李慧，謝林鴻，王桂榮，魏建平

（山東建筑大學熱能工程學院，濟南 250101）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)在建筑能源領(lǐng)域已經(jīng)占據(jù)了一定的市場，中國建筑節(jié)能協(xié)會更是成立了“建筑調(diào)適與運維專業(yè)委員會”。培養(yǎng)既具有建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)知識又具有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的復合型人才是行業(yè)發(fā)展的需求，然而高校建筑環(huán)境與能源應用專業(yè)在此方面的人才培養(yǎng)還很欠缺。2017 年2 月以來，教育部積極推進新工科建設(shè)［1］，新工科建設(shè)相比于過去傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式，更加注重學生創(chuàng)新意識與實踐動手能力的提高［2］。將傳感技術(shù)、控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與建筑能源系統(tǒng)有機結(jié)合，建立建筑能源物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺，強化學生的工程實踐能力，提高學生的創(chuàng)新性和解決復雜問題的能力，促進建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)向新工科轉(zhuǎn)變［3］。

目前，國內(nèi)外學者對建筑能源物聯(lián)網(wǎng)平臺已經(jīng)做了一系列的研究［4-6］。在研究過程中發(fā)現(xiàn)的主要問題有：①原有項目中不同的建筑能源系統(tǒng)通常為異構(gòu)系統(tǒng)，使用不同的通信方案，將其接入統(tǒng)一平臺時需要編寫特定的通信接口。②為實現(xiàn)平臺所需功能，軟件應用的開發(fā)周期長且編程繁瑣。Niagara 是美國Tridium公司基于Java 開發(fā)的一款極其開放的物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺，Niagara的核心價值是可以連接任何協(xié)議、設(shè)備和網(wǎng)絡，且Niagara 編程為圖形化編程，編程效率高。Niagara物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應用于智能建筑、智能電網(wǎng)、分布式能源、工業(yè)控制、商業(yè)連鎖、智慧城市、數(shù)據(jù)中心等很多領(lǐng)域［7-10］。2020年，Niagara 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)寫入“高等學校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)規(guī)范2.0”。因此，建筑能源物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺選用Niagara物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

1 多源分布式建筑能源系統(tǒng)

多源分布式建筑能源系統(tǒng)由3 個能源子系統(tǒng)組成，分別是太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)、微燃機冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)和地源熱泵多聯(lián)機系統(tǒng)，系統(tǒng)之間相對獨立且服務于不同的末端用戶。

1.1 太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)

太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備有空氣源熱泵機組、太陽能集熱器、板式換熱器、循環(huán)水泵、儲熱水箱、末端風機盤管等，其工作流程如圖1 所示。夏季，空氣源熱泵單獨運行，降低系統(tǒng)回水溫度，為末端房間供冷；冬季，太陽能集熱器吸收熱量，加熱儲熱水箱的水，該水與系統(tǒng)回水在板式換熱器處進行一次熱交換，提高空氣源熱泵機組的進水溫度，空氣源熱泵再對系統(tǒng)回水進行二次熱交換將系統(tǒng)出水溫度提高到供暖設(shè)計溫度，為末端房間供熱。

圖1 太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)工作流程

1.2 微燃機冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)

微燃機冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)主要設(shè)備有微燃機、冷溫水機、煙氣-水換熱器、水源熱泵、循環(huán)水泵等，其工作流程如圖2 所示。微燃機燃燒高壓天然氣發(fā)電，排出的高溫高壓煙氣用以驅(qū)動煙氣型溴化鋰冷溫水機，從冷溫水機排出的煙氣通過換熱器與水源熱泵進行熱交換。夏季冷溫水機為末端房間供冷，水源熱泵制取生活熱水；冬季冷溫水機和水源熱泵共同為末端房間供熱。

圖2 微燃機冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)工作流程

1.3 地源熱泵多聯(lián)機系統(tǒng)

地源熱泵多聯(lián)機系統(tǒng)主要設(shè)備有地源熱泵主機、地埋管換熱器、室內(nèi)機、循環(huán)水泵等，其工作流程如圖3 所示。地源側(cè)以水作為介質(zhì)，通過地埋管換熱器與大地進行換熱。大地是個溫度穩(wěn)定的蓄熱體，夏季地埋管放出熱量，降低系統(tǒng)回水溫度，同時將熱量存儲至地熱場，冬季地埋管吸收熱量，提高系統(tǒng)回水溫度。用戶側(cè)使用冷劑作為循環(huán)介質(zhì)，冷劑在主機處進行熱交換后，經(jīng)銅管輸送至室內(nèi)機，在室內(nèi)機的風機帶動下與室內(nèi)空氣進行換熱。

