高校教室空调集中控制管理方案设计

2013-08-31胡仲邦崔丽丽林海旦薛凌云

实验室研究与探索 2013年6期

胡仲邦，樊冰，崔丽丽，林海旦，薛凌云

(杭州电子科技大学a.采购中心，b.实验室与设备管理处，c.检测技术与智能仪器研究所，浙江杭州310018)

0 引言

随着我国城镇化建设步伐的加快，大型公共建筑和设施成倍增长，建筑能耗不可避免地大幅度增加［1-2］。在大型公共建筑中，照明用电仅占25% ～35%，而空调用电占50% ～60%［3］。据统计，改革开放以来，我国年经济增长率为7% ～8%，而能源增长率仅为2%～4%，能源的供求差额越来越大，尤其是电力供应更加紧张。因此，如何降低大型公共建筑的空调能耗已成为至关重要的问题［4-5］。

近年来，各高校为改善学生学习环境，在新建教学楼和旧楼改造时，安装了大量的空调设备，每幢教学楼多则几十台，甚至几百台，且有逐年增长的趋势。这些空调设备致使学校用电量急剧上升，节能降耗的需求越来越迫切。但是，旧教学楼的大面积玻璃窗户的设计形式、强调建筑通风性能的设计理念，使教学楼保温性能较差，对空调的安装使用极为不利，极易造成空调能耗增加;对新建教学楼而言，虽按新的节能验收规范［6］，但部分存在不合理设备选型问题，如小型教室安装大功率空调，导致空调因工作效率低下而增加了能量损耗;多数空调的运行管理是分散的，在人少或无人时，系统依旧运行，消耗了大量的电力;另外，与酒店、商场等公共建筑相比，高校缺乏专业空调管理人员，多数空调甚至可以随意开关，导致空调的损坏率高、维修成本增加。

据测算，空调设定温度在夏季每提高1度、或在冬季每降低一度，用电负荷可降低7～10%［7-9］。以教室中的自习人数作为空调开启和关闭的门槛，人数较少的教室因空调被关闭，自习人员会自动向人数较多的空调开启的教室集中，节电效果亦会非常显著。因此，对高校教室空调实行集中管理控制十分必要。

鉴于目前网络的普遍性和成熟性，设计了3个空调集中控运行管理方案，以3个教学楼空调系统为对象，对比分析各方案的节能降耗效果及改造成本，为不同应用场合空调运行管理方案的选择提供依据。

1 基于Internet空调运行管理方案

目前，多数大型公共建筑的空调设施主要包括变冷媒流量空调系统(VRV，Variable Refrigerant Volume)、变风量空调系统(VAV，Variable Air Volume)、中央空调系统(Central Air Conditioning System)等，这些系统往往都具有独立的运行管理系统，在建设、装修完成时已具备一定的节能降耗能力。但仍有部分公共建设中使用单体空调实现局部环境温度的调控，特别是高校教学楼中，多数属于这种情况。这些独立空调器的能耗状况差异性很大，往往和空调使用者的节能意识密切相关，有必要通过空调运行的集中控制，即在空调的运行管理环节提高空调运行效率，降低空调能耗.。基于高校教室现状，设计了以下三种空调集中控制的方案:

1.1 基于电源控制的空调运行管理方案

(1)系统架构。空调的工作电源是空调正常工作的必要条件，通过控制空调电源的开启、关闭，是实现空调管理控制的最简易、最直接的手段。基于电源控制的空调运行管理方案如图1，该方案的控制系统由PC机、检测装置、空调控制器、中间继电器和空调组成，要求空调具有通电开机和关机状态记忆功能。

(2)控制流程。基于电源控制的空调运行管理方案的控制流程如图2所示。

假设:教室中人数超过10人时，允许空调开启。系统上电初始化后:①各教室检测装置定时检测教室人数。若连续1小时人数＞10人，转向“②”;若连续1小时人数＜10人，转向“⑤”。②检测装置经以太网向PC机发出空调开启请求及请求开启的设备号。③PC机收到请求后，通过以太网向网络空调控制器发出设备号及其空调开启命令。④空调控制器收到命令后，驱动相应的中间继电器开启被控空调的电源。转向“①”。⑤检测装置经以太网向PC机发出空调关闭请求及请求关闭的设备号。⑥PC机收到请求后，通过以太网向网络空调控制器发出设备号及其空调关闭命令。⑦空调控制器收到命令后，驱动相应的中间继电器关闭被控空调的电源。转向“①”。

图1 空调电源远程控制系统架构图

图2 空调电源远程控制系统控制流程示意图

(3)管理界面。基于电源控制的空调运行管理方案的管理界面如图3所示。该方案控制成本较低，在购机时厂家可直接提供满足要求的空调设备。由于是对空调电源的控制管理，故可将教室总电源、照明电源等也纳入远程控制管理，实现教室网络化、信息化管理，进一步降低能耗。

1.2 基于485总线的空调运行管理方案

(1)系统架构。由于485总线抗共模干扰能力强、灵敏度高，通常通信距离超过几十米甚至到上千米时，选择485总线建立设备间的通信联络。485总线便于多点互连，可以构建分布式系统，一般最大支持32 个节点［10-12］。

对高校教室或实验室而言，实现一幢楼内的空调设备统一控制管理，上千米的通信距离已足够，一个教室或实验室布置一台基于485总线的空调控制器，32个节点也已足够。显然可采用485总线构建空调运行管理方案，如图4所示。

图3 空调电源远程控制系统管理界面示意图

图4 基于485总线的空调运行管理系统架构图

该方案的控制系统由PC机、集线器、基于485总线的空调控制器和空调组成，方案实施成本低，组网、布线方便。其中主要模块的功能包括:

