太陽能-空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理平臺設(shè)計

張小東，李 慧,2,3

(1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院,山東 濟南 250101；2.山東建筑大學(xué)可再生能源建筑利用技術(shù)教育部重點實驗室,山東 濟南 250101；3.山東建筑大學(xué)山東省可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，山東 濟南 250101)

0 引言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出和智能建筑節(jié)能理念的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用更加廣泛[1-3]。目前，在我國推動清潔能源供暖與“煤改電”的大潮下，空氣源熱泵更是發(fā)展迅速[4-5]，太陽能-空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)將太陽能與空氣源熱泵有機結(jié)合，具有廣闊的應(yīng)用前景[6]。為了實現(xiàn)該系統(tǒng)的智能化與信息化，需將系統(tǒng)的各設(shè)備集成為統(tǒng)一的平臺進行管理，使系統(tǒng)具有節(jié)能性、經(jīng)濟性和安全性。Niagara Framework能夠較好地解決這一問題。它是市場上在系統(tǒng)集成方面較為成熟、先進的應(yīng)用框架。Niagara核心價值是可以接入任何協(xié)議、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，并且不受制造商或通信協(xié)議的影響[7-8]。因此，基于Niagara技術(shù)，搭建了太陽能-空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控管理平臺。

1 太陽能-空氣源熱泵空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)

以學(xué)校某辦公樓的太陽能-空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為研究對象，搭建其監(jiān)控管理平臺。該空調(diào)系統(tǒng)分為太陽能-空氣源熱泵復(fù)合系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)末端房間系統(tǒng)。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of system

系統(tǒng)在夏季可利用空氣源熱泵為室內(nèi)末端房間制冷，冬季太陽能集熱器作為輔助供熱設(shè)備，與空氣源熱泵一同為室內(nèi)末端房間供熱。新風(fēng)機組為室內(nèi)末端房間提供室外新風(fēng)。新風(fēng)在新風(fēng)機組內(nèi)利用室內(nèi)回風(fēng)的余熱進行預(yù)冷或預(yù)熱[9-10]。

監(jiān)控系統(tǒng)通過安裝在現(xiàn)場的各類傳感器，對該系統(tǒng)的各種參數(shù)(例如溫度、壓力、流量、功率等)、系統(tǒng)設(shè)備的運行狀態(tài)(包括新風(fēng)機組的運行狀態(tài)、水泵的運行狀態(tài)等)進行監(jiān)測，并根據(jù)系統(tǒng)的運行要求控制相應(yīng)的設(shè)備[11]。

1.1 太陽能-空氣源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)

太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)流量與熱量測量采用熱量表；電能通過智能電表進行測量，主要監(jiān)控空氣源熱泵、循環(huán)水泵的功率和電能，熱量表與電表均輸出RS-485信號。系統(tǒng)對空氣源熱泵供回水溫度與壓力進行監(jiān)控，安裝溫度、壓力傳感器，溫度傳感器量程量程為-50～+150 ℃、4～20 mA電流輸出，壓力傳感器量程為0～1.6 MPa、4～20 mA電流輸出；對儲熱水箱內(nèi)水溫進行監(jiān)控，安裝溫度傳感器；在旁通管路安裝壓差傳感器，量程為0～100 kPa、4～20 mA電流輸出。

1.2 新風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)

整個系統(tǒng)主要分為新風(fēng)全熱交換機控制、新風(fēng)管道、送風(fēng)管道、回風(fēng)入口管道以及回風(fēng)出口管道監(jiān)測。其中，新風(fēng)管道安裝風(fēng)管溫濕度、CO2濃度、PM2.5濃度傳感器，送風(fēng)管道安裝風(fēng)管溫濕度、PM2.5濃度傳感器，回風(fēng)入口管道安裝風(fēng)管溫濕度，回風(fēng)出口管道安裝風(fēng)管溫濕度、CO2濃度傳感器。風(fēng)管溫濕度傳感器溫度量程-10～+40 ℃，濕度量程0 ～100%RH，0～10 V電壓輸出；CO2濃度傳感器量程0～2 000×10-6，0～10 V電壓輸出；PM2.5濃度傳感器量程0～1 000 μg/m3，0～10 V電壓輸出；室外溫濕度傳感器溫度量程-30～+50 ℃，濕度量程5～95%RH，0～10 V電壓輸出。

