黃瑋

(貴州中勘繪工程咨詢有限公司，貴州 貴安 550025)

近年來，空氣源、地?zé)嵩础⑻?yáng)能等多種能源利用形式的熱泵得到了推廣使用。在這一基礎(chǔ)上，將多種能源整合利用，設(shè)計(jì)一種多源暖通空調(diào)系統(tǒng)，一方面減輕了對(duì)于電能的依賴，從而節(jié)約了能耗；另一方面也降低了暖通空調(diào)的使用成本和學(xué)校方面的預(yù)算支出。本文介紹的多源暖通空調(diào)系統(tǒng)，具有自動(dòng)化程度高、系統(tǒng)規(guī)模小、能源消耗低等特點(diǎn)，適合學(xué)生宿舍等需要大規(guī)模集中供暖的場(chǎng)所，具有較好的發(fā)展前景。

1 多源暖通空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)的核心是中央控制系統(tǒng)，由一臺(tái)終端計(jì)算機(jī)組成，通過有線通信的方式，利用通信端口與該系統(tǒng)下的太陽(yáng)能集熱器、空調(diào)水箱、多能源復(fù)用機(jī)組等連接，能夠完成信號(hào)采集和指令傳輸?shù)碾p向通信。硬件設(shè)備方面，主要包括多源熱泵機(jī)組、保溫水箱、蓄能水箱、供水泵等。軟件系統(tǒng)方面，采用DCS 分布式控制系統(tǒng)，將終端計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，將分布在各個(gè)電氣設(shè)備上的單片機(jī)作為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)和信息傳遞。除此之外，還有若干分布于前端的執(zhí)行器、傳感器，用于控制指令的實(shí)現(xiàn)和狀態(tài)信號(hào)的采集。主要結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 多源暖通空調(diào)系統(tǒng)

2 多源暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

2.1 太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有的能源利用技術(shù)下，太陽(yáng)能仍然是一種成本較低、轉(zhuǎn)化率較高能源。太陽(yáng)能集熱器的類型多樣，本系統(tǒng)中選擇了管式太陽(yáng)能集熱器，雖然在“光- 電”轉(zhuǎn)化效率上不如平板式太陽(yáng)能集熱器，但是考慮到學(xué)生宿舍具有設(shè)備用量大，加上樓頂可利用空間充足的特點(diǎn)，最終選擇了綜合性價(jià)比更高的管式太陽(yáng)能集熱器。集熱器的出水回路通過Y 型連接器分成2 股，其中一股作為學(xué)生洗浴用水，另外一股作為熱源側(cè)供水。

2.2 蓄能水箱設(shè)計(jì)

為保證熱水系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)能夠同時(shí)、穩(wěn)定運(yùn)行，該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了3 個(gè)蓄能水箱。其中，1#水箱為太陽(yáng)能集熱水箱，容量為10t；2#水箱為學(xué)生洗浴熱水水箱，容量為12t；3#水箱為空調(diào)冷熱水水箱，容量為15t。每個(gè)蓄能水箱內(nèi)均有單片機(jī)控制單元，在接收中央計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令后，控制水箱內(nèi)部執(zhí)行單元，完成自動(dòng)加水、蓄能加熱或自動(dòng)給水。

3 多源暖通空調(diào)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件部分

3.1.1 前端控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)以下位機(jī)為核心，選擇AT89C51 單片機(jī)，提供4K 字節(jié)可編程存儲(chǔ)容量，時(shí)鐘頻率24MHz，32 個(gè)可編程I/0 線。支持藍(lán)牙和WIFI 連接，信號(hào)傳輸穩(wěn)定。1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的JTAG/SWD 調(diào)試下載口，在PC 端完成編程后，傳輸?shù)较挛粰C(jī)的程序，可通過該接口與J-LINK 調(diào)試器連接，完成編程的調(diào)試，判斷指令的實(shí)現(xiàn)情況，保證控制功能實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。提供4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的LCD 接口，方便下位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各部分溫度變化情況。

3.1.2 溫度采集系統(tǒng)

在系統(tǒng)硬件部分，除了下位機(jī)外，還包含了若干傳感器。其中數(shù)量最多、最為重要的是溫度傳感器。為了兼顧靈敏度和信號(hào)傳輸速度，本系統(tǒng)中選擇了10K 的t106-10k 熱敏電阻感溫探頭。除了靈敏感知各個(gè)點(diǎn)位微小的溫度變化外，還能夠精準(zhǔn)地將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，以便于上位機(jī)識(shí)別和存儲(chǔ)。除了溫度傳感器外，該系統(tǒng)的另一個(gè)重要組成是信號(hào)傳輸電路。采用CD4067 型16 選1 雙向模擬開關(guān)，兼有信號(hào)采集、傳輸、檢測(cè)等多項(xiàng)功能。

3.1.3 執(zhí)行設(shè)備控制系統(tǒng)

下位機(jī)在接收上位機(jī)發(fā)送的指令后，控制本模塊的執(zhí)行設(shè)備，完成相應(yīng)的動(dòng)作。為了保證執(zhí)行設(shè)備精準(zhǔn)完成控制指令，系統(tǒng)中加入了ULN2803A 型驅(qū)動(dòng)芯片，能夠?yàn)橄到y(tǒng)中的繼電器、步進(jìn)電機(jī)等提供驅(qū)動(dòng)力。以驅(qū)動(dòng)芯片為核心，搭建驅(qū)動(dòng)電路，如圖2 所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路圖

