基于CAN總線技術(shù)的取暖智能節(jié)能系統(tǒng)中電控閥門開度的研究的方法

王 鵬

（赤峰學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 00240）

基于CAN總線技術(shù)的取暖智能節(jié)能系統(tǒng)中電控閥門開度的研究的方法

王 鵬

（赤峰學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 00240）

根據(jù)熱用戶性質(zhì)的不同，提供不同的負(fù)荷控制策略，使系統(tǒng)的供熱量與熱負(fù)荷相一致，實(shí)現(xiàn)分時(shí)、分溫、分室、按需供熱，滿足不同房間的個(gè)性化需求，避免不考慮房間用途而統(tǒng)一供熱造成的浪費(fèi).使用CAN總線技術(shù)，利用每一路通道信號(hào)控制一個(gè)房間所有暖氣片的開關(guān)閥門，使用自主開發(fā)的軟件系統(tǒng)，對(duì)房間內(nèi)的溫度和熱流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，以作息時(shí)間和依據(jù)房間用途不同來決定所需溫度為標(biāo)準(zhǔn)，采用無人辦公時(shí)最大限度的減少供暖和正常工作時(shí)保持正常供暖的兩種交替模式.要達(dá)到分室控制的，在滿足辦公舒適性的條件下，按需供暖，有效提高利用效率，最大限度地節(jié)約熱量，硬件中的電控閥門的開度設(shè)計(jì)則是問題的關(guān)鍵.

CAN總線；閥門開度；分室控制；熱流量

據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)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%.所以公共建筑能耗節(jié)約的空間較大，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%.冬季取暖絕大部分都是以燃煤為主，而霧霾的40%是由燃煤放出的污染物組成的，研究取暖節(jié)能問題，不但節(jié)約能源，而且能夠減少空氣污染.

為保持室內(nèi)溫度均衡，需要根據(jù)室外溫度的變化適時(shí)調(diào)整熱流量，其調(diào)整方式是依據(jù)公共建筑物內(nèi)人們工作的時(shí)間規(guī)律性.以政府工作人員的上、下班為例：上班工作時(shí)間是早8:00，下班時(shí)間是下午6:00，在時(shí)間上是非常有規(guī)律的.上班工作時(shí)其室內(nèi)的溫度保持在18℃，下班以后在無人工作的室內(nèi)，其溫度沒有必要維持在18℃，若保持在12℃-14℃之間，則可以節(jié)約很多熱量.另外，對(duì)于不經(jīng)常使用的會(huì)議室、資料室、化驗(yàn)室等房間，特別是高等院校這類房間的比例較高，也沒有必要一直保持18℃.對(duì)這類房間可以分類實(shí)時(shí)控制，根據(jù)需要隨時(shí)提供熱量供應(yīng).

目前，公共建筑的取暖節(jié)能主要以兩種形式實(shí)現(xiàn)：一種是采用RS-485總線技術(shù)，把建筑物內(nèi)的熱量、冷量、電量等綜合在一起進(jìn)行節(jié)約控制，而熱量節(jié)約是采用步進(jìn)電機(jī)對(duì)閥門的開度進(jìn)行控制，通過控制水流量來控制熱量.第二種是采用單片機(jī)技術(shù)對(duì)每一組暖氣進(jìn)行獨(dú)立控制，采用以霍爾磁條為傳感器的普通電機(jī)對(duì)閥門的開度進(jìn)行控制.兩種控制形式的優(yōu)點(diǎn)是閥門的開度可以設(shè)置幾個(gè)檔位，根據(jù)外界溫度隨時(shí)調(diào)整開度的檔位，控制熱流量.缺點(diǎn)是控制復(fù)雜、成本高.因?yàn)槊總€(gè)閥門必須要有一組單片機(jī)來控制，控制復(fù)雜，可靠性下降.

CAN(Controller Area Network),全稱“控制器局域網(wǎng)”，是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，是近年來應(yīng)用推廣比較快的一種現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制技術(shù)，主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，例如汽車工業(yè)生產(chǎn)中各車間生產(chǎn)技術(shù)過程監(jiān)測(cè)、汽車運(yùn)行監(jiān)測(cè)控制、風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和控制、煤礦礦井生產(chǎn)的安全監(jiān)測(cè)等.由于應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，使其產(chǎn)品的性能不斷提高，價(jià)格也不斷下降.由于CAN總線的性能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，與樓內(nèi)各個(gè)房間分布點(diǎn)多、面廣、占用的空間體積大等相配合，非常適合于建筑節(jié)能領(lǐng)域中應(yīng)用.

