中央空调实验平台的设计与开发

姜国伟　赵薇　赵辛

摘 要：中央空调实验平台是各大、中专院校在专业教学及相关科研中必不可少的实验平台。目前市场上存在的实验平台大部分是模型化设计，与工程实际存在一定的差距。在教学及科研中也暴露出很大的局限性。针对这样的不足，我们提出一种廉价的贴近工程实际的中央空调实验平台。

关键词：中央空调；实验平台；计算机控制；空气处理

1 引言

中央空调实验平台主要是为建筑环境与设备工程专业实验教学及相关科研专门开发的实验平台，该实验平台具有专业性强、功能完善、自动化程度高、价格低廉等优点。适合自主开发，能有针对性的将暖通空调理论教学与工程实践相结合。

2 系统流程及方案设计

2.1 水系统流程及方案设计

图1为该实验平台的水系统流程图。主要设计思路是夏季利用压缩式制冷循环系统制空调冷冻水，冬季利用电加热装置制空调热水。空调冷冻水系统供水控制温度设计为7±1℃，空调热水供水控制温度设计为50±3℃。考虑空调冷冻水系统水容量比较小，在冷冻水系统循环管道中增加了一套蓄水箱，体积为0.3-0.5M3，主要目的一是为了防止压缩机工作过程频繁启停，二是可以使空调冷冻水温度控制精度更高。

作为中央空调的核心装置冷水机组，市场价格少则上万多则几十万，本设计主要目的为教学实验用，因此充分考虑了成本问题，自行设计了风冷冷水机组，采用分体式空调KFP-5的外机，其内部已经集成了压缩机，风冷冷凝器，毛细管节流装置，最大制冷量10.5kW，蒸发器采用小型的钎焊板式换热器，换热量要求12KW以上。在安装过程中除了在制冷循环的各个部位安装温度传感器外，还可以在制冷剂管道上配置压力表，以便在工作过程中随时跟踪制冷剂循环各点的压力与温度的变化。如果在选择分体空调时机组带制热功能，可以通过切换四通换向阀门使该机组制热水，满足冬季供热需要。分体式空调外机与外部蒸发器实际连接如图2所示，从分体式空调外机接入钎焊板式换热器的制冷剂管道应该从下往上流，这样一方面可以增加制冷剂与水的换热时间，从而增加制冷量；另一方面可以使冷剂在蒸发器内充分蒸发，使回压缩机的制冷剂全为气体，保证机组运行安全。

2.2 风系统流程及方案设计

图3为该实验平台的风系统流程图。主要由空调处理机组、风道及空调房间组成。空调处理机组由初效过滤器、表冷器、电极式加湿器、离心风机、多级加热器及中效过滤器及外壳组成。空调处理机组在制作时采用上侧面为活动盖板，方便学生自由拆卸，以便进行观察与维护。实际制作的空调处理机组内部结构如图4所示。

空调房间为独立的密闭房间，可以根据制冷主机容量的大小选择15-50m2大小的房间，房间内设置可移动支架用于安装风速及温湿度传感器。空调系统的送风口采用散流器送风，回风口采用单百叶回风口。风管道中的三个风阀可以调节使系统处于三种工作模式，即全新风模式、一次回风模式及全回风模式。夏季机组工作原理：空气经过表冷器被冷却至机器露点温度，再经过多级加热器的加热，使空气达到送风温度及湿度要求进行送风。冬季机组工作原理：空气经过表冷器后被加热，再经加湿器的加湿，使空气达到送风温度及湿度要求后进行送风。通过初、中效过滤器可以有效的将空气中的尘埃过滤，达到一定的洁净要求。

3 计算机数据采集系统与控制系统设计

在设计该空调控制系统时，充分考虑了实用性及实验性，设计了2套控制系统，一套为电控制柜上的基本功能控制系统，可以在计算机瘫痪状态下，通过手动启动正常运行空调系统。另外又利用了先进的计算机控制技术设计了一套强大的实时监控系统，保证实验数据的实时智能监测。