系統(tǒng)中使用光耦隔離繼電器，由驅(qū)動(dòng)芯片提供驅(qū)動(dòng)力后，觸發(fā)繼電器動(dòng)作進(jìn)而使電路運(yùn)行。完成一個(gè)周期的運(yùn)行后，下位機(jī)將動(dòng)作終止信號(hào)反饋給上位機(jī)，等待接收下一項(xiàng)指令。

3.2 軟件部分

3.2.1 上位機(jī)軟件模塊

該系統(tǒng)的軟件部分，包含3 個(gè)功能模塊，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通信模塊和控制模塊，另外還有1 臺(tái)液晶顯示器，用于人機(jī)交互。結(jié)構(gòu)組成如圖3 所示。

圖3 多源暖通空調(diào)的軟件系統(tǒng)架構(gòu)

其中，數(shù)據(jù)模塊的核心是大容量數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)接收方式上，為了減輕系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷，人工設(shè)置了數(shù)據(jù)傳輸頻率，對(duì)于實(shí)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，先由下位機(jī)暫時(shí)存儲(chǔ)，然后以1min 為時(shí)限，將1min 內(nèi)產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、發(fā)送。按照數(shù)據(jù)來源、產(chǎn)生時(shí)間等作為依據(jù)，將其進(jìn)行分類存儲(chǔ)。當(dāng)然，除了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)外，基于系統(tǒng)運(yùn)行需要，還提供了溫度數(shù)據(jù)管理單元、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控單元。前者支持對(duì)歷史溫度數(shù)據(jù)的查詢，后者可以自動(dòng)識(shí)別異常的溫度信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)管。

通信模塊支持基于串口的有線通信和基于內(nèi)置無線傳感裝置的無線通信2 種模式。除了上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信模塊外，下位機(jī)與傳感器、執(zhí)行器之間也設(shè)有通信模塊。均支持雙端通信，即前端可以將采集到的狀態(tài)參數(shù)反饋給終端，終端也能夠?qū)⒅噶畎l(fā)送給前端。

控制模塊支持手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式。通常是由人工燒錄程序之后，再通過自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。

人機(jī)交互界面的主頁(yè)面，提供了4 個(gè)選項(xiàng)，分別是制熱/制冷智能運(yùn)行，手動(dòng)運(yùn)行和系統(tǒng)設(shè)置。點(diǎn)擊手動(dòng)運(yùn)行后，進(jìn)入二級(jí)頁(yè)面，可查看用戶泵、潛水泵、太陽(yáng)能泵、水源泵的運(yùn)行狀態(tài)，以及開啟或關(guān)停各臺(tái)風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)。另外，像太陽(yáng)能補(bǔ)水、熱源補(bǔ)水等個(gè)性化功能，也為該系統(tǒng)的使用和運(yùn)行提供了便利。在二級(jí)頁(yè)面上，繼續(xù)點(diǎn)擊各個(gè)選項(xiàng)可跳轉(zhuǎn)至三級(jí)頁(yè)面。例如點(diǎn)擊“熱源補(bǔ)水”后，進(jìn)入下一級(jí)頁(yè)面，提供“熱源回水箱液位_”、“熱源供水箱液位_”等，可手動(dòng)輸入?yún)?shù)。

3.2.2 水泵控制模塊

水泵是該系統(tǒng)的核心設(shè)備，因此在軟件系統(tǒng)中，水泵控制程序的重要性不言而喻。根據(jù)功能的不同，系統(tǒng)中水泵有供水循環(huán)泵、空調(diào)循環(huán)泵兩種類型。其中，空調(diào)循環(huán)泵的控制系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，為下位機(jī)自動(dòng)控制。而供水循環(huán)泵的控制系統(tǒng)則較為復(fù)雜，采用基于專家決策的控制模式。參考學(xué)生宿舍的運(yùn)行規(guī)律，靈活調(diào)節(jié)供水。水泵控制系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 水泵控制模塊

3.3 存在問題及解決對(duì)策

該系統(tǒng)在試點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，遇到了一些問題，針對(duì)這些問題提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案，使系統(tǒng)功能更加完善，運(yùn)行更加穩(wěn)定。(1)系統(tǒng)節(jié)能效果未達(dá)到預(yù)期。在保證能源供給穩(wěn)定的情況下，通過編寫程序提高了其他能源的占比，解決了光照不足時(shí)能耗升高的問題，多源暖通空調(diào)的節(jié)能效益進(jìn)一步提升。(2)樓層之間通信質(zhì)量差，導(dǎo)致上位機(jī)與下位機(jī)，或下位機(jī)與執(zhí)行設(shè)備之間通信間斷的問題。增設(shè)遠(yuǎn)距離路由器，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)共享，提升信號(hào)強(qiáng)度，保證通信穩(wěn)定、可靠。

4 結(jié)論

在國(guó)家大力推行“建筑節(jié)能”的背景下，多源暖通空調(diào)的應(yīng)用前景廣闊。本文設(shè)計(jì)的一種以太陽(yáng)能集熱器為主，同時(shí)集合儲(chǔ)能熱水箱、空調(diào)熱水箱的多源暖通空調(diào)系統(tǒng)，由上位機(jī)發(fā)送調(diào)控指令，由下位機(jī)控制前端設(shè)備完成動(dòng)作，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行，具有供熱穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保效果，值得推廣。