學生宿舍多源暖通空調系統(tǒng)的設計與實現

黃瑋

(貴州中勘繪工程咨詢有限公司，貴州 貴安 550025)

近年來，空氣源、地熱源、太陽能等多種能源利用形式的熱泵得到了推廣使用。在這一基礎上，將多種能源整合利用，設計一種多源暖通空調系統(tǒng)，一方面減輕了對于電能的依賴，從而節(jié)約了能耗；另一方面也降低了暖通空調的使用成本和學校方面的預算支出。本文介紹的多源暖通空調系統(tǒng)，具有自動化程度高、系統(tǒng)規(guī)模小、能源消耗低等特點，適合學生宿舍等需要大規(guī)模集中供暖的場所，具有較好的發(fā)展前景。

1 多源暖通空調系統(tǒng)的結構組成

該系統(tǒng)的核心是中央控制系統(tǒng)，由一臺終端計算機組成，通過有線通信的方式，利用通信端口與該系統(tǒng)下的太陽能集熱器、空調水箱、多能源復用機組等連接，能夠完成信號采集和指令傳輸的雙向通信。硬件設備方面，主要包括多源熱泵機組、保溫水箱、蓄能水箱、供水泵等。軟件系統(tǒng)方面，采用DCS 分布式控制系統(tǒng)，將終端計算機作為上位機，將分布在各個電氣設備上的單片機作為下位機，實現網絡互聯網和信息傳遞。除此之外，還有若干分布于前端的執(zhí)行器、傳感器，用于控制指令的實現和狀態(tài)信號的采集。主要結構組成如圖1 所示。

圖1 多源暖通空調系統(tǒng)

2 多源暖通空調系統(tǒng)的設計方案

2.1 太陽能集熱器設計

在現有的能源利用技術下，太陽能仍然是一種成本較低、轉化率較高能源。太陽能集熱器的類型多樣，本系統(tǒng)中選擇了管式太陽能集熱器，雖然在“光- 電”轉化效率上不如平板式太陽能集熱器，但是考慮到學生宿舍具有設備用量大，加上樓頂可利用空間充足的特點，最終選擇了綜合性價比更高的管式太陽能集熱器。集熱器的出水回路通過Y 型連接器分成2 股，其中一股作為學生洗浴用水，另外一股作為熱源側供水。

2.2 蓄能水箱設計

為保證熱水系統(tǒng)、暖通空調系統(tǒng)能夠同時、穩(wěn)定運行，該系統(tǒng)中設計了3 個蓄能水箱。其中，1#水箱為太陽能集熱水箱，容量為10t；2#水箱為學生洗浴熱水水箱，容量為12t；3#水箱為空調冷熱水水箱，容量為15t。每個蓄能水箱內均有單片機控制單元，在接收中央計算機發(fā)出的指令后，控制水箱內部執(zhí)行單元，完成自動加水、蓄能加熱或自動給水。

3 多源暖通空調系統(tǒng)的功能實現

3.1 硬件部分

3.1.1 前端控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)以下位機為核心，選擇AT89C51 單片機，提供4K 字節(jié)可編程存儲容量，時鐘頻率24MHz，32 個可編程I/0 線。支持藍牙和WIFI 連接，信號傳輸穩(wěn)定。1 個標準的JTAG/SWD 調試下載口，在PC 端完成編程后，傳輸到下位機的程序，可通過該接口與J-LINK 調試器連接，完成編程的調試，判斷指令的實現情況，保證控制功能實現和系統(tǒng)穩(wěn)定運行。提供4 個標準的LCD 接口，方便下位機實時監(jiān)測各部分溫度變化情況。

3.1.2 溫度采集系統(tǒng)

在系統(tǒng)硬件部分，除了下位機外，還包含了若干傳感器。其中數量最多、最為重要的是溫度傳感器。為了兼顧靈敏度和信號傳輸速度，本系統(tǒng)中選擇了10K 的t106-10k 熱敏電阻感溫探頭。除了靈敏感知各個點位微小的溫度變化外，還能夠精準地將溫度信號轉化為電壓信號，再把電壓信號轉化成數字信號，以便于上位機識別和存儲。除了溫度傳感器外，該系統(tǒng)的另一個重要組成是信號傳輸電路。采用CD4067 型16 選1 雙向模擬開關，兼有信號采集、傳輸、檢測等多項功能。

3.1.3 執(zhí)行設備控制系統(tǒng)

