供热空调中设备自动化的应用研究

（吉林省石油化工设计研究院，长春 130000）

随着我国当今科学技术和经济水平腾飞发展，用户对建筑的设计要求和使用需求也越来越高，无论是对生活状态的舒适性，还是对工作效率的快捷性都提出了新的挑战。基于此，产生了供热空调中对于建筑设备的自动化设计的需求。

为了更加方便快捷地进行供热空调系统的工程设计，工程师可以按需设计、灵活运用自动控制技术，在供暖空调中加入新的设计元素，使新技术行之有效地优化改善系统的运行质量、减少运行能耗、提高管理经营水平等等。从而体现出更佳的社会效益与经济效益，可以更加充分地满足人们的需求。

1 供热空调自控系统的现状

近年来，“楼控”一词渐渐被人们所熟知，与之相近的，就是我们曾经想象中的智能楼宇。现今，智能楼宇技术还不够成熟，但“智能家居”却日新月异。例如：当今的小米智能家居，可以通过手机APP 及人机直接对话等方式进行家居系统的总控，通过用户家里的WiFi 链接户内各种小米电器，达到家居电器智能控制的目的。

智能楼宇在某种层面上可以说是智能家居的进阶版，楼宇自控不再仅仅是着眼于一家一户，而是在建筑总体设计层面上就开始进行总体智能控制。楼控也是用网络，把不同设备应用自动控制系统连接在一起，用中央控制器统筹控制调节。在需要控制的相应部位设置传感器，通过形成控制开关及热电、光电控制电路等控制装置，对设备进行状态监测、实时监控。通过电路的反馈调节系统，将设备数据反馈回中央控制器，中央控制器再进行综合分析处理，并把反馈结论及处理方式发送回终端控制设备进行反馈调节，从而进行实时调控。

供热空调系统在整个智能建筑的楼控设计中，设计成本占据了相当大的比例。在大型公共建筑中，仅仅供热空调系统的能耗，就可以达到总能耗的近60%。从目前实际状况来看，供热空调与自动化系统相结合的控制策略还略显单薄，例如：供热管网热计量设备的实际应用还处于初级阶段。虽然很多地区已在进入门户安装了热计量装置，在换热站总控室可在线实时监控用户的供热温度，但由于距离及电子反馈调节设备的限制，现阶段的温度调控与期望中的可随时调节各用户供热量还有相当大的一段距离。

现今首要问题是继续探索供热空调系统中的自动化处理，在供热空调与自动化控制的融合设计中进行更加深入的研究与发展，争取早日做到供热空调系统与自动智能化和谐控制。

2 供热空调自控系统的意义

供热空调自控调节系统的本质是通过对系统中不同的数据进行在线检控，由中央控制器进行统一的管理，对供热空调系统中的不同设备、不同的运行工况，进行全面的监管和运行处理。再通过反馈系统，对设备运行中出现的各种工况故障进行反馈控制处理、危险暂停、及报警等等，由此对供热空调系统各组件设备进行整体有效的安全防护措施。

供热空调自控调节系统还具备对供热空调各组件进行统一调控的功能，调控功能不仅可以有效地均衡各组件之间的运行数据、时间及状态，也可以增加各设备的使用效率，减少设备的滞后时间，延长设备的使用寿命。与此同时，供热空调自控调节系统还具备对整个组件设备进行实时监控反馈的功能。监控反馈功能可以根据各组件设备不同时刻的实际运行状况反馈运行参数，终端系统统一收集数据进行整合分析，完成自动反馈调节，最终形成脱离人工控制的自动反馈调节控制系统，从而达到系统最高运行效率，降低实际耗能，积极响应国家绿色节能、节能减排政策[1]。

3 供热空调自控系统的特点

3.1 系统的干扰因素较多

供热空调系统的干扰包括两部分：外部干扰和内部干扰。外部干扰主要特指送风过程和围护结构传热过程中所产生的一系列干扰。内部干扰特指室内电器设备、室内照明设备等产生的热量对室内温度变化的影响。

