基于CAN总线技术的取暖智能节能系统中电控阀门开度的研究的方法

王 鹏

（赤峰学院 计算机科学与信息工程学院，内蒙古 赤峰 00240）

基于CAN总线技术的取暖智能节能系统中电控阀门开度的研究的方法

王 鹏

（赤峰学院 计算机科学与信息工程学院，内蒙古 赤峰 00240）

根据热用户性质的不同，提供不同的负荷控制策略，使系统的供热量与热负荷相一致，实现分时、分温、分室、按需供热，满足不同房间的个性化需求，避免不考虑房间用途而统一供热造成的浪费.使用CAN总线技术，利用每一路通道信号控制一个房间所有暖气片的开关阀门，使用自主开发的软件系统，对房间内的温度和热流量进行监测和控制，以作息时间和依据房间用途不同来决定所需温度为标准，采用无人办公时最大限度的减少供暖和正常工作时保持正常供暖的两种交替模式.要达到分室控制的，在满足办公舒适性的条件下，按需供暖，有效提高利用效率，最大限度地节约热量，硬件中的电控阀门的开度设计则是问题的关键.

CAN总线；阀门开度；分室控制；热流量

据统计我国公用建筑面积约占总建筑面积的5%，但公用建筑消耗的能源却占总建筑消耗的22%.所以公共建筑能耗节约的空间较大，在公共建筑的能耗中又以冬季取暖和夏季制冷为主要的能耗形式，其约占建筑能耗的55%-70%.冬季取暖绝大部分都是以燃煤为主，而雾霾的40%是由燃煤放出的污染物组成的，研究取暖节能问题，不但节约能源，而且能够减少空气污染.

为保持室内温度均衡，需要根据室外温度的变化适时调整热流量，其调整方式是依据公共建筑物内人们工作的时间规律性.以政府工作人员的上、下班为例：上班工作时间是早8:00，下班时间是下午6:00，在时间上是非常有规律的.上班工作时其室内的温度保持在18℃，下班以后在无人工作的室内，其温度没有必要维持在18℃，若保持在12℃-14℃之间，则可以节约很多热量.另外，对于不经常使用的会议室、资料室、化验室等房间，特别是高等院校这类房间的比例较高，也没有必要一直保持18℃.对这类房间可以分类实时控制，根据需要随时提供热量供应.

目前，公共建筑的取暖节能主要以两种形式实现：一种是采用RS-485总线技术，把建筑物内的热量、冷量、电量等综合在一起进行节约控制，而热量节约是采用步进电机对阀门的开度进行控制，通过控制水流量来控制热量.第二种是采用单片机技术对每一组暖气进行独立控制，采用以霍尔磁条为传感器的普通电机对阀门的开度进行控制.两种控制形式的优点是阀门的开度可以设置几个档位，根据外界温度随时调整开度的档位，控制热流量.缺点是控制复杂、成本高.因为每个阀门必须要有一组单片机来控制，控制复杂，可靠性下降.

CAN(Controller Area Network),全称“控制器局域网”，是工业现场总线的一种，是近年来应用推广比较快的一种现场实时控制技术，主要应用于工业领域的实时监测和控制，例如汽车工业生产中各车间生产技术过程监测、汽车运行监测控制、风电机组的运行监测和控制、煤矿矿井生产的安全监测等.由于应用领域不断扩大，使其产品的性能不断提高，价格也不断下降.由于CAN总线的性能和价格优势，与楼内各个房间分布点多、面广、占用的空间体积大等相配合，非常适合于建筑节能领域中应用.

其特点有：

(1)传输距离比较远.主控点与节点的分布距离，在10km内都有效，若节点较多，中间可以加路桥.利用数据传输远的特性，可以把分布在楼内各房间的节点通过双绞线连接起来，满足楼房的建筑面积大、楼层高时，需要较长的传输线路要求.

(2)总线型可挂接的节点数多达110个.满足楼房内房间数量众多的控制需求.每个节点控制的阀门数在8—24个，以平均16个阀门计算，一条总线控制的阀门数为7200多个；另外，一台计算机有两个串口，可以连接两条总线，其控制的阀门数可以翻番.

(3)价格低廉.CAN总线使用铜芯双绞线或为了减少外界干扰使用屏蔽铜芯双绞线作为数据传输通道，减少工程应用的成本.

(4)超强的纠错和检错能力.CAN总线的两条数据线是按差分信号传输，提高了抗干扰能力.另外，节点与总线的连接是并联结构，若其中的某一个节点损坏，不影响其他节点的工作.

CAN总线下的一个节点由一个单片机组成，它可以控制8—24个阀门，而且价格较低，每个阀门的开启、关闭动作必须由计算机控制完成，这个动作每天仅有一个循环，对电路、对电动阀门要求比较简单，而且能够延长阀门的使用寿命.引入CAN总线技术，可以实现对每个房间内的每组暖气片进行控制，通过控制热水的流量达到控制热流量的目的.它的优点是：

(1)每个房间个性化程序控制.

(2)节约热流量较多.

(3)保持楼与楼之间的水流量平衡不变.

