暖通空調信息技術及其發展 信息技術, 暖通空調

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　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展方向，本文就這些技術本身及其發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控制方面得到了越來越廣泛的應用，計算機技術用于空調系統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展，出現了諸如自適應控制、最優化控制、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展帶來新的活力。七十年代以后，出現了大規模的集成電路、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展階段：

　　（1）微機巡回檢測數據處理系統

　　（2）微機操作指導控制系統

　　（3）微機直接數字控制系統（DDC，Direct Digital Control）

　　（4）微機監督控制系統（SCC，Supervisory Computer Cntrol）

　　（5）微機分布式控制系統（集散控制系統），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中都或多或地應用了計算機技術和自動控制技術。空調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，從而保證節能和最優化運行；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系統和VRV系統就是在這種情況下取得飛速發展的；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，自動控制系統早就得到了應用，集散控制系統是一種很成功的中央空調控制系統，在現代建筑中，空調控制系統與安全保衛系統、自動辦公系統、信息管理系統相結合，成為大樓智能化控制系統，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，空調設計專家系統已經用于空調系統的設計和決策，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的運行工況和能耗情況進行模擬，從而據此選擇最優的設計方案。 不難發現，空調技術的發展過程，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展，空調控制也會發展得更加完善。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，使空調技術的發展不斷推向前進。

暖通空調信息技術

　　樓宇自動化系統（BAS） 空調設備控制的發展經歷了由手動到自動、由單體到系統的過程。在智能化大樓中，集成了各種帶自控終端的空調部件，并由中央控制系統協調運行。 為了節約能源，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的冷源，耗能的主要設備，而且，由于整個空調系統的冷負荷是隨著室外氣象條件和季節的變化而變化的，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。對溴化鋰吸收式制冷機組來說，需要具備完善的自控系統使各部分協調工作，并實現冷量的調節。就市場上銷售的冷水機組來看，自控程度越高的產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，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展到了變頻調速控制。帶冷量控制的風機盤管也正在發展，這主要是為了適合個人控制空調的需要。 空調系統既可以調節風量、水量，也可以調節風溫、水溫，即量調節和質調節可以相互配合。在許多時候，還采用臺數調節。系統控制的設計必須由設計人員精心考慮。 在一個控制系統中，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中合作使用。BACnet可以使樓宇自控系統升級，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一體化。通過BACnet還可以把原來一些獨立的樓宇控制系統如火災報警與遏制系統、HVAC控制系統、照明控制系統及安保系統一體化以提高系統的安全性、舒適性并減少運行和維護費用。BACnet技術為發展新型樓宇控制產品、處理樓宇狀態信息提供了可能。例如故障檢測和診斷系統及一種在高層建筑發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。

　　總之，在樓宇自動化系統中，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，而且提高了系統運行的安全性，節省了能源。

　　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定，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。與常規控制方法相比，模糊控制具有以下優點：

　　1.所控制的室內溫濕度比較穩定，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，它為空調設備的優化注入了新的活力，使空調設備真正實現了節能。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展。

　　VAV和VRV空調系統和設備 隨著計算機技術、自動控制技術和變頻技術的發展，空調系統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更加舒適、安全和節能，并具備智能化功能，于是一種新的空調設計技術-VAV空調系統得以迅速發展。 VAV空調系統可根據空調負荷的變化及室內要求參數的改變，自動調節空調送風量（達到最小送風量時調節送風溫度），以滿足室內人員的舒適要求或其它工藝要求。同時根據實際送風量自動調節送風機的轉速，最大限度地減少風機能耗，節約能量。在整個VAV空調系統中，自動控制和調節是關鍵技術，從以下的VAV空調系統的特點可以看出：

　　（1）能實現局部區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自己的工作環境；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10~30%。

　　（3）室內無過熱過冷現象，由此可減少空調負荷15~30%。

　　（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為60%時，VAV空調系統（變靜壓法控制）可節約風機動力78%。 VRV空調系統也是在自動控制技術和變頻技術大力發展的基礎上產生的，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空調系統中，當室內負荷改變時，室內機的負荷也相應改變，系統可自動將室內機負荷的變化傳送到室外機，并通過調節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，節省能量。

　　空調輔助設計（CAD）軟件 在空調的發展過程中，空調輔助設計軟件也在不斷地發展，就我國的情況來說，空調CAD的發展大致經歷了三個階段：起步、發展、成熟。

　　（1）起步階段（70年代左右） 計算機技術的飛速發展，引起了我國空調界一些人士的極大關注，開始研制開發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）發展階段（80年代左右） 計算技術迅猛發展，引起社會的廣泛關注。國家出巨資研制開發《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） 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環境下開發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）在同一軟硬件環境下工作，特別是在網絡環境下，優勢更為明顯。各工種互提資料、互傳信息，成為一個完整的設計系統，不僅可大大提高設計效率，而且還可使設計質量更加滿意。

　　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展前途將受到限制，優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，如此循環直至工程設計完成。

　　空調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。 空調能耗分析軟件，例如美國能源部開發的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的運行進行全年負荷動態分析、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劣，并提出空調系統的最佳控制和管理辦法。 空調設計專家系統也取得了較大的成果，它能給出特定建筑物的空調系統的各種可能的設計方案，并評判它們的優劣，從而可以得到最好的空調設計。

　　氣流模擬計算流體力學（CFD）軟件 空調系統設計的效果與室內氣流組織密切相關。好的氣流組織方式能夠使空調房間的溫度、濕度和速度很容易地符合設計要求，反之，差的氣流組織方式可能根本就達不到設計要求。因此，在空調系統設計完成之后施工之前，預測空調系統的氣流組織狀況就很重要。在以往的研究中，只能用模型實驗的方法研究幾種典型送回風方式的氣流組織狀況，獲得一些簡化的計算公式，并將它們套用到類似的設計中去，但是，它們的精度和使用范圍都不能令人滿意，尤其當遇到一些特殊難題，如高大空間的氣流組織、車間有害氣體濃度場分布、室內不同障礙物情況下的氣流流動規律等等便無法解決。正是在這種情況下，基于計算流體力學（Computational Fluid Dynamics）的空調系統氣流模擬軟件發展起來了。 氣流模擬軟件的發展經歷了以下幾個階段：

　　（1）從簡單的單個送風口氣流狀態，到多風口相互影響下的室內氣流組織；

　　（2）從二維到三維；

　　（3）從穩態到動態； 3 總結 現代空調有兩個發展方向：走可持續發展之路與充分利用信息技術為暖通空調服務。這兩者并不是孤立的，而是相互促進、相互聯系的，空調技術走可持續發展之路要求充分利用信息，充分利用信息技術為空調技術走可持續發展之路提供了保障。

　　作為現代空調領域的專業人員，應當緊緊跟上空調技術的這兩個發展方向，抓住這兩個發展的主旋律，為現代空調的發展作出應有的貢獻。

來源：
   ?中國智能建筑信息網