基于組態(tài)軟件的空調(diào)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)＊

吳金順，鞠洪磊，晉 文，白 磊，孫 鵬，楊 潔

（1.華北科技學(xué)院，北京 101601；2.濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061；3.北京節(jié)能環(huán)保中心，北京 100029）

1 引言

虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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(xiàng)目主要采用組態(tài)軟件虛擬仿真的技術(shù)，針對(duì)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用專業(yè)的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，其創(chuàng)新之處是克服了常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的局限性，提高了學(xué)生對(duì)復(fù)雜問題的認(rèn)知能力，為提高學(xué)生創(chuàng)新能力提供學(xué)習(xí)平臺(tái)，也為今后其它類似項(xiàng)目的研究提供參考依據(jù)。實(shí)現(xiàn)“以虛為主，虛實(shí)結(jié)合，以虛補(bǔ)實(shí)，以實(shí)驗(yàn)虛”教學(xué)改革新理念。

本項(xiàng)目開發(fā)的對(duì)象是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，全空氣空調(diào)系統(tǒng)，全空氣空調(diào)系統(tǒng)主要應(yīng)用于大型公共建筑，建筑的冷熱負(fù)荷全部由空氣承擔(dān)。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(diào)機(jī)組中進(jìn)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(shè)備與空調(diào)機(jī)組運(yùn)行過程，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生無法觀察到。因此我們有必要利用組態(tài)等模擬軟件進(jìn)行開發(fā)此項(xiàng)目，通過建立系統(tǒng)模型，可以讓學(xué)生直觀生動(dòng)的看到空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行圖像，對(duì)書本上的理論和平面知識(shí)有更深層次的理解，該系統(tǒng)也可進(jìn)行幾種典型設(shè)計(jì)工況轉(zhuǎn)換調(diào)試，實(shí)現(xiàn)虛擬與實(shí)際試驗(yàn)的交互理解和深化。

2 模型建立

2.1 在FameView 中新建項(xiàng)目和畫面并在畫面中設(shè)置好與設(shè)計(jì)圖對(duì)應(yīng)的圖片

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

根據(jù)全空氣空調(diào)系統(tǒng)的CAD 設(shè)計(jì)圖的要求，在新建畫面（夏季及變風(fēng)量和冬季圖）中設(shè)置風(fēng)槽，流水管道及各種在設(shè)計(jì)圖中出現(xiàn)裝置的圖片，我們?cè)贔ameView 的圖庫(kù)中查找能符合我們要求的各種圖片，由于組態(tài)軟件“所見即所得”的特性，使得在圖庫(kù)中找到對(duì)應(yīng)圖形后直接拖動(dòng)或復(fù)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(diào)整到合適的形狀放在畫面的指定位置上。

2.2 在設(shè)置的風(fēng)槽和流水管道上放置畫面控件：流動(dòng)管道，給每條流動(dòng)管道設(shè)置對(duì)應(yīng)的屬性

設(shè)計(jì)思路為：變溫度控制分析；變風(fēng)量控制分析；在變風(fēng)量時(shí)分為三個(gè)不同的風(fēng)量；最小送風(fēng)量、中間送風(fēng)量和最大送風(fēng)量。所以在給風(fēng)槽上放置三個(gè)不同的流動(dòng)管道，它們的流動(dòng)間隔分別為200、100和50，顏色對(duì)應(yīng)著相應(yīng)溫度的顏色。

（1）在軟件的左側(cè)功能區(qū)域“基本應(yīng)用”選項(xiàng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)中新建“內(nèi)部開關(guān)變量”，如“溫度1”。在此設(shè)置“溫度1”屬性，1為啟動(dòng)，0為停止，初始狀態(tài)為1說明初始時(shí)表示溫度1的流動(dòng)管道啟動(dòng)。

（2）給每條流動(dòng)管道設(shè)置顏色、流動(dòng)方向、動(dòng)態(tài)起停和動(dòng)態(tài)可視屬性。

（3）全空氣空調(diào)系統(tǒng)的全部“內(nèi)部開關(guān)變量”包括冬季、畫面流動(dòng)、冷卻塔風(fēng)、中間送風(fēng)量、最大送風(fēng)量、最小送風(fēng)量、溫度（1、2、3）等，并設(shè)置對(duì)應(yīng)的屬性。

2.3 在畫面中添加“控制面板”，在面板上可分別對(duì)溫度和風(fēng)量進(jìn)行控制

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

圖1 文本對(duì)象所對(duì)應(yīng)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(dòng)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(guān)變量”屬性可以使按鈕具有控制有關(guān)控件啟停與可視的功能。此外還可以通過控制有關(guān)控件的相關(guān)屬性實(shí)現(xiàn)圖片對(duì)象的閃爍與可見功能。

2.4 給全空氣空調(diào)系統(tǒng)的所有的裝置標(biāo)上名稱和運(yùn)行測(cè)試

具體操作：添加“文本變量-標(biāo)簽”，最后在對(duì)畫面處理完成后就是對(duì)畫面進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試。在工具箱中的右下角有一個(gè)綠色按鈕，點(diǎn)擊它會(huì)出現(xiàn)一個(gè)選擇窗口，選擇第一個(gè)“演示模式（不限變量，30分鐘）”即可使畫面運(yùn)行對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

3 運(yùn)行分析

仿真模型中的全空氣系統(tǒng)分別在不同溫度和風(fēng)量工況下運(yùn)行，通過圖2控制界面選擇運(yùn)行方案。

圖2 運(yùn)行控制界面

3.1 定風(fēng)量

定風(fēng)量時(shí)，分為三個(gè)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(fēng)量不變時(shí)管道水系統(tǒng)的顏色隨著溫度的降低變淺，即溫度1時(shí)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(jìn)行循環(huán)換熱，室內(nèi)冷負(fù)荷全部由載體媒介空氣承擔(dān)。冬季工況下用地源熱泵進(jìn)行換熱，室內(nèi)熱負(fù)荷全部由載體媒介空氣承擔(dān)。

3.2 定溫度

定溫度時(shí)，只改變風(fēng)量，例如：控制溫度在溫度1，有三檔風(fēng)速開關(guān)，從左至右速度以此增加，速度的快慢可以從風(fēng)管內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的方塊移動(dòng)的頻率來辨識(shí)。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

基于組態(tài)的空調(diào)系統(tǒng)模擬仿真實(shí)驗(yàn)是可行的，它可以解決傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中存在的一些問題，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化教學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究，便于學(xué)生理解和構(gòu)建中央空調(diào)系統(tǒng)的整體模型。本項(xiàng)目可以提供數(shù)據(jù)信息，促進(jìn)學(xué)校信息化、網(wǎng)絡(luò)化、社會(huì)開放、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合等多方面建設(shè)。如果我們將來進(jìn)一步提高該項(xiàng)目的計(jì)算功能模型塊，與實(shí)際工程相結(jié)合，可以為建筑空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、安裝、運(yùn)行維護(hù)提供精細(xì)的可視的數(shù)據(jù)信息和動(dòng)態(tài)平面圖。

［1］趙榮義，范存養(yǎng)，薛殿華，等.空氣調(diào)節(jié)［M］.4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008：60-152.

［2］張昌，史琳.熱泵技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：127-180.

［3］孔國(guó)利，張波，杜保強(qiáng).基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)組態(tài)軟件［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（6）：50-53.

［4］劉華波，王雪，何文雪，等.組態(tài)軟件WinCC及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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