供熱空調中設備自動化的應用研究

（吉林省石油化工設計研究院，長春 130000）

隨著我國當今科學技術和經濟水平騰飛發展，用戶對建筑的設計要求和使用需求也越來越高，無論是對生活狀態的舒適性，還是對工作效率的快捷性都提出了新的挑戰。基于此，產生了供熱空調中對于建筑設備的自動化設計的需求。

為了更加方便快捷地進行供熱空調系統的工程設計，工程師可以按需設計、靈活運用自動控制技術，在供暖空調中加入新的設計元素，使新技術行之有效地優化改善系統的運行質量、減少運行能耗、提高管理經營水平等等。從而體現出更佳的社會效益與經濟效益，可以更加充分地滿足人們的需求。

1 供熱空調自控系統的現狀

近年來，“樓控”一詞漸漸被人們所熟知，與之相近的，就是我們曾經想象中的智能樓宇?，F今，智能樓宇技術還不夠成熟，但“智能家居”卻日新月異。例如：當今的小米智能家居，可以通過手機APP 及人機直接對話等方式進行家居系統的總控，通過用戶家里的WiFi 鏈接戶內各種小米電器，達到家居電器智能控制的目的。

智能樓宇在某種層面上可以說是智能家居的進階版，樓宇自控不再僅僅是著眼于一家一戶，而是在建筑總體設計層面上就開始進行總體智能控制。樓控也是用網絡，把不同設備應用自動控制系統連接在一起，用中央控制器統籌控制調節。在需要控制的相應部位設置傳感器，通過形成控制開關及熱電、光電控制電路等控制裝置，對設備進行狀態監測、實時監控。通過電路的反饋調節系統，將設備數據反饋回中央控制器，中央控制器再進行綜合分析處理，并把反饋結論及處理方式發送回終端控制設備進行反饋調節，從而進行實時調控。

供熱空調系統在整個智能建筑的樓控設計中，設計成本占據了相當大的比例。在大型公共建筑中，僅僅供熱空調系統的能耗，就可以達到總能耗的近60%。從目前實際狀況來看，供熱空調與自動化系統相結合的控制策略還略顯單薄，例如：供熱管網熱計量設備的實際應用還處于初級階段。雖然很多地區已在進入門戶安裝了熱計量裝置，在換熱站總控室可在線實時監控用戶的供熱溫度，但由于距離及電子反饋調節設備的限制，現階段的溫度調控與期望中的可隨時調節各用戶供熱量還有相當大的一段距離。

現今首要問題是繼續探索供熱空調系統中的自動化處理，在供熱空調與自動化控制的融合設計中進行更加深入的研究與發展，爭取早日做到供熱空調系統與自動智能化和諧控制。

2 供熱空調自控系統的意義

供熱空調自控調節系統的本質是通過對系統中不同的數據進行在線檢控，由中央控制器進行統一的管理，對供熱空調系統中的不同設備、不同的運行工況，進行全面的監管和運行處理。再通過反饋系統，對設備運行中出現的各種工況故障進行反饋控制處理、危險暫停、及報警等等，由此對供熱空調系統各組件設備進行整體有效的安全防護措施。

供熱空調自控調節系統還具備對供熱空調各組件進行統一調控的功能，調控功能不僅可以有效地均衡各組件之間的運行數據、時間及狀態，也可以增加各設備的使用效率，減少設備的滯后時間，延長設備的使用壽命。與此同時，供熱空調自控調節系統還具備對整個組件設備進行實時監控反饋的功能。監控反饋功能可以根據各組件設備不同時刻的實際運行狀況反饋運行參數，終端系統統一收集數據進行整合分析，完成自動反饋調節，最終形成脫離人工控制的自動反饋調節控制系統，從而達到系統最高運行效率，降低實際耗能，積極響應國家綠色節能、節能減排政策[1]。

3 供熱空調自控系統的特點

3.1 系統的干擾因素較多

供熱空調系統的干擾包括兩部分：外部干擾和內部干擾。外部干擾主要特指送風過程和圍護結構傳熱過程中所產生的一系列干擾。內部干擾特指室內電器設備、室內照明設備等產生的熱量對室內溫度變化的影響。