3.2 效果取决于控制对象

供热空调自动控制的主要任务，通常是希望空调房间的的温度和湿度达到所需期望值，并可以长久保持。对于控制结果的好坏，很大程度上则取决于空调系统本身情况，而不是由自动控制系统来塑造。因此，了解空调对象的使用需求及特征条件，是在设计过程中极为关键的重要方面。

3.3 个体与整体密切相关

由于供热空调系统的主要控制任务就是控制室内温度与室内湿度，且两个参数之间，存在互相依存、互相影响的关系，所以设计人员在调节对象时，通常是将这两个参数同时进行调节操作的。系统通过对工况和空气的各种操作处理，使得每个组成部分，都能与整体的控制系统进行紧密的相互连接。若过程中任何一部分发生问题，都会对整体的室内温湿度调节结果产生直接的影响，严重时，会导致调节系统无法正常运转甚至产生危险。

3.4 自动控制工况的转换

供热空调系统通常是按照系统工作的状况进行实时调控的，所以当设计自控系统时，应该包含系统工况的自动转换环节。除此之外，从节能的角度上来说，系统还应包含当对工况的转换进行调控时，全年运行的供热空调系统，当运用工况转换处理手段之后，应使运行效率处在一个较高的峰值上。

系统运行时，为了减少处理空气时遇到的冷热量相互抵消现象的发生，就需要对新风系统、回风系统和空气处理系统的节能潜力进行综合运用，充分发挥其运行节能的效果。因此，除了需考虑自动调节系统对温、湿度的正确节能策略之外，还需考虑整体系统与工况自动转换控制机制的配合。

4 供热空调自控系统的分类

供热空调自控系统按照被调控参数的不同，可分为四类：湿度控制系统、温度控制系统、液位控制系统和压力控制系统。

供热空调自控系统按照被调控参数的给定数值不同，可分为三类：随动控制系统、定值控制系统和程序控制系统。

供热空调自控系统按照自动调节器进行实际动作与动作时间的不同参数设定，可分为二类：断续控制系统和连续控制系统。

供热空调自控系统按照系统结构难易的不同，可分为二类：复杂控制系统和简单控制系统[1]。

5 供热空调自控系统的应用

当今社会供热空调自控系统的应用还是较为广泛的，系统目前主要由前馈控制、串级调节、DDC控制、新风机组控制、空调机组控制、变风量末端控制、通风空调监控和空调冷热水控制等控制系统组成，原理图见图1。

前馈控制系统的主要作用是对被测端的主要干扰量进行强制调节的一种调控机制。如：电加热器，使用电加热器时，需给定预达水温，通过控制电量对进水进行加热，使出水达到所需水温。但前馈调节系统往往只能对主要干扰量进行调节，当系统存在多种干扰量时，仅使用前馈调节系统并不能完全补偿系统被控参数的影响，如：电加热器系统中存在的进水流速干扰量。所以，在供热空调系统的实际应用当中，设计人员通常是将前馈控制与反馈控制系统相结合，进行灵活运用，最终实现系统的精准控制。

图1 暖通空调自动控制系统原理图Fig.1 Schematic diagram of HVAC automatic control system

串级调节系统常用与空调的精准调节当中，把主调节器的输出作为副调节器的外部给定值[2]。串级调节系统主要包括两个部分组成：内部环节和外部环节。外部环节的被调参数通常受到的干扰比较大，单纯滞后影响比较小。其中，反应灵敏的参数，通常都是运用比例积分调节器或者是比例调节器进行运算调控的。外部环节调节对象的时间常数，通常要比内部调节对象的时间常数值小很多，调节效果也更加突出。

串级调节系统的时间常数数值相对较大，且系统对于调节对象的单纯滞后影响也是不可忽视的。当供热空调系统热湿干扰影响严重时，应用串级调节系统就是一个非常不错的方法。内部环节调节对象的干扰，则是通过主调节器对副调节器的给定值的改变，进而实现送风温度对室内温度的调整。由此降低室内温度的变化，最终控制室内温、湿度控制调节的所需舒适度。

