基于DSP的暖通空调控制系统及节能性分析

林彬

(深圳市深蓝电子股份有限公司,广东深圳,518034)

1 暖通空调控制系统概述

1.1 暖通空调系统构成

暖通空调系统构成包含供暖、通风以及空调三大子系统，不同的子系统分别承担着不同的任务。供暖系统基本组成为锅炉、循环泵、二次热交换器以及相关的系统管道和室内末端，通过热水的二次热交换实现供热系统的循环；通风系统构成比较简单主要包含自然通风以及机械通风两种形式，其目标在于实现室内空气品质的保证，同时有效降低室内气温（如图1）。空调系统的组成比较复杂，包含冷热源空气处理设备也包含输配系统以及末端装置，整个空调系统通过人为的控制调节来保证建筑系统的温度和湿度。当前的暖通空调控制系统能够智能地对温度、湿度以及相关的流量、风速等参数进行采集，通过系统PID完成模糊运算及时形成通知指令，从而对能源进行合理配置。

图1 暖通空调系统构成

1.2 暖通空调系统节能意义

当前，能源以及环境已经成为全球性的问题，逐渐加快的城市化建设催生建筑行业迅速发展的同时建筑能耗占据的比例也越来越大。暖通空调作为建筑系统当中的能耗大户，担任看着提升建筑内居住办公环境舒适性的重要任务，双碳政策导向之下暖通空调成为助力国家节能减排的重要担当。双碳指引之下的暖通空调在产品性能、智能控制以及系统优化等层面不断地完成技术革新，在能源转型的关键时期做出了突出的贡献，在实现建筑的绿色节能发展过程中表现出了积极的辅助作用。

双碳政策的实施以及宏观经济发展趋势的叠加之下，节能产品的创新增长趋势清晰可见，对于当前的暖通空调控制系统而言，在功能要求的不断细化之下，诸多暖通空调生产厂商纷纷加速节能布局提升技术竞争优势，在应用领域加速细分以及设备系统融合发展上表现出了强劲的势头。在此基础之上暖通空调作为建筑节能降耗的潜力增长点也通过不断的优化设计以及智能运维促成了行业的更新发展，同时为暖通空调容纳一流的技术水平和实现智能控制奠定了坚实的基础。

2 DSP技术在暖通空调智能控制系统中的应用

2.1 DSP技术概述

DSP是数字信号处理的简称，是一种可编程的适用于数字信号处理运算的微处理器，以计算机或者专用处理设备为基础，通过数字形式完成对信号的采集、交换以及估值、识别等处理任务，从而得到符合需求的信号。该处理过程能够实现各种数字信号的实时快速地处理、完成运动控制算法（如图2）。在信号处理的过程当中有着强大的运算能力、较强的可控性和抗干扰性，有着高精度和高稳定性，且在对数字信号进行处理的过程当中可以有效地完成数据压缩实现大规模数据的集成。DSP系统对于数据的处理方式分为数据流处理、块处理以及矢量处理三种典型方式：

图2 DSP系统组成

数据流处理：整个数据流处理过程当中当一个样本到达DSP系统会立即开始与该数据样本相关的运算，且该种运算会在下一个样本到达之前完成。这样的过程当中每接收一个全新的样本就能够完成一次全新的运算，因此输入和输出的样本周期具有一致性，而且这样的处理过程能够随时保持数据的更新，输入和输出之间的时延也能够达到理论的最小值。不过选用该种数据处理方式对处理器的速度有着较高的要求。

块处理：块处理过程必须要保持输入样本存放于储存器当中，当集成了若干个输入样本之后才开始做集中的数据处理，这样的处理过程当中，输入样本是按照组数据来实现存储的，只有足够多的样本到达才能够开始处理。块处理模式主要应用在输入采样率大于输出采样率的场合，整个过程当中能够减少频繁的读写次数同时获得较高的处理效率，不过对时延和存储空间要求较高。

矢量处理：矢量处理可以同时完成多路输入输出信号的处理，该种处理方式对于两种信号之间的相关程度有着较好的处理效果。

2.2 基于DSP的暖通空调智能控制系统的构成

传统的暖通空调控制系统通过简单的室内温湿度反馈来实现控制，该种控制方式不仅集成性差精度不高，而且节能效果并不理想差，容易造成能源的浪费。DSP芯片智能化控制器的使用能对较为复杂的数据进行处理同时完成智能的系统控制，DSP控制板系统构成包含压缩机控制以及电流、电压、空调系统进出口温度的控制，能够实时地根据所获取的数量完成压缩机运行速度的调节。该过程以矢量处理为主，实现了暖通空调系统信息的全面掌握，同时对于建筑室内的温度、湿度以及送风风速水流量等参数达成了高效处理，经过动态能耗的剂量分析促使系统自动地进行剂量控制调节，且在外部环境发生变化的过程中DSP系统能够根据气象因素实现系统设备运行状态的调节优化。更为难得的是整个控制系统能够智能的对系统设备运行状况进行监测，实现故障排除并完成事故报警。