1.3 末端房間監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)采用溫控器對空調(diào)系統(tǒng)末端房間的風(fēng)機盤管及電動閥進行控制。溫控器選用鼎會ZigBee無線空調(diào)溫控器。每個溫控器旁安裝一個ZigBee智能插座，可監(jiān)測風(fēng)機盤管開啟狀態(tài)、風(fēng)速檔位和室內(nèi)溫度。

1.4 監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)能控制

在保證室內(nèi)房間舒適性的前提下，為使系統(tǒng)節(jié)能降耗，平臺在太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)中進行循環(huán)水泵變頻控制，在新風(fēng)系統(tǒng)中進行新風(fēng)機組CO2濃度與時間表聯(lián)合控制，在末端房間系統(tǒng)中進行風(fēng)機盤管與空氣源熱泵機組一體化控制等節(jié)能措施。

1.4.1 循環(huán)水泵壓差控制

在舒適性空調(diào)系統(tǒng)中,因為其負荷主要隨室外氣候與室內(nèi)人數(shù)而改變,對于實際工程,機組很少存在滿負荷運行的狀況，大多是在部分負荷下工作。若水泵在一定的工況下定流量運行,也就是隨著水路管網(wǎng)阻抗的變化，水泵運行頻率不變(即水泵運行的頻率不隨各辦公房間負荷的變化進行改變)，會使得水泵的能耗基本保持恒定,大部分電能都會被浪費。部分負荷下，末端房間內(nèi)的風(fēng)機盤管啟停情況發(fā)生改變，從而引起供回水管壓差的變化。壓差傳感器將這一信號傳送給監(jiān)控平臺，與壓差設(shè)定值進行比較，從而通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速。

循環(huán)水泵壓差控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 壓差控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of differential pressure control

1.4.2 新風(fēng)機組CO2濃度值與時間表聯(lián)合控制

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有CO2室內(nèi)空氣標準，辦公房間室內(nèi)CO2濃度標準值應(yīng)低于800×10-6?；仫L(fēng)管道CO2濃度傳感器感知回風(fēng)CO2濃度。若在辦公時間表設(shè)定的時間內(nèi)，實測濃度值大于800×10-6，則平臺控制新風(fēng)機組開啟，引入室外新風(fēng)，降低室內(nèi)CO2濃度值；反之，表示室內(nèi)空氣質(zhì)量良好，關(guān)閉新風(fēng)機組，節(jié)約能耗。CO2濃度控制流程如圖3所示。

圖3 CO2濃度控制流程圖Fig.3 Flowchart of CO2 concentration control

1.4.3 風(fēng)機盤管與空氣源熱泵機組一體化控制

目前，大多數(shù)空氣源熱泵機組采用時間表控制，可以根據(jù)人員上下班時間控制機組啟停。由于學(xué)校辦公房間內(nèi)人員流動性較大，科研時間不統(tǒng)一，如果各末端房間內(nèi)無辦公人員，隨時間表啟動空氣源熱泵機組，會造成電能浪費嚴重。電動閥控制接線如圖4所示。

圖4 電動閥控制接線圖Fig.4 Wirings of electric valve control

系統(tǒng)通過判斷風(fēng)機盤管的電動閥狀態(tài)來控制空氣源熱泵機組的啟停。系統(tǒng)若檢測到有風(fēng)機盤管電動閥狀態(tài)為開，啟動空氣源熱泵機組；若檢測到風(fēng)機盤管所有電動閥狀態(tài)為關(guān)，則停止空氣源熱泵機組運行。該方法提高了系統(tǒng)控制的靈活性，克服了機組時間表控制所造成的電能浪費情況。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要包括兩臺JACE8000網(wǎng)絡(luò)控制器、三臺I/O-28U模塊、一臺ZigBee無線網(wǎng)關(guān)，以及各類傳感器與現(xiàn)場設(shè)備。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖Fig.5 Architecture of system hardware

