北方高等院校建筑采暖熱量節約應用方法分析與研究

王學峰，王 鵬，陳海紅，董 潔

（赤峰學院，內蒙古 赤峰 024000）

1 引言

隨著我國經濟發展和城市化進程水平的提高，消費結構不斷改善，相應的對建筑物服務水平的要求也不斷提高，對建筑物內的舒適性要求也不斷提高，其相應的能源消費將大幅度提升.具資料介紹僅建筑物內的能源消耗約占全社會總能源消耗的25%以上，居各能源消耗之首.在我國建筑物主要分為民用和公共建筑，公用建筑面積約占總建筑面積的5%，但公用建筑消耗的能源卻占總建筑消耗的22%.在公共建筑的能耗中又以冬季取暖和夏季制冷為主要的能耗形式，其約占建筑能耗的55-70%.在北方其建筑能耗主要是冬季采暖和室內電能的消耗，本文主要是針對北方高等院校的建筑采暖如何節約進行研究設計，因為高等院校的房屋采暖消耗形式比政府機關的采暖形式多，所以其消耗的多浪費的也多，同理其節約的機會也多.

2 北方高等院校房屋采暖熱量消耗形式的分析

北方建筑冬季采暖主要以房屋使用的形式和功能進行區分，在高等院校由于房屋使用功能具有多種形式，按以下功能進行分類：一類是行政人員的按時上班和下班及教學人員的不定時上下班所使用的房屋；二類是學生用的教室房間；三類是實驗室；四類是各種室內體育活動場館；五類是各種大型或小型的會議室；六類是學生食堂及學生宿舍.可以說一所大學內包含使用的房間功能就是一個社會的縮影，在眾多使用不同功能的房間，有些房間的使用非常具有規律性，例如辦公室，它是早8:00到下午6:00結束；還有實驗室，它是按課表規律使用；另外各種會議室，它是隨機使用且使用的幾率較少.通過分析可知，在高等院校冬季采暖中具有相當多的熱量節約時機.

3 熱量節約時機的分析

在高等院校建筑物內房間的使用具有多樣性，但是按熱量節約形式可以把各種不同功能的房間分成以下三類；一類是按時上下班形式，例如辦公室、教室及室內體育活動場館，這些房屋在早8:00直到下午6:00時保持房間在18℃，下班以后可以使房間的溫度逐步降到15℃以下；二類是實驗室，在高等院校特別是專業實驗室，它使用的效率不高，平均每周按3-4次使用，每次3h，一周總共使用12h或16h，每周總共有168h，實際只使用不足10%的時間，使用時室內保持18℃，其余時間完全可以使室內溫度降到15℃以下.三類是隨機使用形式，例如多功能廳、學術報告廳及會議室，特別是比較大型的會議室，它的使用幾率更低，平均每周不到一次，這種隨機使用的房間，其熱量節約的余地更大.以上是按房間功能不同分為六類，而把熱量的節約形式分成三類，這種分類不是絕對的，可以根據需要進行調整.在整棟樓內各種不同功能的房間都存在，如何按熱量分類（三類）那樣進行節約控制，是本文研究的重點內容.

4 國內建筑采暖節約利用分析

4.1 溫度控制方式

在熱流量控制方面，許多科研院所和高等院校側重于以溫度作為熱流量控制標準，例如若室內溫度低于設定值時，閥門自動開啟，熱流量滿負荷運行，當室內溫度高于設定值時，閥門自動關閉，減少熱流量運行.此技術的優點是自動化程度較高，可以保持室內溫度一個較舒適的水平，缺點是技術復雜，成本較高，因為每個閥點都是一個獨立的控制系統，它包括閥體、溫度采集、單片機組成的智能電路等，另外對每個房間的控制都是程序化，不利于對房間的個性化、隨機性控制，例如對實驗室、會議室的溫度控制顯然不適合，另外，使用時要根據外界溫度變化隨時進行調整，這一點對公辦樓房顯然不適應，因此以溫度為標準的分室控制基本上用于分戶計量的民用市場上，且以恒溫為主.

4.2 樓內整體控制

對整棟樓以溫度為標準的控制有其產品研究，具資料介紹，甘肅某大學研制一款產品，并在本校內進行試驗，它的方案是在整棟樓的給水管上或回水管上加一道電動閥門，在樓內有四個溫度采集點，單片機根據采集溫度的高低來控制閥門的開啟和關閉.根據實驗它節約熱量20%以上.此技術的優點是成本低，技術簡單，適用于使用功能比較單一的樓房.缺點：一是不能對樓內各個房間進行多樣性控制，不能滿足樓內多功能使用的要求.二是由于是在整棟樓的主管道上加控制閥，通過控制水流量來達到控制熱量的目的，其閥門的開度每天變化幾次，必然打破樓與樓之間的熱平衡，結果是熱量不能均勻分配，甚至造成整棟樓不熱.

4.3 分層控制

由于整棟控制涉及到樓與樓之間的熱平衡難題及控制范圍比較大，節約效果不明顯等，國內設計了分樓層進行控制，即每一層樓加一個控制閥，這個方式比整棟控制先進一步，但涉及到現有樓房采暖管道的改造問題，因為現有的管道是從上到下是單管通水，分層控制必須是雙管通水才可以實現，另外每層樓的房間使用功能具有多樣性不能體現出來.對熱量的節約仍然有潛力可挖.

