谈暖通空调信息技术及其发展

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摘要：暖通空调信息技术包括计算机软硬件、自动控制、人工智能、网络技术等方面,它们共同构成了暖通空调领域一个重要的发展方向,本文就这些技术本身及其发展作一个简要的回顾。

一、前言

暖通空调信息技术包括计算机软硬件、自动控制、人工智能、网络技术等方面,它们共同构成了暖通空调领域一个重要的发展方向,本文就这些技术本身及其发展作一个简要的回顾。从控制的角度看,空调从一开始就是对室内温湿度等参数的控制,使之达到设计要求。以前,人们只能采用手动控制,随着电子技术的发展,人们开始在空调设备上采用自动控制,例如典型的PID控制。自1946年第一台电子计算机诞生以来,科学技术发生了一场深刻的革命,计算机不仅有惊人的运算速度和很高的计算精度,还具有记忆、判断等功能,随着计算机技术的不断发展和完善,它的可靠性不断提高,价格不断降低,从而在数据处理和工业控制方面得到了越来越广泛的应用,计算机技术用于空调系统控制已经取得了喜人的成绩。与此同时,自动控制技术也在不断发展,出现了诸如自适应控制、最优化控制、模糊控制和神经网络控制等新的控制方法和技术,这些控制方法已经或正在给空调技术的发展带来新的活力。七十年代以后,出现了大规模的集成电路、单片机和微型计算机,它与自动控制技术相结合,在空调技术实验室、空调设备生产车间、恒温恒湿空调房间及智能化大楼等空调领域得到了广泛的应用,并且大致经历了以下几个发展阶段：(1)微机巡回检测数据处理系统。(2)微机操作指导控制系统。(3)微机直接数字控制系统(DDC,DirectDigitalControl)。(4)微机监督控制系统(SCC,SupervisoryComputerControl)。(5)微机分布式控制系统(集散控制系统),包括三个控制级别:DDC级、SCC级和MIS级(ManagementInformationSystem)。现在,空调产品及空调系统中都或多或地应用了计算机技术和自动控制技术。空调设备如果能加上计算机控制,那么它的可靠性和运行经济性就很明显,它的用户也就越多;现在,几乎所有的制冷机组都安装了计算机控制装置,以便根据负荷的变化调整冷量和水量,从而保证节能和最优化运行;计算机自动控制技术和变频技术相结合,在空调领域产生了不可忽视的影响,VAV系统和VRV系统就是在这种情况下取得飞速发展的;模糊控制家用空调器就是计算机技术和模糊控制技术相结合的产物,预计不久的将来,将出现神经网络控制空调器。在中央空调系统中,要求根据室外气候条件的变化,调整空调房间的温湿度参数和空调设备的运行工况,因此,自动控制系统早就得到了应用,集散控制系统是一种很成功的中央空调控制系统,在现代建筑中,空调控制系统与安全保卫系统、自动办公系统、信息管理系统相结合,成为大楼智能化控制系统,这样的建筑也就称为智能化建筑,此即所谓的楼宇自动化(BAS)。同时,计算机软件的发展,也使空调设计和制造领域的计算机辅助设计成为可能,目前,空调CAD已经取得了很大的成就,空调设计专家系统已经用于空调系统的设计和决策,能耗分析软件、气流模拟CFD(计算流体力学)软件的应用使设计人员在大楼建成之前就能对空调系统的运行工况和能耗情况进行模拟,从而据此选择最优的设计方案。不难发现,空调技术的发展过程,也是一个控制不断加强、精确、深化的过程,随着计算机技术和自动控制技术的不断发展,空调控制也会发展得更加完善。我们处在信息时代,计算机网络和信息处理技术高速发展,日新月异,作为空调工作者,应该跟上时代的步伐,及时地充分利用计算机技术和自动控制技术,使空调技术的发展不断推向前进。

二、暖通空调信息技术

1.楼宇自动化系统(BAS)

