空調室外機安裝支撐件健康狀態(tài)監(jiān)測與評估

梁光勝，梁兆楷，楊松，李朝洋

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京， 102206）

0 引言

無論是大中小學校、居民小區(qū)，還是企事業(yè)單位，其建筑物外墻都布滿了大大小小的空調室外機?？照{室外機通常安放在支撐件上并由螺桿螺母固定，支撐件一般利用膨脹螺栓固定在承重墻上?？照{一旦安裝落戶，用戶一般只關注空調室內使用功能是否正常，很少關注也很難察覺空調室外機安裝的穩(wěn)固性和安全性?？照{室外機和支撐件風吹日曬雨淋，尤其在陰雨天氣頻繁的地區(qū)，空調支撐件易生銹、老化、壽命短的弊端非常突出。如果政府部門不采取措施，不喚醒公民的安全意識，不及時消除這些安全隱患，這些空調室外機必將成為高空“定時炸彈”，成為隱匿于建筑物外墻的“空中殺手”，危及人們的生命安全。

1 空調室外機支撐件的種類與安裝要求

空調室外機支撐件包括固定于安裝面的垂直構件、用于支撐和固定空調室外機的水平構件。支撐件按照使用鋼材的種類可分為碳鋼支撐件和不銹鋼支撐件；按照防腐方式可分為噴涂、鍍鋅、不銹鋼支撐件；按照形狀可分為三角板懸臂支撐件和三角形支撐件。國內使用最多的支撐件為碳鋼鍍鋅或噴涂的三角板懸臂支撐件[1]。

空調室外機支撐件的安裝面必須是實心磚、混凝土或與其強度等效的安裝面，應堅固結實并具有足夠的承載能力。安裝支撐件的膨脹螺絲采用直徑不小于M10、長度不小于100 mm的鍍鋅或不銹鋼膨脹螺絲。支撐件應在4倍室外機重量作用下，保持48小時以上不得發(fā)生明顯或影響安全的永久性變形和裂紋[2]。

2 空調室外機使用現(xiàn)狀的調研與分析

■2.1 高?？照{室外機支撐件使用現(xiàn)狀的調研與分析

以華北電力大學北京校部為例，近幾年新建的13、14、15、16號四棟學生宿舍樓設計預留了專門的空調室外機放置位，隱蔽性好，安全美觀。其他12棟宿舍樓都沒有預留專門的空調室外機放置位，安裝的室外機數(shù)量多，密集分布在樓體前后外墻上，有的安裝在承重墻上，大部分被安裝在宿舍陽臺的非承重墻面。教一樓、教二樓、教三樓沒有預留室外機安裝位，教四和教五樓預留了一些外置的室外機安裝位（水泥臺支撐件）。通過調研發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

（1）室外機安裝位置存在較大安全隱患

學生宿舍的室外機大部分被安裝在陽臺的非承重墻面，如圖1所示。教四樓某處空調室外機布局如圖2所示，室外機正下方是一條穿越通行要道，每天人來人往。

圖1 學生宿舍室外機布局

圖2 教四樓一人行通道上方室外機布局

（2）支撐件受腐蝕嚴重

教四樓C區(qū)建有如圖3所示放置室外機的水泥平臺，其邊緣外加的鏤空鋼制護板目前已是銹跡斑斑，存在較大墜落風險。教四樓A區(qū)和B區(qū)的空調外機需要使用支撐件安裝，如圖4所示的教四樓空調室外機支撐件防腐涂層已風化脫落，腐蝕生銹嚴重。

圖3 教四樓銹蝕的室外機支撐件前護板

圖4 教四樓銹蝕的室外機支撐件

（3）支撐件承重過大

教五樓D區(qū)南側空調室外機水泥支撐臺布局如圖5所示，支撐臺最外側加了立式水泥擋板，看似比圖3的支撐臺前金屬護板更安全，但這種結構大大增加了對墻面的拉扯力。一臺室外機已經(jīng)很有分量了，再加上立式水泥擋板，會大大增加對墻體的牽引力，危險系數(shù)很高。有些水泥支撐臺放置了體積很大的空調室外機，更是危機重重。

圖5 教五樓D區(qū)南側室外機水泥支撐臺布局

■2.2 居民小區(qū)空調室外機支撐件使用現(xiàn)狀的調研與分析

圖6為作者所住小區(qū)所在單元門入口上部（左邊）以及物業(yè)樓（右邊）的室外機布局圖，此小區(qū)是2000年建成使用的，22年的風吹日曬雨淋使這些頭頂上的室外機支撐件變得銹跡斑斑，每天樓內居民進進出出，誰曾想頭頂會隱藏著很大安全隱患。物業(yè)樓一扇窗戶旁邊密集安裝了5臺室外機。

