一种教学用空调设备的设计与实现

随着经济的飞速发展，中央空调在各大建筑中得到了广泛应用，比如大型商场超市、宾馆、体育场馆、居民建筑等，同时对空调系统的设计人员、维修人员、管理人员的需求量越来越大，技术水平要求也越来越高。空调系统相对于一般设备而言结构复杂，体积庞大，元器件多，各部件之间关联性强，从业人员需具备一定的动手能力和实践经验。在空调系统教学和培训中，为了达到更好的学习效果，需要理论联系实践，通常要借助一定的教学实验设备进行实践操作。为此，笔者设计了一种教学用空调设备，可以作为职业院校或企业空调专业人员培训的辅助设备。
1、中央空调教学设备现状
目前广泛采用的中央空调教学设备主要有两种，一种是仿真教学设备，另一种是微型化中央空调教学设备。
1.1仿真教学设备
仿真教学设备的应用侧重于加深学习者对中央空调工作原理的理解，具有占地小、投资少、组合灵活的优点，主要应用于高等院校教学，这类教学设备已比较完善、成熟。
1.2微型化中央空调教学设备
微型化中央空调教学设备将庞大而分散的中央空调系统集中化，同时保持整个中央空调制冷系统的完整性和合理性，以辅助专业教学。其实质是一个微型化的真实的空调系统，可以开机运行、制冷或制热、故障报警等，侧重于提高学员的实际操作能力和解决空调系统实际运行中所存问题的能力。本文设计属于该类教学设备。
2、设计思路
一般的空调系统设计要根据冷热负荷对设备进行选型，而本文介绍的设备属于教学设备，设计思路有所差别，设计的重点围绕一个主题——方便教学，通过对该设备的讲解和操作让学生能够更加直观地学习制冷系统的相关知识。根据要达到的目的，确定设计任务，所设计的空调系统应满足以下要求：（1）系统各组成部件可以单独控制，任意启停；（2）可以人为模拟空调系统故障，并根据故障的严重程度划分等级；（3）满足参数的监控需求，对有利于空调系统理解的参数都要采集并显示；（4）教学用空调系统应高度集成，严格控制空调机组的体积；（5）结构尽量采用可拆卸式，或透明结构；（6）空调系统具备必要的故障保护功能，比如系统高低压保护等；（7）采用AC220V、50Hz通用电源，有利于教学用空调设备的推广和应用。
3、系统组成
3.1制冷系统组成
本空调系统能够实现制冷运行，制冷系统由压缩机、蒸发器、冷凝器、冷凝风机、压力控制器、毛细管、干燥过滤器、储液器等组成。
3.2监控面板组成
图1上半部分为教学用空调设备的监控面板，监控面板主要由控制按钮和参数采集及显示部分组成。控制按钮包括急停按钮、空调系统各组件的手动控制按钮、送风机故障模拟按钮和复位按钮、冷凝风机故障模拟按钮和复位按钮，可以实现各组件的单独控制功能、机组紧急停机功能及风机故障模拟与复位功能。参数采集及显示部分由温度显示器、湿度显示器、电压表、电流表、压力表等组成，负责采集空调系统运行中的重要参数，实时显示各参数的变化情况，学员可以观察空调运行后各参数的变化情况，从而了解各参量与系统之间的关联性。在监控面板的一侧附有制冷剂R134a温度/压力对照表，方便学员学习制冷系统时查表，有助于加深对系统的理解。

图1 教学用空调设备监控面板和系统演示板
3.3系统状态演示板组成
图1下半部分为教学用空调设备的系统演示板。系统演示板上是该空调机组的系统原理图，通过该原理图可以轻松了解系统的各组成部件、制冷剂的流向。关键部件还配有启停状态指示灯和故障状态指示灯，帮助学员直观掌握关键部件状态。为了使空调系统在教学中更加灵活易用，在系统管路中增加了若干截止阀，并将截止阀实物置于系统原理图中对应的位置，通过系统演示板上的阀门就可以通断管路，模拟空调系统运行中的部分系统故障，直观演示故障形成的原因和解决方法。
4、教学用空调设备部分功能的实现
根据实际需要，该教学用空调设备主要具备以下功能。