3.2 效果取決于控制對象

供熱空調自動控制的主要任務，通常是希望空調房間的的溫度和濕度達到所需期望值，并可以長久保持。對于控制結果的好壞，很大程度上則取決于空調系統本身情況，而不是由自動控制系統來塑造。因此，了解空調對象的使用需求及特征條件，是在設計過程中極為關鍵的重要方面。

3.3 個體與整體密切相關

由于供熱空調系統的主要控制任務就是控制室內溫度與室內濕度，且兩個參數之間，存在互相依存、互相影響的關系，所以設計人員在調節對象時，通常是將這兩個參數同時進行調節操作的。系統通過對工況和空氣的各種操作處理，使得每個組成部分，都能與整體的控制系統進行緊密的相互連接。若過程中任何一部分發生問題，都會對整體的室內溫濕度調節結果產生直接的影響，嚴重時，會導致調節系統無法正常運轉甚至產生危險。

3.4 自動控制工況的轉換

供熱空調系統通常是按照系統工作的狀況進行實時調控的，所以當設計自控系統時，應該包含系統工況的自動轉換環節。除此之外，從節能的角度上來說，系統還應包含當對工況的轉換進行調控時，全年運行的供熱空調系統，當運用工況轉換處理手段之后，應使運行效率處在一個較高的峰值上。

系統運行時，為了減少處理空氣時遇到的冷熱量相互抵消現象的發生，就需要對新風系統、回風系統和空氣處理系統的節能潛力進行綜合運用，充分發揮其運行節能的效果。因此，除了需考慮自動調節系統對溫、濕度的正確節能策略之外，還需考慮整體系統與工況自動轉換控制機制的配合。

4 供熱空調自控系統的分類

供熱空調自控系統按照被調控參數的不同，可分為四類：濕度控制系統、溫度控制系統、液位控制系統和壓力控制系統。

供熱空調自控系統按照被調控參數的給定數值不同，可分為三類：隨動控制系統、定值控制系統和程序控制系統。

供熱空調自控系統按照自動調節器進行實際動作與動作時間的不同參數設定，可分為二類：斷續控制系統和連續控制系統。

供熱空調自控系統按照系統結構難易的不同，可分為二類：復雜控制系統和簡單控制系統[1]。

5 供熱空調自控系統的應用

當今社會供熱空調自控系統的應用還是較為廣泛的，系統目前主要由前饋控制、串級調節、DDC控制、新風機組控制、空調機組控制、變風量末端控制、通風空調監控和空調冷熱水控制等控制系統組成，原理圖見圖1。

前饋控制系統的主要作用是對被測端的主要干擾量進行強制調節的一種調控機制。如：電加熱器，使用電加熱器時，需給定預達水溫，通過控制電量對進水進行加熱，使出水達到所需水溫。但前饋調節系統往往只能對主要干擾量進行調節，當系統存在多種干擾量時，僅使用前饋調節系統并不能完全補償系統被控參數的影響，如：電加熱器系統中存在的進水流速干擾量。所以，在供熱空調系統的實際應用當中，設計人員通常是將前饋控制與反饋控制系統相結合，進行靈活運用，最終實現系統的精準控制。

圖1 暖通空調自動控制系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of HVAC automatic control system

串級調節系統常用與空調的精準調節當中，把主調節器的輸出作為副調節器的外部給定值[2]。串級調節系統主要包括兩個部分組成：內部環節和外部環節。外部環節的被調參數通常受到的干擾比較大，單純滯后影響比較小。其中，反應靈敏的參數，通常都是運用比例積分調節器或者是比例調節器進行運算調控的。外部環節調節對象的時間常數，通常要比內部調節對象的時間常數值小很多，調節效果也更加突出。

串級調節系統的時間常數數值相對較大，且系統對于調節對象的單純滯后影響也是不可忽視的。當供熱空調系統熱濕干擾影響嚴重時，應用串級調節系統就是一個非常不錯的方法。內部環節調節對象的干擾，則是通過主調節器對副調節器的給定值的改變，進而實現送風溫度對室內溫度的調整。由此降低室內溫度的變化，最終控制室內溫、濕度控制調節的所需舒適度。