5 實現分室控制的方法

本文主要是對整棟樓內具有不同使用功能的單個房間進行分別控制，其設計方案是：

（1）對樓內不同房間按使用功能進行分類，現按上述分為三類，即一類是辦公型；二類是課表型；三類是隨機使用型.要實現上述要求，必須對單個房間實行控制，在單個房間內，其采暖組成有的是一組暖氣，有的是多組暖氣，對多組暖氣的房間，雖然是在同一個房間，但是每組暖氣都是獨立的，因為它們只是上下聯系，水平方向相互獨立.所以要實現每個房間獨立控制，實際上必須實現每組暖氣的獨立控制，這是實現分室控制的基本要求.

（2）分室控制的實現，利用現代信息傳輸技術、信息控制技術、信息處理技術并結合機電技術等可以實現對暖氣組的智能化控制.其方案是：利用CAN總線技術，把總線中某個節點的功能設置成開和關的兩個開關量，使用這個開和關信號去控制閥門的開與關.閥門是加在暖氣組的給水管上，通過控制閥門的開與關來控制水流量，最后達到控制熱流量的目的.

控制流程如圖所示

圖中的節點1、2、3、4為CAN總線下的控制模塊，在本設計中節點1、2為控制閥門模塊，每個節點下可以控制8個閥門.節點3、4為房屋的溫度采集模塊，每個模塊可以采集8個溫度控制點.根據CAN總線的功能，上述節點的總數可以達到110個，若使用55個節點作為閥門控制，則最少控制的閥門數是440個，最多可控的閥門數是1320個，另外55個節點作為溫度采集點，最多是440個，所以一組CAN總線技術在本項目的設計中最多控制的暖氣組數是1320個，最多房間溫度數是440個.按北方建筑采暖的設計標準，1320組暖氣，可以控制的建筑面積44000m2.可見使用CAN總線作為建筑采暖的控制，其所具有的資源完全可以滿足整棟樓的需要.由上圖可知，總線上所有的節點都是通過雙絞線與計算機相連接，作為主控機（計算機），通過應用軟件，把復雜的、智能化程度較高應用程序完全由主控機來完成，把樓內各個房間的閥門及溫度通過總線連接起來，可以對樓內的不同功能的房間實行差別化控制，既滿足節約熱量又保證工作環境的需要，這種分室控制或者是分暖氣組控制方式，相對整棟樓控制或分樓層控制來說，其控制程度密集，一步到位（控制暖氣組），能夠使節約的熱量最大化，且滿足不同房間的需要.

6 CAN總線的特點

（1）傳輸介質：采用雙絞線傳輸.（2）傳輸距離：10Km.（3）總線上可掛接的模塊數：110個.（4）傳輸速率：5kbps-10Mbps.

7 CAN總線在建筑采暖分布控制的適應性

（1）滿足平面和空間控制需要，由于傳輸距離遠，在10km范圍內的任意位置上可以掛接任何控制節點，對于同一樓層內的不同房間及不同的樓層只要雙絞線能夠纏繞過去，都能對其實施控制.另外，對于節點以下的傳輸開關量控制信號也能夠滿足各種不同功能房間的需要，實驗證明節點以下開關量傳輸距離在100m內沒有問題，以寬度4m為一個房間的話，100m可以覆蓋25個房間，而一個節點最多控制24組暖氣.（2）CAN總線技術輸出資源豐富，可以滿足一棟樓房內各個房間的控制需要，我們知道理論上CAN總線上可以掛接無數個節點，但由于電路負荷的限制，一般可以掛接實際的節點數是110個，每個節點最多輸出24路信號，則一條CAN總線可以輸出2640個開關量信號.這是從計算機的一個COM口輸出的信號，如果再使用另一個COM口的話，則數量要翻番，正式由于其豐富的資源可以利用，所以滿足眾多不同房間的個性化需要.（3）電源供給容易獲得，對于每個閥門所需要的動力電（12V直流電）可以就近取得，因為每個房間都提供了220V交流電源.（4）傳輸信號的介質簡單、成本低廉，在CAN總線建設中使用雙絞線或同軸電纜就可以傳輸信號，在節點以下到閥門之間也是信號傳輸，所以長距離的傳輸是雙絞線，短距離的傳輸使用多芯電纜，整個線路簡單成本低.

8 CAN總線與485總線相比較

（1）傳輸距離遠，485總線最遠傳輸距離是1200m，CAN總線最遠傳輸距離是10km.（2）雙絞線上掛接的節點多，485總線上最多掛接32個節點，CAN總線上實際可以掛接110個節點.（3）糾錯檢錯能力強，485總線中每個節點之間是串聯結構，如果其中的任意一個節點損壞，則整個系統癱瘓.CAN總線結構中節點之間是并聯結構，如果其中任意一個損壞不影響其他節點工作.（4）CAN總線雖然是多主結構，但在本項目中可以設置成主從結構，只有主控機發出命令時節點才能響應工作，工作方式靈活，適用于使用的多樣性.

9 與無線數傳模塊相比較

（1）無線數傳模塊的資源有限，數傳模塊所能控制的閥門數是127個，不能滿足整棟樓的需要.（2）由于是無線傳輸，受中間遮擋物的影響較大，死角多，不能實現可靠控制.

10 結束語

由上述公辦建筑采暖節約的方法分析可知，CAN總線技術是所有方法中，最適合建筑采暖控制的需要，雖然CAN總線技術最初是用于汽車運行中的控制，但是由于它本身所具有的特點，現在已經在煤礦安全生產中得到擴大應用，同樣相信在建筑采暖控制中也會得到擴大應用.

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