4.1数据采集及显示该设备能够实时采集空调系统的送风温湿度、回风温湿度、压缩机吸气温度和压力、排气温度和压力、蒸发器温度、冷凝温度、过冷度、压缩机电流、整机电流、电压等参数，这些参数对于学习和理解空调系统具有非常重要的意义。
其中，送、回风温湿度监测采用温湿度传感器配合模数转换显示器，6个温度监测采用NTC传感器配合数字温度显示器，电流、电压参数测量和显示选择单相电能多功能仪表，压力采集采用压力传感器，显示采用经济型压力测控仪。
4.2故障保护为了保证空调机组能够正常运行，该系统具备以下故障保护功能：压缩机高压保护、压缩机低压保护、压缩机过载保护、排气温度过高保护。当系统发生故障时，空调设备对对应组件进行保护动作。
4.3故障模拟
对于中央空调的设计人员、管理人员、维修人员来说，如何保证空调系统无故障运行，出现故障时找出故障产生的原因，系统故障之后如何排除故障，使机组快速恢复正常运行状态，都是非常重要的内容，也是学习的重点。因此，对于教学用空调设备而言，空调设备增加了一些辅助结构。在空调系统管路中布置了多个截止阀，这样可以在空调运行中人为地制造系统故障，方便学员学习故障产生的原因和解决的方法。例如，可以从截止阀充氟口放氟来模拟空调机漏氟，人为制造压缩机低压故障。此时空调会出现无冷风、膨胀阀后液管结霜等现象，可以通过在充氟口充氟到正常水平来消除故障。因为氟利昂直接排到空气中会对环境造成污染，所以也可以通过阀门之间的相互配合来实现系统低压故障模拟。通过管路上各阀门的开关，或者控制开关时间和开关量，可以模拟部分空调系统故障，比如系统高压故障、压缩机吸气口堵塞、膨胀阀损坏等。学员通过实际操作，可以观察故障产生的原因，学习解决问题的办法。在空调设备电路中，增加了送风机故障和冷凝风机故障模拟电路，可以通过系统状态演示板上的故障模拟按钮模拟故障产生，当故障发生时，相应的风机会出现保护动作，停止运转。
4.4直观教学
为了实现教学过程的直观性，机组外面板采用可拆卸式，教学时可拆除面板，开放的结构形式使学员能够清晰地看到制冷系统的组成、内部结构和管路连接。电控箱面板采用有机玻璃面板，即使不打开电控箱门也能够清晰地查看电气图纸及箱内电气线路。
5、机组特点
5.1高度集成
该教学机采用风冷一体机的结构形式，没有室外机，蒸发器、冷凝器集成在一台教学机组上，机组高度集成。整机尺寸非常小，长、宽、高分别为460mm、400mm、800mm，其中系统状态演示板平行于地面设置，高度为520mm，总控制台并非垂直于地面，而是倾斜30°，使学员有更加舒适的视角查看机组参数。
5.2监测点多
该空调设备为教学用设备，为了便于采集实验数据，给空调系统学习和分析提供必要的依据，在该空调机中设置了非常多的传感器，整个空调设备配备了2个温湿度传感器、6个温度传感器、2个压力传感器、1个电压监测点、1个电流监测点，再将传感器采集的信号通过信号转换显示到监控面板上，这些参数对学习制冷系统来说非常重要，做到了空调运行时所有重要参数的变化情况都可以直观监测。
5.3控制灵活
系统的主要组成部件都可以单独启停控制，比如送风机、压缩机、冷凝风机；还可以通过系统管路中的截止阀和电控元件模拟部分空调系统故障，帮助学员理解故障产生的原因以及故障后机组应该如何动作，如何排除故障。
5.4随时随地教学
该教学用空调设备电源为AC220V、50Hz普通民用电源，并且空调体积小，底座配有万向移动轮，可以灵活移动到任何地方，对场地要求非常低，方便随时随地教学。
6、结语
目前该教学用空调设备已经通过功能试验和性能试验，均能满足预期要求，并且在企业、院校培训中投入使用，基本能够满足教学中的功能需求。笔者在总结该机组研发过程中取得经验的同时，也总结了一些不足：为了严格控制该机组的体积和制造成本，设计过程中放弃了部分功能的实现，在后续产品更新中，可以根据需求和预算的不同，继续推出功能更加完善的教学用空调设备，使用户能够根据需求灵活选择。