3.1 控制系统硬件系统结构

计算机控制系统硬件结构如图5所示。计算机通过RS232/RS485接口与现场控制设备建立连接。其中单总线数据采集器主要采集单总线温度及湿度数据，可以同时采集几十路温度及湿度数据，在该空调系统中我们设置了9个温度点及6个温湿度点，可以实时采集不同位置的温度及湿度数据。开关量控制采集器主要用来控制水泵、制冷主机、模拟电热锅炉等设备的启停，同时采集开关量设备实际运行情况的反馈数据，实时监控设备运行是否正常。模拟量数据控制器主要功能是控制阀门的开度及变频器的频率，如通过控制器输出电压0-10V，调节阀门使之在0-100%间变化。模拟量数据采集器是采集阀门实际的位置反馈量、空调水流量及房间风速等数据，实时监测系统中的模拟量数据。 夏季相对湿度控制是应用系统采集到的温湿度经过计算机软件系统内部运算分析，将控制信号输出给开关量控制采集器，通过PWM可调脉宽输出控制固态继电器，进而达到控制多级加热器的加热量，稳定控制夏季空调的相对湿度；冬季相对湿度的控制是通过电极式加湿器对空气进行加湿处理。

3.2 软件系统结构

软件系统采用VC编写，通过VC自带串口控件MSComm与现场控制及数据采集设备建立串口通信。由计算机组建的控制系统，主要负责实时采集各点温度及湿度、空调水流量、房间风速等数据，并保存到数据库中，计算机软件通过采集到的数据进行运算处理后，输出控制指令，启动或者关闭开关设备及调整阀门开度等，使空调系统处理安全运行状态。计算机软件主界面如图6所示，按照实际空调系统流程设计，运行过程中以动画模拟的方式显示各个设备的运行状态及管道中介质的流动，具有极高的人机交互界面。由于硬件设计时，均采用了标准模块化设计，充分考虑了学生自行搭建空调自动化控制系统的需求，可以让学生在实验中充分发挥想象力，自行应用MCGS、组态王等组态软件自行组态控制系统。

4 实验项目

中央空调实验平台是一个综合性的实验平台，可以进行的实验包括：中央空调温湿度控制实验，房间内各点温度湿度及洁净度测量实验、房间内温度变化与控制阀门开度大小关系实验、制冷循环系统实验、供冷热量计量实验、管道及房间内风速测量实验、中央空调计算机控制系统实验、阀门PID控制实验、风机变频控制实验、制冷热系数测定实验、中央空调系统调试实验等等。

5 结束语

通过师生一起共建实验室平台，不仅可以提高学生的实践能力，而且还可以促进教师教学与科研实践相集合，提高教学质量。经过多年的实验教学验证，本实验平台在实际运行过程中，运行稳定，实验结果另人满意。

参考文献

[1]张吉光，王利，史自强.空调送风口送风量的测试方法[J].建筑热能通风空调，2003（6）.

[2]任秀宏，王林，郑立国.空调表冷器热工性能测试系统的研制[J].实验室研究与探索，2011（5）.

作者简介：姜国伟（1977-），男，辽宁工业大学土木建筑实验中心实验师。endprint

摘 要：中央空调实验平台是各大、中专院校在专业教学及相关科研中必不可少的实验平台。目前市场上存在的实验平台大部分是模型化设计，与工程实际存在一定的差距。在教学及科研中也暴露出很大的局限性。针对这样的不足，我们提出一种廉价的贴近工程实际的中央空调实验平台。

关键词：中央空调；实验平台；计算机控制；空气处理

1 引言

中央空调实验平台主要是为建筑环境与设备工程专业实验教学及相关科研专门开发的实验平台，该实验平台具有专业性强、功能完善、自动化程度高、价格低廉等优点。适合自主开发，能有针对性的将暖通空调理论教学与工程实践相结合。

2 系统流程及方案设计

2.1 水系统流程及方案设计

图1为该实验平台的水系统流程图。主要设计思路是夏季利用压缩式制冷循环系统制空调冷冻水，冬季利用电加热装置制空调热水。空调冷冻水系统供水控制温度设计为7±1℃，空调热水供水控制温度设计为50±3℃。考虑空调冷冻水系统水容量比较小，在冷冻水系统循环管道中增加了一套蓄水箱，体积为0.3-0.5M3，主要目的一是为了防止压缩机工作过程频繁启停，二是可以使空调冷冻水温度控制精度更高。

