胡仲邦， 樊 冰， 崔麗麗， 林海旦， 薛凌云

(杭州電子科技大學(xué)a.采購(gòu)中心，b.實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，c.檢測(cè)技術(shù)與智能儀器研究所，浙江杭州310018)

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快，大型公共建筑和設(shè)施成倍增長(zhǎng)，建筑能耗不可避免地大幅度增加［1-2］。在大型公共建筑中，照明用電僅占25% ～35%，而空調(diào)用電占50% ～60%［3］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，改革開放以來(lái)，我國(guó)年經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率為7% ～8%，而能源增長(zhǎng)率僅為2%～4%，能源的供求差額越來(lái)越大，尤其是電力供應(yīng)更加緊張。因此，如何降低大型公共建筑的空調(diào)能耗已成為至關(guān)重要的問題［4-5］。

近年來(lái)，各高校為改善學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)境，在新建教學(xué)樓和舊樓改造時(shí)，安裝了大量的空調(diào)設(shè)備，每幢教學(xué)樓多則幾十臺(tái)，甚至幾百臺(tái)，且有逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這些空調(diào)設(shè)備致使學(xué)校用電量急劇上升，節(jié)能降耗的需求越來(lái)越迫切。但是，舊教學(xué)樓的大面積玻璃窗戶的設(shè)計(jì)形式、強(qiáng)調(diào)建筑通風(fēng)性能的設(shè)計(jì)理念，使教學(xué)樓保溫性能較差，對(duì)空調(diào)的安裝使用極為不利，極易造成空調(diào)能耗增加;對(duì)新建教學(xué)樓而言，雖按新的節(jié)能驗(yàn)收規(guī)范［6］，但部分存在不合理設(shè)備選型問題，如小型教室安裝大功率空調(diào)，導(dǎo)致空調(diào)因工作效率低下而增加了能量損耗;多數(shù)空調(diào)的運(yùn)行管理是分散的，在人少或無(wú)人時(shí)，系統(tǒng)依舊運(yùn)行，消耗了大量的電力;另外，與酒店、商場(chǎng)等公共建筑相比，高校缺乏專業(yè)空調(diào)管理人員，多數(shù)空調(diào)甚至可以隨意開關(guān)，導(dǎo)致空調(diào)的損壞率高、維修成本增加。

據(jù)測(cè)算，空調(diào)設(shè)定溫度在夏季每提高1度、或在冬季每降低一度，用電負(fù)荷可降低7～10%［7-9］。以教室中的自習(xí)人數(shù)作為空調(diào)開啟和關(guān)閉的門檻，人數(shù)較少的教室因空調(diào)被關(guān)閉，自習(xí)人員會(huì)自動(dòng)向人數(shù)較多的空調(diào)開啟的教室集中，節(jié)電效果亦會(huì)非常顯著。因此，對(duì)高校教室空調(diào)實(shí)行集中管理控制十分必要。

鑒于目前網(wǎng)絡(luò)的普遍性和成熟性，設(shè)計(jì)了3個(gè)空調(diào)集中控運(yùn)行管理方案，以3個(gè)教學(xué)樓空調(diào)系統(tǒng)為對(duì)象，對(duì)比分析各方案的節(jié)能降耗效果及改造成本，為不同應(yīng)用場(chǎng)合空調(diào)運(yùn)行管理方案的選擇提供依據(jù)。

1 基于Internet空調(diào)運(yùn)行管理方案

目前，多數(shù)大型公共建筑的空調(diào)設(shè)施主要包括變冷媒流量空調(diào)系統(tǒng)(VRV，Variable Refrigerant Volume)、變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)(VAV，Variable Air Volume)、中央空調(diào)系統(tǒng)(Central Air Conditioning System)等，這些系統(tǒng)往往都具有獨(dú)立的運(yùn)行管理系統(tǒng)，在建設(shè)、裝修完成時(shí)已具備一定的節(jié)能降耗能力。但仍有部分公共建設(shè)中使用單體空調(diào)實(shí)現(xiàn)局部環(huán)境溫度的調(diào)控，特別是高校教學(xué)樓中，多數(shù)屬于這種情況。這些獨(dú)立空調(diào)器的能耗狀況差異性很大，往往和空調(diào)使用者的節(jié)能意識(shí)密切相關(guān)，有必要通過空調(diào)運(yùn)行的集中控制，即在空調(diào)的運(yùn)行管理環(huán)節(jié)提高空調(diào)運(yùn)行效率，降低空調(diào)能耗.?；诟咝＝淌椰F(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了以下三種空調(diào)集中控制的方案:

1.1 基于電源控制的空調(diào)運(yùn)行管理方案

(1)系統(tǒng)架構(gòu)。空調(diào)的工作電源是空調(diào)正常工作的必要條件，通過控制空調(diào)電源的開啟、關(guān)閉，是實(shí)現(xiàn)空調(diào)管理控制的最簡(jiǎn)易、最直接的手段?；陔娫纯刂频目照{(diào)運(yùn)行管理方案如圖1，該方案的控制系統(tǒng)由PC機(jī)、檢測(cè)裝置、空調(diào)控制器、中間繼電器和空調(diào)組成，要求空調(diào)具有通電開機(jī)和關(guān)機(jī)狀態(tài)記憶功能。

(2)控制流程?；陔娫纯刂频目照{(diào)運(yùn)行管理方案的控制流程如圖2所示。

假設(shè):教室中人數(shù)超過10人時(shí)，允許空調(diào)開啟。系統(tǒng)上電初始化后:①各教室檢測(cè)裝置定時(shí)檢測(cè)教室人數(shù)。若連續(xù)1小時(shí)人數(shù)＞10人，轉(zhuǎn)向“②”;若連續(xù)1小時(shí)人數(shù)＜10人，轉(zhuǎn)向“⑤”。②檢測(cè)裝置經(jīng)以太網(wǎng)向PC機(jī)發(fā)出空調(diào)開啟請(qǐng)求及請(qǐng)求開啟的設(shè)備號(hào)。③PC機(jī)收到請(qǐng)求后，通過以太網(wǎng)向網(wǎng)絡(luò)空調(diào)控制器發(fā)出設(shè)備號(hào)及其空調(diào)開啟命令。④空調(diào)控制器收到命令后，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的中間繼電器開啟被控空調(diào)的電源。轉(zhuǎn)向“①”。⑤檢測(cè)裝置經(jīng)以太網(wǎng)向PC機(jī)發(fā)出空調(diào)關(guān)閉請(qǐng)求及請(qǐng)求關(guān)閉的設(shè)備號(hào)。⑥PC機(jī)收到請(qǐng)求后，通過以太網(wǎng)向網(wǎng)絡(luò)空調(diào)控制器發(fā)出設(shè)備號(hào)及其空調(diào)關(guān)閉命令。⑦空調(diào)控制器收到命令后，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的中間繼電器關(guān)閉被控空調(diào)的電源。轉(zhuǎn)向“①”。

圖1 空調(diào)電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 空調(diào)電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)控制流程示意圖

(3)管理界面?；陔娫纯刂频目照{(diào)運(yùn)行管理方案的管理界面如圖3所示。該方案控制成本較低，在購(gòu)機(jī)時(shí)廠家可直接提供滿足要求的空調(diào)設(shè)備。由于是對(duì)空調(diào)電源的控制管理，故可將教室總電源、照明電源等也納入遠(yuǎn)程控制管理，實(shí)現(xiàn)教室網(wǎng)絡(luò)化、信息化管理，進(jìn)一步降低能耗。

1.2 基于485總線的空調(diào)運(yùn)行管理方案

(1)系統(tǒng)架構(gòu)。由于485總線抗共模干擾能力強(qiáng)、靈敏度高，通常通信距離超過幾十米甚至到上千米時(shí)，選擇485總線建立設(shè)備間的通信聯(lián)絡(luò)。485總線便于多點(diǎn)互連，可以構(gòu)建分布式系統(tǒng)，一般最大支持32 個(gè)節(jié)點(diǎn)［10-12］。

