中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)智控系統(tǒng)的應(yīng)用

王文剛

[摘? ? 要]南京市鼓樓醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷量設(shè)計(jì)偏大，當(dāng)時設(shè)計(jì)是按現(xiàn)場滿客流條件來計(jì)算最大冷量，核算出空調(diào)主機(jī)的容量及冷凍水流量。然而，實(shí)際使用下來此類情況較少出現(xiàn)，從而導(dǎo)致空調(diào)主機(jī)都是在部分負(fù)荷條件下運(yùn)行的，這無疑造成了大量的能源白白浪費(fèi)。而且，空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生故障時不能及時得到信息，以解決問題，排除故障，造成醫(yī)院運(yùn)營受到影響和顧客投訴。文章利用最新的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)分析以及云端算法技術(shù)，對中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、云端數(shù)據(jù)存儲與分析、云端智能控制，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的智能自動運(yùn)行。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用全無線方式，傳感器安裝無需破管走線，數(shù)據(jù)采用無線通訊傳輸。

[關(guān)鍵詞]物聯(lián)網(wǎng);云端智控;數(shù)據(jù)采集

[中圖分類號]TM63;TP391.44;TN929.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）07–00–03

Application of Intelligent Control System of Central Air Conditioning Internet of Things

Wang Wen-gang

[Abstract]The cooling capacity of the central air conditioning system of Nanjing Gulou Hospital was designed to be too large. At that time， the maximum cooling capacity was calculated according to the full passenger flow condition on site， and the capacity of the air conditioning host and the chilled water flow were calculated. However， the actual use of such a situation rarely occurs. As a result， the main air conditioner is running under partial load， which undoubtedly causes a lot of energy waste. Moreover， when the air-conditioning system fails， it can not get information in time， solve the problem in time， and eliminate the fault， resulting in the impact of hospital operation and customer complaints. This paper uses the latest Internet of things data acquisition， big data analysis and cloud algorithm technology to carry out data acquisition， cloud data storage and analysis， cloud intelligent control of the central air conditioning system， and realize the intelligent automatic operation of the central air conditioning system. The data acquisition system adopts all wireless mode， the sensor installation does not need broken pipe wiring， and the data is transmitted by wireless communication.

[Keywords]Internet of things; Cloud intelligent control; data acquisition

“十四五”提出我國已進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，節(jié)能工作向系統(tǒng)化，精細(xì)化，規(guī)范化進(jìn)一步邁進(jìn)，針對大功率設(shè)備的節(jié)能提出了新的要求。從暖通行業(yè)市場規(guī)?？矗匆粋€機(jī)組折算，國內(nèi)水機(jī)有上百萬個冷水機(jī)組，并以每年10%左右速度增長?？照{(diào)電耗約占總電耗的一半，開源節(jié)流是企業(yè)經(jīng)營永恒的主線，提高管理效益，增加企業(yè)競爭力的內(nèi)在動力。

1 項(xiàng)目概況

南京市鼓樓醫(yī)院，建筑面積約15萬m²，中央空調(diào)采用4臺冷水機(jī)組制冷;冬季采用4臺熱水鍋爐供暖（見表1中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備）。由于冷水機(jī)組位于地下室，從分布區(qū)域看，項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)分布較為離散，人為管理難度很大，無法實(shí)時掌控空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。同時兼顧制冷/制熱和生活熱水需求，人為管控存在一定的難度，操作復(fù)雜。并且沒有根據(jù)季節(jié)、天氣、時間段對空調(diào)系統(tǒng)做實(shí)時調(diào)整，導(dǎo)致冷（熱）量輸出始終保持在最高極限狀態(tài)，系統(tǒng)一直處于并將長期處于高能耗狀態(tài)。擬定對該項(xiàng)目中央空調(diào)系統(tǒng)的主體部分實(shí)施改造，改造內(nèi)容包括主機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測與控制、水泵運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測與控制、管路參數(shù)監(jiān)測與控制以及空調(diào)系統(tǒng)能耗監(jiān)測。