DDC 控制系统主要包括两个部分：操作软件和应用软件。设计人员在整个系统设计中，若充分灵活运用DDC 控制系统，则在对设备进行控制时，可按需创造温、湿度适宜的室内环境，并且可通过热回收、二次回风利用等措施，实现节能减排的效果。

操作软件的主要作用，是针对于DDC 控制系统的基本操作。而应用软件的主要作用，则是针对各种专业设备进行的同一操控。DDC 控制系统软件的合理优化设置，对供热空调系统的运行效率，甚至整套设备的运营投资回收期，都有着十分重要的直接影响。

在供热空调控制系统中，新风机组控制系统是其中重要的组成部分。新风机组控制系统的主要作用就是统筹安排好系统的新风量与送风量的大小，合理完成系统对设备风量要求。新风机组控制系统主要由风管式温度湿度传感器、新风阀门控制器、过滤网压开关、电动装置和配电装置等硬件组成[3]。

系统在实现自动控制时，首先，由中央控制器控制系统总控开关按钮，进行系统中风机设备的启停控制。与此同时，系统运行时通过感应器对送风管道中介质温度的测定，把测定温度与比较器中的设定温度进行差值比较，若存在差值，则控制调节温度控制器，使其对冷热水管上的阀门开度进行控制，以便调节供回管道内介质的流量，进而对送风温度进行负反馈调节，周而复始，最终使结果达到系统所需送风温度。

在新风机组控制系统中，湿度控制的操作不同与温度控制那么复杂，湿度控制只需在控制系统中，设置好所需湿度的上下限值，控制好加湿阀的开度，就可以简单完成系统对湿度大小的要求。

空调机组控制主要有新风及回风驱动装置、风管式温度、湿度传感器、过滤器、过滤开关和相应的配电装置[4]。

供热空调自控系统中的温度控制，主要可分为二类：冬季热风温度控制、夏季冷风温度控制两种方式。除此之外，还可以用阀门开度的大小对冷水量与热水量进行系统调控，从而对其他季节新风量进行补偿调节，进而优化运行结构，实现设备热量循环回收、节能减排的作用。

供热空调自控系统中湿度控制的主要作用部分就是对湿度大小的控制，一般常用于寒冷的冬季。供热空调自控系统在系统回路中，预先设置好回风湿度的阀值，运行时，当感应元件测得回路中回风湿度低于预先设置的湿度范围时，中央控制系统就会调控回路中加湿器的控制开关，使其开启。反之，当感应元件测得回风湿度高于预先设置的湿度范围时，中央控制系统就会调控加湿器的的开关，使其关闭。

当供热空调自控系统需要对系统中的全部设备进行全面统筹控制时，不仅可以做到统一启停，也可按需对系统中的各部分组件进行组合式单一启停，即做到控制的可同可分，可杂可简。

运行时，为确保供热空调自控系统的正确操作与安全运行，在设计系统时还应存在联锁控制系统和报警控制系统等安全设计措施。例如：把风机启停按钮、新风阀门开关按钮、回风阀门开关按钮和水阀门开关按钮等设备进行系统性联锁控制，从而组成系统安全防护装置。以此确保，当系统运行时有故障出现时，控制回路能够及时进行自动关闭、自动保护阀门开启及自动报警等保护操作。

供热空调自控系统的核心系统非通风空调系统莫属。在供热空调自控系统中，中央控制系统通过对通风空调系统各单元设备的控制来对系统所需温度、所需湿度等设计参数进行预设定。通风空调系统拥有很好的稳定性，不仅在常规操作工况可以达到预期设计参数，当供热空调自控系统遭遇突发紧急情况时，通风空调系统的自动检测警报系统也可通过反馈调节实时进行防护操作，例如：切断电源、紧急制动等等。根据国家相关规范规定，供热空调自控系统中所有控制器，在通常情况下，需用硬接线方式与操作末端元件相互连接，以此确保系统可以在第一时间解除危险，实时保证供热空调自控系统的运行安全。

