一種教學用空調設備的設計與實現

摘 要：教學用空調設備是空調專業相關從業人員培訓常用的一種輔助設備，其設計思路不同于普通的中央空調系統。基于此，介紹了一種教學用空調設備的設計思路、研制過程及其具備的特點，以期為相關人員提供參考。

關鍵詞：教學輔助;空調設備;設計

0 引言

隨著經濟的飛速發展，中央空調在各大建筑中得到了廣泛應用，比如大型商場超市、賓館、體育場館、居民建筑等，同時對空調系統的設計人員、維修人員、管理人員的需求量越來越大，技術水平要求也越來越高。空調系統相對于一般設備而言結構復雜，體積龐大，元器件多，各部件之間關聯性強，從業人員需具備一定的動手能力和實踐經驗。在空調系統教學和培訓中，為了達到更好的學習效果，需要理論聯系實踐，通常要借助一定的教學實驗設備進行實踐操作。為此，筆者設計了一種教學用空調設備，可以作為職業院校或企業空調專業人員培訓的輔助設備。

1 中央空調教學設備現狀

目前廣泛采用的中央空調教學設備主要有兩種，一種是仿真教學設備，另一種是微型化中央空調教學設備。

1.1 ? ?仿真教學設備

仿真教學設備的應用側重于加深學習者對中央空調工作原理的理解，具有占地小、投資少、組合靈活的優點，主要應用于高等院校教學，這類教學設備已比較完善、成熟。

1.2 ? ?微型化中央空調教學設備

微型化中央空調教學設備將龐大而分散的中央空調系統集中化，同時保持整個中央空調制冷系統的完整性和合理性，以輔助專業教學[1]。其實質是一個微型化的真實的空調系統，可以開機運行、制冷或制熱、故障報警等，側重于提高學員的實際操作能力和解決空調系統實際運行中所存問題的能力。本文設計屬于該類教學設備。

2 設計思路

一般的空調系統設計要根據冷熱負荷對設備進行選型，而本文介紹的設備屬于教學設備，設計思路有所差別，設計的重點圍繞一個主題——方便教學，通過對該設備的講解和操作讓學生能夠更加直觀地學習制冷系統的相關知識[2]。根據要達到的目的，確定設計任務，所設計的空調系統應滿足以下要求：（1）系統各組成部件可以單獨控制，任意啟停;（2）可以人為模擬空調系統故障，并根據故障的嚴重程度劃分等級;（3）滿足參數的監控需求，對有利于空調系統理解的參數都要采集并顯示;（4）教學用空調系統應高度集成，嚴格控制空調機組的體積;（5）結構盡量采用可拆卸式，或透明結構;（6）空調系統具備必要的故障保護功能，比如系統高低壓保護等;（7）采用AC220 V、50 Hz通用電源，有利于教學用空調設備的推廣和應用。

3 系統組成

3.1 ? ?制冷系統組成

本空調系統能夠實現制冷運行，制冷系統由壓縮機、蒸發器、冷凝器、冷凝風機、壓力控制器、毛細管、干燥過濾器、儲液器等組成。

3.2 ? ?監控面板組成

圖1上半部分為教學用空調設備的監控面板，監控面板主要由控制按鈕和參數采集及顯示部分組成?？刂瓢粹o包括急停按鈕、空調系統各組件的手動控制按鈕、送風機故障模擬按鈕和復位按鈕、冷凝風機故障模擬按鈕和復位按鈕，可以實現各組件的單獨控制功能、機組緊急停機功能及風機故障模擬與復位功能。參數采集及顯示部分由溫度顯示器、濕度顯示器、電壓表、電流表、壓力表等組成，負責采集空調系統運行中的重要參數，實時顯示各參數的變化情況，學員可以觀察空調運行后各參數的變化情況，從而了解各參量與系統之間的關聯性。在監控面板的一側附有制冷劑R134a溫度/壓力對照表，方便學員學習制冷系統時查表，有助于加深對系統的理解。

3.3 ? ?系統狀態演示板組成

圖1下半部分為教學用空調設備的系統演示板。系統演示板上是該空調機組的系統原理圖，通過該原理圖可以輕松了解系統的各組成部件、制冷劑的流向。關鍵部件還配有啟停狀態指示燈和故障狀態指示燈，幫助學員直觀掌握關鍵部件狀態。為了使空調系統在教學中更加靈活易用，在系統管路中增加了若干截止閥，并將截止閥實物置于系統原理圖中對應的位置，通過系統演示板上的閥門就可以通斷管路，模擬空調系統運行中的部分系統故障，直觀演示故障形成的原因和解決方法。