圖3 地源熱泵多聯(lián)機系統(tǒng)工作流程

2 實驗平臺網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

多源分布式建筑能源物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)框架如圖4 所示，包括3 個建筑能源物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)，分別為太陽能輔助空氣源熱泵物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、微燃機冷熱電三聯(lián)供物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、地源熱泵多聯(lián)機物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。Supervior管理平臺實現(xiàn)3 個能源系統(tǒng)的統(tǒng)一管理。其中，太陽能輔助空氣源熱泵物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和微燃機冷熱電三聯(lián)供物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與Supervior 管理平臺的連接為有線網(wǎng)絡連接，地源熱泵多聯(lián)機物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與Supervior管理平臺的連接通過云平臺無線連接。

圖4 實驗平臺網(wǎng)絡架構(gòu)

2.1 硬件設(shè)備

2.1.1 感知層設(shè)備

感知層設(shè)備主要包括傳感器、執(zhí)行器和機組設(shè)備控制板卡等，按照信號傳輸類型可以分為3 類。第1類為串口通信設(shè)備，通過RS-485 串口連接到JACE-8000 網(wǎng)絡控制器的COM口，主要設(shè)備包括智能熱表、智能電表、變頻器、機組控制板等。第2 類為網(wǎng)口通信設(shè)備，光纖感溫探測器的網(wǎng)口通過網(wǎng)線與現(xiàn)場PC 機的網(wǎng)口連接。第3 類為常規(guī)不帶通信功能的設(shè)備，包括溫度變送器、壓力變送器、差壓變送器、電動調(diào)節(jié)閥、設(shè)備開關(guān)信號及故障報警信號等。

2.1.2 網(wǎng)絡層設(shè)備

網(wǎng)絡層是感知層與應用層的橋梁，負責將感知層感知的信息傳輸?shù)綉脤?，再將應用層的控制指令傳輸?shù)綀?zhí)行設(shè)備。網(wǎng)絡層的主要設(shè)備有JACE-8000 網(wǎng)絡控制器、IO-28U 智能IO 模塊和智能網(wǎng)關(guān)等。JACE-8000 網(wǎng)絡控制器是一款用來連接多個設(shè)備和子系統(tǒng)，實現(xiàn)集成、監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、報警、時間表和網(wǎng)絡管理功能的嵌入式網(wǎng)絡控制器［11］。IO-28U 是一款具有28個輸入輸出點，同時支持Bacnet 和Modbus 通信協(xié)議的智能IO模塊，包括8 路UI、8 路DI、8 路DO和4 路AO。IO-28U智能IO 模塊的輸入輸出通道與現(xiàn)場的溫度傳感器、壓力傳感器、差壓傳感器、交流接觸器觸點等連接。此外還有ZigBee網(wǎng)關(guān)，用以將ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換為Modbus RTU協(xié)議。

2.2 網(wǎng)絡通信

實驗平臺采用兩臺JACE網(wǎng)絡控制器分別采集太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)和微燃機冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的底層設(shè)備的運行參數(shù)，并通過以太網(wǎng)口接入監(jiān)控主機以TCP／IP協(xié)議進行雙向通信，控制底層設(shè)備的運行。IO-28U智能IO 模塊，智能熱表、智能電表、變頻器等智能儀表，機組控制板卡和ZigBee 網(wǎng)關(guān)等與JACE網(wǎng)絡控制器的連接均為串口連接，通信協(xié)議為Modbus RTU協(xié)議。風機盤管溫控器通過無線傳感器網(wǎng)絡以ZigBee 協(xié)議與ZigBee 網(wǎng)關(guān)通信［12］，ZigBee 網(wǎng)關(guān)負責將ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換為Modbus RTU協(xié)議。光纖感溫探測器通過網(wǎng)線連接現(xiàn)場PC 機的網(wǎng)口，通信協(xié)議為Modbus TCP協(xié)議。

由于熱泵機房距離監(jiān)控主機較遠，采取云平臺形式?，F(xiàn)場PC機連接底層設(shè)備采集地源熱泵系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)并將其存儲至云數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控主機通過無線網(wǎng)絡以TCP／IP 協(xié)議遠程通信并讀取云數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計

實驗平臺使用Niagara N4 進行軟件編程，最終實現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)平臺軟件功能如圖5 所示，分為系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)展示、故障報警、歷史數(shù)據(jù)、自動控制等。