本系统采用CAN总线技术，仅对流经暖气片组的水流量进行控制，阀门只有开和关两个状态，只要把阀门关闭时留有的开度大小设计准确，而把复杂的、智能化的热流量控制交由一个上位机来完成，则会把电动阀门的制造、控制过程变得简单，成本低，质量也更加可靠，有利于规模化生产使用.

要达到分室控制的目的，硬件中的重要部件是末端的电控阀门应用部件.此装置为机电结合件，容易损坏，因此对电控阀门的要求：耐热、耐压；对管道中的水垢具有一定的“容忍和忍耐”性；成本低质量好；阀门“关闭”时留有一定开度.其中，前三项主要涉及阀门的材料和质量问题，而阀门的开度则是设计问题，是要解决的关键问题.

所谓的“开度”是指阀门“关闭”状态下的供热水流流经阀门时，阀门的缝隙大小，如下图1所示.此时阀门“关闭”的状态，并不是阀门完全关闭，必须留有一定得缝隙，保证仍有一定的供热水流经过，不至于温度太低导致冻裂供暖设备.此开度不能太大，也不能太小.如果太大，对热流量不能精细控制，无法实现节能的目的；如果太小，又会影响供热，直接影响室内的舒适度.因此，必须设置合理的开度，既能实现有效节能，又尽量不影响室内的舒适度.

图1 阀门开度示意图

设计电控阀门开度大小时需要参考的相关因素：

（1）为了获取准确的现场数据，采用CAN总线技术，通过总线把室内温度、室外温度每隔一定的时间上传.需要设置温度传感器与总线的软、硬件连接问题.

（2）通过总线技术把热流量表测得的数据及时上传，例如热水的瞬时流量、瞬时热流量、总计流量、总计热流量、给水温度、回水温度.需要设置软件连接问题.

（3）通过人工手动的方法设置阀门不同的“开度”值，每个开度值按5-7天变换一次.由于此项目必须是在实际运行中完成，因此需要研究阀门内部的“开度”值如何准确地确定.

（4）影响阀门“开度”的因素有很多，例如墙体和窗户的保温性能、室外温度、热水的循环温度、房间的朝向、楼层等.这里仅研究墙体、窗户的保温性能和室外环境温度对“开度“的影响.

（5）预计通过此项目的研究确定阀门的“开度”与本地区环境温度的数值关系；由此设计一种具有单一开度、适应于公共建筑热量节约控制的阀门.

设计电控阀门开度大小的具体方法：

本项系统以给水管线径为32mm的相应控制球阀为例进行研究.

（1）选择在楼层、朝向、面积相同的四个相邻办公室作对比试验，每个办公室只有一组暖气，在暖气片组的给水管上加热流量表和压力表，测热流量、流量、给水温度、回水温度、给水压力等，一个房间做测试，另一个为正常运行.

（2）选择热熔球阀，把轴转动的角度与内部阀芯的“开度”建立对应关系，这样通过读取指针的角度就可以确定阀门的“开度”.

（3）在暖气片组的给水管上加热流量记录表，读取表上的给水温度、回水温度、瞬时流量、瞬时热流量、累计流量、累计热流量等参数.

（4）记录室内温度的变化和室外温度的变化（每隔2小时）.

（5）在不同的“开度”下，例如 1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm，重复 2、3项的记录数据.

（6）找出每年最冷的时段（1月份），其室内的温度最低值（例如13℃）与室外平均最低温度值例如（-20℃）时其阀门的“开度”值，此值的大小就是要确定的“开度”值.

（7）记录连续2-3年的相关数据，尽量获取最具有代表性的结果.

（8）数据处理.通过计算房间与外界交换的热量值及修正值，与计算机记录的数据相比较，找出两组相差无几的对应的功率值并与6项相吻合的“开度”值.

用此方法确定的阀门“开度”值，仅适于本地区的气候，是一个单一值，与使用步进电机和霍尔磁条控制的多个“开度”值相比较，控制简单、实用强，易于推广应用.

通过对记录数据的分析测算，确定电控阀门开度值与外界温度变化更合理优化的数学关系；形成一个更加合理有效的智能节能控制系统，进而为更大规模的公办建筑节约更多的能源，减少污染物的排放，为社会的节能减排事业做出贡献.

〔1〕王学水,郭潇蔚,张莉.高校楼宇供暖节能控制系统研制[J].暖通空调,2012,42(07):113-115.

〔2〕赵亮.建筑能耗数据采集与传输系统设计与实现[J].建筑科学，2013（04）:76-84.

〔3〕孙凤明.室内设计中的建筑节能技术分析[J].四川建筑科学研究，2010（04）:34-38.

〔4〕李玉云.公共建筑能源消耗定额的研究[J].四川建筑科学研究，2012（03）:66-69.

〔5〕曾珞亚.应用于智能建筑的几种总线技术浅析[J].低压电器，2009（01）:90-91.

〔6〕郭理桥.建筑节能与绿色建筑模型系统构建思路[J].城市发展研究，2010（07）:56-58.

TP215

A

1673-260X（2017）10-0035-02

2017-07-28

内蒙古教育厅项目资助（NJZC16257）