下位機在接收上位機發(fā)送的指令后，控制本模塊的執(zhí)行設備，完成相應的動作。為了保證執(zhí)行設備精準完成控制指令，系統(tǒng)中加入了ULN2803A 型驅動芯片，能夠為系統(tǒng)中的繼電器、步進電機等提供驅動力。以驅動芯片為核心，搭建驅動電路，如圖2 所示。

圖2 驅動電路圖

系統(tǒng)中使用光耦隔離繼電器，由驅動芯片提供驅動力后，觸發(fā)繼電器動作進而使電路運行。完成一個周期的運行后，下位機將動作終止信號反饋給上位機，等待接收下一項指令。

3.2 軟件部分

3.2.1 上位機軟件模塊

該系統(tǒng)的軟件部分，包含3 個功能模塊，即數據存儲模塊、通信模塊和控制模塊，另外還有1 臺液晶顯示器，用于人機交互。結構組成如圖3 所示。

圖3 多源暖通空調的軟件系統(tǒng)架構

其中，數據模塊的核心是大容量數據庫，用于存儲系統(tǒng)運行產生的海量數據。在數據接收方式上，為了減輕系統(tǒng)運行負荷，人工設置了數據傳輸頻率，對于實時產生的數據，先由下位機暫時存儲，然后以1min 為時限，將1min 內產生的所有數據進行打包、發(fā)送。按照數據來源、產生時間等作為依據，將其進行分類存儲。當然，除了實時數據存儲外，基于系統(tǒng)運行需要，還提供了溫度數據管理單元、運行狀態(tài)監(jiān)控單元。前者支持對歷史溫度數據的查詢，后者可以自動識別異常的溫度信號，從而實現對系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)管。

通信模塊支持基于串口的有線通信和基于內置無線傳感裝置的無線通信2 種模式。除了上位機與下位機之間的通信模塊外，下位機與傳感器、執(zhí)行器之間也設有通信模塊。均支持雙端通信，即前端可以將采集到的狀態(tài)參數反饋給終端，終端也能夠將指令發(fā)送給前端。

控制模塊支持手動和自動兩種模式。通常是由人工燒錄程序之后，再通過自動控制實現運行。

人機交互界面的主頁面，提供了4 個選項，分別是制熱/制冷智能運行，手動運行和系統(tǒng)設置。點擊手動運行后，進入二級頁面，可查看用戶泵、潛水泵、太陽能泵、水源泵的運行狀態(tài)，以及開啟或關停各臺風機、壓縮機。另外，像太陽能補水、熱源補水等個性化功能，也為該系統(tǒng)的使用和運行提供了便利。在二級頁面上，繼續(xù)點擊各個選項可跳轉至三級頁面。例如點擊“熱源補水”后，進入下一級頁面，提供“熱源回水箱液位_”、“熱源供水箱液位_”等，可手動輸入參數。

3.2.2 水泵控制模塊

水泵是該系統(tǒng)的核心設備，因此在軟件系統(tǒng)中，水泵控制程序的重要性不言而喻。根據功能的不同，系統(tǒng)中水泵有供水循環(huán)泵、空調循環(huán)泵兩種類型。其中，空調循環(huán)泵的控制系統(tǒng)較為簡單，為下位機自動控制。而供水循環(huán)泵的控制系統(tǒng)則較為復雜，采用基于專家決策的控制模式。參考學生宿舍的運行規(guī)律，靈活調節(jié)供水。水泵控制系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 水泵控制模塊

3.3 存在問題及解決對策

該系統(tǒng)在試點運行時，遇到了一些問題，針對這些問題提出了相應的改進方案，使系統(tǒng)功能更加完善，運行更加穩(wěn)定。(1)系統(tǒng)節(jié)能效果未達到預期。在保證能源供給穩(wěn)定的情況下，通過編寫程序提高了其他能源的占比，解決了光照不足時能耗升高的問題，多源暖通空調的節(jié)能效益進一步提升。(2)樓層之間通信質量差，導致上位機與下位機，或下位機與執(zhí)行設備之間通信間斷的問題。增設遠距離路由器，實現無線數據共享，提升信號強度，保證通信穩(wěn)定、可靠。

4 結論

在國家大力推行“建筑節(jié)能”的背景下，多源暖通空調的應用前景廣闊。本文設計的一種以太陽能集熱器為主，同時集合儲能熱水箱、空調熱水箱的多源暖通空調系統(tǒng)，由上位機發(fā)送調控指令，由下位機控制前端設備完成動作，保證系統(tǒng)高效運行，具有供熱穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保效果，值得推廣。