對(duì)高校教室或?qū)嶒?yàn)室而言，實(shí)現(xiàn)一幢樓內(nèi)的空調(diào)設(shè)備統(tǒng)一控制管理，上千米的通信距離已足夠，一個(gè)教室或?qū)嶒?yàn)室布置一臺(tái)基于485總線的空調(diào)控制器，32個(gè)節(jié)點(diǎn)也已足夠。顯然可采用485總線構(gòu)建空調(diào)運(yùn)行管理方案，如圖4所示。

圖3 空調(diào)電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)管理界面示意圖

圖4 基于485總線的空調(diào)運(yùn)行管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

該方案的控制系統(tǒng)由PC機(jī)、集線器、基于485總線的空調(diào)控制器和空調(diào)組成，方案實(shí)施成本低，組網(wǎng)、布線方便。其中主要模塊的功能包括:

PC機(jī):接收、存儲(chǔ)系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理，統(tǒng)計(jì)分析空調(diào)能耗，打印能耗圖表及報(bào)表，設(shè)定空調(diào)地址編碼，編碼識(shí)別及空調(diào)控制，等等。

集線器［13］:是PC機(jī)與空調(diào)設(shè)備連接的共享設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大，完成信號(hào)中轉(zhuǎn)，即面向全部空調(diào)控制器發(fā)布或接收信息。

基于485總線的空調(diào)控制器:是系統(tǒng)的核心設(shè)備，每臺(tái)控制器根據(jù)所管控的教室或?qū)嶒?yàn)室掛接不同數(shù)量的空調(diào)設(shè)備。每臺(tái)控制器功能相同，采集環(huán)境溫度、空調(diào)運(yùn)行等系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)上傳PC機(jī)，接收PC機(jī)下發(fā)指令，經(jīng)485總線發(fā)布空調(diào)控制命令，等。

(2)控制流程。同樣假設(shè):教室中人數(shù)超過10人時(shí)，允許空調(diào)開啟。系統(tǒng)上電初始化后:①各教室基于485總線的空調(diào)控制器定時(shí)檢測(cè)教室人數(shù)、教室溫度、空調(diào)運(yùn)行狀況等系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)及相關(guān)空調(diào)地址編碼，并經(jīng)集線器、互聯(lián)網(wǎng)上傳到PC機(jī)。若連續(xù)1小時(shí)人數(shù)＞10人且達(dá)到空調(diào)開啟溫度設(shè)定值，轉(zhuǎn)向“②”;若連續(xù)1小時(shí)人數(shù)＜10人或未達(dá)到空調(diào)開啟溫度設(shè)定值，轉(zhuǎn)向“④”。②PC機(jī)根據(jù)收到的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，確定空調(diào)開啟數(shù)量及欲開啟空調(diào)的地址編碼，通過互聯(lián)網(wǎng)、集線器向基于485總線的空調(diào)控制器發(fā)出空調(diào)開啟命令。③空調(diào)控制器將收到的命令經(jīng)485總線發(fā)布，相應(yīng)空調(diào)被開啟。轉(zhuǎn)向“①”。④PC機(jī)根據(jù)收到的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，確定空調(diào)關(guān)閉數(shù)量及欲關(guān)閉空調(diào)的地址編碼，通過互聯(lián)網(wǎng)、集線器向基于485總線的空調(diào)控制器發(fā)出空調(diào)關(guān)閉命令。⑤空調(diào)控制器將收到的命令經(jīng)485總線發(fā)布，相應(yīng)空調(diào)被關(guān)閉。轉(zhuǎn)向“①”。

該方案要求空調(diào)具有485接口。方案的特點(diǎn)是:基于485總線的空調(diào)控制器具有環(huán)境狀態(tài)檢測(cè)功能，每臺(tái)空調(diào)設(shè)備具有獨(dú)立唯一的地址編碼，PC機(jī)可根據(jù)環(huán)境變化，通過對(duì)每臺(tái)空調(diào)的獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)空調(diào)的自動(dòng)化、智能化、節(jié)能化管理，而“集線器-空調(diào)控制器”的連接模式，為系統(tǒng)拓展提供了便利。另外，PC機(jī)處若采用調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)撥號(hào)聯(lián)網(wǎng)，即利用已有的電話網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的管理控制，可進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。該方案不方便采用環(huán)型接法。