其特點(diǎn)有：

(1)傳輸距離比較遠(yuǎn).主控點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的分布距離，在10km內(nèi)都有效，若節(jié)點(diǎn)較多，中間可以加路橋.利用數(shù)據(jù)傳輸遠(yuǎn)的特性，可以把分布在樓內(nèi)各房間的節(jié)點(diǎn)通過雙絞線連接起來，滿足樓房的建筑面積大、樓層高時(shí)，需要較長(zhǎng)的傳輸線路要求.

(2)總線型可掛接的節(jié)點(diǎn)數(shù)多達(dá)110個(gè).滿足樓房?jī)?nèi)房間數(shù)量眾多的控制需求.每個(gè)節(jié)點(diǎn)控制的閥門數(shù)在8—24個(gè)，以平均16個(gè)閥門計(jì)算，一條總線控制的閥門數(shù)為7200多個(gè)；另外，一臺(tái)計(jì)算機(jī)有兩個(gè)串口，可以連接兩條總線，其控制的閥門數(shù)可以翻番.

(3)價(jià)格低廉.CAN總線使用銅芯雙絞線或?yàn)榱藴p少外界干擾使用屏蔽銅芯雙絞線作為數(shù)據(jù)傳輸通道，減少工程應(yīng)用的成本.

(4)超強(qiáng)的糾錯(cuò)和檢錯(cuò)能力.CAN總線的兩條數(shù)據(jù)線是按差分信號(hào)傳輸，提高了抗干擾能力.另外，節(jié)點(diǎn)與總線的連接是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，若其中的某一個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞，不影響其他節(jié)點(diǎn)的工作.

CAN總線下的一個(gè)節(jié)點(diǎn)由一個(gè)單片機(jī)組成，它可以控制8—24個(gè)閥門，而且價(jià)格較低，每個(gè)閥門的開啟、關(guān)閉動(dòng)作必須由計(jì)算機(jī)控制完成，這個(gè)動(dòng)作每天僅有一個(gè)循環(huán)，對(duì)電路、對(duì)電動(dòng)閥門要求比較簡(jiǎn)單，而且能夠延長(zhǎng)閥門的使用壽命.引入CAN總線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)房間內(nèi)的每組暖氣片進(jìn)行控制，通過控制熱水的流量達(dá)到控制熱流量的目的.它的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)每個(gè)房間個(gè)性化程序控制.

(2)節(jié)約熱流量較多.

(3)保持樓與樓之間的水流量平衡不變.

本系統(tǒng)采用CAN總線技術(shù)，僅對(duì)流經(jīng)暖氣片組的水流量進(jìn)行控制，閥門只有開和關(guān)兩個(gè)狀態(tài)，只要把閥門關(guān)閉時(shí)留有的開度大小設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，而把復(fù)雜的、智能化的熱流量控制交由一個(gè)上位機(jī)來完成，則會(huì)把電動(dòng)閥門的制造、控制過程變得簡(jiǎn)單，成本低，質(zhì)量也更加可靠，有利于規(guī)?；a(chǎn)使用.

要達(dá)到分室控制的目的，硬件中的重要部件是末端的電控閥門應(yīng)用部件.此裝置為機(jī)電結(jié)合件，容易損壞，因此對(duì)電控閥門的要求：耐熱、耐壓；對(duì)管道中的水垢具有一定的“容忍和忍耐”性；成本低質(zhì)量好；閥門“關(guān)閉”時(shí)留有一定開度.其中，前三項(xiàng)主要涉及閥門的材料和質(zhì)量問題，而閥門的開度則是設(shè)計(jì)問題，是要解決的關(guān)鍵問題.

所謂的“開度”是指閥門“關(guān)閉”狀態(tài)下的供熱水流流經(jīng)閥門時(shí)，閥門的縫隙大小，如下圖1所示.此時(shí)閥門“關(guān)閉”的狀態(tài)，并不是閥門完全關(guān)閉，必須留有一定得縫隙，保證仍有一定的供熱水流經(jīng)過，不至于溫度太低導(dǎo)致凍裂供暖設(shè)備.此開度不能太大，也不能太小.如果太大，對(duì)熱流量不能精細(xì)控制，無法實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的；如果太小，又會(huì)影響供熱，直接影響室內(nèi)的舒適度.因此，必須設(shè)置合理的開度，既能實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能，又盡量不影響室內(nèi)的舒適度.

圖1 閥門開度示意圖

設(shè)計(jì)電控閥門開度大小時(shí)需要參考的相關(guān)因素：

（1）為了獲取準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用CAN總線技術(shù)，通過總線把室內(nèi)溫度、室外溫度每隔一定的時(shí)間上傳.需要設(shè)置溫度傳感器與總線的軟、硬件連接問題.

