融合單片機(jī)和ZigBee技術(shù)的空調(diào)節(jié)能控制方法

羅德凌 劉麗

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南省長沙市 410124）

作為智能建筑中不可或缺的空調(diào)控制系統(tǒng)，在能源緊張的今天也受到了人們的廣泛關(guān)注。由于是空調(diào)領(lǐng)域的能耗大戶，其能耗占空調(diào)總量的20%左右。采用總線控制方式面臨著布線時(shí)間長，結(jié)構(gòu)不方便，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆y以修改等問題。智能化建筑中，建筑設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)一般用來監(jiān)測新風(fēng)機(jī)、回風(fēng)機(jī)、變風(fēng)量風(fēng)機(jī)和其他設(shè)備的狀態(tài)，中央空調(diào)系統(tǒng)末端采用“精細(xì)”控制，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能[1]。利用 DDC 控制器對(duì)檢測到的相關(guān)值進(jìn)行 PID 計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述設(shè)備的 PID 控制，達(dá)到一定的節(jié)能效果[2]。此次融合 ZigBee 和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)空調(diào)節(jié)能控制方法作為該節(jié)能控制技術(shù)的典型代表產(chǎn)品及廠商。

1 融合單片機(jī)和ZigBee技術(shù)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZigBee 是一種短程無線通信技術(shù)（基于IEEE802.15.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)），它主要分為物理層（2.4 GHz 和868/915 MHz），本系統(tǒng)具有隨用隨加的智能功能，其通用基本模塊主要有主控制中心、門禁、智能感知、智能電器等模塊，見圖1。

在系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)支持下，遠(yuǎn)距離操作、計(jì)時(shí)、監(jiān)督運(yùn)行及制度管理功能設(shè)計(jì)如下所示：

1.1 遠(yuǎn)距離操作

遠(yuǎn)距離操作時(shí)，可通過網(wǎng)絡(luò)獲取房間空調(diào)的工作狀態(tài)信息，通過遠(yuǎn)程操作，調(diào)節(jié)空調(diào)的運(yùn)行功能[3]。

1.2 計(jì)時(shí)

通過計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)的自動(dòng)啟閉，結(jié)合室外溫濕度，自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)適宜溫濕度，既滿足節(jié)能要求，又提升使用感受。

1.3 監(jiān)督運(yùn)行

主控機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備。設(shè)備脫機(jī)或發(fā)生故障時(shí)，立即顯示設(shè)備號(hào)碼并報(bào)警。

1.4 制度管理

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)感應(yīng)到室內(nèi)空調(diào)達(dá)到關(guān)閉狀態(tài)后，將對(duì)應(yīng)關(guān)閉室外機(jī)組，溫控器終端可有效記錄本地溫度，便于用戶空調(diào)節(jié)能調(diào)節(jié)與管理。

2 控制方案設(shè)計(jì)

2.1 冷凝水排除技術(shù)控制方案

圖1：系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

因?yàn)樗淙萘坑邢?，需要手?dòng)排水才能在滿水時(shí)正常工作。冷凝條件下，典型的全水循環(huán)時(shí)間是1～2 小時(shí)，使用者使用非常不方便。因此，借助ZigBee 技術(shù)安裝冷凝水處理裝置，通過噴射裝置使蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷凝水通過冷凝器進(jìn)入水箱，該水箱內(nèi)的凝結(jié)水可以抽入噴射裝置，并通過泵循環(huán)噴射，將部分凝結(jié)水蒸發(fā)到凝結(jié)器上，通過排氣管排出室外。蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷凝水上下流動(dòng)，可提高冷凝器換熱效率。由于冷凝器冷凝溫度高，部分蒸發(fā)的冷凝水通過排氣管排出，無法蒸發(fā)的冷凝水則排入水箱，當(dāng)水箱內(nèi)水位高于噴射水位時(shí)，水泵啟動(dòng)，將箱體內(nèi)的水抽入冷凝器進(jìn)行循環(huán)。盡管使用了噴淋循環(huán)系統(tǒng)，但由于冷凝水排放速率低于生產(chǎn)速率，水箱水位將繼續(xù)升高。當(dāng)水箱內(nèi)水位高于設(shè)定水位時(shí)，將觸發(fā)水位控制器，啟動(dòng)排水功能。電控系統(tǒng)啟動(dòng)水泵，進(jìn)行噴霧循環(huán)，通過調(diào)整凝汽器風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，減少凝汽器進(jìn)口，提高制冷系統(tǒng)凝汽溫度，這樣，移動(dòng)空調(diào)冷凝器循環(huán)風(fēng)量的變化將根據(jù)儲(chǔ)水箱中儲(chǔ)存的水量來調(diào)節(jié)冷凝溫度，然后冷凝排放速度將被控制，使水箱不完整，無需人工排水，由此完成冷凝水排除技術(shù)控制。

2.2 水滿自溢控制方案設(shè)計(jì)

為確保移動(dòng)式空調(diào)在極端潮濕的環(huán)境下長時(shí)間運(yùn)行，移動(dòng)式空調(diào)上設(shè)計(jì)了一個(gè)儲(chǔ)水箱，以儲(chǔ)存過多的水分，以防止噴霧蒸發(fā)。在 MCU的支持下，設(shè)計(jì)了一個(gè)充滿水的自溢裝置，其具體操作步驟為：首先，部分凝結(jié)水流入小桶，然后從桶的孔流入灑水裝置。因桶底出水口較小，在極濕的環(huán)境下，空調(diào)噴水系統(tǒng)可流動(dòng)水量較大。這時(shí)，桶里的水比桶里的水多，使水位不斷升高。如果水桶水位高于水桶邊緣，水就會(huì)自動(dòng)溢出進(jìn)入水箱。

