中央空調實驗平臺的設計與開發

姜國偉　趙薇　趙辛

摘 要：中央空調實驗平臺是各大、中專院校在專業教學及相關科研中必不可少的實驗平臺。目前市場上存在的實驗平臺大部分是模型化設計，與工程實際存在一定的差距。在教學及科研中也暴露出很大的局限性。針對這樣的不足，我們提出一種廉價的貼近工程實際的中央空調實驗平臺。

關鍵詞：中央空調；實驗平臺；計算機控制；空氣處理

1 引言

中央空調實驗平臺主要是為建筑環境與設備工程專業實驗教學及相關科研專門開發的實驗平臺，該實驗平臺具有專業性強、功能完善、自動化程度高、價格低廉等優點。適合自主開發，能有針對性的將暖通空調理論教學與工程實踐相結合。

2 系統流程及方案設計

2.1 水系統流程及方案設計

圖1為該實驗平臺的水系統流程圖。主要設計思路是夏季利用壓縮式制冷循環系統制空調冷凍水，冬季利用電加熱裝置制空調熱水?？照{冷凍水系統供水控制溫度設計為7±1℃，空調熱水供水控制溫度設計為50±3℃?？紤]空調冷凍水系統水容量比較小，在冷凍水系統循環管道中增加了一套蓄水箱，體積為0.3-0.5M3，主要目的一是為了防止壓縮機工作過程頻繁啟停，二是可以使空調冷凍水溫度控制精度更高。

作為中央空調的核心裝置冷水機組，市場價格少則上萬多則幾十萬，本設計主要目的為教學實驗用，因此充分考慮了成本問題，自行設計了風冷冷水機組，采用分體式空調KFP-5的外機，其內部已經集成了壓縮機，風冷冷凝器，毛細管節流裝置，最大制冷量10.5kW，蒸發器采用小型的釬焊板式換熱器，換熱量要求12KW以上。在安裝過程中除了在制冷循環的各個部位安裝溫度傳感器外，還可以在制冷劑管道上配置壓力表，以便在工作過程中隨時跟蹤制冷劑循環各點的壓力與溫度的變化。如果在選擇分體空調時機組帶制熱功能，可以通過切換四通換向閥門使該機組制熱水，滿足冬季供熱需要。分體式空調外機與外部蒸發器實際連接如圖2所示，從分體式空調外機接入釬焊板式換熱器的制冷劑管道應該從下往上流，這樣一方面可以增加制冷劑與水的換熱時間，從而增加制冷量；另一方面可以使冷劑在蒸發器內充分蒸發，使回壓縮機的制冷劑全為氣體，保證機組運行安全。

2.2 風系統流程及方案設計

圖3為該實驗平臺的風系統流程圖。主要由空調處理機組、風道及空調房間組成。空調處理機組由初效過濾器、表冷器、電極式加濕器、離心風機、多級加熱器及中效過濾器及外殼組成?？照{處理機組在制作時采用上側面為活動蓋板，方便學生自由拆卸，以便進行觀察與維護。實際制作的空調處理機組內部結構如圖4所示。

空調房間為獨立的密閉房間，可以根據制冷主機容量的大小選擇15-50m2大小的房間，房間內設置可移動支架用于安裝風速及溫濕度傳感器?？照{系統的送風口采用散流器送風，回風口采用單百葉回風口。風管道中的三個風閥可以調節使系統處于三種工作模式，即全新風模式、一次回風模式及全回風模式。夏季機組工作原理：空氣經過表冷器被冷卻至機器露點溫度，再經過多級加熱器的加熱，使空氣達到送風溫度及濕度要求進行送風。冬季機組工作原理：空氣經過表冷器后被加熱，再經加濕器的加濕，使空氣達到送風溫度及濕度要求后進行送風。通過初、中效過濾器可以有效的將空氣中的塵埃過濾，達到一定的潔凈要求。

3 計算機數據采集系統與控制系統設計

在設計該空調控制系統時，充分考慮了實用性及實驗性，設計了2套控制系統，一套為電控制柜上的基本功能控制系統，可以在計算機癱瘓狀態下，通過手動啟動正常運行空調系統。另外又利用了先進的計算機控制技術設計了一套強大的實時監控系統，保證實驗數據的實時智能監測。