2 總體方案設(shè)計(jì)

針對中央空調(diào)運(yùn)行能耗偏高及故障難以預(yù)警的問題，通過“數(shù)據(jù)采集及分析—智控系統(tǒng)改造—智控節(jié)能運(yùn)行”三步走的方式，設(shè)計(jì)空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)智控節(jié)能系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)高效舒適的運(yùn)行，提高管理效率，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。物聯(lián)網(wǎng)智控節(jié)能系統(tǒng)采用四層架構(gòu)，應(yīng)用層、云平臺層、設(shè)備層和環(huán)境層，見圖1。包括監(jiān)控系統(tǒng)、云端智能控制系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)。采集系統(tǒng)采用Lora無線傳輸?shù)姆绞讲杉照{(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，為控制和節(jié)能系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

3 云端智控系統(tǒng)

由于中央空調(diào)系統(tǒng)涉及面廣，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳節(jié)能方式，單獨(dú)考慮某一局部去改變是不現(xiàn)實(shí)的，要對空調(diào)系統(tǒng)的各個設(shè)備（包括制冷主機(jī)、冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)）及外部因素（氣象數(shù)據(jù)及建筑結(jié)構(gòu)、內(nèi)部電氣能耗、人流量等）統(tǒng)一考慮，使整個系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)實(shí)時調(diào)整。云端智控系統(tǒng)正是依賴于對空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)與環(huán)境參數(shù)的實(shí)時獲取，模擬中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行情況及能耗，建立了一套自我優(yōu)化的智慧節(jié)能運(yùn)行控制策略。節(jié)能控制策略從全局考慮降低醫(yī)院的能耗。這個問題可演化成數(shù)學(xué)問題：在滿足制冷量需求這一約束條件下求下面函數(shù)的最小值。

（1）求f=E₁+E₂+E₃的最小值。f為空調(diào)系統(tǒng)的總能耗。E₁為主機(jī)的能耗，E₂為冷凍泵能耗，E₃為冷卻泵能耗。以f最小為最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對主機(jī)、冷卻泵、冷凍泵做能耗分析。

（2）冷水機(jī)組數(shù)學(xué)模型。

①冷水機(jī)組能耗分析

壓縮機(jī)功率計(jì)算公式：

式（2）中，P為壓縮機(jī)功率（kw）;λ為輸氣效率;K為多變指數(shù);V_th為理論輸氣值;p₀，p_k為壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力、壓縮機(jī)排氣壓力;T_out、T_int分別是室內(nèi)外溫度。

對函數(shù)f進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)求解，可尋得最優(yōu)參數(shù)。根據(jù)最優(yōu)參數(shù)，設(shè)定增減設(shè)備的數(shù)量，采集冷凍水流量數(shù)據(jù)來控制水泵的頻率，其制冷機(jī)出水溫度根據(jù)室外的干球溫度重置。冷卻塔的風(fēng)機(jī)啟停時間與相應(yīng)的制冷機(jī)聯(lián)動。云端智控系統(tǒng)正是依賴于對空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)與環(huán)境參數(shù)的實(shí)時獲取，不斷優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，建立了一套自我優(yōu)化的智慧節(jié)能運(yùn)行控制策略。

4 監(jiān)控方式

空調(diào)系統(tǒng)加裝智控節(jié)能系統(tǒng)后，可以有4種監(jiān)控方式：云端智能控制、移動終端監(jiān)控（圖2）、PC端監(jiān)控和本地控制（圖3）。為確保整個智能控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)及時性，各設(shè)備在加裝云端控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，保留現(xiàn)場本地控制模式。實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)程/手動”模式的無縫銜接。

（1）移動終端控制。在微信小程序查看空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，同時，通過小程序控制頁面下發(fā)控制命令，開關(guān)機(jī)一鍵操作，方便快捷。

（2）PC終端監(jiān)控。在電腦上可更直觀地監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行曲線與實(shí)時參數(shù)。