圖6 小區(qū)單元門入口以及物業(yè)樓的空調室外機布局圖

3 空調室外機支撐件性能檢測系統(tǒng)設計

■3.1 系統(tǒng)功能規(guī)劃

本系統(tǒng)用于空調室外機支撐件受力狀況在線檢測時，支撐件的選取可分為以下多種情況：（1）不同品牌的支撐件進行受力狀況對比檢測；（2）同一品牌但不同型號的支撐件進行受力狀況對比檢測；（3）同一品牌型號歷經(jīng)不同使用時長的室外機支撐件進行受力狀況檢測。

■3.2 系統(tǒng)架構和硬件電路設計

支撐件性能檢測系統(tǒng)架構設計如圖7所示，其主要包括混凝土試驗墻、空調室外機支撐件（包含不同品牌、不同型號、同一品牌型號歷經(jīng)不同使用時長的支撐件）、不同重量的實物塊、應力傳感器、拉力傳感器、A/D轉換器、STM32系列單片機、LCD顯示屏等。

圖7 支撐件性能檢測系統(tǒng)架構

空調室外機支撐件的性能檢測系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖8所示。單片機主控模塊選用具有Cortex-M3內核的STM32F103R6芯片，內部自帶A/D轉換器。模擬支撐件應力傳感器模塊由4路電位器代替，通過改變電位器阻值模擬應力傳感器和拉力傳感器的檢測信號，再通過A/D轉換器轉換為數(shù)字信號顯示在LCD屏上。顯示模塊采用LM3229LCD液晶屏，LCD模塊可以顯示項目名稱和4個支撐件的受力情況。應力報警聲光指示模塊由蜂鳴器和LED燈組成，當檢測結果超出預設值時，蜂鳴器發(fā)出警報、LED燈閃爍。

圖8 硬件系統(tǒng)電路原理圖

■3.3 STM32檢測系統(tǒng)軟件設計與運行測試

在Keil軟件環(huán)境下，利用C語言完成程序編寫，將編譯生成的目標程序下載到STM32F103R6芯片，系統(tǒng)的運行測試情況如圖9所示。LCD同時顯示4路支撐件應力信號，當支撐件受力超過3500N時系統(tǒng)會報警。支撐件1的受力為3821N，此時LCD顯示紅色警示語“支撐件1受力超過安全值”，對應LED燈發(fā)光，蜂鳴器鳴叫。

圖9 系統(tǒng)運行測試情況

4 空調室外機支撐件健康狀態(tài)監(jiān)測與評估系統(tǒng)的規(guī)劃設計

■4.1 系統(tǒng)功能規(guī)劃和架構設計

事前方案：基于房屋有效面積的空調匹數(shù)選擇建議；空調安裝位置與安全性評測。

事中方案：所安裝空調的基本信息存檔記錄；空調室外機定期安檢記錄，在空調室外機安裝之后，使用人工或圖像識別方式定期對安裝好的室外機進行巡檢。

事后方案：對于存在安全警示的空調和沒有使用價值的空調及時拆除、有序回收。

空調室外機支撐件健康狀態(tài)監(jiān)測與評估系統(tǒng)架構如圖10所示。

圖10 空調室外機支撐件健康狀態(tài)監(jiān)測與評估系統(tǒng)架構

■4.2 系統(tǒng)上位機界面設計

健康狀態(tài)監(jiān)測與評估平臺上位機界面分為角色分配模塊、信息展示模塊等。角色分配模塊包括登錄身份驗證、用戶分組模塊，用戶分組由企事業(yè)單位相關工作主管、居民小區(qū)物業(yè)部門相關工作主管、城市管理部門相關工作主管、系統(tǒng)管理人員和系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集維護人員組成。信息展示模塊由導航菜單、新聞公告、消息提醒和信息展示界面等組成。

系統(tǒng)采用瀏覽器/服務器（B/S）開發(fā)模式，應用層操作系統(tǒng)采用Windows，軟件開發(fā)環(huán)境選用Visual Studio 2019，程序設計語言采用C#。WEB服務程序運行于服務器端并將查詢結果和數(shù)據(jù)采集端上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時以網(wǎng)頁形式展現(xiàn)給用戶。系統(tǒng)主界面主要由3大模塊組成如圖11所示，事前管理模塊：空調匹數(shù)與房屋面積關聯(lián)計算，空調安裝位置與安全性評測；事中管理模塊：所安裝空調基本信息，空調室外機定期安全檢查記錄；事后管理模塊：廢舊危空調拆除，廢舊危空調回收。系統(tǒng)導航菜單包括事前管理、事中管理、事后管理、統(tǒng)計分析、報表記錄、系統(tǒng)管理。系統(tǒng)頂部關鍵菜單項包括首頁、監(jiān)測中心、安裝評測、全生命周期信息管理、安全檢測、系統(tǒng)維護、聯(lián)系方式、幫助。