圖5 實驗平臺軟件功能

3.1 系統(tǒng)集成

包括JACE網(wǎng)絡控制器與底層設(shè)備的網(wǎng)絡通信編程，和Supervisor 管理平臺與各JACE網(wǎng)絡控制器及云平臺數(shù)據(jù)庫的通信編程。通過Driver 服務配置，根據(jù)硬件設(shè)備的通信協(xié)議添加Modbus 網(wǎng)絡和Rdbms 網(wǎng)絡，對Modbus設(shè)備通過寄存器點位讀寫數(shù)據(jù)，對云數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)通過SQL語句查詢，基于統(tǒng)一平臺實現(xiàn)了對3 個能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成。

3.2 數(shù)據(jù)展示

通過Px視圖設(shè)計。該視圖在Px Editor 頁面中編程。通過插入Widget可視化組件實現(xiàn)以數(shù)值、圖表及動態(tài)圖片的形式展示代理點的實時狀態(tài)；通過插入Actions組件實現(xiàn)對代理點的操作命令；通過插入Hyperlink Button 和Pop Binding 組件實現(xiàn)前端頁面的視圖切換。

3.3 故障報警

通過Alarm組件設(shè)計。根據(jù)專業(yè)知識確定報警的異常算法，對代理點添加報警擴展并填寫報警文本、報警延遲、報警分類等參數(shù)，當系統(tǒng)故障或者數(shù)據(jù)異常時向監(jiān)控主機發(fā)出警報。

3.4 歷史數(shù)據(jù)

通過History組件設(shè)計。按照所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集需求，通過對代理點添加歷史擴展并填寫容量、更新時間等參數(shù)，按一定時間間隔或一定數(shù)值變化采集傳感器運行數(shù)據(jù)。

3.5 自動控制

在WireSheet 視圖中模塊化編程。通過添加LoopPoint（PID控制）、Tstat（雙位控制）、LeadLag（輪詢控制）等組件，與代理點的輸入輸出管腳連線，實現(xiàn)循環(huán)水泵的PID變頻控制、末端風盤的雙位控制、常用泵和備用泵之間的輪詢控制等功能。

軟件功能豐富，界面很多，圖6 所示為軟件平臺的3 個典型畫面。圖6（a）所示為太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)流程界面，系統(tǒng)運行的主要參數(shù)在流程圖上實時顯示；圖6（b）所示為微燃機冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)主畫面，展示該系統(tǒng)的主要信息，展示內(nèi)容包括：系統(tǒng)能源綜合利用效率［13］、設(shè)備運行狀態(tài)、主要數(shù)據(jù)棒條圖展示等；圖6（c）所示為地下溫度場展示畫面，地下溫度場采用光纖溫度傳感器檢測，地下溫度場的檢測用以地埋管傳熱傳質(zhì)分析［14］。

圖6 軟件平臺3個典型畫面

4 實驗設(shè)計

建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)的實驗教學是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)之一，原有實驗大多基于某一門課程內(nèi)容而設(shè)置，很難為學生提供知識融會貫通及綜合應用的機會，不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。針對建筑設(shè)備自動化、建筑能源物聯(lián)網(wǎng)、空氣調(diào)節(jié)、熱泵技術(shù)、分布式能源等課程，開發(fā)了一系列綜合實驗項目，表1 所示給出了部分開放創(chuàng)新性實驗項目。

表1 部分開放創(chuàng)新性實驗項目

開放創(chuàng)新性實驗項目每學期開學時由學生自主申報，每個團隊上限12 名成員，歷時1 學期。項目小組成員分工合作，查閱文獻、設(shè)計實驗方案、開展相關(guān)實驗并進行探索性研究，學期末提交實驗項目結(jié)題報告。在整個開放創(chuàng)新性實驗周期中，以學生為主，教師起引導作用。開放創(chuàng)新性實驗充分調(diào)動了學生的積極性和探索精神，將所學專業(yè)知識有機地融入實踐中，將理論與實踐深度融合，提高了學生的創(chuàng)新性和解決復雜工程問題的能力。

5 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為建筑能源行業(yè)的信息化進程提供了助力。以我校3 個分布式能源系統(tǒng)為對象，從網(wǎng)絡架構(gòu)到軟件編程完成了物聯(lián)網(wǎng)平臺的搭建，實現(xiàn)了對多源分布式建筑能源系統(tǒng)的綜合管理。針對該實驗平臺設(shè)計了豐富的開放創(chuàng)新性實驗，用于學生的實踐鍛煉，鍛煉學生的創(chuàng)新性和解決復雜工程問題的能力，為復合型人才培養(yǎng)提供基礎(chǔ)。此外，該實驗平臺也為廣大教師提供了很好的科研平臺，可在太陽能熱利用、地埋管傳熱特性分析、分布式能源綜合利用、能源系統(tǒng)節(jié)能控制、能源物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析等方面開展豐富的科學實驗研究，提升科研水平。