3.1 控制系統硬件系統結構

計算機控制系統硬件結構如圖5所示。計算機通過RS232/RS485接口與現場控制設備建立連接。其中單總線數據采集器主要采集單總線溫度及濕度數據，可以同時采集幾十路溫度及濕度數據，在該空調系統中我們設置了9個溫度點及6個溫濕度點，可以實時采集不同位置的溫度及濕度數據。開關量控制采集器主要用來控制水泵、制冷主機、模擬電熱鍋爐等設備的啟停，同時采集開關量設備實際運行情況的反饋數據，實時監控設備運行是否正常。模擬量數據控制器主要功能是控制閥門的開度及變頻器的頻率，如通過控制器輸出電壓0-10V，調節閥門使之在0-100%間變化。模擬量數據采集器是采集閥門實際的位置反饋量、空調水流量及房間風速等數據，實時監測系統中的模擬量數據。 夏季相對濕度控制是應用系統采集到的溫濕度經過計算機軟件系統內部運算分析，將控制信號輸出給開關量控制采集器，通過PWM可調脈寬輸出控制固態繼電器，進而達到控制多級加熱器的加熱量，穩定控制夏季空調的相對濕度；冬季相對濕度的控制是通過電極式加濕器對空氣進行加濕處理。

3.2 軟件系統結構

軟件系統采用VC編寫，通過VC自帶串口控件MSComm與現場控制及數據采集設備建立串口通信。由計算機組建的控制系統，主要負責實時采集各點溫度及濕度、空調水流量、房間風速等數據，并保存到數據庫中，計算機軟件通過采集到的數據進行運算處理后，輸出控制指令，啟動或者關閉開關設備及調整閥門開度等，使空調系統處理安全運行狀態。計算機軟件主界面如圖6所示，按照實際空調系統流程設計，運行過程中以動畫模擬的方式顯示各個設備的運行狀態及管道中介質的流動，具有極高的人機交互界面。由于硬件設計時，均采用了標準模塊化設計，充分考慮了學生自行搭建空調自動化控制系統的需求，可以讓學生在實驗中充分發揮想象力，自行應用MCGS、組態王等組態軟件自行組態控制系統。

4 實驗項目

中央空調實驗平臺是一個綜合性的實驗平臺，可以進行的實驗包括：中央空調溫濕度控制實驗，房間內各點溫度濕度及潔凈度測量實驗、房間內溫度變化與控制閥門開度大小關系實驗、制冷循環系統實驗、供冷熱量計量實驗、管道及房間內風速測量實驗、中央空調計算機控制系統實驗、閥門PID控制實驗、風機變頻控制實驗、制冷熱系數測定實驗、中央空調系統調試實驗等等。

5 結束語

通過師生一起共建實驗室平臺，不僅可以提高學生的實踐能力，而且還可以促進教師教學與科研實踐相集合，提高教學質量。經過多年的實驗教學驗證，本實驗平臺在實際運行過程中，運行穩定，實驗結果另人滿意。

參考文獻

[1]張吉光，王利，史自強.空調送風口送風量的測試方法[J].建筑熱能通風空調，2003（6）.

[2]任秀宏，王林，鄭立國.空調表冷器熱工性能測試系統的研制[J].實驗室研究與探索，2011（5）.

作者簡介：姜國偉（1977-），男，遼寧工業大學土木建筑實驗中心實驗師。endprint

摘 要：中央空調實驗平臺是各大、中專院校在專業教學及相關科研中必不可少的實驗平臺。目前市場上存在的實驗平臺大部分是模型化設計，與工程實際存在一定的差距。在教學及科研中也暴露出很大的局限性。針對這樣的不足，我們提出一種廉價的貼近工程實際的中央空調實驗平臺。

關鍵詞：中央空調；實驗平臺；計算機控制；空氣處理

1 引言

中央空調實驗平臺主要是為建筑環境與設備工程專業實驗教學及相關科研專門開發的實驗平臺，該實驗平臺具有專業性強、功能完善、自動化程度高、價格低廉等優點。適合自主開發，能有針對性的將暖通空調理論教學與工程實踐相結合。

2 系統流程及方案設計

2.1 水系統流程及方案設計

圖1為該實驗平臺的水系統流程圖。主要設計思路是夏季利用壓縮式制冷循環系統制空調冷凍水，冬季利用電加熱裝置制空調熱水?？照{冷凍水系統供水控制溫度設計為7±1℃，空調熱水供水控制溫度設計為50±3℃?？紤]空調冷凍水系統水容量比較小，在冷凍水系統循環管道中增加了一套蓄水箱，體積為0.3-0.5M3，主要目的一是為了防止壓縮機工作過程頻繁啟停，二是可以使空調冷凍水溫度控制精度更高。