空调设备控制的发展经历了由手动到自动、由单体到系统的过程。在智能化大楼中,集成了各种带自控终端的空调部件,并由中央控制系统协调运行。为了节约能源,冷冻机上必须装备完善的自动控制模块。由于冷水机组是空调系统的冷源,耗能的主要设备,而且,由于整个空调系统的冷负荷是随着室外气象条件和季节的变化而变化的,因此冷水机组的控制任务除了保证要求的冷量以外,还要使机组的冷量随空调负荷的变化而变化,保持机组在部分负荷运行时仍然具有较高的效率。在活塞式机组内部,往往通过各气缸的起停来改变制冷量。离心式、螺杆式冷水机组采用变频调速技术已经能够实现制冷量的无级调节。对溴化锂吸收式制冷机组来说,需要具备完善的自控系统使各部分协调工作,并实现冷量的调节。就市场上销售的冷水机组来看,自控程度越高的产品越受到用户的欢迎,进口产品几乎全部采用计算机模块控制,并能实现参数的自动显示、记录和打印,操作人员可以修改控制参数和程序,机组本身也可以连接到主控计算机上,通过控制总线和通信协议成为整个智能化控制中心的一个终端。当大楼的空调负荷改变时,系统中的各个部件,如风机、水泵、空调机组、风机盘管等设备在负荷也要发生相应的变化,因此这些设备也需要有较好的控制模块。目前,由于采用变频调速,风机和水泵已经能够实现无级调节,当空调房间负荷改变时,相应的风机就能很好地配合,而不是象以前那样靠关小阀门增加管道阻力的方法来实现系统的平衡。目前,变风量空调机组已被广泛采用,并且已经从简单的三级电动机控制发展到了变频调速控制。带冷量控制的风机盘管也正在发展,这主要是为了适合个人控制空调的需要。空调系统既可以调节风量、水量,也可以调节风温、水温,即量调节和质调节可以相互配合。在许多时候,还采用台数调节。系统控制的设计必须由设计人员精心考虑。在一个控制系统中,各空调设备之间是相互关联,互动控制的,因此必须实现各设备之间的通讯,通讯协议成了设备之间信息交互的重要工具。通常,在一个智能化大楼中,由同一个公司提供全套设备时,不会存在通讯问题,但是当制冷机组和空调机组采用不同公司的产品时,可能会出现互不接受信息的问题,从而不能实现正常的控制,主要原因是各公司都采用了自己的一套通讯协议,并且不和其他公司兼容。为了解决这个问题,一种新的通用的通讯协议BACnet应运而生。BACnet是一种用于楼宇自动控制网络数据通讯协议。它由美国供热、制冷及空调工程师协会(ASHRAE)制定并颁布,是现行美国国家标准及欧共体预备标准。运用BACnet协议,可以使不同厂商生产的楼宇自动化控制产品在一个系统中合作使用。BACnet可以使楼宇自控系统升级,把一些HVAC设备如冷冻机自带的控制器与不同厂商提供的控制系统一体化。通过BACnet还可以把原来一些独立的楼宇控制系统如火灾报警与遏制系统、HVAC控制系统、照明控制系统及安保系统一体化以提高系统的安全性、舒适性并减少运行和维护费用。BACnet技术为发展新型楼宇控制产品、处理楼宇状态信息提供了可能。例如故障检测和诊断系统及一种在高层建筑发生火灾时能安全使用的电梯等,都是新型楼宇控制产品。BACnet还促进楼宇控制系统与电气设施之间互相联系,使实时电价及实时负荷管理等成为可能。总之,在楼宇自动化系统中,由于采用先进的自动控制手段,不但提高了空调房间的控制精度,而且提高了系统运行的安全性,节省了能源。

