北方高等院校建筑采暖熱量節(jié)約應(yīng)用方法分析與研究

王學(xué)峰，王 鵬，陳海紅，董 潔

（赤峰學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程水平的提高，消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷改善，相應(yīng)的對建筑物服務(wù)水平的要求也不斷提高，對建筑物內(nèi)的舒適性要求也不斷提高，其相應(yīng)的能源消費(fèi)將大幅度提升.具資料介紹僅建筑物內(nèi)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(nèi)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(jié)約進(jìn)行研究設(shè)計，因?yàn)楦叩仍盒５姆课莶膳男问奖日畽C(jī)關(guān)的采暖形式多，所以其消耗的多浪費(fèi)的也多，同理其節(jié)約的機(jī)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(jìn)行區(qū)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(jìn)行分類：一類是行政人員的按時上班和下班及教學(xué)人員的不定時上下班所使用的房屋；二類是學(xué)生用的教室房間；三類是實(shí)驗(yàn)室；四類是各種室內(nèi)體育活動場館；五類是各種大型或小型的會議室；六類是學(xué)生食堂及學(xué)生宿舍.可以說一所大學(xué)內(nèi)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(guī)律性，例如辦公室，它是早8:00到下午6:00結(jié)束；還有實(shí)驗(yàn)室，它是按課表規(guī)律使用；另外各種會議室，它是隨機(jī)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(dāng)多的熱量節(jié)約時機(jī).

3 熱量節(jié)約時機(jī)的分析

在高等院校建筑物內(nèi)房間的使用具有多樣性，但是按熱量節(jié)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(nèi)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(shí)驗(yàn)室，在高等院校特別是專業(yè)實(shí)驗(yàn)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(shí)際只使用不足10%的時間，使用時室內(nèi)保持18℃，其余時間完全可以使室內(nèi)溫度降到15℃以下.三類是隨機(jī)使用形式，例如多功能廳、學(xué)術(shù)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(jī)使用的房間，其熱量節(jié)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(jié)約形式分成三類，這種分類不是絕對的，可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整.在整棟樓內(nèi)各種不同功能的房間都存在，如何按熱量分類（三類）那樣進(jìn)行節(jié)約控制，是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容.

4 國內(nèi)建筑采暖節(jié)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(cè)重于以溫度作為熱流量控制標(biāo)準(zhǔn)，例如若室內(nèi)溫度低于設(shè)定值時，閥門自動開啟，熱流量滿負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)室內(nèi)溫度高于設(shè)定值時，閥門自動關(guān)閉，減少熱流量運(yùn)行.此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是自動化程度較高，可以保持室內(nèi)溫度一個較舒適的水平，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，因?yàn)槊總€閥點(diǎn)都是一個獨(dú)立的控制系統(tǒng)，它包括閥體、溫度采集、單片機(jī)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(jī)性控制，例如對實(shí)驗(yàn)室、會議室的溫度控制顯然不適合，另外，使用時要根據(jù)外界溫度變化隨時進(jìn)行調(diào)整，這一點(diǎn)對公辦樓房顯然不適應(yīng)，因此以溫度為標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)整體控制

對整棟樓以溫度為標(biāo)準(zhǔn)的控制有其產(chǎn)品研究，具資料介紹，甘肅某大學(xué)研制一款產(chǎn)品，并在本校內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，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(nèi)有四個溫度采集點(diǎn)，單片機(jī)根據(jù)采集溫度的高低來控制閥門的開啟和關(guān)閉.根據(jù)實(shí)驗(yàn)它節(jié)約熱量20%以上.此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是成本低，技術(shù)簡單，適用于使用功能比較單一的樓房.缺點(diǎn)：一是不能對樓內(nèi)各個房間進(jìn)行多樣性控制，不能滿足樓內(nèi)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(dá)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(jié)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(jié)約效果不明顯等，國內(nèi)設(shè)計了分樓層進(jìn)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(jìn)一步，但涉及到現(xiàn)有樓房采暖管道的改造問題，因?yàn)楝F(xiàn)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(shí)現(xiàn)，另外每層樓的房間使用功能具有多樣性不能體現(xiàn)出來.對熱量的節(jié)約仍然有潛力可挖.

5 實(shí)現(xiàn)分室控制的方法

本文主要是對整棟樓內(nèi)具有不同使用功能的單個房間進(jìn)行分別控制，其設(shè)計方案是：

（1）對樓內(nèi)不同房間按使用功能進(jìn)行分類，現(xiàn)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(jī)使用型.要實(shí)現(xiàn)上述要求，必須對單個房間實(shí)行控制，在單個房間內(nèi)，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(dú)立的，因?yàn)樗鼈冎皇巧舷侣?lián)系，水平方向相互獨(dú)立.所以要實(shí)現(xiàn)每個房間獨(dú)立控制，實(shí)際上必須實(shí)現(xiàn)每組暖氣的獨(dú)立控制，這是實(shí)現(xiàn)分室控制的基本要求.

