基于組態軟件的空調系統虛擬仿真實驗開發＊

吳金順，鞠洪磊，晉 文，白 磊，孫 鵬，楊 潔

（1.華北科技學院，北京 101601；2.濰坊學院，山東 濰坊 261061；3.北京節能環保中心，北京 100029）

1 引言

虛擬仿真技術的優勢在于可以利用目前已有的建模仿真軟件的功能和模塊，避免從頭開始建模。本項目主要采用組態軟件虛擬仿真的技術，針對建筑環境與能源應用專業的空調系統進行開發，其創新之處是克服了常規實驗教學手段的局限性，提高了學生對復雜問題的認知能力，為提高學生創新能力提供學習平臺，也為今后其它類似項目的研究提供參考依據。實現“以虛為主，虛實結合，以虛補實，以實驗虛”教學改革新理念。

本項目開發的對象是建筑環境與能源應用工程專業的實驗內容，全空氣空調系統，全空氣空調系統主要應用于大型公共建筑，建筑的冷熱負荷全部由空氣承擔。用空氣作為載體輸送冷量或熱量，作為載體的空氣是在組合式空調機組中進行處理（包括過濾、冷卻、加熱、加濕）等過程。而提供冷量和熱量的源設備與空調機組運行過程，在傳統的實驗過程中學生無法觀察到。因此我們有必要利用組態等模擬軟件進行開發此項目，通過建立系統模型，可以讓學生直觀生動的看到空調系統運行圖像，對書本上的理論和平面知識有更深層次的理解，該系統也可進行幾種典型設計工況轉換調試，實現虛擬與實際試驗的交互理解和深化。

2 模型建立

2.1 在FameView 中新建項目和畫面并在畫面中設置好與設計圖對應的圖片

具體操作：打開FameView 軟件，在菜單欄點擊項目按鈕，在其下拉菜單中選擇新建選項，給項目命名。在新建的項目中選擇新建畫面。

根據全空氣空調系統的CAD 設計圖的要求，在新建畫面（夏季及變風量和冬季圖）中設置風槽，流水管道及各種在設計圖中出現裝置的圖片，我們在FameView 的圖庫中查找能符合我們要求的各種圖片，由于組態軟件“所見即所得”的特性，使得在圖庫中找到對應圖形后直接拖動或復制即可把圖片放在畫面中，所有的圖都是可以自由控制大小的，把它調整到合適的形狀放在畫面的指定位置上。

2.2 在設置的風槽和流水管道上放置畫面控件：流動管道，給每條流動管道設置對應的屬性

設計思路為：變溫度控制分析；變風量控制分析；在變風量時分為三個不同的風量；最小送風量、中間送風量和最大送風量。所以在給風槽上放置三個不同的流動管道，它們的流動間隔分別為200、100和50，顏色對應著相應溫度的顏色。

（1）在軟件的左側功能區域“基本應用”選項的運行數據庫中新建“內部開關變量”，如“溫度1”。在此設置“溫度1”屬性，1為啟動，0為停止，初始狀態為1說明初始時表示溫度1的流動管道啟動。

（2）給每條流動管道設置顏色、流動方向、動態起停和動態可視屬性。

（3）全空氣空調系統的全部“內部開關變量”包括冬季、畫面流動、冷卻塔風、中間送風量、最大送風量、最小送風量、溫度（1、2、3）等，并設置對應的屬性。

2.3 在畫面中添加“控制面板”，在面板上可分別對溫度和風量進行控制

具體操作：在控制面板上添加“文本變量-標簽”可以使用戶清楚的明白所控制的對象，并且在對應的標簽下添加相應的普通按鈕（見圖1）。

圖1 文本對象所對應的屬性表

處理腳本是一段VBScript代碼，如下：

此代碼可以通過按鈕控制流動管道的啟停與是否可視，切換畫面使按鈕擁有畫面替換功能。配置“開關變量”屬性可以使按鈕具有控制有關控件啟停與可視的功能。此外還可以通過控制有關控件的相關屬性實現圖片對象的閃爍與可見功能。

2.4 給全空氣空調系統的所有的裝置標上名稱和運行測試

具體操作：添加“文本變量-標簽”，最后在對畫面處理完成后就是對畫面進行運行測試。在工具箱中的右下角有一個綠色按鈕，點擊它會出現一個選擇窗口，選擇第一個“演示模式（不限變量，30分鐘）”即可使畫面運行對其進行測試。

3 運行分析

仿真模型中的全空氣系統分別在不同溫度和風量工況下運行，通過圖2控制界面選擇運行方案。

圖2 運行控制界面

3.1 定風量

定風量時，分為三個溫度控制，分別為溫度1、溫度2以及溫度3，溫度1和溫度2為夏季溫度，且溫度1高于溫度2，溫度3為冬季溫度，風量不變時管道水系統的顏色隨著溫度的降低變淺，即溫度1時顏色最深，溫度2其次，溫度3最淺。

夏季工況下用冷卻塔和空氣進行循環換熱，室內冷負荷全部由載體媒介空氣承擔。冬季工況下用地源熱泵進行換熱，室內熱負荷全部由載體媒介空氣承擔。

3.2 定溫度

定溫度時，只改變風量，例如：控制溫度在溫度1，有三檔風速開關，從左至右速度以此增加，速度的快慢可以從風管內空氣運動的方塊移動的頻率來辨識。

以夏季為例，控制溫度為溫度1不變分析工況運行狀態。最小風量工況下蒸發溫度較低，因此冷卻塔或熱泵端流速較大，方塊移動的頻率大。最大風量工況下蒸發溫度較高，因此冷卻塔或熱泵端流速較小，方塊移動的頻率小。

4 結束語

基于組態的空調系統模擬仿真實驗是可行的，它可以解決傳統教學實驗中存在的一些問題，可以進行動態可視化教學和實驗研究，便于學生理解和構建中央空調系統的整體模型。本項目可以提供數據信息，促進學校信息化、網絡化、社會開放、產學研結合等多方面建設。如果我們將來進一步提高該項目的計算功能模型塊，與實際工程相結合，可以為建筑空調系統的設計、施工、安裝、運行維護提供精細的可視的數據信息和動態平面圖。

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