作為中央空調的核心裝置冷水機組，市場價格少則上萬多則幾十萬，本設計主要目的為教學實驗用，因此充分考慮了成本問題，自行設計了風冷冷水機組，采用分體式空調KFP-5的外機，其內部已經集成了壓縮機，風冷冷凝器，毛細管節流裝置，最大制冷量10.5kW，蒸發器采用小型的釬焊板式換熱器，換熱量要求12KW以上。在安裝過程中除了在制冷循環的各個部位安裝溫度傳感器外，還可以在制冷劑管道上配置壓力表，以便在工作過程中隨時跟蹤制冷劑循環各點的壓力與溫度的變化。如果在選擇分體空調時機組帶制熱功能，可以通過切換四通換向閥門使該機組制熱水，滿足冬季供熱需要。分體式空調外機與外部蒸發器實際連接如圖2所示，從分體式空調外機接入釬焊板式換熱器的制冷劑管道應該從下往上流，這樣一方面可以增加制冷劑與水的換熱時間，從而增加制冷量；另一方面可以使冷劑在蒸發器內充分蒸發，使回壓縮機的制冷劑全為氣體，保證機組運行安全。

2.2 風系統流程及方案設計

圖3為該實驗平臺的風系統流程圖。主要由空調處理機組、風道及空調房間組成?？照{處理機組由初效過濾器、表冷器、電極式加濕器、離心風機、多級加熱器及中效過濾器及外殼組成。空調處理機組在制作時采用上側面為活動蓋板，方便學生自由拆卸，以便進行觀察與維護。實際制作的空調處理機組內部結構如圖4所示。

空調房間為獨立的密閉房間，可以根據制冷主機容量的大小選擇15-50m2大小的房間，房間內設置可移動支架用于安裝風速及溫濕度傳感器。空調系統的送風口采用散流器送風，回風口采用單百葉回風口。風管道中的三個風閥可以調節使系統處于三種工作模式，即全新風模式、一次回風模式及全回風模式。夏季機組工作原理：空氣經過表冷器被冷卻至機器露點溫度，再經過多級加熱器的加熱，使空氣達到送風溫度及濕度要求進行送風。冬季機組工作原理：空氣經過表冷器后被加熱，再經加濕器的加濕，使空氣達到送風溫度及濕度要求后進行送風。通過初、中效過濾器可以有效的將空氣中的塵埃過濾，達到一定的潔凈要求。

3 計算機數據采集系統與控制系統設計

在設計該空調控制系統時，充分考慮了實用性及實驗性，設計了2套控制系統，一套為電控制柜上的基本功能控制系統，可以在計算機癱瘓狀態下，通過手動啟動正常運行空調系統。另外又利用了先進的計算機控制技術設計了一套強大的實時監控系統，保證實驗數據的實時智能監測。

3.1 控制系統硬件系統結構

計算機控制系統硬件結構如圖5所示。計算機通過RS232/RS485接口與現場控制設備建立連接。其中單總線數據采集器主要采集單總線溫度及濕度數據，可以同時采集幾十路溫度及濕度數據，在該空調系統中我們設置了9個溫度點及6個溫濕度點，可以實時采集不同位置的溫度及濕度數據。開關量控制采集器主要用來控制水泵、制冷主機、模擬電熱鍋爐等設備的啟停，同時采集開關量設備實際運行情況的反饋數據，實時監控設備運行是否正常。模擬量數據控制器主要功能是控制閥門的開度及變頻器的頻率，如通過控制器輸出電壓0-10V，調節閥門使之在0-100%間變化。模擬量數據采集器是采集閥門實際的位置反饋量、空調水流量及房間風速等數據，實時監測系統中的模擬量數據。 夏季相對濕度控制是應用系統采集到的溫濕度經過計算機軟件系統內部運算分析，將控制信號輸出給開關量控制采集器，通過PWM可調脈寬輸出控制固態繼電器，進而達到控制多級加熱器的加熱量，穩定控制夏季空調的相對濕度；冬季相對濕度的控制是通過電極式加濕器對空氣進行加濕處理。

3.2 軟件系統結構

軟件系統采用VC編寫，通過VC自帶串口控件MSComm與現場控制及數據采集設備建立串口通信。由計算機組建的控制系統，主要負責實時采集各點溫度及濕度、空調水流量、房間風速等數據，并保存到數據庫中，計算機軟件通過采集到的數據進行運算處理后，輸出控制指令，啟動或者關閉開關設備及調整閥門開度等，使空調系統處理安全運行狀態。計算機軟件主界面如圖6所示，按照實際空調系統流程設計，運行過程中以動畫模擬的方式顯示各個設備的運行狀態及管道中介質的流動，具有極高的人機交互界面。由于硬件設計時，均采用了標準模塊化設計，充分考慮了學生自行搭建空調自動化控制系統的需求，可以讓學生在實驗中充分發揮想象力，自行應用MCGS、組態王等組態軟件自行組態控制系統。