DDC 控制系統主要包括兩個部分：操作軟件和應用軟件。設計人員在整個系統設計中，若充分靈活運用DDC 控制系統，則在對設備進行控制時，可按需創造溫、濕度適宜的室內環境，并且可通過熱回收、二次回風利用等措施，實現節能減排的效果。

操作軟件的主要作用，是針對于DDC 控制系統的基本操作。而應用軟件的主要作用，則是針對各種專業設備進行的同一操控。DDC 控制系統軟件的合理優化設置，對供熱空調系統的運行效率，甚至整套設備的運營投資回收期，都有著十分重要的直接影響。

在供熱空調控制系統中，新風機組控制系統是其中重要的組成部分。新風機組控制系統的主要作用就是統籌安排好系統的新風量與送風量的大小，合理完成系統對設備風量要求。新風機組控制系統主要由風管式溫度濕度傳感器、新風閥門控制器、過濾網壓開關、電動裝置和配電裝置等硬件組成[3]。

系統在實現自動控制時，首先，由中央控制器控制系統總控開關按鈕，進行系統中風機設備的啟?？刂?。與此同時，系統運行時通過感應器對送風管道中介質溫度的測定，把測定溫度與比較器中的設定溫度進行差值比較，若存在差值，則控制調節溫度控制器，使其對冷熱水管上的閥門開度進行控制，以便調節供回管道內介質的流量，進而對送風溫度進行負反饋調節，周而復始，最終使結果達到系統所需送風溫度。

在新風機組控制系統中，濕度控制的操作不同與溫度控制那么復雜，濕度控制只需在控制系統中，設置好所需濕度的上下限值，控制好加濕閥的開度，就可以簡單完成系統對濕度大小的要求。

空調機組控制主要有新風及回風驅動裝置、風管式溫度、濕度傳感器、過濾器、過濾開關和相應的配電裝置[4]。

供熱空調自控系統中的溫度控制，主要可分為二類：冬季熱風溫度控制、夏季冷風溫度控制兩種方式。除此之外，還可以用閥門開度的大小對冷水量與熱水量進行系統調控，從而對其他季節新風量進行補償調節，進而優化運行結構，實現設備熱量循環回收、節能減排的作用。

供熱空調自控系統中濕度控制的主要作用部分就是對濕度大小的控制，一般常用于寒冷的冬季。供熱空調自控系統在系統回路中，預先設置好回風濕度的閥值，運行時，當感應元件測得回路中回風濕度低于預先設置的濕度范圍時，中央控制系統就會調控回路中加濕器的控制開關，使其開啟。反之，當感應元件測得回風濕度高于預先設置的濕度范圍時，中央控制系統就會調控加濕器的的開關，使其關閉。

當供熱空調自控系統需要對系統中的全部設備進行全面統籌控制時，不僅可以做到統一啟停，也可按需對系統中的各部分組件進行組合式單一啟停，即做到控制的可同可分，可雜可簡。

運行時，為確保供熱空調自控系統的正確操作與安全運行，在設計系統時還應存在聯鎖控制系統和報警控制系統等安全設計措施。例如：把風機啟停按鈕、新風閥門開關按鈕、回風閥門開關按鈕和水閥門開關按鈕等設備進行系統性聯鎖控制，從而組成系統安全防護裝置。以此確保，當系統運行時有故障出現時，控制回路能夠及時進行自動關閉、自動保護閥門開啟及自動報警等保護操作。

供熱空調自控系統的核心系統非通風空調系統莫屬。在供熱空調自控系統中，中央控制系統通過對通風空調系統各單元設備的控制來對系統所需溫度、所需濕度等設計參數進行預設定。通風空調系統擁有很好的穩定性，不僅在常規操作工況可以達到預期設計參數，當供熱空調自控系統遭遇突發緊急情況時，通風空調系統的自動檢測警報系統也可通過反饋調節實時進行防護操作，例如：切斷電源、緊急制動等等。根據國家相關規范規定，供熱空調自控系統中所有控制器，在通常情況下，需用硬接線方式與操作末端元件相互連接，以此確保系統可以在第一時間解除危險，實時保證供熱空調自控系統的運行安全。