除此之外，供热空调自控系统还包括空调冷热水系统。空调冷热水系统包括两个部分：冷水系统和热水系统。空调冷热水系统通常为四管制，其中，冷却盘管和加热盘管需分别进行设置。从节能减排角度，若设计中存在厂区工艺热水，可以把此热水作为加热盘管的热水源头。

空调机组的冷水系统通常采用二次泵变流量的运行方式。冷水系统应采用先并联后串联的连接方式，贯通整个冷水机组设备。空调机组的热水系统则通常采用一次泵变流量系统。每台空调机组和风机盘管的冷却盘管、加热盘管的回水支管需设电动两通调节阀和平衡阀。

综上所述，供热空调自控系统的设计，需要配备正确合理、智能高效的风量、温度、湿度控制系统。控制系统需合理、及时执行中央处理器的反馈调节、调控风机的启停调节、温度控制开关的变化刻度调节和湿度范围阀度调节等操作，确保系统可按需调控末端风量、温度、湿度等参数。对设计预期结果还有很多外在的影响因素，主要有室内温度、室内湿度等环境影响因素。这些影响因素都会使控制开关变量系数的构成及大小发生不可预期的变化，此时就需要控制系统根据实际情况进行自动智能算法调节。

6 供热空调自控系统的问题

自动控制专业与供热空调专业的信息流通不连贯性，会导致供热系统与自控系统出现一些配合问题，让控制对象和控制指标的设定存在一定困难。

要设计好供热空调的自控系统，就需要让两者能够很好地融合和理解。从供热空调系统的初步设计、施工设计、竣工设计，一直到最终的工程竣工验收阶段等，自控专业与供热空调专业相关设计人员都需要进行必要的紧密跟进。需做到实时有效、和谐调节各专业工作，帮助施工人员进行合理协调。如此不仅可以提高供热空调自控系统运行的安全合理性，更可以使各控制单元进行行之有效的逻辑运算，使供热空调设备组件联合的有效系数达到最佳水平。

7 供热空调自控系统的配合建议

在整体的供热空调设计中，供热相对于自控是主要的，自控是为供热服务的。为了将两者完好结合，需要做到以下几点：

首先，供热空调专业设计人员在进行设计时，要结合实际的建筑情况，对供热空调设备及管道设计出合理的设计方案。尽可能在图纸上详细、清楚地标明各设备之间的控制关系、逻辑关系等等，为施工人员提供清晰明了的设计思路，也为自控等其他专业设计师的设计衔接工作打下良好的基础。

其次，供热空调专业设计人员在设计中，还需要考虑到程序控制设备与感应元件连接时，安装位置方面的合理排布，尽量做到易查、易连、易修。对于安装走向的掌握，如果设计非常科学，对于建筑整体的设计不仅实用，还会更加美观，起到画龙点睛的作用，使整体设计效果大大凸显出来。

最后，供热空调专业设计人员还需适当了解设备设计中相关控制参数的有关情况。例如：不同感应元件的参数性能、不同设备运作时由于环境变化引起的系统参数变化和系统反馈执行的参数影响因素。与此同时，对涉及到的参数进行合理明确限定。这些参数的明确规定，不仅可以为自控等其他专业设计人员的下一步发展工作规划出合理范围，也可以在某种程度上减小整个设计的总投资。如果只泛泛地给出大致范围，不仅会增加其他专业设计人员的设计难度，也达不到系统最佳的设计应用效果。

8 结束语

供热空调系统作为我国建筑领域中的能源消耗大户，若能与自动控制系统进行紧密、合理、有效地综合运用，不仅可以为用户创造更加方便、舒适的室内环境，还可以积极响应国家绿色环保、节能减排的倡议。综上所述，要想完成优秀的工程设计，需各专业设计人员在充分掌握自己本专业设备设计、技术原理和工艺措施之外，还需要适当了解其他相关专业的技术设计与施工措施，积极地与其他专业的设计人员、施工人员进行沟通与学习，争取做到设计的无缝衔接。就如同供热专业设计人员需学习了解自控系统的相关理论和技术要求，使二者工作进行合理地衔接和全面地融合。如此，才会确保实际建设工程进行得更好、更省、更有效率。