（2）分室控制的實(shí)現(xiàn)，利用現(xiàn)代信息傳輸技術(shù)、信息控制技術(shù)、信息處理技術(shù)并結(jié)合機(jī)電技術(shù)等可以實(shí)現(xiàn)對暖氣組的智能化控制.其方案是：利用CAN總線技術(shù)，把總線中某個節(jié)點(diǎn)的功能設(shè)置成開和關(guān)的兩個開關(guān)量，使用這個開和關(guān)信號去控制閥門的開與關(guān).閥門是加在暖氣組的給水管上，通過控制閥門的開與關(guān)來控制水流量，最后達(dá)到控制熱流量的目的.

控制流程如圖所示

圖中的節(jié)點(diǎn)1、2、3、4為CAN總線下的控制模塊，在本設(shè)計中節(jié)點(diǎn)1、2為控制閥門模塊，每個節(jié)點(diǎn)下可以控制8個閥門.節(jié)點(diǎn)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(diǎn).根據(jù)CAN總線的功能，上述節(jié)點(diǎn)的總數(shù)可以達(dá)到110個，若使用55個節(jié)點(diǎn)作為閥門控制，則最少控制的閥門數(shù)是440個，最多可控的閥門數(shù)是1320個，另外55個節(jié)點(diǎn)作為溫度采集點(diǎn)，最多是440個，所以一組CAN總線技術(shù)在本項目的設(shè)計中最多控制的暖氣組數(shù)是1320個，最多房間溫度數(shù)是440個.按北方建筑采暖的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，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(jié)點(diǎn)都是通過雙絞線與計算機(jī)相連接，作為主控機(jī)（計算機(jī)），通過應(yīng)用軟件，把復(fù)雜的、智能化程度較高應(yīng)用程序完全由主控機(jī)來完成，把樓內(nèi)各個房間的閥門及溫度通過總線連接起來，可以對樓內(nèi)的不同功能的房間實(shí)行差別化控制，既滿足節(jié)約熱量又保證工作環(huán)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(jié)約的熱量最大化，且滿足不同房間的需要.

6 CAN總線的特點(diǎn)

（1）傳輸介質(zhì)：采用雙絞線傳輸.（2）傳輸距離：10Km.（3）總線上可掛接的模塊數(shù)：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(yīng)性

（1）滿足平面和空間控制需要，由于傳輸距離遠(yuǎn)，在10km范圍內(nèi)的任意位置上可以掛接任何控制節(jié)點(diǎn)，對于同一樓層內(nèi)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(shí)施控制.另外，對于節(jié)點(diǎn)以下的傳輸開關(guān)量控制信號也能夠滿足各種不同功能房間的需要，實(shí)驗(yàn)證明節(jié)點(diǎn)以下開關(guān)量傳輸距離在100m內(nèi)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(jié)點(diǎn)最多控制24組暖氣.（2）CAN總線技術(shù)輸出資源豐富，可以滿足一棟樓房內(nèi)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(shù)個節(jié)點(diǎn)，但由于電路負(fù)荷的限制，一般可以掛接實(shí)際的節(jié)點(diǎn)數(shù)是110個，每個節(jié)點(diǎn)最多輸出24路信號，則一條CAN總線可以輸出2640個開關(guān)量信號.這是從計算機(jī)的一個COM口輸出的信號，如果再使用另一個COM口的話，則數(shù)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?yàn)槊總€房間都提供了220V交流電源.（4）傳輸信號的介質(zhì)簡單、成本低廉，在CAN總線建設(shè)中使用雙絞線或同軸電纜就可以傳輸信號，在節(jié)點(diǎn)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(yuǎn)，485總線最遠(yuǎn)傳輸距離是1200m，CAN總線最遠(yuǎn)傳輸距離是10km.（2）雙絞線上掛接的節(jié)點(diǎn)多，485總線上最多掛接32個節(jié)點(diǎn)，CAN總線上實(shí)際可以掛接110個節(jié)點(diǎn).（3）糾錯檢錯能力強(qiáng)，485總線中每個節(jié)點(diǎn)之間是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，如果其中的任意一個節(jié)點(diǎn)損壞，則整個系統(tǒng)癱瘓.CAN總線結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)之間是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如果其中任意一個損壞不影響其他節(jié)點(diǎn)工作.（4）CAN總線雖然是多主結(jié)構(gòu)，但在本項目中可以設(shè)置成主從結(jié)構(gòu)，只有主控機(jī)發(fā)出命令時節(jié)點(diǎn)才能響應(yīng)工作，工作方式靈活，適用于使用的多樣性.

9 與無線數(shù)傳模塊相比較

（1）無線數(shù)傳模塊的資源有限，數(shù)傳模塊所能控制的閥門數(shù)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(shí)現(xiàn)可靠控制.

10 結(jié)束語

由上述公辦建筑采暖節(jié)約的方法分析可知，CAN總線技術(shù)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(shù)最初是用于汽車運(yùn)行中的控制，但是由于它本身所具有的特點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)在煤礦安全生產(chǎn)中得到擴(kuò)大應(yīng)用，同樣相信在建筑采暖控制中也會得到擴(kuò)大應(yīng)用.

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