暖通空调系统的计算机控制管理分析

闫泽磊 单梅

【摘要】介绍了计算机控制的实现原理，梳理了暖通空调系统的计算机智能控制管理的优化思路，阐述了暖通空调系统的计算机智能控制管理系统主要功能模块的硬件设计实现方式，供参考。

【关键词】暖通空调系统;计算机控制;功能模块;硬件设计

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

暖通系统包含建筑采暖、通风、空气调节三项功能，是日常生活中不可或缺的内容。在传统的建筑设计中，上述所有功能在实现方式方面都较为单一，且智能化程度严重不足。比如通风，完全由室内人员自行通过开窗的方式完成，无法由系统对室内空气指数进行监测，发现数值变化时自行通风。随着技术的不断升级，建筑暖通空调系统已经实现了计算机智能控制管理。大幅度提升了建筑的居住舒适感。

1、计算机控制的实现原理

清华大学教授江亿早在20世纪90年代末便对计算机控制管理做出过精确定义——以计算机为核心部分的监测控制系统[1]。此种系统的科学说法是“直接控制系统”，对测量数据的处理、控制算法均以数字计算作为基础[2]。在计算机控制管理模式出现之前的“监测”工作几乎都是依靠人工查验与系统通路相连的仪器仪表，通过记录读数的方式，收集系统运行信息。而在计算机控制管理模式出现之后，传统的模拟仪表系统便逐渐向计算机系统过渡。事实上，早期的计算机控制管理系统即是单片机控制系统，主要的运行原理为：

（1）元器件组成：①控制芯片（如89C51单片機）;②功能电路（以暖通空调系统为例，该电路中有空调，有温度传感器，有连接线，有或没有PLC可编程逻辑控制）;③电源。

（2）运行原理：将控制芯片（计算机）、暖通空调系统电路、电源三者完成连接。实际上，如果没有计算机，则暖通空调系统与电源之间即为用电设备与电源之间的连接，将该系统放置于某个建筑的一个房间之中后，由房内人员根据室内温度决定是否开启空调，目的在于使室内温度维持在“舒爽”状态，需避免过凉和过热。但完全依靠人工进行温度调整的过程缺乏“智能性”，故需在系统内增设“智能管理”功能模块，实现这一功能的便为计算机（发挥具体作用的是期内的控制芯片）。技术人员根据居住在室内人员对环境温度的需求，编写温度监控和控制空调设备的程序，将之导入控制芯片后，便初步完成了计算机智能控制管理的设定。此种简单的暖通空调计算机智能管理系统早已应用于千家万户。具体而言，几乎所有的空调设备都自带“温度控制功能”，即在空调处于接通电源的状态时，用户可以同时“激活”空调的“温度监控”和“温度调节”功能。比如，一户居民认为自己处于25℃的环境时，便会感到“非常舒适”，则其会调整空调的功能，命令空调“监测室内温度”，如果温度不是25℃，便会吹出冷气或热气，使室内温度稳定保持在25℃。

2、暖通空调系统的计算机智能控制管理的优化思路

上文所述的暖通空调系统计算机智能控制管理功能已经成功实施。但随着生活水平的提升，人们对居住舒适性提出了更高的要求。比如相较于普通建筑，现代智能建筑为了带给居民更加良好的居住体验，需要实现设备之间的资源共享。为实现此种功能，需在下列方面优化暖通空调系统的计算机智能控制方案：（1）在计算机智能控制系统中增加“暖通空调系统运行过程中的能量状况分析”功能。此功能的“优化”之处在于，不仅包含上文所述的“温度自动调节”功能，还会借助传感器，监控并收集空调系统运行期间产生的所有参数。相关信息传递至计算机总控端后，系统内预设的分析程序会对空调系统对温度的调节质量、实现温度调节目的时的平均能耗进行自主计算。在此基础上，由于计算机智能控制管理系统的程序库中提前存储了“空调健康使用的相关数据”，系统可结合客观数据，帮助用户制定出最佳的温度调节方案，进而全面提升计算机智能控制管理系统的性能。（2）上述功能的实现完全依赖电能，尽管在“系统运转”层面彰显了“智能性”，但整体的智能化程度并不高。原因在于：现代建筑的建设过程十分注重对自然能源的运用。比如，如果室外温度为25℃，则通过“过堂风”的原理，加上建筑墙壁对阳光的遮挡作用，可将室内温度控制在20℃左右。如果不采用此种调节方式，关闭所有门窗，完全借助空调进行温度调节，则室内温度也可以稳定在20℃。相较之下，前一种方案的智能性、经济性更高。基于此，提升暖通空调系统的计算机智能控制管理系统智能性的第二项优化设计思路为，尽量运用自然资源，降低设备能耗。

3、暖通空调系统的计算机智能控制管理的目标与特点

3.1实现太阳能、电能、空气能热源的融合应用

空气中含有大量的热量，分为“显热”和“潜热”两种。与太阳能和风能相同，空气热量也是一种清洁能源。如果暖通空调系统能够充分利用这些热量，即将空气中的“低品位热能”进行收集，实现暖风输送、水分加热，必定有助于降低暖通空调系统的能耗。基于此种理念，暖通空调系统中新增的“空气源热泵”已经在国内外得到了较为广泛的使用。但空气中的热量向人类能够使用的热能进行转化的效率毕竟较低，故无法成为一种单独能源。基于此，通过计算机智能控制管理系统，控制空气源热泵收集空气热量的同时，还可以同时纳入太阳能、电能，进而使三种不同来源的能量在一定程度上完成融合，避免造成浪费。