作为中央空调的核心装置冷水机组，市场价格少则上万多则几十万，本设计主要目的为教学实验用，因此充分考虑了成本问题，自行设计了风冷冷水机组，采用分体式空调KFP-5的外机，其内部已经集成了压缩机，风冷冷凝器，毛细管节流装置，最大制冷量10.5kW，蒸发器采用小型的钎焊板式换热器，换热量要求12KW以上。在安装过程中除了在制冷循环的各个部位安装温度传感器外，还可以在制冷剂管道上配置压力表，以便在工作过程中随时跟踪制冷剂循环各点的压力与温度的变化。如果在选择分体空调时机组带制热功能，可以通过切换四通换向阀门使该机组制热水，满足冬季供热需要。分体式空调外机与外部蒸发器实际连接如图2所示，从分体式空调外机接入钎焊板式换热器的制冷剂管道应该从下往上流，这样一方面可以增加制冷剂与水的换热时间，从而增加制冷量；另一方面可以使冷剂在蒸发器内充分蒸发，使回压缩机的制冷剂全为气体，保证机组运行安全。

2.2 风系统流程及方案设计

图3为该实验平台的风系统流程图。主要由空调处理机组、风道及空调房间组成。空调处理机组由初效过滤器、表冷器、电极式加湿器、离心风机、多级加热器及中效过滤器及外壳组成。空调处理机组在制作时采用上侧面为活动盖板，方便学生自由拆卸，以便进行观察与维护。实际制作的空调处理机组内部结构如图4所示。

空调房间为独立的密闭房间，可以根据制冷主机容量的大小选择15-50m2大小的房间，房间内设置可移动支架用于安装风速及温湿度传感器。空调系统的送风口采用散流器送风，回风口采用单百叶回风口。风管道中的三个风阀可以调节使系统处于三种工作模式，即全新风模式、一次回风模式及全回风模式。夏季机组工作原理：空气经过表冷器被冷却至机器露点温度，再经过多级加热器的加热，使空气达到送风温度及湿度要求进行送风。冬季机组工作原理：空气经过表冷器后被加热，再经加湿器的加湿，使空气达到送风温度及湿度要求后进行送风。通过初、中效过滤器可以有效的将空气中的尘埃过滤，达到一定的洁净要求。

3 计算机数据采集系统与控制系统设计

在设计该空调控制系统时，充分考虑了实用性及实验性，设计了2套控制系统，一套为电控制柜上的基本功能控制系统，可以在计算机瘫痪状态下，通过手动启动正常运行空调系统。另外又利用了先进的计算机控制技术设计了一套强大的实时监控系统，保证实验数据的实时智能监测。

3.1 控制系统硬件系统结构

计算机控制系统硬件结构如图5所示。计算机通过RS232/RS485接口与现场控制设备建立连接。其中单总线数据采集器主要采集单总线温度及湿度数据，可以同时采集几十路温度及湿度数据，在该空调系统中我们设置了9个温度点及6个温湿度点，可以实时采集不同位置的温度及湿度数据。开关量控制采集器主要用来控制水泵、制冷主机、模拟电热锅炉等设备的启停，同时采集开关量设备实际运行情况的反馈数据，实时监控设备运行是否正常。模拟量数据控制器主要功能是控制阀门的开度及变频器的频率，如通过控制器输出电压0-10V，调节阀门使之在0-100%间变化。模拟量数据采集器是采集阀门实际的位置反馈量、空调水流量及房间风速等数据，实时监测系统中的模拟量数据。 夏季相对湿度控制是应用系统采集到的温湿度经过计算机软件系统内部运算分析，将控制信号输出给开关量控制采集器，通过PWM可调脉宽输出控制固态继电器，进而达到控制多级加热器的加热量，稳定控制夏季空调的相对湿度；冬季相对湿度的控制是通过电极式加湿器对空气进行加湿处理。

3.2 软件系统结构

软件系统采用VC编写，通过VC自带串口控件MSComm与现场控制及数据采集设备建立串口通信。由计算机组建的控制系统，主要负责实时采集各点温度及湿度、空调水流量、房间风速等数据，并保存到数据库中，计算机软件通过采集到的数据进行运算处理后，输出控制指令，启动或者关闭开关设备及调整阀门开度等，使空调系统处理安全运行状态。计算机软件主界面如图6所示，按照实际空调系统流程设计，运行过程中以动画模拟的方式显示各个设备的运行状态及管道中介质的流动，具有极高的人机交互界面。由于硬件设计时，均采用了标准模块化设计，充分考虑了学生自行搭建空调自动化控制系统的需求，可以让学生在实验中充分发挥想象力，自行应用MCGS、组态王等组态软件自行组态控制系统。