第一臺JACE(IP:192.168.1.139)通過其COM1與COM2口的RS-485線連接I/O-28U模塊，以Modbus協(xié)議進行通信；采集室外溫濕度、風(fēng)管溫濕度、二氧化碳濃度、PM2.5濃度以及控制I/O模塊的數(shù)字輸出(digital output,DO)輸出，用于控制繼電器的閉合，從而控制新風(fēng)機組啟停等；通過COM3口的RS-485線連接ZigBee無線網(wǎng)關(guān)，讀取各末端房間室內(nèi)溫度以及風(fēng)速等。

第二臺JACE(IP:192.168.1.140)通過其COM1口的RS-485線連接IO-28U模塊，以Modbus協(xié)議進行通信；采集太陽能-空氣源復(fù)合系統(tǒng)內(nèi)的溫度、壓力和壓差傳感器采集的模擬量數(shù)據(jù)；通過COM2口的RS-485線連接空氣源熱泵機組、三塊智能電表和冷熱量表；通過COM3口的RS-485線連接變頻器，控制水泵變頻。

最后，通過TCP/IP協(xié)議，以Niagara網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)，將采集的數(shù)據(jù)參數(shù)匯總?cè)胗嬎銠C服務(wù)器內(nèi)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與搭建

本平臺采用Vykon WorkPlace N4軟件進行編制相應(yīng)的監(jiān)控管理系統(tǒng)。Vykon WorkPlace N4是Niagara 4統(tǒng)一應(yīng)用開發(fā)工具，包括業(yè)務(wù)建模、用戶界面設(shè)計、驅(qū)動開發(fā)等模塊。該平臺實現(xiàn)了本地和遠程訪問與控制、數(shù)據(jù)采集與顯示、系統(tǒng)節(jié)能與優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享與多用戶管理等功能。

監(jiān)控管理平臺軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 監(jiān)控管理平臺軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Block diagram of software stracture of monitoring management platform

平臺軟件結(jié)構(gòu)分為首頁、新風(fēng)系統(tǒng)、太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)、末端房間系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)、故障報警等，可通過點擊鼠標進入各系統(tǒng)的監(jiān)控管理界面。用戶可遠程實時查看各系統(tǒng)中傳感器與設(shè)備運行狀態(tài)；可了解各子系統(tǒng)工作原理，監(jiān)控新風(fēng)、空氣源熱泵等機組的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括各傳感器采集的實時數(shù)據(jù)，以及對新風(fēng)機組熱回收效率進行分析；可調(diào)節(jié)新風(fēng)機組運行模式，如強制、自動啟停等。

在Niagara軟件中采用模塊化編程，每個功能模塊基于Java語言開發(fā)，通過對功能模塊的選擇、設(shè)計和連接，實現(xiàn)平臺的節(jié)能控制邏輯。以新風(fēng)機組CO2濃度值與時間表聯(lián)合控制方式為例，主要通過軟件中的BooleanSwitch功能模塊選擇相應(yīng)的控制功能，并通過對該功能模塊的In Switch、In True、In False3個引腳數(shù)值的設(shè)置來控制該模塊Out點的信號輸出，以便控制新風(fēng)機組的啟停。通過Great Than模塊判定回風(fēng)CO2濃度是否大于室內(nèi)CO2濃度標準值(800×10-6)。當回風(fēng)CO2濃度大于800×10-6，Great Than模塊的Out點位輸出為true值，BooleanSwitch中的In True點位輸出為true值；而BoolWritable模塊設(shè)定為CO2濃度控制方式，此時In Switch控制Out點位的輸出為In True點位對應(yīng)的true值；新風(fēng)機組啟停模塊接收到true信號，控制I/O-28U模塊開啟新風(fēng)機組。

4 結(jié)束語

本文基于Niagara物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建了太陽能-空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控管理平臺。該平臺目前運行穩(wěn)定，節(jié)能效果良好，實現(xiàn)了對建筑能源的初步監(jiān)控管理。由于該平臺建成時間較短，還需大量數(shù)據(jù)進行分析，以便改善。該研究對空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運行具有重要的意義。