2.模糊控制和变频调速空调设备对于空调器的常规控制方法,当室外气象参数和室内负荷变化较大时,这些方法的控制效果较差,主要表现为所控制的室内温湿度波动较大,使人有忽冷忽热的感觉,因而总体舒适感受到一定的限制。为了使所控制的室内温湿度相对稳定,提高空调房间的舒适性,近几年来,在空调器领域,特别是家用空调器领域引进了模糊控制方法。模糊控制是一种全新的控制技术,它特别适用于室外气象参数和室内负荷变化频繁的场合。由于室外气象参数和室内负荷变化的随机性,因此对室内温湿度的控制量是无法精确计算的,控制系统的传递函数也是无法预知的,这就是所谓的模糊性问题,模糊控制引进模糊数学的理论,成功地解决了此类问题的控制。与常规控制方法相比,模糊控制具有以下优点:1.所控制的室内温湿度比较稳定,模糊控制空调器能够根据室外气象参数和室内负荷的变化,及时地调整制冷量或室内送风量,就象有一位经验丰富的空调专家在指挥一样,始终能够保持空调房间要求的舒适度。2.当采用变频压缩机时,可以减少压缩机的启停次数,从而可以节能并延长家用空调器的使用寿命。家用空调器的模糊控制系统由于涉及到的计算较多,算法也比较复杂,因此,一般采用单片机实现上述控制过程。一个理想的家用空调器还会考虑人的舒适感,同时考虑温湿度控制,并做到节能和智能。日本生产的家用空调,大多带模糊控制和变频调速,国内已经有厂家生产模糊控制空调器,也已经有人研制出了模糊控制风机盘管,模糊控制在空调系统的控制上正取得越来越多的成果。变频调速的成熟是最近几年的事情,它为空调设备的优化注入了新的活力,使空调设备真正实现了节能。模糊控制与变频调速相结合,能解决空调控制领域的大部分问题。近年来,一些学者也在研究神经网络理论在空调领域的应用问题,特别是神经网络控制,已经在家用空调器和某些空调系统上得到了成功的应用。作为新的控制理论,模糊控制、神经网络控制必将在空调领域得到更快的发展。

3.VAV和VRV空调系统和设备

随着计算机技术、自动控制技术和变频技术的发展,空调系统和设备的控制变得更加精确和容易,同时,随着办公大楼智能化程度的提高,人们要求相应的空调系统更加舒适、安全和节能,并具备智能化功能,于是一种新的空调设计技术——VAV空调系统得以迅速发展。VAV空调系统可根据空调负荷的变化及室内要求参数的改变,自动调节空调送风量(达到最小送风量时调节送风温度),以满足室内人员的舒适要求或其他工艺要求。同时根据实际送风量自动调节送风机的转速,最大限度地减少风机能耗,节约能量。在整个VAV空调系统中,自动控制和调节是关键技术,从以下的VAV空调系统的特点可以看出:(1)能实现局部区域或房间的灵活控制,可根据负荷的变化或个人的舒适要求自动调节自己的工作环境;不用再热方式或双风管方式就能适应多种室内舒适要求和工艺设计要求,并完全消除再热方式和双风管方式所带来的冷热混合损失。(2)自动调节各房间的送入能量,在考虑同时使用系数的情况下空调器总装机容量可减少10—30%。(3)室内无过热过冷现象,由此可减少空调负荷15~30%。(4)部分负荷运转时可大量减少送风动力,当全年平均空调负荷率为60%时,VAV空调系统(变静压法控制)可节约风机动力78%。VRV空调系统也是在自动控制技术和变频技术大力发展的基础上产生的,它采用变频控制技术和涡旋压缩机,使一台空调室外机可以联接多台室内机,当联接8台室内机时,最大配管长度可达100m,室内外机高差可允许50m,每台室内机之间的高差可允许15m。在VRV空调系统中,当室内负荷改变时,室内机的负荷也相应改变,系统可自动将室内机负荷的变化传送到室外机,并通过调节供电频率改变室外机制冷压缩机的转速,从而调整室外机的制冷量,节省能量。

