于 征(中國建筑設計院有限公司，北京 100044)

分體式空調(diào)集中控制系統(tǒng)及其應用

于 征
(中國建筑設計院有限公司，北京 100044)

介紹了分體式空調(diào)集中控制系統(tǒng)，并以北京某高校改造項目為例，闡述了系統(tǒng)的應用情況。數(shù)據(jù)表明，在夏季該系統(tǒng)可有效減少能源消耗，避免能源浪費，對公共建筑的節(jié)能、減排具有重要意義，為分體式空調(diào)及其他用電設備的實時集中管理奠定了基礎。

分體式空調(diào) 節(jié)能減排 控制系統(tǒng)

0 引言

根據(jù)住建部推算，我國建筑能耗已占全社會終端能耗的27.5%，其中，夏季公共機構建筑(如醫(yī)院、學校、辦公樓等)中分體式空調(diào)運行的電能消耗占很大比例(據(jù)統(tǒng)計，某高校夏季分體式空調(diào)的耗電量可占全?？偤碾娏康?0%以上)，因此，分體空調(diào)的智能化監(jiān)控和管理對公共建筑節(jié)能減排有著重要意義。本文介紹的分體式空調(diào)集中控制系統(tǒng)將分散、獨立的分體空調(diào)接入網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程物聯(lián)對象數(shù)據(jù)的監(jiān)控、傳輸、存儲和管理，并以某高校教學樓為應用實例，在不破壞室內(nèi)美觀，且改造工程量極小的前提下，使分體空調(diào)變得“可調(diào)、可控、可計量”。經(jīng)過集中控制，該校夏季可節(jié)能40%，分體空調(diào)無人值守、實時管理的新模式為分體空調(diào)及其他用電設備的實時集中管理奠定了堅實的基礎。

1 分體式空調(diào)集中控制系統(tǒng)

1.1概述

分體式空調(diào)被大量應用于公共建筑中，其分散、獨立的特點使其難以得到有效地監(jiān)控和管理，極易造成能源浪費。針對此問題，本文所述案例采用了分體式空調(diào)集中控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構如圖1所示。

1.2系統(tǒng)組成

1.2.1 系統(tǒng)硬件設計

硬件系統(tǒng)主要包含以太網(wǎng)模塊、紅外發(fā)射模塊、溫度檢測模塊以及空調(diào)開關檢測模塊?？刂破髂K硬件電路安裝在塑料外殼中(塑料外殼由3D打印而成)，其硬件電路采用220V～5V適配器供電。系統(tǒng)由以太網(wǎng)模塊接收指令后再通過紅外發(fā)射模塊控制空調(diào)運行；溫度檢測模塊用于檢測環(huán)境溫度；空調(diào)開關檢測模塊則通過光敏二極管檢測空調(diào)的開關狀態(tài)，使用網(wǎng)口通過網(wǎng)線連接至服務器?？刂破鲗嵨飯D參見圖2。

圖1 分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)架構圖

圖2 控制器實物圖

1.2.2 系統(tǒng)軟件設計

為實現(xiàn)分體式空調(diào)的集中管理，系統(tǒng)搭建了采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)平臺來控制網(wǎng)絡，現(xiàn)場網(wǎng)絡由智能網(wǎng)絡控制器、空調(diào)控制器、智能終端等組成，其功能包括：實時監(jiān)測、用能計量、定時控制、遠程控制、分組控制、批量設置和查詢分析等。

1)通信協(xié)議

為實現(xiàn)上層Web與底層控制器之間的通信，需設定通信協(xié)議，協(xié)議格式如表1所示。

控制器收到Web指令后，返回指令內(nèi)容如表2所示。

2)空調(diào)控制協(xié)議

通過破解得到空調(diào)的紅外控制協(xié)議。某品牌空調(diào)遙控器紅外編碼格式為：起始碼(S)+48位數(shù)據(jù)碼 +連接碼(C)+ 64位數(shù)據(jù)碼 + 連接碼(C)+56位數(shù)據(jù)碼。

(1)數(shù)據(jù)碼由“0”、“1”組成。其中“0”的電平寬度為：0.56ms低電平+0.56ms高電平；“1”的電平寬度為：0.56ms低電平+1.68ms高電平。