圖11 空調室外機支撐件的健康狀態(tài)監(jiān)測與評估系統(tǒng)主界面

■4.3 事前管理模塊設計

空調匹數(shù)與房屋面積關聯(lián)計算模塊設計：選擇合適的空調匹數(shù)不僅能達到預期制冷（制熱）效果，而且可以避免電能浪費。在空調匹數(shù)與房屋面積關聯(lián)計算模塊中輸入房屋面積后，系統(tǒng)會根據(jù)后臺統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算出合適的空調匹數(shù)。例如：輸入15m2，系統(tǒng)會提示選擇1匹空調最佳。

空調安裝位置與安全性評測模塊設計：空調安裝位置與安全性評測模塊分為室外機和室內機的安裝位置及安全性、高效性評測。室外機安裝需考慮的因素：是否為承重墻面？室外機和支撐件是否匹配？過大過重的室外機應采取什么安全措施？室外機盡量避開人行通道，室外機在符合安全性的前提下分布盡量整齊美觀。室內機安裝需考慮的因素：不僅要考慮安裝是否方便以及盡量縮短管路，而且還要特別關注節(jié)能效果與使用效果，即室內機安放位置與能效的關系。

■4.4 空調信息管理數(shù)據(jù)庫設計

基于“全生命周期跟蹤管理”理念設計空調信息管理數(shù)據(jù)庫，其應包含所安裝空調的基本信息（如用戶、品牌型號、位置和安裝日期等）、安檢時間和記錄（含預警信息）、廢舊?？照{拆除信息、廢舊?？照{回收信息等。

■4.5 空調室外機安檢方式與工作流程

空調室外機支撐件安檢方式可分為三種：（1）人工方式。通過肉眼比對便可得到結果，但其需要大量人力資源，識別效果和速度無法滿足準確和及時的要求。（2）移動圖像識別方式。通過移動終端將室外機支撐件拍照上傳，通過后臺數(shù)據(jù)庫對比分析，快速準確地得到支撐件的健康狀況。（3）無人機圖像識別方式。對于高樓層室外機支撐件，無人機圖像識別可很好地勝任，通過操控無人機對支撐件拍照分析。

空調室外機支撐件健康狀況圖像識別可以采取就地化和上位機集中化處理方式，將室外機支撐件圖像識別結果與空調安裝位置、房間進行一一對應，無生銹腐蝕的支撐件識別結果為完好，有生銹腐蝕的支撐件根據(jù)生銹腐蝕程度可以分為輕度、中度和重度。圖像識別流程如圖12所示，分為支撐件圖像采集、支撐件分類標識、機器學習訓練、訓練結果校驗、識別服務發(fā)布5個階段。

圖12 空調室外機支撐件圖像識別工作流程

■4.6 系統(tǒng)運行保障機制

（1）制定安全標準，規(guī)范支撐件提供商的主體責任，加大技術研發(fā)投入，改進空調室外機支撐件安全風險防范措施。

（2）基于“全生命周期”的理念，即空調的“生產(chǎn)－安裝－維修－拆除－回收”一體化，建立起空調室外機支撐件健康狀態(tài)監(jiān)測與評估的全國性運行管理機制。

（3）建立新空調安裝與廢舊?？照{拆除的專業(yè)隊伍，降低安裝和拆除過程中高空作業(yè)的危險系數(shù)。

（4）建立廢舊?？照{回收專業(yè)隊伍，將舊空調及時回收規(guī)范處理，統(tǒng)一送到拆解企業(yè)，進行分揀和破碎，二次循環(huán)生產(chǎn)再利用。

5 結語

本文從高校和居民小區(qū)兩方面開展調研分析，設計了支撐件性能檢測系統(tǒng)架構模型，基于STM32設計了支撐件性能檢測系統(tǒng)，規(guī)劃構建了空調室外機支撐件的健康狀態(tài)監(jiān)測與評估系統(tǒng)，基于“生產(chǎn)－安裝－維修－拆除－回收”一體化的“全生命周期”理念，建立空調室外機支撐件健康狀態(tài)監(jiān)測與評估的全國性運行管理和保障機制。