5 信息采集方式

采集安裝在各設(shè)備上的傳感器+Lora低功耗數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備，通過LORA無線傳送到邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器FWCPU后上云。空調(diào)主機(jī)運(yùn)行參數(shù)信息利用冷機(jī)自帶的RS485接口，通過加裝CCN網(wǎng)關(guān)與通訊模塊，直接進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)主機(jī)運(yùn)行監(jiān)測與控制。水泵運(yùn)行參數(shù)利用變頻器自帶的RS485接口，與通訊模塊，直接進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)水泵運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與控制，并遠(yuǎn)程啟/停設(shè)備。

6 云端智能控制系統(tǒng)主要控制內(nèi)容（表2）

7 硬件布置

圖4為中央空調(diào)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)改造硬件示意圖。

8 數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝方法

（1）溫度傳感器外貼式安裝。打開水管外層金屬保護(hù)殼，切割小塊保溫層，將管道上的油漆及鐵銹磨去，露出管道原有的光潔金屬表面，貼合強(qiáng)磁溫度傳感器，還原保溫棉及金屬保護(hù)殼。

（2）壓力傳感器安裝：在原機(jī)械壓力表位置安裝三通閥件，重裝原機(jī)械壓力表及新增電子壓力傳感器。期間無需停機(jī)、泄水。

（3）設(shè)備能耗采集。與智能表直接通訊并遠(yuǎn)程讀表，在空調(diào)機(jī)房配電室安裝獨(dú)立智能電表。

（4）設(shè)備參數(shù)采集。利用設(shè)備開放的RS485接口，接入DRS433通訊網(wǎng)關(guān)通過標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議與設(shè)備進(jìn)行通訊。

9 結(jié)束語

系統(tǒng)正式運(yùn)行后，除了節(jié)能帶來的直接收益，還帶來了其他附加收益。物聯(lián)網(wǎng)智能控制，實(shí)現(xiàn)無人值守，空調(diào)管理人員可通過手機(jī)隨時隨地查看空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)，對空調(diào)進(jìn)行遠(yuǎn)程啟/停和調(diào)節(jié)，空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)盡在掌握。五年實(shí)際節(jié)省人力30萬元以上。云端智能控制可有效減少中央空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷，延長空調(diào)系統(tǒng)使用年限。減少維修保養(yǎng)的費(fèi)用以及頻率。診斷預(yù)警功能，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)會及時將異常信息發(fā)送到管理人員手機(jī)，并開啟備用機(jī)組應(yīng)對緊急情況。同時獲取空調(diào)系統(tǒng)故障代碼，將故障代碼發(fā)送到合作的空調(diào)維修單位。專業(yè)維修人員快速知悉空調(diào)故障情況并作出反應(yīng)，及時趕到客戶現(xiàn)場為客戶解決空調(diào)故障。第一時間發(fā)現(xiàn)問題，排除故障，減小停機(jī)時間和損失，讓突發(fā)事件可以平穩(wěn)過度，避免給醫(yī)院造成更大的損失。采用大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，隨時根據(jù)冷量需求調(diào)節(jié)空調(diào)冷量輸出，可有效地均衡室內(nèi)溫度，避免出現(xiàn)各區(qū)域溫差大和過冷過熱的現(xiàn)象，使環(huán)境更舒適。

參考文獻(xiàn)

[1] 舒順.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中央空調(diào)控制系統(tǒng)[J].自然科學(xué)，2016（4）：268，2.

[2] 焦陽.智能樓宇技術(shù)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用和推廣[J].智能建筑，2018（9）：75-77.

[3] 李賢烈，劉梧林，何海光.基于ZigBee的移動物聯(lián)網(wǎng)溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線通信技術(shù)，2016（2）.42-45.

[4] 張朋，賀煥林，王艷霞，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的中央空調(diào)SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2014（6）：24-29，39.

[5] 吳光榮，全劍敏，章劍雄.基于ZigBee技術(shù)的空調(diào)控制系統(tǒng)[J].機(jī)電工程，2009（7）：11-13.