4 實驗項目

中央空調實驗平臺是一個綜合性的實驗平臺，可以進行的實驗包括：中央空調溫濕度控制實驗，房間內各點溫度濕度及潔凈度測量實驗、房間內溫度變化與控制閥門開度大小關系實驗、制冷循環系統實驗、供冷熱量計量實驗、管道及房間內風速測量實驗、中央空調計算機控制系統實驗、閥門PID控制實驗、風機變頻控制實驗、制冷熱系數測定實驗、中央空調系統調試實驗等等。

5 結束語

通過師生一起共建實驗室平臺，不僅可以提高學生的實踐能力，而且還可以促進教師教學與科研實踐相集合，提高教學質量。經過多年的實驗教學驗證，本實驗平臺在實際運行過程中，運行穩定，實驗結果另人滿意。

參考文獻

[1]張吉光，王利，史自強.空調送風口送風量的測試方法[J].建筑熱能通風空調，2003（6）.

[2]任秀宏，王林，鄭立國.空調表冷器熱工性能測試系統的研制[J].實驗室研究與探索，2011（5）.

作者簡介：姜國偉（1977-），男，遼寧工業大學土木建筑實驗中心實驗師。endprint

摘 要：中央空調實驗平臺是各大、中專院校在專業教學及相關科研中必不可少的實驗平臺。目前市場上存在的實驗平臺大部分是模型化設計，與工程實際存在一定的差距。在教學及科研中也暴露出很大的局限性。針對這樣的不足，我們提出一種廉價的貼近工程實際的中央空調實驗平臺。

關鍵詞：中央空調；實驗平臺；計算機控制；空氣處理

1 引言

中央空調實驗平臺主要是為建筑環境與設備工程專業實驗教學及相關科研專門開發的實驗平臺，該實驗平臺具有專業性強、功能完善、自動化程度高、價格低廉等優點。適合自主開發，能有針對性的將暖通空調理論教學與工程實踐相結合。

2 系統流程及方案設計

2.1 水系統流程及方案設計

圖1為該實驗平臺的水系統流程圖。主要設計思路是夏季利用壓縮式制冷循環系統制空調冷凍水，冬季利用電加熱裝置制空調熱水?？照{冷凍水系統供水控制溫度設計為7±1℃，空調熱水供水控制溫度設計為50±3℃?？紤]空調冷凍水系統水容量比較小，在冷凍水系統循環管道中增加了一套蓄水箱，體積為0.3-0.5M3，主要目的一是為了防止壓縮機工作過程頻繁啟停，二是可以使空調冷凍水溫度控制精度更高。

作為中央空調的核心裝置冷水機組，市場價格少則上萬多則幾十萬，本設計主要目的為教學實驗用，因此充分考慮了成本問題，自行設計了風冷冷水機組，采用分體式空調KFP-5的外機，其內部已經集成了壓縮機，風冷冷凝器，毛細管節流裝置，最大制冷量10.5kW，蒸發器采用小型的釬焊板式換熱器，換熱量要求12KW以上。在安裝過程中除了在制冷循環的各個部位安裝溫度傳感器外，還可以在制冷劑管道上配置壓力表，以便在工作過程中隨時跟蹤制冷劑循環各點的壓力與溫度的變化。如果在選擇分體空調時機組帶制熱功能，可以通過切換四通換向閥門使該機組制熱水，滿足冬季供熱需要。分體式空調外機與外部蒸發器實際連接如圖2所示，從分體式空調外機接入釬焊板式換熱器的制冷劑管道應該從下往上流，這樣一方面可以增加制冷劑與水的換熱時間，從而增加制冷量；另一方面可以使冷劑在蒸發器內充分蒸發，使回壓縮機的制冷劑全為氣體，保證機組運行安全。

2.2 風系統流程及方案設計

圖3為該實驗平臺的風系統流程圖。主要由空調處理機組、風道及空調房間組成?？照{處理機組由初效過濾器、表冷器、電極式加濕器、離心風機、多級加熱器及中效過濾器及外殼組成。空調處理機組在制作時采用上側面為活動蓋板，方便學生自由拆卸，以便進行觀察與維護。實際制作的空調處理機組內部結構如圖4所示。