4 教學用空調設備部分功能的實現

根據實際需要，該教學用空調設備主要具備以下功能。

4.1 ? ?數據采集及顯示

該設備能夠實時采集空調系統的送風溫濕度、回風溫濕度、壓縮機吸氣溫度和壓力、排氣溫度和壓力、蒸發器溫度、冷凝溫度、過冷度、壓縮機電流、整機電流、電壓等參數，這些參數對于學習和理解空調系統具有非常重要的意義。其中，送、回風溫濕度監測采用溫濕度傳感器配合模數轉換顯示器，6個溫度監測采用NTC傳感器配合數字溫度顯示器，電流、電壓參數測量和顯示選擇單相電能多功能儀表，壓力采集采用壓力傳感器，顯示采用經濟型壓力測控儀。

4.2 ? ?故障保護

為了保證空調機組能夠正常運行，該系統具備以下故障保護功能：壓縮機高壓保護、壓縮機低壓保護、壓縮機過載保護、排氣溫度過高保護。當系統發生故障時，空調設備對對應組件進行保護動作。

4.3 ? ?故障模擬

對于中央空調的設計人員、管理人員、維修人員來說，如何保證空調系統無故障運行，出現故障時找出故障產生的原因，系統故障之后如何排除故障，使機組快速恢復正常運行狀態，都是非常重要的內容，也是學習的重點。因此，對于教學用空調設備而言，空調設備增加了一些輔助結構。

在空調系統管路中布置了多個截止閥，這樣可以在空調運行中人為地制造系統故障，方便學員學習故障產生的原因和解決的方法。例如，可以從截止閥充氟口放氟來模擬空調機漏氟，人為制造壓縮機低壓故障。此時空調會出現無冷風、膨脹閥后液管結霜等現象，可以通過在充氟口充氟到正常水平來消除故障。因為氟利昂直接排到空氣中會對環境造成污染，所以也可以通過閥門之間的相互配合來實現系統低壓故障模擬。通過管路上各閥門的開關，或者控制開關時間和開關量，可以模擬部分空調系統故障，比如系統高壓故障、壓縮機吸氣口堵塞、膨脹閥損壞等。學員通過實際操作，可以觀察故障產生的原因，學習解決問題的辦法。在空調設備電路中，增加了送風機故障和冷凝風機故障模擬電路，可以通過系統狀態演示板上的故障模擬按鈕模擬故障產生，當故障發生時，相應的風機會出現保護動作，停止運轉。

4.4 ? ?直觀教學

為了實現教學過程的直觀性，機組外面板采用可拆卸式，教學時可拆除面板，開放的結構形式使學員能夠清晰地看到制冷系統的組成、內部結構和管路連接。電控箱面板采用有機玻璃面板，即使不打開電控箱門也能夠清晰地查看電氣圖紙及箱內電氣線路。

5 機組特點

5.1 ? ?高度集成

該教學機采用風冷一體機的結構形式，沒有室外機，蒸發器、冷凝器集成在一臺教學機組上，機組高度集成。整機尺寸非常小，長、寬、高分別為460 mm、400 mm、800 mm，其中系統狀態演示板平行于地面設置，高度為520 mm，總控制臺并非垂直于地面，而是傾斜30°，使學員有更加舒適的視角查看機組參數。

5.2 ? ?監測點多

該空調設備為教學用設備，為了便于采集實驗數據，給空調系統學習和分析提供必要的依據，在該空調機中設置了非常多的傳感器，整個空調設備配備了2個溫濕度傳感器、6個溫度傳感器、2個壓力傳感器、1個電壓監測點、1個電流監測點，再將傳感器采集的信號通過信號轉換顯示到監控面板上，這些參數對學習制冷系統來說非常重要，做到了空調運行時所有重要參數的變化情況都可以直觀監測。

5.3 ? ?控制靈活

系統的主要組成部件都可以單獨啟停控制，比如送風機、壓縮機、冷凝風機;還可以通過系統管路中的截止閥和電控元件模擬部分空調系統故障，幫助學員理解故障產生的原因以及故障后機組應該如何動作，如何排除故障。

5.4 ? ?隨時隨地教學

該教學用空調設備電源為AC220 V、50 Hz普通民用電源，并且空調體積小，底座配有萬向移動輪，可以靈活移動到任何地方，對場地要求非常低，方便隨時隨地教學。

6 結語

目前該教學用空調設備已經通過功能試驗和性能試驗，均能滿足預期要求，并且在企業、院校培訓中投入使用，基本能夠滿足教學中的功能需求。筆者在總結該機組研發過程中取得經驗的同時，也總結了一些不足：為了嚴格控制該機組的體積和制造成本，設計過程中放棄了部分功能的實現，在后續產品更新中，可以根據需求和預算的不同，繼續推出功能更加完善的教學用空調設備，使用戶能夠根據需求靈活選擇。

[參考文獻]

[1] 吳鳳英，沈炳耘，郭仲倫.中央空調教學設備系統的應用與探討[J].山西建筑，2006，32（3）：172-173.

[2] 吳鳳英，沈炳耘，于英利，等.深圳某中央空調教學設備系統設計及節能措施[J].制冷與空調（四川），2006（3）：72-75.

收稿日期：2021-08-23

作者簡介：王娜娜（1982—），女，黑龍江五常人，高級工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。