暖通空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制管理分析

閆澤磊 單梅

【摘要】介紹了計(jì)算機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)原理，梳理了暖通空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)智能控制管理的優(yōu)化思路，闡述了暖通空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)智能控制管理系統(tǒng)主要功能模塊的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式，供參考。

【關(guān)鍵詞】暖通空調(diào)系統(tǒng);計(jì)算機(jī)控制;功能模塊;硬件設(shè)計(jì)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.24.

暖通系統(tǒng)包含建筑采暖、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)三項(xiàng)功能，是日常生活中不可或缺的內(nèi)容。在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)中，上述所有功能在實(shí)現(xiàn)方式方面都較為單一，且智能化程度嚴(yán)重不足。比如通風(fēng)，完全由室內(nèi)人員自行通過開窗的方式完成，無法由系統(tǒng)對室內(nèi)空氣指數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)數(shù)值變化時(shí)自行通風(fēng)。隨著技術(shù)的不斷升級，建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)智能控制管理。大幅度提升了建筑的居住舒適感。

1、計(jì)算機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)原理

清華大學(xué)教授江億早在20世紀(jì)90年代末便對計(jì)算機(jī)控制管理做出過精確定義——以計(jì)算機(jī)為核心部分的監(jiān)測控制系統(tǒng)[1]。此種系統(tǒng)的科學(xué)說法是“直接控制系統(tǒng)”，對測量數(shù)據(jù)的處理、控制算法均以數(shù)字計(jì)算作為基礎(chǔ)[2]。在計(jì)算機(jī)控制管理模式出現(xiàn)之前的“監(jiān)測”工作幾乎都是依靠人工查驗(yàn)與系統(tǒng)通路相連的儀器儀表，通過記錄讀數(shù)的方式，收集系統(tǒng)運(yùn)行信息。而在計(jì)算機(jī)控制管理模式出現(xiàn)之后，傳統(tǒng)的模擬儀表系統(tǒng)便逐漸向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)過渡。事實(shí)上，早期的計(jì)算機(jī)控制管理系統(tǒng)即是單片機(jī)控制系統(tǒng)，主要的運(yùn)行原理為：

（1）元器件組成：①控制芯片（如89C51單片機(jī)）;②功能電路（以暖通空調(diào)系統(tǒng)為例，該電路中有空調(diào)，有溫度傳感器，有連接線，有或沒有PLC可編程邏輯控制）;③電源。

（2）運(yùn)行原理：將控制芯片（計(jì)算機(jī)）、暖通空調(diào)系統(tǒng)電路、電源三者完成連接。實(shí)際上，如果沒有計(jì)算機(jī)，則暖通空調(diào)系統(tǒng)與電源之間即為用電設(shè)備與電源之間的連接，將該系統(tǒng)放置于某個(gè)建筑的一個(gè)房間之中后，由房內(nèi)人員根據(jù)室內(nèi)溫度決定是否開啟空調(diào)，目的在于使室內(nèi)溫度維持在“舒爽”狀態(tài)，需避免過涼和過熱。但完全依靠人工進(jìn)行溫度調(diào)整的過程缺乏“智能性”，故需在系統(tǒng)內(nèi)增設(shè)“智能管理”功能模塊，實(shí)現(xiàn)這一功能的便為計(jì)算機(jī)（發(fā)揮具體作用的是期內(nèi)的控制芯片）。技術(shù)人員根據(jù)居住在室內(nèi)人員對環(huán)境溫度的需求，編寫溫度監(jiān)控和控制空調(diào)設(shè)備的程序，將之導(dǎo)入控制芯片后，便初步完成了計(jì)算機(jī)智能控制管理的設(shè)定。此種簡單的暖通空調(diào)計(jì)算機(jī)智能管理系統(tǒng)早已應(yīng)用于千家萬戶。具體而言，幾乎所有的空調(diào)設(shè)備都自帶“溫度控制功能”，即在空調(diào)處于接通電源的狀態(tài)時(shí)，用戶可以同時(shí)“激活”空調(diào)的“溫度監(jiān)控”和“溫度調(diào)節(jié)”功能。比如，一戶居民認(rèn)為自己處于25℃的環(huán)境時(shí)，便會(huì)感到“非常舒適”，則其會(huì)調(diào)整空調(diào)的功能，命令空調(diào)“監(jiān)測室內(nèi)溫度”，如果溫度不是25℃，便會(huì)吹出冷氣或熱氣，使室內(nèi)溫度穩(wěn)定保持在25℃。