4 实验项目

中央空调实验平台是一个综合性的实验平台，可以进行的实验包括：中央空调温湿度控制实验，房间内各点温度湿度及洁净度测量实验、房间内温度变化与控制阀门开度大小关系实验、制冷循环系统实验、供冷热量计量实验、管道及房间内风速测量实验、中央空调计算机控制系统实验、阀门PID控制实验、风机变频控制实验、制冷热系数测定实验、中央空调系统调试实验等等。

5 结束语

通过师生一起共建实验室平台，不仅可以提高学生的实践能力，而且还可以促进教师教学与科研实践相集合，提高教学质量。经过多年的实验教学验证，本实验平台在实际运行过程中，运行稳定，实验结果另人满意。

参考文献

[1]张吉光，王利，史自强.空调送风口送风量的测试方法[J].建筑热能通风空调，2003（6）.

[2]任秀宏，王林，郑立国.空调表冷器热工性能测试系统的研制[J].实验室研究与探索，2011（5）.

作者简介：姜国伟（1977-），男，辽宁工业大学土木建筑实验中心实验师。endprint

摘 要：中央空调实验平台是各大、中专院校在专业教学及相关科研中必不可少的实验平台。目前市场上存在的实验平台大部分是模型化设计，与工程实际存在一定的差距。在教学及科研中也暴露出很大的局限性。针对这样的不足，我们提出一种廉价的贴近工程实际的中央空调实验平台。

关键词：中央空调；实验平台；计算机控制；空气处理

1 引言

中央空调实验平台主要是为建筑环境与设备工程专业实验教学及相关科研专门开发的实验平台，该实验平台具有专业性强、功能完善、自动化程度高、价格低廉等优点。适合自主开发，能有针对性的将暖通空调理论教学与工程实践相结合。

2 系统流程及方案设计

2.1 水系统流程及方案设计

图1为该实验平台的水系统流程图。主要设计思路是夏季利用压缩式制冷循环系统制空调冷冻水，冬季利用电加热装置制空调热水。空调冷冻水系统供水控制温度设计为7±1℃，空调热水供水控制温度设计为50±3℃。考虑空调冷冻水系统水容量比较小，在冷冻水系统循环管道中增加了一套蓄水箱，体积为0.3-0.5M3，主要目的一是为了防止压缩机工作过程频繁启停，二是可以使空调冷冻水温度控制精度更高。

作为中央空调的核心装置冷水机组，市场价格少则上万多则几十万，本设计主要目的为教学实验用，因此充分考虑了成本问题，自行设计了风冷冷水机组，采用分体式空调KFP-5的外机，其内部已经集成了压缩机，风冷冷凝器，毛细管节流装置，最大制冷量10.5kW，蒸发器采用小型的钎焊板式换热器，换热量要求12KW以上。在安装过程中除了在制冷循环的各个部位安装温度传感器外，还可以在制冷剂管道上配置压力表，以便在工作过程中随时跟踪制冷剂循环各点的压力与温度的变化。如果在选择分体空调时机组带制热功能，可以通过切换四通换向阀门使该机组制热水，满足冬季供热需要。分体式空调外机与外部蒸发器实际连接如图2所示，从分体式空调外机接入钎焊板式换热器的制冷剂管道应该从下往上流，这样一方面可以增加制冷剂与水的换热时间，从而增加制冷量；另一方面可以使冷剂在蒸发器内充分蒸发，使回压缩机的制冷剂全为气体，保证机组运行安全。

2.2 风系统流程及方案设计

图3为该实验平台的风系统流程图。主要由空调处理机组、风道及空调房间组成。空调处理机组由初效过滤器、表冷器、电极式加湿器、离心风机、多级加热器及中效过滤器及外壳组成。空调处理机组在制作时采用上侧面为活动盖板，方便学生自由拆卸，以便进行观察与维护。实际制作的空调处理机组内部结构如图4所示。

