融合单片机和ZigBee技术的空调节能控制方法

2020-02-03罗德凌刘丽

电子技术与软件工程 2020年14期

罗德凌刘丽

（长沙航空职业技术学院湖南省长沙市 410124）

作为智能建筑中不可或缺的空调控制系统，在能源紧张的今天也受到了人们的广泛关注。由于是空调领域的能耗大户，其能耗占空调总量的20%左右。采用总线控制方式面临着布线时间长，结构不方便，网络拓扑难以修改等问题。智能化建筑中，建筑设备的自动控制系统一般用来监测新风机、回风机、变风量风机和其他设备的状态，中央空调系统末端采用“精细”控制，以实现节能[1]。利用 DDC 控制器对检测到的相关值进行 PID 计算，实现对上述设备的 PID 控制，达到一定的节能效果[2]。此次融合 ZigBee 和单片机技术，设计空调节能控制方法作为该节能控制技术的典型代表产品及厂商。

1 融合单片机和ZigBee技术控制结构设计

ZigBee 是一种短程无线通信技术（基于IEEE802.15.4 协议标准），它主要分为物理层（2.4 GHz 和868/915 MHz），本系统具有随用随加的智能功能，其通用基本模块主要有主控制中心、门禁、智能感知、智能电器等模块，见图1。

在系统整体结构支持下，远距离操作、计时、监督运行及制度管理功能设计如下所示：

1.1 远距离操作

远距离操作时，可通过网络获取房间空调的工作状态信息，通过远程操作，调节空调的运行功能[3]。

1.2 计时

通过计时，实现空调的自动启闭，结合室外温湿度，自动调节室内适宜温湿度，既满足节能要求，又提升使用感受。

1.3 监督运行

主控机监控网络中的所有设备。设备脱机或发生故障时，立即显示设备号码并报警。

1.4 制度管理

网络系统感应到室内空调达到关闭状态后，将对应关闭室外机组，温控器终端可有效记录本地温度，便于用户空调节能调节与管理。

2 控制方案设计

2.1 冷凝水排除技术控制方案

图1：系统整体框架设计

因为水箱容量有限，需要手动排水才能在满水时正常工作。冷凝条件下，典型的全水循环时间是1～2 小时，使用者使用非常不方便。因此，借助ZigBee 技术安装冷凝水处理装置，通过喷射装置使蒸发器产生的冷凝水通过冷凝器进入水箱，该水箱内的凝结水可以抽入喷射装置，并通过泵循环喷射，将部分凝结水蒸发到凝结器上，通过排气管排出室外。蒸发器产生的冷凝水上下流动，可提高冷凝器换热效率。由于冷凝器冷凝温度高，部分蒸发的冷凝水通过排气管排出，无法蒸发的冷凝水则排入水箱，当水箱内水位高于喷射水位时，水泵启动，将箱体内的水抽入冷凝器进行循环。尽管使用了喷淋循环系统，但由于冷凝水排放速率低于生产速率，水箱水位将继续升高。当水箱内水位高于设定水位时，将触发水位控制器，启动排水功能。电控系统启动水泵，进行喷雾循环，通过调整凝汽器风机电机的转速，减少凝汽器进口，提高制冷系统凝汽温度，这样，移动空调冷凝器循环风量的变化将根据储水箱中储存的水量来调节冷凝温度，然后冷凝排放速度将被控制，使水箱不完整，无需人工排水，由此完成冷凝水排除技术控制。

2.2 水满自溢控制方案设计

为确保移动式空调在极端潮湿的环境下长时间运行，移动式空调上设计了一个储水箱，以储存过多的水分，以防止喷雾蒸发。在 MCU的支持下，设计了一个充满水的自溢装置，其具体操作步骤为：首先，部分凝结水流入小桶，然后从桶的孔流入洒水装置。因桶底出水口较小，在极湿的环境下，空调喷水系统可流动水量较大。这时，桶里的水比桶里的水多，使水位不断升高。如果水桶水位高于水桶边缘，水就会自动溢出进入水箱。

2.3 部分冷负荷下变水温和变风量控制方案设计

风扇能耗占总能耗的比重很大，但在部分空调负荷中，仅依靠风扇变频调节就会造成新风量不足，不同的是低温供水量和回水率，以及较低的送风温度的出现。适当提高冷水机部分冷却负荷的给水温度，在保证机组安全运行的前提下，可有效降低能耗。为此，采用冷水机与风机相结合的优化方法，实现最小能耗控制，达到调节效果。调节程序如下：

表1：调节效果对比

输入一致参数，表冷器技术数据、实际冷负荷、送水量，假定冷水供水温度，根据室温设定值，调节风机频率，表冷气输出送风到房间。查看是否满足室内空气参数要求，如果是，则查看能耗是否达到最低；否则，需重新假设冷水供水温度。如果能耗达到最低，则输出冷供水温度，否则，重新设定冷水供水温度。

本系统在一定的冷负荷范围内，在满足会议室舒适要求的前提下，设定冷水供应温度，以降低系统能耗。在较高的冷负荷下，冷水供应温度应为7℃。在装载率为60%冷负荷较低的情况下，冷水温度可提高到12℃，主机能耗显著降低。通过对风机频率进行优化，使之保持在35～42 赫兹之间，确保了设备的安全运行，避免了风机频率过低引起的不合理现象发生，由此完整部分冷负荷下变水温和变风量控制方案设计。

3 对比实验

为了验证融合单片机和ZigBee 技术的空调节能控制方法合理性，进行实验验证分析。

3.1 实验背景

某科技公司每年夏天都要花费大量资金用于空调制冷，因此决定对公司内部空调系统进行节能控制。本公司采用基于物联网的中央空调节能控制系统。

企业占地面积约300 平方米。企业分为员工的公共办公室和领导的独立办公室。公共场所占大多数，人员流动较大；办公室被分成三个区域，每一个区域面积较小，人员流动也较少。办公区域一侧是建筑物的走廊，不能直接接受光和热；而办公一侧则是直接面对太阳，能够接收太阳辐射热量。雇员共有办公区域共安装5 台空调，3 个办公室各装一台。面积大、人员流动大、空调多、能源浪费多，是当前节能工作的重点。办公室面积小，工作人员少，办公室节能管理更注重环境舒适。

3.2 实验结果与分析

分别使用总线控制方式、楼宇设备自控系统和融合单片机和ZigBee 技术控制方法在相同工况下，不调节情况如表1 所示。

由上述表格内容可知，相同工况下，融合单片机和ZigBee 技术控制方法与预期调节效果一致，说明使用该方法能够有效调节空调。

4 结束语

4.1 结论

将单片机与 ZigBee 技术相结合应用于空调节能控制方式，充分体现了区域控制、局部微调、集中管理的要求。采用 ZigBee 网络实现空调自动控制和定时开机操作，减少繁琐的调节和人为误操作，达到节能运行的目的。该系统已用于某公司的空调系统节能控制。该系统已经安装和调试完毕，运行正常，对夏季空调制冷进行了节能控制。分析不同控制方式下的工况数据，可知该系统能有效降低空调能耗。采用物联网实现中央空调节能控制是可行的，区域控制策略是有效的。