1.3 基于以太網(wǎng)的空調(diào)運(yùn)行管理方案

(1)系統(tǒng)架構(gòu)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)時(shí)代到來(lái)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)施控制被越來(lái)越多的用戶所接受。與基于RS485總線的控制模式相比，基于IEEE802.3協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)，是目前應(yīng)用最廣泛的一種總線局域網(wǎng)，只要利用局域網(wǎng)中每個(gè)網(wǎng)卡上的BNC-T型連接器，即可方便地建立設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)的星型連接，所需電纜少，價(jià)格便宜，容易擴(kuò)展［14-16］?；谝蕴W(wǎng)的空調(diào)運(yùn)行管理方案如圖5所示:

圖5 基于以太網(wǎng)的空調(diào)運(yùn)行管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

該方案的控制系統(tǒng)由PC機(jī)、集線器、路由器、基于以太網(wǎng)的空調(diào)控制器和空調(diào)組成。其中主要模塊的功能包括:①PC機(jī):接收、存儲(chǔ)系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理，統(tǒng)計(jì)分析空調(diào)能耗，打印能耗圖表及報(bào)表，設(shè)定空調(diào)地址編碼，編碼識(shí)別及空調(diào)控制，等等。②集線器、路由器:均屬于PC機(jī)與空調(diào)設(shè)備連接的共享設(shè)備，集線器實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大與中轉(zhuǎn)，路由器實(shí)現(xiàn)各空調(diào)設(shè)備子網(wǎng)間的連接并向空調(diào)控制器發(fā)布或接收信息，實(shí)現(xiàn)空調(diào)的集中遠(yuǎn)程控制。③基于以太網(wǎng)的空調(diào)控制器:代替空調(diào)遙控器，控制空調(diào)開/關(guān)機(jī)、溫度、風(fēng)速、模式等各種運(yùn)行狀態(tài)，采集環(huán)境溫度，記錄并上傳PC機(jī)，接收PC機(jī)下發(fā)指令，等等。

(2)控制流程。同樣假設(shè):教室中人數(shù)超過10人時(shí)，允許空調(diào)開啟。基于圖5控制方案，系統(tǒng)上電初始化后:①各教室基于以太網(wǎng)的空調(diào)控制器定時(shí)檢測(cè)教室人數(shù)、教室溫度、空調(diào)運(yùn)行狀況等系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)及相關(guān)空調(diào)地址編碼，并經(jīng)路由器、集線器、以太網(wǎng)上傳到PC機(jī)。若連續(xù)1小時(shí)人數(shù)＞10人且達(dá)到空調(diào)開啟溫/濕度設(shè)定值，轉(zhuǎn)向“②”;若連續(xù)1小時(shí)人數(shù)＜10人或未達(dá)到空調(diào)開啟溫/濕度設(shè)定值，轉(zhuǎn)向“④”。②PC機(jī)根據(jù)收到的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，確定空調(diào)開啟數(shù)量及欲開啟空調(diào)的地址編碼，通過以太網(wǎng)、集線器、路由器向基于以太網(wǎng)的空調(diào)控制器發(fā)出空調(diào)開啟命令。③空調(diào)控制器按收到的命令開啟相應(yīng)空調(diào)，轉(zhuǎn)向“①”。④PC機(jī)根據(jù)收到的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，確定空調(diào)關(guān)閉數(shù)量及欲關(guān)閉空調(diào)的地址編碼，通過以太網(wǎng)、集線器、路由器向基于以太網(wǎng)的空調(diào)控制器發(fā)出空調(diào)關(guān)閉命令。⑤空調(diào)控制器按收到的命令關(guān)閉相應(yīng)空調(diào)。轉(zhuǎn)向“①”。

該方案還可實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外雙閉環(huán)控制:內(nèi)環(huán)是指空調(diào)的自有閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)制冷/制熱的恒溫控制及各種空調(diào)保護(hù)功能;外環(huán)是指根據(jù)人數(shù)、溫/濕度等環(huán)境條件的變化，經(jīng)以太網(wǎng)實(shí)施的空調(diào)遠(yuǎn)程控制，通過外環(huán)控制可實(shí)現(xiàn)空調(diào)的自動(dòng)化、智能化、節(jié)能化管理。