2、暖通空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)智能控制管理的優(yōu)化思路

上文所述的暖通空調(diào)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)智能控制管理功能已經(jīng)成功實(shí)施。但隨著生活水平的提升，人們對居住舒適性提出了更高的要求。比如相較于普通建筑，現(xiàn)代智能建筑為了帶給居民更加良好的居住體驗(yàn)，需要實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的資源共享。為實(shí)現(xiàn)此種功能，需在下列方面優(yōu)化暖通空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)智能控制方案：（1）在計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)中增加“暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的能量狀況分析”功能。此功能的“優(yōu)化”之處在于，不僅包含上文所述的“溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)”功能，還會(huì)借助傳感器，監(jiān)控并收集空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間產(chǎn)生的所有參數(shù)。相關(guān)信息傳遞至計(jì)算機(jī)總控端后，系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的分析程序會(huì)對空調(diào)系統(tǒng)對溫度的調(diào)節(jié)質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)目的時(shí)的平均能耗進(jìn)行自主計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，由于計(jì)算機(jī)智能控制管理系統(tǒng)的程序庫中提前存儲(chǔ)了“空調(diào)健康使用的相關(guān)數(shù)據(jù)”，系統(tǒng)可結(jié)合客觀數(shù)據(jù)，幫助用戶制定出最佳的溫度調(diào)節(jié)方案，進(jìn)而全面提升計(jì)算機(jī)智能控制管理系統(tǒng)的性能。（2）上述功能的實(shí)現(xiàn)完全依賴電能，盡管在“系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)”層面彰顯了“智能性”，但整體的智能化程度并不高。原因在于：現(xiàn)代建筑的建設(shè)過程十分注重對自然能源的運(yùn)用。比如，如果室外溫度為25℃，則通過“過堂風(fēng)”的原理，加上建筑墻壁對陽光的遮擋作用，可將室內(nèi)溫度控制在20℃左右。如果不采用此種調(diào)節(jié)方式，關(guān)閉所有門窗，完全借助空調(diào)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，則室內(nèi)溫度也可以穩(wěn)定在20℃。相較之下，前一種方案的智能性、經(jīng)濟(jì)性更高。基于此，提升暖通空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)智能控制管理系統(tǒng)智能性的第二項(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路為，盡量運(yùn)用自然資源，降低設(shè)備能耗。

3、暖通空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)智能控制管理的目標(biāo)與特點(diǎn)

3.1實(shí)現(xiàn)太陽能、電能、空氣能熱源的融合應(yīng)用

空氣中含有大量的熱量，分為“顯熱”和“潛熱”兩種。與太陽能和風(fēng)能相同，空氣熱量也是一種清潔能源。如果暖通空調(diào)系統(tǒng)能夠充分利用這些熱量，即將空氣中的“低品位熱能”進(jìn)行收集，實(shí)現(xiàn)暖風(fēng)輸送、水分加熱，必定有助于降低暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗?；诖朔N理念，暖通空調(diào)系統(tǒng)中新增的“空氣源熱泵”已經(jīng)在國內(nèi)外得到了較為廣泛的使用。但空氣中的熱量向人類能夠使用的熱能進(jìn)行轉(zhuǎn)化的效率畢竟較低，故無法成為一種單獨(dú)能源。基于此，通過計(jì)算機(jī)智能控制管理系統(tǒng)，控制空氣源熱泵收集空氣熱量的同時(shí)，還可以同時(shí)納入太陽能、電能，進(jìn)而使三種不同來源的能量在一定程度上完成融合，避免造成浪費(fèi)。

3.2提高管理系統(tǒng)的自動(dòng)化控制程度

對于學(xué)生宿舍、酒店等含有中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的場所來說，在滿足學(xué)生、客人需求的前提下，盡量控制暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間產(chǎn)生的能耗至關(guān)重要。為實(shí)現(xiàn)這一目的，需提高計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)的自動(dòng)化控制程度。具體而言：對太陽能集熱水箱、空調(diào)水箱、洗浴水箱內(nèi)的水溫、自來水溫進(jìn)行全面監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)任意一處的水溫與預(yù)設(shè)值出現(xiàn)差異時(shí)（具體的標(biāo)準(zhǔn)可以不同），需統(tǒng)籌當(dāng)前可運(yùn)用的能源，采用最優(yōu)方式完成溫度的調(diào)整。比如天氣晴朗、陽光明媚的情況下，太陽能熱水器可有效轉(zhuǎn)化太陽能，完成對水的加熱;若是在陰雨天氣，則計(jì)算機(jī)控制管理系統(tǒng)可選擇電能作為主要能源，避免水溫降低。

4、暖通空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制管理硬件構(gòu)成

4.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)模塊設(shè)計(jì)