(2)起始碼S的電平格式為：9ms高電平+4.5ms低電平。

(3)連接碼C的電平格式為：8.5ms高電平。

(4)前48位數(shù)據(jù)碼具體設定功能協(xié)議格式如表3所示。

(5)后56位數(shù)據(jù)碼具體設定功能協(xié)議格式見表4。

表1 上層Web與底層控制器之間的通信協(xié)議

表2 返回指令內(nèi)容

3)軟件框架

(1)操作系統(tǒng)

前臺系統(tǒng)：串口中斷，接收控制指令和10ms定時器中斷，提供時間節(jié)拍。

后臺系統(tǒng)：空調(diào)控制，溫度檢測和空調(diào)開關檢測。

表3 前48位數(shù)據(jù)碼具體功能協(xié)議格式

表4 后56位數(shù)據(jù)碼具體設定功能協(xié)議格式

(2)子流程

初始化流程：初始化串口、定時器、I/O、ADC等模塊。

空調(diào)控制流程：1)判斷有無空調(diào)控制指令，若有指令則解析此指令；2)若指令解析正常，調(diào)用空調(diào)控制函數(shù)向空調(diào)發(fā)送指令；3)返回指令。

溫度檢測流程：1)讀取室內(nèi)溫度值；2)若溫度有變，返回指令。

空調(diào)開關檢測流程：1)檢測空調(diào)開關狀態(tài)；2)開關狀態(tài)有變，返回指令。

2 應用案例

2.1案例概述

以北京某高校兩棟教學樓中分體式空調(diào)節(jié)能改造項目為例，介紹集中控制系統(tǒng)的應用及運行效果。

1號教學樓共4層，含教室37間，已裝有分體柜式空調(diào)75臺；2號教學樓共7層，含教室73間，教師休息室7間，已裝有分體柜式空調(diào)124臺，壁掛式空調(diào)29臺。

在不進行大規(guī)模施工、不破壞室內(nèi)美觀的前提下，空調(diào)集中控制系統(tǒng)實現(xiàn)了如下目標：1)使分散、獨立的設備間可以進行通訊，實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)的遠程傳輸、采集與存儲、統(tǒng)計與分析、發(fā)布與遠傳；2)獲取環(huán)境溫度，實現(xiàn)遠程控制開/關機、調(diào)節(jié)空調(diào)溫度、風速和模式；3)實時監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)，對每臺空調(diào)進行能耗監(jiān)測，實現(xiàn)有效節(jié)能。

2.2系統(tǒng)設計方案

2.2.1 設計思路

1)本系統(tǒng)的整體方案設計是基于有線的IP空調(diào)聯(lián)網(wǎng)平臺，采用帶有通訊接口的空調(diào)控制器實時控制教學樓內(nèi)的各個空調(diào)設備，提供整棟教學樓的空調(diào)監(jiān)控，打造一個智能節(jié)能的監(jiān)管平臺。

2)控制器模塊硬件電路采用220V～5V適配器供電，使用網(wǎng)口通過網(wǎng)線連接至服務器。紅外發(fā)射管用于控制空調(diào)的運行，溫度傳感器用于檢測室內(nèi)溫度，光敏電阻用于檢測空調(diào)的開關狀態(tài)。

3)軟硬件結合控制，實現(xiàn)分散式空調(diào)集中管理，執(zhí)行法定溫度控制制度，監(jiān)控每臺空調(diào)的運行狀態(tài)，達到顯著的節(jié)能效果。

4)對建筑內(nèi)的空調(diào)實現(xiàn)智能控制，避免非工作時間空調(diào)開啟造成的能源浪費，采用分時段開/關機和定時啟/停管理，節(jié)假日及下班設定關機管理，減少浪費。

5)對特殊要求的空調(diào)可進行個性化設定，并對空調(diào)提供詳盡的保護預警，提高安全性。

6)分體式空調(diào)智能化控制系統(tǒng)在軟、硬件的配置上充分考慮了平臺建設“分布實施、逐步推進”的原則，具有可擴展性、開放性、實時性、穩(wěn)定性及先進性。

2.2.2 系統(tǒng)結構

以“分體式空調(diào)中央控制系統(tǒng)”為核心技術，搭建由監(jiān)管中心、通信網(wǎng)絡、空調(diào)控制器等構成的節(jié)能控制平臺。