空调房间为独立的密闭房间，可以根据制冷主机容量的大小选择15-50m2大小的房间，房间内设置可移动支架用于安装风速及温湿度传感器。空调系统的送风口采用散流器送风，回风口采用单百叶回风口。风管道中的三个风阀可以调节使系统处于三种工作模式，即全新风模式、一次回风模式及全回风模式。夏季机组工作原理：空气经过表冷器被冷却至机器露点温度，再经过多级加热器的加热，使空气达到送风温度及湿度要求进行送风。冬季机组工作原理：空气经过表冷器后被加热，再经加湿器的加湿，使空气达到送风温度及湿度要求后进行送风。通过初、中效过滤器可以有效的将空气中的尘埃过滤，达到一定的洁净要求。

3 计算机数据采集系统与控制系统设计

在设计该空调控制系统时，充分考虑了实用性及实验性，设计了2套控制系统，一套为电控制柜上的基本功能控制系统，可以在计算机瘫痪状态下，通过手动启动正常运行空调系统。另外又利用了先进的计算机控制技术设计了一套强大的实时监控系统，保证实验数据的实时智能监测。

3.1 控制系统硬件系统结构

计算机控制系统硬件结构如图5所示。计算机通过RS232/RS485接口与现场控制设备建立连接。其中单总线数据采集器主要采集单总线温度及湿度数据，可以同时采集几十路温度及湿度数据，在该空调系统中我们设置了9个温度点及6个温湿度点，可以实时采集不同位置的温度及湿度数据。开关量控制采集器主要用来控制水泵、制冷主机、模拟电热锅炉等设备的启停，同时采集开关量设备实际运行情况的反馈数据，实时监控设备运行是否正常。模拟量数据控制器主要功能是控制阀门的开度及变频器的频率，如通过控制器输出电压0-10V，调节阀门使之在0-100%间变化。模拟量数据采集器是采集阀门实际的位置反馈量、空调水流量及房间风速等数据，实时监测系统中的模拟量数据。 夏季相对湿度控制是应用系统采集到的温湿度经过计算机软件系统内部运算分析，将控制信号输出给开关量控制采集器，通过PWM可调脉宽输出控制固态继电器，进而达到控制多级加热器的加热量，稳定控制夏季空调的相对湿度；冬季相对湿度的控制是通过电极式加湿器对空气进行加湿处理。

3.2 软件系统结构

软件系统采用VC编写，通过VC自带串口控件MSComm与现场控制及数据采集设备建立串口通信。由计算机组建的控制系统，主要负责实时采集各点温度及湿度、空调水流量、房间风速等数据，并保存到数据库中，计算机软件通过采集到的数据进行运算处理后，输出控制指令，启动或者关闭开关设备及调整阀门开度等，使空调系统处理安全运行状态。计算机软件主界面如图6所示，按照实际空调系统流程设计，运行过程中以动画模拟的方式显示各个设备的运行状态及管道中介质的流动，具有极高的人机交互界面。由于硬件设计时，均采用了标准模块化设计，充分考虑了学生自行搭建空调自动化控制系统的需求，可以让学生在实验中充分发挥想象力，自行应用MCGS、组态王等组态软件自行组态控制系统。

4 实验项目

中央空调实验平台是一个综合性的实验平台，可以进行的实验包括：中央空调温湿度控制实验，房间内各点温度湿度及洁净度测量实验、房间内温度变化与控制阀门开度大小关系实验、制冷循环系统实验、供冷热量计量实验、管道及房间内风速测量实验、中央空调计算机控制系统实验、阀门PID控制实验、风机变频控制实验、制冷热系数测定实验、中央空调系统调试实验等等。

5 结束语

通过师生一起共建实验室平台，不仅可以提高学生的实践能力，而且还可以促进教师教学与科研实践相集合，提高教学质量。经过多年的实验教学验证，本实验平台在实际运行过程中，运行稳定，实验结果另人满意。

参考文献

[1]张吉光，王利，史自强.空调送风口送风量的测试方法[J].建筑热能通风空调，2003（6）.

[2]任秀宏，王林，郑立国.空调表冷器热工性能测试系统的研制[J].实验室研究与探索，2011（5）.

作者简介：姜国伟（1977-），男，辽宁工业大学土木建筑实验中心实验师。endprint