除此之外，供熱空調自控系統還包括空調冷熱水系統?？照{冷熱水系統包括兩個部分：冷水系統和熱水系統?？照{冷熱水系統通常為四管制，其中，冷卻盤管和加熱盤管需分別進行設置。從節能減排角度，若設計中存在廠區工藝熱水，可以把此熱水作為加熱盤管的熱水源頭。

空調機組的冷水系統通常采用二次泵變流量的運行方式。冷水系統應采用先并聯后串聯的連接方式，貫通整個冷水機組設備?？照{機組的熱水系統則通常采用一次泵變流量系統。每臺空調機組和風機盤管的冷卻盤管、加熱盤管的回水支管需設電動兩通調節閥和平衡閥。

綜上所述，供熱空調自控系統的設計，需要配備正確合理、智能高效的風量、溫度、濕度控制系統。控制系統需合理、及時執行中央處理器的反饋調節、調控風機的啟停調節、溫度控制開關的變化刻度調節和濕度范圍閥度調節等操作，確保系統可按需調控末端風量、溫度、濕度等參數。對設計預期結果還有很多外在的影響因素，主要有室內溫度、室內濕度等環境影響因素。這些影響因素都會使控制開關變量系數的構成及大小發生不可預期的變化，此時就需要控制系統根據實際情況進行自動智能算法調節。

6 供熱空調自控系統的問題

自動控制專業與供熱空調專業的信息流通不連貫性，會導致供熱系統與自控系統出現一些配合問題，讓控制對象和控制指標的設定存在一定困難。

要設計好供熱空調的自控系統，就需要讓兩者能夠很好地融合和理解。從供熱空調系統的初步設計、施工設計、竣工設計，一直到最終的工程竣工驗收階段等，自控專業與供熱空調專業相關設計人員都需要進行必要的緊密跟進。需做到實時有效、和諧調節各專業工作，幫助施工人員進行合理協調。如此不僅可以提高供熱空調自控系統運行的安全合理性，更可以使各控制單元進行行之有效的邏輯運算，使供熱空調設備組件聯合的有效系數達到最佳水平。

7 供熱空調自控系統的配合建議

在整體的供熱空調設計中，供熱相對于自控是主要的，自控是為供熱服務的。為了將兩者完好結合，需要做到以下幾點：

首先，供熱空調專業設計人員在進行設計時，要結合實際的建筑情況，對供熱空調設備及管道設計出合理的設計方案。盡可能在圖紙上詳細、清楚地標明各設備之間的控制關系、邏輯關系等等，為施工人員提供清晰明了的設計思路，也為自控等其他專業設計師的設計銜接工作打下良好的基礎。

其次，供熱空調專業設計人員在設計中，還需要考慮到程序控制設備與感應元件連接時，安裝位置方面的合理排布，盡量做到易查、易連、易修。對于安裝走向的掌握，如果設計非?？茖W，對于建筑整體的設計不僅實用，還會更加美觀，起到畫龍點睛的作用，使整體設計效果大大凸顯出來。

最后，供熱空調專業設計人員還需適當了解設備設計中相關控制參數的有關情況。例如：不同感應元件的參數性能、不同設備運作時由于環境變化引起的系統參數變化和系統反饋執行的參數影響因素。與此同時，對涉及到的參數進行合理明確限定。這些參數的明確規定，不僅可以為自控等其他專業設計人員的下一步發展工作規劃出合理范圍，也可以在某種程度上減小整個設計的總投資。如果只泛泛地給出大致范圍，不僅會增加其他專業設計人員的設計難度，也達不到系統最佳的設計應用效果。

8 結束語

供熱空調系統作為我國建筑領域中的能源消耗大戶，若能與自動控制系統進行緊密、合理、有效地綜合運用，不僅可以為用戶創造更加方便、舒適的室內環境，還可以積極響應國家綠色環保、節能減排的倡議。綜上所述，要想完成優秀的工程設計，需各專業設計人員在充分掌握自己本專業設備設計、技術原理和工藝措施之外，還需要適當了解其他相關專業的技術設計與施工措施，積極地與其他專業的設計人員、施工人員進行溝通與學習，爭取做到設計的無縫銜接。就如同供熱專業設計人員需學習了解自控系統的相關理論和技術要求，使二者工作進行合理地銜接和全面地融合。如此，才會確保實際建設工程進行得更好、更省、更有效率。