1)通信網(wǎng)絡：利用原有的校園網(wǎng)絡，既可保證系統(tǒng)正常通信，又可減少施工量和資金投入。

2)監(jiān)管中心：監(jiān)控中心硬件配置有工作站、數(shù)據(jù)服務器、應用服務器、UPS不間斷電源、桌面顯示設備、A3打印機、雙控磁盤陣、服務器機柜各1臺，又由于服務器熱量較大，監(jiān)控中心需安裝空調(diào)來保證設備正常運行；監(jiān)控中心軟件配置有教學樓空調(diào)控制系統(tǒng)B/S軟件、中文版Windows工作站操作系統(tǒng)、中文版Windows服務器操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、正版病毒防護軟件。

3)教學樓分體空調(diào)控制設備配置：分體空調(diào)由于本身不帶通訊接口，控制系統(tǒng)不能對其直接進行監(jiān)測與控制。本方案的分體空調(diào)智能中央控制系統(tǒng)是具有帶通訊接口的空調(diào)控制器，設備間采用TCP/IP協(xié)議進行通信，可以獲取環(huán)境溫度、遠程開/關機以及調(diào)節(jié)溫度、風速、模式等，還可以對每臺空調(diào)進行能耗監(jiān)測，有線組網(wǎng)，穩(wěn)定可靠，即裝即用，同時還有報表查詢功能。

4)教學樓分體空調(diào)控制系統(tǒng)與校園能源監(jiān)管平臺的系統(tǒng)對接：采用系統(tǒng)集成技術，搭建完成的教學樓分體空調(diào)控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)與現(xiàn)有校園能源監(jiān)管平臺系統(tǒng)對接，進行統(tǒng)一管理，且相互獨立運行，互不干擾。

5)現(xiàn)場網(wǎng)絡：由智能網(wǎng)絡控制器、空調(diào)控制器、智能終端等組成，該系統(tǒng)采用基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡，具有拓撲結構靈活、通信穩(wěn)定、傳輸速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點。以太網(wǎng)在互聯(lián)設備之間以10～100Mbps的速率傳送信息包。

6)系統(tǒng)功能：(1)實時監(jiān)測：空調(diào)運行狀態(tài)、空調(diào)設置溫度、室內(nèi)溫度、實時用電功率等數(shù)據(jù)采集及實時監(jiān)測；(2)用能計量：實現(xiàn)對空調(diào)設備的用電在線計量；(3)定時控制：可以根據(jù)學校提供課表預先設置空調(diào)開啟、關閉時間；(4)遠程控制：實現(xiàn)空調(diào)的遠程開啟、關閉，室內(nèi)空調(diào)實現(xiàn)時間、溫度設置的智能化、平臺化管理；(5)分組控制和批量設置：軟件應支持對空調(diào)進行分組控制和批量設置的功能；(6)查詢分析：可按時間段對空調(diào)用電進行查詢，以曲線或柱狀圖形式進行數(shù)據(jù)展示；可查詢?nèi)?、月、年累計用電量；還可進行比較查詢。

2.3節(jié)能分析

由于高校作息時間的限制，錯峰用電的降耗方式無法滿足其需求，因此，只能通過智能控制各分體設備的啟/停和運行模式，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。 本系統(tǒng)上線后，可集中遠程管理線上的任一設備，并結合各教室使用情況，制定設備工作時間表，在滿足廣大師生教學需求的同時，實現(xiàn)有效節(jié)能。兩棟教學樓用電情況對比如圖3所示。

圖3 用電情況對比

根據(jù)圖3數(shù)據(jù)顯示，教學樓1單月同比減少耗電量約2.1萬kW·h，教學樓2單月同比節(jié)約電能約3.5萬kW·h，合計5.6萬kW·h，約占去年該月耗能的40%。

3 結束語

本文闡述了分體式空調(diào)集中控制系統(tǒng)的工作原理，并介紹了某高校的運行情況和節(jié)能效果。數(shù)據(jù)顯示，本系統(tǒng)對節(jié)能效果有顯著作用，因此，其對分體空調(diào)及其他用電設備的集中管理具有現(xiàn)實意義。

ControlSystemonSplit-typeAirConditioneranditsEngineeringApplication

Yu Zheng

A split-type air conditioner control system is proposed. Then in order to show its service condition,the project in an university of Beijing is detailed introduced.And the result shows that the system does conspicuous good to energy-saving in summer. So it is of great value to energy-saving and discharge reduction. Furthermore,it could provide a new way of centralization of control on split device.

split type air conditioner, energy conservation and emission reduction, control system