空調房間為獨立的密閉房間，可以根據制冷主機容量的大小選擇15-50m2大小的房間，房間內設置可移動支架用于安裝風速及溫濕度傳感器?？照{系統的送風口采用散流器送風，回風口采用單百葉回風口。風管道中的三個風閥可以調節使系統處于三種工作模式，即全新風模式、一次回風模式及全回風模式。夏季機組工作原理：空氣經過表冷器被冷卻至機器露點溫度，再經過多級加熱器的加熱，使空氣達到送風溫度及濕度要求進行送風。冬季機組工作原理：空氣經過表冷器后被加熱，再經加濕器的加濕，使空氣達到送風溫度及濕度要求后進行送風。通過初、中效過濾器可以有效的將空氣中的塵埃過濾，達到一定的潔凈要求。

3 計算機數據采集系統與控制系統設計

在設計該空調控制系統時，充分考慮了實用性及實驗性，設計了2套控制系統，一套為電控制柜上的基本功能控制系統，可以在計算機癱瘓狀態下，通過手動啟動正常運行空調系統。另外又利用了先進的計算機控制技術設計了一套強大的實時監控系統，保證實驗數據的實時智能監測。

3.1 控制系統硬件系統結構

計算機控制系統硬件結構如圖5所示。計算機通過RS232/RS485接口與現場控制設備建立連接。其中單總線數據采集器主要采集單總線溫度及濕度數據，可以同時采集幾十路溫度及濕度數據，在該空調系統中我們設置了9個溫度點及6個溫濕度點，可以實時采集不同位置的溫度及濕度數據。開關量控制采集器主要用來控制水泵、制冷主機、模擬電熱鍋爐等設備的啟停，同時采集開關量設備實際運行情況的反饋數據，實時監控設備運行是否正常。模擬量數據控制器主要功能是控制閥門的開度及變頻器的頻率，如通過控制器輸出電壓0-10V，調節閥門使之在0-100%間變化。模擬量數據采集器是采集閥門實際的位置反饋量、空調水流量及房間風速等數據，實時監測系統中的模擬量數據。 夏季相對濕度控制是應用系統采集到的溫濕度經過計算機軟件系統內部運算分析，將控制信號輸出給開關量控制采集器，通過PWM可調脈寬輸出控制固態繼電器，進而達到控制多級加熱器的加熱量，穩定控制夏季空調的相對濕度；冬季相對濕度的控制是通過電極式加濕器對空氣進行加濕處理。

3.2 軟件系統結構

軟件系統采用VC編寫，通過VC自帶串口控件MSComm與現場控制及數據采集設備建立串口通信。由計算機組建的控制系統，主要負責實時采集各點溫度及濕度、空調水流量、房間風速等數據，并保存到數據庫中，計算機軟件通過采集到的數據進行運算處理后，輸出控制指令，啟動或者關閉開關設備及調整閥門開度等，使空調系統處理安全運行狀態。計算機軟件主界面如圖6所示，按照實際空調系統流程設計，運行過程中以動畫模擬的方式顯示各個設備的運行狀態及管道中介質的流動，具有極高的人機交互界面。由于硬件設計時，均采用了標準模塊化設計，充分考慮了學生自行搭建空調自動化控制系統的需求，可以讓學生在實驗中充分發揮想象力，自行應用MCGS、組態王等組態軟件自行組態控制系統。

4 實驗項目

中央空調實驗平臺是一個綜合性的實驗平臺，可以進行的實驗包括：中央空調溫濕度控制實驗，房間內各點溫度濕度及潔凈度測量實驗、房間內溫度變化與控制閥門開度大小關系實驗、制冷循環系統實驗、供冷熱量計量實驗、管道及房間內風速測量實驗、中央空調計算機控制系統實驗、閥門PID控制實驗、風機變頻控制實驗、制冷熱系數測定實驗、中央空調系統調試實驗等等。

5 結束語

通過師生一起共建實驗室平臺，不僅可以提高學生的實踐能力，而且還可以促進教師教學與科研實踐相集合，提高教學質量。經過多年的實驗教學驗證，本實驗平臺在實際運行過程中，運行穩定，實驗結果另人滿意。

參考文獻

[1]張吉光，王利，史自強.空調送風口送風量的測試方法[J].建筑熱能通風空調，2003（6）.

[2]任秀宏，王林，鄭立國.空調表冷器熱工性能測試系統的研制[J].實驗室研究與探索，2011（5）.

作者簡介：姜國偉（1977-），男，遼寧工業大學土木建筑實驗中心實驗師。endprint