4.空调辅助设计(CAD)软件在空调的发展过程中,空调辅助设计软件也在不断地发展,就我国的情况来说,空调CAD的发展大致经历了三个阶段:起步、发展、成熟。(1)起步阶段(70年代左右)计算机技术的飞速发展,引起了我国空调界一些人士的极大关注,开始研制开发一些符合国情的应用软件,建立了一些空调程序软件库,但多为局部性的,覆盖面不宽,水平也有限。(2)发展阶段(80年代左右)计算技术迅猛发展,引起社会的广泛关注。国家出巨资研制开发《建筑工程设计软件包》(BDP),作为国家“六五”科技攻关项目,该软件于1986年5月通过国家(部级)鉴定,被誉为当时具有国际水平的优秀软件,并在此后的数年里,在国内得到了较为广泛的应用。与此同时,也有一些CAD软件出现。(3)成熟阶段(90年代)随着计算机技术的日新月异,Windows的出现,以及AutoCAD的广为应用;同时随着改革开放和市场经济的日益活跃,各种空调CAD软件如雨后春笋般出现,并得到日益广泛的应用。1995年3月,我国第一个在Windows环境下开发的暖通空调计算软件EasyHVAC投放市场,它一出现即受到设计人员的青睐。我国的空调CAD正日益走向成熟和完善,并具有以下两个特点:①建筑工程一元化:即建筑工程各工种(建筑、结构、水、暖、电等)在同一软硬件环境下工作,特别是在网络环境下,优势更为明显。各工种互提资料、互传信息,成为一个完整的设计系统,不仅可大大提高设计效率,而且还可使设计质量更加满意。②计算绘图一体化:单纯的计算软件或单纯的绘图软件的应用范围和发展前途将受到限制,优秀的设计软件应当实现计算与绘图一体化,即计算与绘图有机地结合成为一个整体;当需要进行计算时就能计算,计算的结果能用于绘图,如此循环直至工程设计完成。空调CAD的应用范围不限于空调工程的设计,它还用于空调新产品的开发。空调能耗分析软件,例如美国能源部开发的DOE软件,已经能够对已经建成的和将要建造的大楼空调系统的运行进行全年负荷动态分析、能量消耗模拟和技术经济分析,设计人员可以由此判断空调设计的优劣,并提出空调系统的最佳控制和管理办法。空调设计专家系统也取得了较大的成果,它能给出特定建筑物的空调系统的各种可能的设计方案,并评判它们的优劣,从而可以得到最好的空调设计。

5.气流模拟计算流体力学(CFD)软件空调系统设计的效果与室内气流组织密切相关。好的气流组织方式能够使空调房间的温度、湿度和速度很容易地符合设计要求,反之,差的气流组织方式可能根本就达不到设计要求。因此,在空调系统设计完成之后施工之前,预测空调系统的气流组织状况就很重要。在以往的研究中,只能用模型实验的方法研究几种典型送回风方式的气流组织状况,获得一些简化的计算公式,并将它们套用到类似的设计中去,但是,它们的精度和使用范围都不能令人满意,尤其当遇到一些特殊难题,如高大空间的气流组织、车间有害气体浓度场分布、室内不同障碍物情况下的气流流动规律等等便无法解决。正是在这种情况下,基于计算流体力学(ComputationalFluidDynamics)的空调系统气流模拟软件发展起来了。气流模拟软件的发展经历了以下几个阶段:(1)从简单的单个送风口气流状态,到多风口相互影响下的室内气流组织。(2)从二维到三维。(3)从稳态到动态。

三、总结

现代空调有两个发展方向:走可持续发展之路与充分利用信息技术为暖通空调服务。这两者并不是孤立的,而是相互促进、相互联系的,空调技术走可持续发展之路要求充分利用信息,充分利用信息技术为空调技术走可持续发展之路提供了保障。作为现代空调领域的专业人员,应当紧紧跟上空调技术的这两个发展方向,抓住这两个发展的主旋律,为现代空调的发展作出应有的贡献。