總體方案采用模塊化設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)展及系統(tǒng)更新，如人數(shù)檢測(cè)模塊，既可以采用紅外檢測(cè)方式，也可采用視頻檢測(cè)方式;在教室/實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按需布置溫/濕度探測(cè)器，更可確保環(huán)境溫/濕度的均勻性。

(3)管理界面?；谝蕴W(wǎng)的空調(diào)運(yùn)行管理方案的管理。界面操作簡(jiǎn)單，具有良好人機(jī)交互性能。

若將該系統(tǒng)接入學(xué)校的安防系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，可從設(shè)備管理的角度，提升高校整體智能化、信息化管理水平。

2 方案比較

上述三種設(shè)計(jì)方案應(yīng)用到學(xué)校3個(gè)教學(xué)樓的空調(diào)系統(tǒng)，與上年同期相比，能源消耗均有所降低。測(cè)試結(jié)果表明，基于以太網(wǎng)的空調(diào)運(yùn)行管理方案節(jié)能效果最佳，基于電源控制的空調(diào)運(yùn)行管理方案改造成本最低。

表1 三種空調(diào)集中控制方案的比較

3 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)其室內(nèi)環(huán)境的要求也越來(lái)越高，從而導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)的能耗不斷增大。通過空調(diào)集中式控制管理勢(shì)在必行，按照高校空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，文中設(shè)計(jì)的三種集中控制方案，并對(duì)三種方案進(jìn)行了比較，對(duì)空調(diào)集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有較大參考價(jià)值。通過方案選擇或?qū)⑸鲜龇桨高M(jìn)行適應(yīng)性改造，同樣可用于其他公共建筑。

［1］ 趙 靖.大型公共建筑節(jié)能診斷與評(píng)價(jià)技術(shù)體系研究［D］.天津:天津大學(xué)，2009.

［2］ 李志斌，錢 霞.大型公共建筑節(jié)能改造措施和效果分析［J］.建筑節(jié)能，2009(37):67-69.

［3］ 江 億.我國(guó)建筑耗能狀況及其有效的節(jié)能途徑［J］.暖通空調(diào)，2005，35(5):30-40.

［4］ JGJ75-2003.夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［5］ 吳曉艷.公共建筑空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)與優(yōu)化管理［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2006.

［6］ GB 50411-2007.建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］..北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［7］ 中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院辦公廳.國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)節(jié)能工作的決定(國(guó)發(fā)［2006］28 號(hào)) ［EB/OL］.http://china.findlaw.cn/fagui/p_1/363840.html，2006-08-06.

［8］ 中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院辦公廳.國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于嚴(yán)格執(zhí)行公共建筑空調(diào)溫度控制標(biāo)準(zhǔn)的通知(國(guó)辦發(fā)［2007］42號(hào))［EB/OL］.http://www.lawtime.cn/info/fangdichan/guojiafagui/20110622147561.html，2011-06-22.

［9］ 楊文輝.公共建筑空調(diào)系統(tǒng)綜合節(jié)能運(yùn)行模式研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2008.

［10］ 蔣政宏.基于RS-485總線的水輪機(jī)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(5):130-133.

［11］ 瞿少成，曲 豪，史毓達(dá).基于RS-485通信協(xié)議的排隊(duì)系統(tǒng)研制［J］.電子測(cè)試技術(shù)，2009，32(4):49-52.

［12］ 劉俊偉.基于RS-485總線多CPU控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)模型及其通訊協(xié)議［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2007，20(6):40-41.

［13］ 張曉健，李志新.RS-485集線器的設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2009(5):71-73.

［14］ 張少軍.以太網(wǎng)技術(shù)在樓宇自控系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［15］ 姬 帥，胡天亮，張承瑞，.基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的高速精插補(bǔ)算法及其實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2012，18(10):2211-2216.

［16］ 鞏全成，吳亞鋒，李紅紅.RS-485總線以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換裝置研究［J］.計(jì)算機(jī)工程，2012，38(22):248-250.