2.3 部分冷負(fù)荷下變水溫和變風(fēng)量控制方案設(shè)計(jì)

風(fēng)扇能耗占總能耗的比重很大，但在部分空調(diào)負(fù)荷中，僅依靠風(fēng)扇變頻調(diào)節(jié)就會(huì)造成新風(fēng)量不足，不同的是低溫供水量和回水率，以及較低的送風(fēng)溫度的出現(xiàn)。適當(dāng)提高冷水機(jī)部分冷卻負(fù)荷的給水溫度，在保證機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，可有效降低能耗。為此，采用冷水機(jī)與風(fēng)機(jī)相結(jié)合的優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)最小能耗控制，達(dá)到調(diào)節(jié)效果。調(diào)節(jié)程序如下：

表1：調(diào)節(jié)效果對(duì)比

輸入一致參數(shù)，表冷器技術(shù)數(shù)據(jù)、實(shí)際冷負(fù)荷、送水量，假定冷水供水溫度，根據(jù)室溫設(shè)定值，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率，表冷氣輸出送風(fēng)到房間。查看是否滿足室內(nèi)空氣參數(shù)要求，如果是，則查看能耗是否達(dá)到最低；否則，需重新假設(shè)冷水供水溫度。如果能耗達(dá)到最低，則輸出冷供水溫度，否則，重新設(shè)定冷水供水溫度。

本系統(tǒng)在一定的冷負(fù)荷范圍內(nèi)，在滿足會(huì)議室舒適要求的前提下，設(shè)定冷水供應(yīng)溫度，以降低系統(tǒng)能耗。在較高的冷負(fù)荷下，冷水供應(yīng)溫度應(yīng)為7℃。在裝載率為60%冷負(fù)荷較低的情況下，冷水溫度可提高到12℃，主機(jī)能耗顯著降低。通過對(duì)風(fēng)機(jī)頻率進(jìn)行優(yōu)化，使之保持在35～42 赫茲之間，確保了設(shè)備的安全運(yùn)行，避免了風(fēng)機(jī)頻率過低引起的不合理現(xiàn)象發(fā)生，由此完整部分冷負(fù)荷下變水溫和變風(fēng)量控制方案設(shè)計(jì)。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證融合單片機(jī)和ZigBee 技術(shù)的空調(diào)節(jié)能控制方法合理性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)背景

某科技公司每年夏天都要花費(fèi)大量資金用于空調(diào)制冷，因此決定對(duì)公司內(nèi)部空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制。本公司采用基于物聯(lián)網(wǎng)的中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)。

企業(yè)占地面積約300 平方米。企業(yè)分為員工的公共辦公室和領(lǐng)導(dǎo)的獨(dú)立辦公室。公共場所占大多數(shù)，人員流動(dòng)較大；辦公室被分成三個(gè)區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域面積較小，人員流動(dòng)也較少。辦公區(qū)域一側(cè)是建筑物的走廊，不能直接接受光和熱；而辦公一側(cè)則是直接面對(duì)太陽，能夠接收太陽輻射熱量。雇員共有辦公區(qū)域共安裝5 臺(tái)空調(diào)，3 個(gè)辦公室各裝一臺(tái)。面積大、人員流動(dòng)大、空調(diào)多、能源浪費(fèi)多，是當(dāng)前節(jié)能工作的重點(diǎn)。辦公室面積小，工作人員少，辦公室節(jié)能管理更注重環(huán)境舒適。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別使用總線控制方式、樓宇設(shè)備自控系統(tǒng)和融合單片機(jī)和ZigBee 技術(shù)控制方法在相同工況下，不調(diào)節(jié)情況如表1 所示。

由上述表格內(nèi)容可知，相同工況下，融合單片機(jī)和ZigBee 技術(shù)控制方法與預(yù)期調(diào)節(jié)效果一致，說明使用該方法能夠有效調(diào)節(jié)空調(diào)。

4 結(jié)束語

4.1 結(jié)論

將單片機(jī)與 ZigBee 技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于空調(diào)節(jié)能控制方式，充分體現(xiàn)了區(qū)域控制、局部微調(diào)、集中管理的要求。采用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)空調(diào)自動(dòng)控制和定時(shí)開機(jī)操作，減少繁瑣的調(diào)節(jié)和人為誤操作，達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。該系統(tǒng)已用于某公司的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制。該系統(tǒng)已經(jīng)安裝和調(diào)試完畢，運(yùn)行正常，對(duì)夏季空調(diào)制冷進(jìn)行了節(jié)能控制。分析不同控制方式下的工況數(shù)據(jù)，可知該系統(tǒng)能有效降低空調(diào)能耗。采用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)節(jié)能控制是可行的，區(qū)域控制策略是有效的。

4.2 展望

盡管物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在空調(diào)節(jié)能控制中已得到了應(yīng)用，但該系統(tǒng)還存在許多不完善之處，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

（1）物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)僅僅是初步的模型，并非嚴(yán)格意義上的物聯(lián)網(wǎng)。IPV6 的普及，可以構(gòu)建一個(gè)真實(shí)的物對(duì)物連接控制系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可控性。這樣比較好。

（2）由于受到實(shí)際條件的限制，該系統(tǒng)在實(shí)際工程中只能控制普通空調(diào)，只能進(jìn)行區(qū)域系統(tǒng)控制，而不能檢驗(yàn)空調(diào)終端設(shè)備控制對(duì)制冷室控制的影響。