2.3 基于DSP的暖通空调智能控制系统的设计实现

（1）硬件的选择

DSP芯片经过不断的发展和完善，如今已经拥有了第五代相对比较成熟的技术。不仅具有强大高效的指令更能支持高速的数据互联，同时更低的能耗和更小的尺寸适用于各类更加高效地开发。为了满足暖通空调控制的设计需求在硬件的选择上要保证高性能又要保证强大的处理能力。本次系统设计选取德州仪器TI公司所生产的TMS320LF2407系列DSP芯片，该系统芯片实现了高性能内核以及外设微控制器的单片集成，通过4级流水线指令的操作完成实时运算，并在运算过程当中减少算法硬件的限制性。且该芯片拥有16位内部总线工6套、10位A/D转换器16通道、片内SARAM2K字、片内FLASH32k字以及事件管理器EV2个、异步串行口SCI1个等诸多构成，在工作过程当中各事件管理器都能够实现可编程功能，同时产生PWM波，以便完成对暖通空调多种工作电机的控制（如图2）。

图3 变频器主回路

（2）软件的设计

①控制策略

对于暖通空调而言其具备的时滞、时变和非线性特点异常明显为此选用模糊控制可以在未建立被控制对象数学模型的情况下保证超强的抗干扰性，从而更好地适应暖通空调系统的控制需求。软件程序编写过程当中以 TMS320LF2407系列DSP芯片运算速度为参考，选用TI公司推出的CCS作为集成开发环境完成整体程序的编写和软件设计。同时整个软件程序编写的过程当中还包含矢量表示文件、C语言系统库以及C语言源文件和链接命令文件。

②调制方式

建筑系统当中的暖通空调系统异常庞大，因此在控制过程比较复杂。为此设计选用电压空间矢量脉宽调制SVPWM控制算法，这种控制算法与传统的正弦脉宽调制SPWM控制算法相比较更加简单有效，且产生的电流谐波小电压利用率较高。另外，SVPWM调制能够将电动机和逆变器看成一个整体，在对大量数据进行处理的过程当中，对于实时性以及精准度有着较高的需求，因此DSP信号处理芯片与其结合可以有效实现微处理器数据处理能力的增强，同时保证在片机内即形成大量外围接口。综合而言，空间矢量控制原理的先进性、新颖性和实用性特点都异常突出。

3 基于DSP的暖通空调控制系统及节能性分析

3.1 压缩机的节能

压缩机是暖通空调系统的重要构成，也是电量消耗最多的构成单元。其运行过程当中所消耗的电能大概占整个暖通空调系统的40%左右。实际上对于暖通空调而言，其作为一个复杂且庞大的工程只有经过科学合理的方案设计才能够在保证使用性能的基础之上实现节能效果，所以在实际设计过程当中会按照实际的使用需求进行最大负荷量的设计，而在压缩机实际的运行过程当中其平均负荷占据着峰值负荷的60%左右，此时的压缩机处于一种低负荷的运行状态，而在这样的过程当中无疑增大了电机损耗。造成整体运行能耗的增加。通过DSP调节功能的设置能够促使空调压缩机按照实际的运行工况完成精准的变化调节，从而达到高效的运行效率达成节能效果。

3.2 变频控制器的节能

暖通空调运作的过程当中通过变频控制器的应用能够从本质上提升节能效果，而变频技术也是当前空调运行过程当中达到节能目的的主流技术。变频控制器的安装能够根据预设的温度曲线对空调压缩机的转速进行调整，该调整过程当中已连续调节制冷或者制热的形式显现能够根据实际需求完成对空调温度与频率与的改变，相对于传统定速空调而言植入变频控制系统的暖通空调具备耗能的制热能力强且舒适度高的优点，同时，在噪音和振动上也实现了有效地降低。基于DSP的变频调速系统在SVPWM调制的控制算法有效地完成了变频控制系统的矢量控制，通过事件管理模块的应用在高效的信息收集处理处置上提高了电压利用率降低了开关损耗。

3.3 通风系统的节能

风系统作为暖通空调三大系统的主要构成在DSP技术应用的过程当中节能目标也十分明显，对于传统空调而言其风量的控制是固定的，所以长期的运转之上未能实现风量的及时转换造成了较高的能源消耗。通过DSP技术的应用在变频技术的基础之上，能够有需要的对风量、风速进行调节。在此过程当中能够完成空负荷节约的30%。而且在此过程当中不仅仅是实现了能源的有效降低，通过静压和变温方式进行风量的调节，在环境舒适度的营造上也实现了有效地提升。

3.4 水系统的节能

暖通空调工作过程当中水系统包含循环水泵也包括冷却水循环系统。相关调查显示，在暖通空调运行的过程当中循环水泵所消耗的电量占据整体系统的25%左右。因此在其运转的过程当中DSP基础上能够根据系统负荷实现自动调节从而有效地降低能源的消耗。而对于整个冷却水循环系统而言，主要是通过回水温度的测定完成对空调温度的判定，所以基于DSP技术能够及时地了解水温情况达到恒温控制。

4 总结

暖通空调系统是整个建筑系统当中能源消耗较高的部分，在对其进行节能技术优化的过程当中可以分别通过完善控制系统设计、推广新型可再生能源使用以及提高控制系统操作运行水平等多方面入手。基于DSP的暖通空调控制系统以DSP技术为依托、通过空间电压矢量控制技术、结合变频技术，能够在大量数据采集、分析的过程当中精准有效地完成对暖通空调系统运行状况的掌握，从而达到智能的温度、湿度以及风速等相关参数的调节。整体而言有着高效节能的现实意义。