高校教室空調集中控制管理方案設計

胡仲邦， 樊 冰， 崔麗麗， 林海旦， 薛凌云

(杭州電子科技大學a.采購中心，b.實驗室與設備管理處，c.檢測技術與智能儀器研究所，浙江杭州310018)

0 引言

隨著我國城鎮化建設步伐的加快，大型公共建筑和設施成倍增長，建筑能耗不可避免地大幅度增加［1-2］。在大型公共建筑中，照明用電僅占25% ～35%，而空調用電占50% ～60%［3］。據統計，改革開放以來，我國年經濟增長率為7% ～8%，而能源增長率僅為2%～4%，能源的供求差額越來越大，尤其是電力供應更加緊張。因此，如何降低大型公共建筑的空調能耗已成為至關重要的問題［4-5］。

近年來，各高校為改善學生學習環境，在新建教學樓和舊樓改造時，安裝了大量的空調設備，每幢教學樓多則幾十臺，甚至幾百臺，且有逐年增長的趨勢。這些空調設備致使學校用電量急劇上升，節能降耗的需求越來越迫切。但是，舊教學樓的大面積玻璃窗戶的設計形式、強調建筑通風性能的設計理念，使教學樓保溫性能較差，對空調的安裝使用極為不利，極易造成空調能耗增加;對新建教學樓而言，雖按新的節能驗收規范［6］，但部分存在不合理設備選型問題，如小型教室安裝大功率空調，導致空調因工作效率低下而增加了能量損耗;多數空調的運行管理是分散的，在人少或無人時，系統依舊運行，消耗了大量的電力;另外，與酒店、商場等公共建筑相比，高校缺乏專業空調管理人員，多數空調甚至可以隨意開關，導致空調的損壞率高、維修成本增加。

據測算，空調設定溫度在夏季每提高1度、或在冬季每降低一度，用電負荷可降低7～10%［7-9］。以教室中的自習人數作為空調開啟和關閉的門檻，人數較少的教室因空調被關閉，自習人員會自動向人數較多的空調開啟的教室集中，節電效果亦會非常顯著。因此，對高校教室空調實行集中管理控制十分必要。

鑒于目前網絡的普遍性和成熟性，設計了3個空調集中控運行管理方案，以3個教學樓空調系統為對象，對比分析各方案的節能降耗效果及改造成本，為不同應用場合空調運行管理方案的選擇提供依據。

1 基于Internet空調運行管理方案

目前，多數大型公共建筑的空調設施主要包括變冷媒流量空調系統(VRV，Variable Refrigerant Volume)、變風量空調系統(VAV，Variable Air Volume)、中央空調系統(Central Air Conditioning System)等，這些系統往往都具有獨立的運行管理系統，在建設、裝修完成時已具備一定的節能降耗能力。但仍有部分公共建設中使用單體空調實現局部環境溫度的調控，特別是高校教學樓中，多數屬于這種情況。這些獨立空調器的能耗狀況差異性很大，往往和空調使用者的節能意識密切相關，有必要通過空調運行的集中控制，即在空調的運行管理環節提高空調運行效率，降低空調能耗.。基于高校教室現狀，設計了以下三種空調集中控制的方案:

1.1 基于電源控制的空調運行管理方案

(1)系統架構。空調的工作電源是空調正常工作的必要條件，通過控制空調電源的開啟、關閉，是實現空調管理控制的最簡易、最直接的手段。基于電源控制的空調運行管理方案如圖1，該方案的控制系統由PC機、檢測裝置、空調控制器、中間繼電器和空調組成，要求空調具有通電開機和關機狀態記憶功能。