3.2提高管理系统的自动化控制程度

对于学生宿舍、酒店等含有中央空调通风系统的场所来说，在满足学生、客人需求的前提下，尽量控制暖通空调系统运行期间产生的能耗至关重要。为实现这一目的，需提高计算机管理系统的自动化控制程度。具体而言：对太阳能集热水箱、空调水箱、洗浴水箱内的水温、自来水温进行全面监控，发现任意一处的水温与预设值出现差异时（具体的标准可以不同），需统筹当前可运用的能源，采用最优方式完成温度的调整。比如天气晴朗、阳光明媚的情况下，太阳能热水器可有效转化太阳能，完成对水的加热;若是在阴雨天气，则计算机控制管理系统可选择电能作为主要能源，避免水温降低。

4、暖通空调系统的计算机控制管理硬件构成

4.1计算机控制系统下位机模块设计

在多功能、覆盖范围广的暖通空调系统的计算机控制管理系统中，下位机模块的硬件构成为：第一，CPU为具有100个功能管脚的STM32F103VET6芯片，程序存储器的容量为512KB、数据存储器的容量为64K。该芯片的时钟频率为72MHz，模拟电路向数字电路的转换器输入数具体值为“3”;嵌入式接口的类型共分为7种，包含CAN、I2C、SPI在内。第二，该下位机模块处于工作状态时，电源电压的范围为2V～3.6V，在实现对暖通空调系统温度进行检测的同时，还可以兼并接受PC端发送的控制指令。第三，一般的暖通空调系统计算机智能控制管理功能实现需要使用的输入/输出端口（I/O口）为：ADC、DAC、DMA、PWM四个16为通用定时器;此外， 还需包含三个同步或异步收发器，用以实现系统各部分之间的信息通讯功能（比如由温度传感器组成的温度监控系统发现某一个区域内的洗浴用水存储箱内水的温度已经低于标准值3℃，则相关信息会通过收发器实现监控模块箱计算机智能控制管理模块的传递）。第四，选用标准的JTAG/SWD调试下载口，其用处为与JLINK调试器相连接（STM32支持SWD调试）。通过此种设置，能够使计算机智能控制管理系统启动行期间减少程序运行方面的问题。

4.2暖通空调系统的温度采集模块设计

上文提到，在暖通空调系统中，温度的监控是实现“智能化”的第一步。温度作为一种热量信号，经由温度（热量）传感器收集之后，需要将之转化成电信号，进而经由通路传递至计算机控制端（芯片处理器）。为实现这一功能，系统中必须具备温度采集功能。仍然以学生宿舍或酒店等居住人数多、系统监测覆盖范围广的区域为例。考虑到人数、范围、持续性方面的要求，决定采用10K的t106-10k热敏电阻感温探头作为主要的外接功能设备。该设备的主要布置区域为各个关键的温度监测点（即上文所述的太阳能集热水箱、空调水箱、洗浴水箱内、自来水存储箱等）。需要指出的是，此种热敏电阻自身具备的灵敏度符合“直观、线性”的描述，可对监控系统电路中的电阻值、电压值之间的关系进行精准显示。通过此种设置，温度传感器监测电路会将电阻阻值的变化转变为电压的变化;在此基础上，电压值会进一步转化为数字信号，传递至芯片端，经过处理后，可测量出最重的A1阻值。由于系统数据库中预先存有热敏电阻器的温度-电阻对应表，故可将A1阻值转变为实际温度，体现在上位机显示屏幕中。

4.3温度智能调整模块设计

与温度相关的模块在设计方面主要包含两种电路：其一，溫度信息采集电路，即通过温度传感器，实时对目标区域的温度情况进行监督，并完成信息的收集。实现该功能的模块构建主要运用STM32F103VET6芯片的29～34共6个引脚，具体位置CD4067（D、C、B、A），分列29～32，以及key10 cpu和key9 cpu。用于支持该功能的调用函数分别为ADC库函数、SPI库函数、TIM库函数。如此设置之下，STM32F103VET6芯片和热敏电阻t106-10k之间便可完成温度信号的收集、传输、处理。其二，信号的传输。此处需要外接一个24功能引脚的单片机，其中，STM32F103VET6芯片的29～32号引脚应与外接24功能引脚单片机的10、11、13、14号对应引脚相连接（双向模拟开关），即可在主电路的驱动下，完成温度信号的传输。

结语：

实现暖通空调系统计算机智能控制管理的难度并不大，需要解决的核心问题在于，如何精准地获取目标监测区域的温度，如何将相关信息实时传递至计算机控制端（芯片）。在此基础上，由系统下达指令，实现温度的调整，即可全面提升暖通空调系统的智能程度。

参考文献：

[1]陈钟.智能建筑暖通空调的系统选择运用研究[J].智能建筑与智慧城市，2019（03）：42-43.

[2]印红梅.多源暖通空调控制技术应用与实现[D].西南科技大学，2018.

作者简介：

闫泽磊（1988.09-），性别：男，民族：汉，籍贯：内蒙古赤峰人，学历：本科，现有职称：中级工程师，研究方向：暖通设计。