（2）通過總線技術(shù)把熱流量表測(cè)得的數(shù)據(jù)及時(shí)上傳，例如熱水的瞬時(shí)流量、瞬時(shí)熱流量、總計(jì)流量、總計(jì)熱流量、給水溫度、回水溫度.需要設(shè)置軟件連接問題.

（3）通過人工手動(dòng)的方法設(shè)置閥門不同的“開度”值，每個(gè)開度值按5-7天變換一次.由于此項(xiàng)目必須是在實(shí)際運(yùn)行中完成，因此需要研究閥門內(nèi)部的“開度”值如何準(zhǔn)確地確定.

（4）影響閥門“開度”的因素有很多，例如墻體和窗戶的保溫性能、室外溫度、熱水的循環(huán)溫度、房間的朝向、樓層等.這里僅研究墻體、窗戶的保溫性能和室外環(huán)境溫度對(duì)“開度“的影響.

（5）預(yù)計(jì)通過此項(xiàng)目的研究確定閥門的“開度”與本地區(qū)環(huán)境溫度的數(shù)值關(guān)系；由此設(shè)計(jì)一種具有單一開度、適應(yīng)于公共建筑熱量節(jié)約控制的閥門.

設(shè)計(jì)電控閥門開度大小的具體方法：

本項(xiàng)系統(tǒng)以給水管線徑為32mm的相應(yīng)控制球閥為例進(jìn)行研究.

（1）選擇在樓層、朝向、面積相同的四個(gè)相鄰辦公室作對(duì)比試驗(yàn)，每個(gè)辦公室只有一組暖氣，在暖氣片組的給水管上加熱流量表和壓力表，測(cè)熱流量、流量、給水溫度、回水溫度、給水壓力等，一個(gè)房間做測(cè)試，另一個(gè)為正常運(yùn)行.

（2）選擇熱熔球閥，把軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與內(nèi)部閥芯的“開度”建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣通過讀取指針的角度就可以確定閥門的“開度”.

（3）在暖氣片組的給水管上加熱流量記錄表，讀取表上的給水溫度、回水溫度、瞬時(shí)流量、瞬時(shí)熱流量、累計(jì)流量、累計(jì)熱流量等參數(shù).

（4）記錄室內(nèi)溫度的變化和室外溫度的變化（每隔2小時(shí)）.

（5）在不同的“開度”下，例如 1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm，重復(fù) 2、3項(xiàng)的記錄數(shù)據(jù).

（6）找出每年最冷的時(shí)段（1月份），其室內(nèi)的溫度最低值（例如13℃）與室外平均最低溫度值例如（-20℃）時(shí)其閥門的“開度”值，此值的大小就是要確定的“開度”值.

（7）記錄連續(xù)2-3年的相關(guān)數(shù)據(jù)，盡量獲取最具有代表性的結(jié)果.

（8）數(shù)據(jù)處理.通過計(jì)算房間與外界交換的熱量值及修正值，與計(jì)算機(jī)記錄的數(shù)據(jù)相比較，找出兩組相差無幾的對(duì)應(yīng)的功率值并與6項(xiàng)相吻合的“開度”值.

用此方法確定的閥門“開度”值，僅適于本地區(qū)的氣候，是一個(gè)單一值，與使用步進(jìn)電機(jī)和霍爾磁條控制的多個(gè)“開度”值相比較，控制簡(jiǎn)單、實(shí)用強(qiáng)，易于推廣應(yīng)用.

通過對(duì)記錄數(shù)據(jù)的分析測(cè)算，確定電控閥門開度值與外界溫度變化更合理優(yōu)化的數(shù)學(xué)關(guān)系；形成一個(gè)更加合理有效的智能節(jié)能控制系統(tǒng)，進(jìn)而為更大規(guī)模的公辦建筑節(jié)約更多的能源，減少污染物的排放，為社會(huì)的節(jié)能減排事業(yè)做出貢獻(xiàn).

〔1〕王學(xué)水,郭瀟蔚,張莉.高校樓宇供暖節(jié)能控制系統(tǒng)研制[J].暖通空調(diào),2012,42(07):113-115.

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〔3〕孫鳳明.室內(nèi)設(shè)計(jì)中的建筑節(jié)能技術(shù)分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2010（04）:34-38.

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〔5〕曾珞亞.應(yīng)用于智能建筑的幾種總線技術(shù)淺析[J].低壓電器，2009（01）:90-91.

〔6〕郭理橋.建筑節(jié)能與綠色建筑模型系統(tǒng)構(gòu)建思路[J].城市發(fā)展研究，2010（07）:56-58.

TP215

A

1673-260X（2017）10-0035-02

2017-07-28

內(nèi)蒙古教育廳項(xiàng)目資助（NJZC16257）