(2)控制流程。基于電源控制的空調運行管理方案的控制流程如圖2所示。

假設:教室中人數超過10人時，允許空調開啟。系統上電初始化后:①各教室檢測裝置定時檢測教室人數。若連續1小時人數＞10人，轉向“②”;若連續1小時人數＜10人，轉向“⑤”。②檢測裝置經以太網向PC機發出空調開啟請求及請求開啟的設備號。③PC機收到請求后，通過以太網向網絡空調控制器發出設備號及其空調開啟命令。④空調控制器收到命令后，驅動相應的中間繼電器開啟被控空調的電源。轉向“①”。⑤檢測裝置經以太網向PC機發出空調關閉請求及請求關閉的設備號。⑥PC機收到請求后，通過以太網向網絡空調控制器發出設備號及其空調關閉命令。⑦空調控制器收到命令后，驅動相應的中間繼電器關閉被控空調的電源。轉向“①”。

圖1 空調電源遠程控制系統架構圖

圖2 空調電源遠程控制系統控制流程示意圖

(3)管理界面。基于電源控制的空調運行管理方案的管理界面如圖3所示。該方案控制成本較低，在購機時廠家可直接提供滿足要求的空調設備。由于是對空調電源的控制管理，故可將教室總電源、照明電源等也納入遠程控制管理，實現教室網絡化、信息化管理，進一步降低能耗。

1.2 基于485總線的空調運行管理方案

(1)系統架構。由于485總線抗共模干擾能力強、靈敏度高，通常通信距離超過幾十米甚至到上千米時，選擇485總線建立設備間的通信聯絡。485總線便于多點互連，可以構建分布式系統，一般最大支持32 個節點［10-12］。

對高校教室或實驗室而言，實現一幢樓內的空調設備統一控制管理，上千米的通信距離已足夠，一個教室或實驗室布置一臺基于485總線的空調控制器，32個節點也已足夠。顯然可采用485總線構建空調運行管理方案，如圖4所示。

圖3 空調電源遠程控制系統管理界面示意圖

圖4 基于485總線的空調運行管理系統架構圖

該方案的控制系統由PC機、集線器、基于485總線的空調控制器和空調組成，方案實施成本低，組網、布線方便。其中主要模塊的功能包括:

PC機:接收、存儲系統狀態數據，數據庫管理，統計分析空調能耗，打印能耗圖表及報表，設定空調地址編碼，編碼識別及空調控制，等等。

集線器［13］:是PC機與空調設備連接的共享設備，實現信號放大，完成信號中轉，即面向全部空調控制器發布或接收信息。

基于485總線的空調控制器:是系統的核心設備，每臺控制器根據所管控的教室或實驗室掛接不同數量的空調設備。每臺控制器功能相同，采集環境溫度、空調運行等系統狀態數據，數據上傳PC機，接收PC機下發指令，經485總線發布空調控制命令，等。

(2)控制流程。同樣假設:教室中人數超過10人時，允許空調開啟。系統上電初始化后:①各教室基于485總線的空調控制器定時檢測教室人數、教室溫度、空調運行狀況等系統狀態數據及相關空調地址編碼，并經集線器、互聯網上傳到PC機。若連續1小時人數＞10人且達到空調開啟溫度設定值，轉向“②”;若連續1小時人數＜10人或未達到空調開啟溫度設定值，轉向“④”。②PC機根據收到的系統狀態數據，確定空調開啟數量及欲開啟空調的地址編碼，通過互聯網、集線器向基于485總線的空調控制器發出空調開啟命令。③空調控制器將收到的命令經485總線發布，相應空調被開啟。轉向“①”。④PC機根據收到的系統狀態數據，確定空調關閉數量及欲關閉空調的地址編碼，通過互聯網、集線器向基于485總線的空調控制器發出空調關閉命令。⑤空調控制器將收到的命令經485總線發布，相應空調被關閉。轉向“①”。

該方案要求空調具有485接口。方案的特點是:基于485總線的空調控制器具有環境狀態檢測功能，每臺空調設備具有獨立唯一的地址編碼，PC機可根據環境變化，通過對每臺空調的獨立控制，實現空調的自動化、智能化、節能化管理，而“集線器-空調控制器”的連接模式，為系統拓展提供了便利。另外，PC機處若采用調制解調器實現撥號聯網，即利用已有的電話網絡實現設備的管理控制，可進一步降低系統成本。該方案不方便采用環型接法。