PC机:接收、存储系统状态数据，数据库管理，统计分析空调能耗，打印能耗图表及报表，设定空调地址编码，编码识别及空调控制，等等。

集线器［13］:是PC机与空调设备连接的共享设备，实现信号放大，完成信号中转，即面向全部空调控制器发布或接收信息。

基于485总线的空调控制器:是系统的核心设备，每台控制器根据所管控的教室或实验室挂接不同数量的空调设备。每台控制器功能相同，采集环境温度、空调运行等系统状态数据，数据上传PC机，接收PC机下发指令，经485总线发布空调控制命令，等。

(2)控制流程。同样假设:教室中人数超过10人时，允许空调开启。系统上电初始化后:①各教室基于485总线的空调控制器定时检测教室人数、教室温度、空调运行状况等系统状态数据及相关空调地址编码，并经集线器、互联网上传到PC机。若连续1小时人数＞10人且达到空调开启温度设定值，转向“②”;若连续1小时人数＜10人或未达到空调开启温度设定值，转向“④”。②PC机根据收到的系统状态数据，确定空调开启数量及欲开启空调的地址编码，通过互联网、集线器向基于485总线的空调控制器发出空调开启命令。③空调控制器将收到的命令经485总线发布，相应空调被开启。转向“①”。④PC机根据收到的系统状态数据，确定空调关闭数量及欲关闭空调的地址编码，通过互联网、集线器向基于485总线的空调控制器发出空调关闭命令。⑤空调控制器将收到的命令经485总线发布，相应空调被关闭。转向“①”。

该方案要求空调具有485接口。方案的特点是:基于485总线的空调控制器具有环境状态检测功能，每台空调设备具有独立唯一的地址编码，PC机可根据环境变化，通过对每台空调的独立控制，实现空调的自动化、智能化、节能化管理，而“集线器-空调控制器”的连接模式，为系统拓展提供了便利。另外，PC机处若采用调制解调器实现拨号联网，即利用已有的电话网络实现设备的管理控制，可进一步降低系统成本。该方案不方便采用环型接法。

1.3 基于以太网的空调运行管理方案

(1)系统架构。随着技术的进步，网络时代到来，通过网络实施控制被越来越多的用户所接受。与基于RS485总线的控制模式相比，基于IEEE802.3协议的工业以太网，是目前应用最广泛的一种总线局域网，只要利用局域网中每个网卡上的BNC-T型连接器，即可方便地建立设备互联，实现的星型连接，所需电缆少，价格便宜，容易扩展［14-16］。基于以太网的空调运行管理方案如图5所示:

图5 基于以太网的空调运行管理系统架构图

该方案的控制系统由PC机、集线器、路由器、基于以太网的空调控制器和空调组成。其中主要模块的功能包括:①PC机:接收、存储系统状态数据，数据库管理，统计分析空调能耗，打印能耗图表及报表，设定空调地址编码，编码识别及空调控制，等等。②集线器、路由器:均属于PC机与空调设备连接的共享设备，集线器实现信号放大与中转，路由器实现各空调设备子网间的连接并向空调控制器发布或接收信息，实现空调的集中远程控制。③基于以太网的空调控制器:代替空调遥控器，控制空调开/关机、温度、风速、模式等各种运行状态，采集环境温度，记录并上传PC机，接收PC机下发指令，等等。

(2)控制流程。同样假设:教室中人数超过10人时，允许空调开启。基于图5控制方案，系统上电初始化后:①各教室基于以太网的空调控制器定时检测教室人数、教室温度、空调运行状况等系统状态数据及相关空调地址编码，并经路由器、集线器、以太网上传到PC机。若连续1小时人数＞10人且达到空调开启温/湿度设定值，转向“②”;若连续1小时人数＜10人或未达到空调开启温/湿度设定值，转向“④”。②PC机根据收到的系统状态数据，确定空调开启数量及欲开启空调的地址编码，通过以太网、集线器、路由器向基于以太网的空调控制器发出空调开启命令。③空调控制器按收到的命令开启相应空调，转向“①”。④PC机根据收到的系统状态数据，确定空调关闭数量及欲关闭空调的地址编码，通过以太网、集线器、路由器向基于以太网的空调控制器发出空调关闭命令。⑤空调控制器按收到的命令关闭相应空调。转向“①”。

该方案还可实现内、外双闭环控制:内环是指空调的自有闭环系统，实现制冷/制热的恒温控制及各种空调保护功能;外环是指根据人数、温/湿度等环境条件的变化，经以太网实施的空调远程控制，通过外环控制可实现空调的自动化、智能化、节能化管理。

总体方案采用模块化设计，便于扩展及系统更新，如人数检测模块，既可以采用红外检测方式，也可采用视频检测方式;在教室/实验室内按需布置温/湿度探测器，更可确保环境温/湿度的均匀性。

(3)管理界面。基于以太网的空调运行管理方案的管理。界面操作简单，具有良好人机交互性能。

若将该系统接入学校的安防系统网络，可从设备管理的角度，提升高校整体智能化、信息化管理水平。

2 方案比较

上述三种设计方案应用到学校3个教学楼的空调系统，与上年同期相比，能源消耗均有所降低。测试结果表明，基于以太网的空调运行管理方案节能效果最佳，基于电源控制的空调运行管理方案改造成本最低。

表1 三种空调集中控制方案的比较

3 结语

随着社会的发展和生活水平的提高，人们对其室内环境的要求也越来越高，从而导致空调系统的能耗不断增大。通过空调集中式控制管理势在必行，按照高校空调系统的现状，文中设计的三种集中控制方案，并对三种方案进行了比较，对空调集中控制系统设计有较大参考价值。通过方案选择或将上述方案进行适应性改造，同样可用于其他公共建筑。

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