在多功能、覆蓋范圍廣的暖通空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制管理系統(tǒng)中，下位機(jī)模塊的硬件構(gòu)成為：第一，CPU為具有100個(gè)功能管腳的STM32F103VET6芯片，程序存儲(chǔ)器的容量為512KB、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量為64K。該芯片的時(shí)鐘頻率為72MHz，模擬電路向數(shù)字電路的轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)具體值為“3”;嵌入式接口的類型共分為7種，包含CAN、I2C、SPI在內(nèi)。第二，該下位機(jī)模塊處于工作狀態(tài)時(shí)，電源電壓的范圍為2V～3.6V，在實(shí)現(xiàn)對暖通空調(diào)系統(tǒng)溫度進(jìn)行檢測的同時(shí)，還可以兼并接受PC端發(fā)送的控制指令。第三，一般的暖通空調(diào)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)智能控制管理功能實(shí)現(xiàn)需要使用的輸入/輸出端口（I/O口）為：ADC、DAC、DMA、PWM四個(gè)16為通用定時(shí)器;此外， 還需包含三個(gè)同步或異步收發(fā)器，用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分之間的信息通訊功能（比如由溫度傳感器組成的溫度監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某一個(gè)區(qū)域內(nèi)的洗浴用水存儲(chǔ)箱內(nèi)水的溫度已經(jīng)低于標(biāo)準(zhǔn)值3℃，則相關(guān)信息會(huì)通過收發(fā)器實(shí)現(xiàn)監(jiān)控模塊箱計(jì)算機(jī)智能控制管理模塊的傳遞）。第四，選用標(biāo)準(zhǔn)的JTAG/SWD調(diào)試下載口，其用處為與JLINK調(diào)試器相連接（STM32支持SWD調(diào)試）。通過此種設(shè)置，能夠使計(jì)算機(jī)智能控制管理系統(tǒng)啟動(dòng)行期間減少程序運(yùn)行方面的問題。

4.2暖通空調(diào)系統(tǒng)的溫度采集模塊設(shè)計(jì)

上文提到，在暖通空調(diào)系統(tǒng)中，溫度的監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)“智能化”的第一步。溫度作為一種熱量信號(hào)，經(jīng)由溫度（熱量）傳感器收集之后，需要將之轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，進(jìn)而經(jīng)由通路傳遞至計(jì)算機(jī)控制端（芯片處理器）。為實(shí)現(xiàn)這一功能，系統(tǒng)中必須具備溫度采集功能。仍然以學(xué)生宿舍或酒店等居住人數(shù)多、系統(tǒng)監(jiān)測覆蓋范圍廣的區(qū)域?yàn)槔？紤]到人數(shù)、范圍、持續(xù)性方面的要求，決定采用10K的t106-10k熱敏電阻感溫探頭作為主要的外接功能設(shè)備。該設(shè)備的主要布置區(qū)域?yàn)楦鱾€(gè)關(guān)鍵的溫度監(jiān)測點(diǎn)（即上文所述的太陽能集熱水箱、空調(diào)水箱、洗浴水箱內(nèi)、自來水存儲(chǔ)箱等）。需要指出的是，此種熱敏電阻自身具備的靈敏度符合“直觀、線性”的描述，可對監(jiān)控系統(tǒng)電路中的電阻值、電壓值之間的關(guān)系進(jìn)行精準(zhǔn)顯示。通過此種設(shè)置，溫度傳感器監(jiān)測電路會(huì)將電阻阻值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?在此基礎(chǔ)上，電壓值會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳遞至芯片端，經(jīng)過處理后，可測量出最重的A1阻值。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中預(yù)先存有熱敏電阻器的溫度-電阻對應(yīng)表，故可將A1阻值轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際溫度，體現(xiàn)在上位機(jī)顯示屏幕中。

4.3溫度智能調(diào)整模塊設(shè)計(jì)

與溫度相關(guān)的模塊在設(shè)計(jì)方面主要包含兩種電路：其一，溫度信息采集電路，即通過溫度傳感器，實(shí)時(shí)對目標(biāo)區(qū)域的溫度情況進(jìn)行監(jiān)督，并完成信息的收集。實(shí)現(xiàn)該功能的模塊構(gòu)建主要運(yùn)用STM32F103VET6芯片的29～34共6個(gè)引腳，具體位置CD4067（D、C、B、A），分列29～32，以及key10 cpu和key9 cpu。用于支持該功能的調(diào)用函數(shù)分別為ADC庫函數(shù)、SPI庫函數(shù)、TIM庫函數(shù)。如此設(shè)置之下，STM32F103VET6芯片和熱敏電阻t106-10k之間便可完成溫度信號(hào)的收集、傳輸、處理。其二，信號(hào)的傳輸。此處需要外接一個(gè)24功能引腳的單片機(jī)，其中，STM32F103VET6芯片的29～32號(hào)引腳應(yīng)與外接24功能引腳單片機(jī)的10、11、13、14號(hào)對應(yīng)引腳相連接（雙向模擬開關(guān)），即可在主電路的驅(qū)動(dòng)下，完成溫度信號(hào)的傳輸。

結(jié)語：

實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)智能控制管理的難度并不大，需要解決的核心問題在于，如何精準(zhǔn)地獲取目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域的溫度，如何將相關(guān)信息實(shí)時(shí)傳遞至計(jì)算機(jī)控制端（芯片）。在此基礎(chǔ)上，由系統(tǒng)下達(dá)指令，實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)整，即可全面提升暖通空調(diào)系統(tǒng)的智能程度。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

閆澤磊（1988.09-），性別：男，民族：漢，籍貫：內(nèi)蒙古赤峰人，學(xué)歷：本科，現(xiàn)有職稱：中級工程師，研究方向：暖通設(shè)計(jì)。