，設計人員可以由此判斷空調設計的優(yōu)劣，并提出空調系統(tǒng)的最佳控制和管理辦法。 空調設計專家系統(tǒng)也取得了較大的成果，它能給出特定建筑物的空調系統(tǒng) 的各種可能的設計方案，并評判它們的優(yōu)劣，從而可以得到