1.3 基于以太網的空調運行管理方案

(1)系統架構。隨著技術的進步，網絡時代到來，通過網絡實施控制被越來越多的用戶所接受。與基于RS485總線的控制模式相比，基于IEEE802.3協議的工業以太網，是目前應用最廣泛的一種總線局域網，只要利用局域網中每個網卡上的BNC-T型連接器，即可方便地建立設備互聯，實現的星型連接，所需電纜少，價格便宜，容易擴展［14-16］。基于以太網的空調運行管理方案如圖5所示:

圖5 基于以太網的空調運行管理系統架構圖

該方案的控制系統由PC機、集線器、路由器、基于以太網的空調控制器和空調組成。其中主要模塊的功能包括:①PC機:接收、存儲系統狀態數據，數據庫管理，統計分析空調能耗，打印能耗圖表及報表，設定空調地址編碼，編碼識別及空調控制，等等。②集線器、路由器:均屬于PC機與空調設備連接的共享設備，集線器實現信號放大與中轉，路由器實現各空調設備子網間的連接并向空調控制器發布或接收信息，實現空調的集中遠程控制。③基于以太網的空調控制器:代替空調遙控器，控制空調開/關機、溫度、風速、模式等各種運行狀態，采集環境溫度，記錄并上傳PC機，接收PC機下發指令，等等。

(2)控制流程。同樣假設:教室中人數超過10人時，允許空調開啟。基于圖5控制方案，系統上電初始化后:①各教室基于以太網的空調控制器定時檢測教室人數、教室溫度、空調運行狀況等系統狀態數據及相關空調地址編碼，并經路由器、集線器、以太網上傳到PC機。若連續1小時人數＞10人且達到空調開啟溫/濕度設定值，轉向“②”;若連續1小時人數＜10人或未達到空調開啟溫/濕度設定值，轉向“④”。②PC機根據收到的系統狀態數據，確定空調開啟數量及欲開啟空調的地址編碼，通過以太網、集線器、路由器向基于以太網的空調控制器發出空調開啟命令。③空調控制器按收到的命令開啟相應空調，轉向“①”。④PC機根據收到的系統狀態數據，確定空調關閉數量及欲關閉空調的地址編碼，通過以太網、集線器、路由器向基于以太網的空調控制器發出空調關閉命令。⑤空調控制器按收到的命令關閉相應空調。轉向“①”。

該方案還可實現內、外雙閉環控制:內環是指空調的自有閉環系統，實現制冷/制熱的恒溫控制及各種空調保護功能;外環是指根據人數、溫/濕度等環境條件的變化，經以太網實施的空調遠程控制，通過外環控制可實現空調的自動化、智能化、節能化管理。

總體方案采用模塊化設計，便于擴展及系統更新，如人數檢測模塊，既可以采用紅外檢測方式，也可采用視頻檢測方式;在教室/實驗室內按需布置溫/濕度探測器，更可確保環境溫/濕度的均勻性。

(3)管理界面。基于以太網的空調運行管理方案的管理。界面操作簡單，具有良好人機交互性能。

若將該系統接入學校的安防系統網絡，可從設備管理的角度，提升高校整體智能化、信息化管理水平。

2 方案比較

上述三種設計方案應用到學校3個教學樓的空調系統，與上年同期相比，能源消耗均有所降低。測試結果表明，基于以太網的空調運行管理方案節能效果最佳，基于電源控制的空調運行管理方案改造成本最低。

表1 三種空調集中控制方案的比較

3 結語

隨著社會的發展和生活水平的提高，人們對其室內環境的要求也越來越高，從而導致空調系統的能耗不斷增大。通過空調集中式控制管理勢在必行，按照高校空調系統的現狀，文中設計的三種集中控制方案，并對三種方案進行了比較，對空調集中控制系統設計有較大參考價值。通過方案選擇或將上述方案進行適應性改造，同樣可用于其他公共建筑。

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