太阳能-空气源热泵空调系统物联网监控管理平台设计

时间：2024-07-28

张小东，李慧,2,3

(1.山东建筑大学热能工程学院,山东济南 250101；2.山东建筑大学可再生能源建筑利用技术教育部重点实验室,山东济南 250101；3.山东建筑大学山东省可再生能源建筑应用技术重点实验室，山东济南 250101)

0 引言

近年来，随着物联网概念的提出和智能建筑节能理念的发展，物联网技术在建筑空调监控系统上的应用更加广泛[1-3]。目前，在我国推动清洁能源供暖与“煤改电”的大潮下，空气源热泵更是发展迅速[4-5]，太阳能-空气源热泵空调系统将太阳能与空气源热泵有机结合，具有广阔的应用前景[6]。为了实现该系统的智能化与信息化，需将系统的各设备集成为统一的平台进行管理，使系统具有节能性、经济性和安全性。Niagara Framework能够较好地解决这一问题。它是市场上在系统集成方面较为成熟、先进的应用框架。Niagara核心价值是可以接入任何协议、设备和网络，并且不受制造商或通信协议的影响[7-8]。因此，基于Niagara技术，搭建了太阳能-空气源热泵空调系统监控管理平台。

1 太阳能-空气源热泵空调监控系统

以学校某办公楼的太阳能-空气源热泵空调系统作为研究对象，搭建其监控管理平台。该空调系统分为太阳能-空气源热泵复合系统、新风系统和空调末端房间系统。系统原理如图1所示。

图1 系统原理图Fig.1 Schematic diagram of system

系统在夏季可利用空气源热泵为室内末端房间制冷，冬季太阳能集热器作为辅助供热设备，与空气源热泵一同为室内末端房间供热。新风机组为室内末端房间提供室外新风。新风在新风机组内利用室内回风的余热进行预冷或预热[9-10]。

监控系统通过安装在现场的各类传感器，对该系统的各种参数(例如温度、压力、流量、功率等)、系统设备的运行状态(包括新风机组的运行状态、水泵的运行状态等)进行监测，并根据系统的运行要求控制相应的设备[11]。

1.1 太阳能-空气源热泵监控系统

太阳能-空气源热泵系统流量与热量测量采用热量表；电能通过智能电表进行测量，主要监控空气源热泵、循环水泵的功率和电能，热量表与电表均输出RS-485信号。系统对空气源热泵供回水温度与压力进行监控，安装温度、压力传感器，温度传感器量程量程为-50～+150 ℃、4～20 mA电流输出，压力传感器量程为0～1.6 MPa、4～20 mA电流输出；对储热水箱内水温进行监控，安装温度传感器；在旁通管路安装压差传感器，量程为0～100 kPa、4～20 mA电流输出。

1.2 新风监控系统

整个系统主要分为新风全热交换机控制、新风管道、送风管道、回风入口管道以及回风出口管道监测。其中，新风管道安装风管温湿度、CO2浓度、PM2.5浓度传感器，送风管道安装风管温湿度、PM2.5浓度传感器，回风入口管道安装风管温湿度，回风出口管道安装风管温湿度、CO2浓度传感器。风管温湿度传感器温度量程-10～+40 ℃，湿度量程0 ～100%RH，0～10 V电压输出；CO2浓度传感器量程0～2 000×10-6，0～10 V电压输出；PM2.5浓度传感器量程0～1 000 μg/m3，0～10 V电压输出；室外温湿度传感器温度量程-30～+50 ℃，湿度量程5～95%RH，0～10 V电压输出。

1.3 末端房间监控系统

系统采用温控器对空调系统末端房间的风机盘管及电动阀进行控制。温控器选用鼎会ZigBee无线空调温控器。每个温控器旁安装一个ZigBee智能插座，可监测风机盘管开启状态、风速档位和室内温度。

1.4 监控系统节能控制

在保证室内房间舒适性的前提下，为使系统节能降耗，平台在太阳能-空气源热泵系统中进行循环水泵变频控制，在新风系统中进行新风机组CO2浓度与时间表联合控制，在末端房间系统中进行风机盘管与空气源热泵机组一体化控制等节能措施。

1.4.1 循环水泵压差控制

在舒适性空调系统中,因为其负荷主要随室外气候与室内人数而改变,对于实际工程,机组很少存在满负荷运行的状况，大多是在部分负荷下工作。若水泵在一定的工况下定流量运行,也就是随着水路管网阻抗的变化，水泵运行频率不变(即水泵运行的频率不随各办公房间负荷的变化进行改变)，会使得水泵的能耗基本保持恒定,大部分电能都会被浪费。部分负荷下，末端房间内的风机盘管启停情况发生改变，从而引起供回水管压差的变化。压差传感器将这一信号传送给监控平台，与压差设定值进行比较，从而通过变频器控制水泵的转速。

循环水泵压差控制结构如图2所示。

图2 压差控制结构图Fig.2 Structure of differential pressure control

1.4.2 新风机组CO2浓度值与时间表联合控制

根据国内现有CO2室内空气标准，办公房间室内CO2浓度标准值应低于800×10-6。回风管道CO2浓度传感器感知回风CO2浓度。若在办公时间表设定的时间内，实测浓度值大于800×10-6，则平台控制新风机组开启，引入室外新风，降低室内CO2浓度值；反之，表示室内空气质量良好，关闭新风机组，节约能耗。CO2浓度控制流程如图3所示。

图3 CO2浓度控制流程图Fig.3 Flowchart of CO2 concentration control

1.4.3 风机盘管与空气源热泵机组一体化控制

目前，大多数空气源热泵机组采用时间表控制，可以根据人员上下班时间控制机组启停。由于学校办公房间内人员流动性较大，科研时间不统一，如果各末端房间内无办公人员，随时间表启动空气源热泵机组，会造成电能浪费严重。电动阀控制接线如图4所示。

图4 电动阀控制接线图Fig.4 Wirings of electric valve control

系统通过判断风机盘管的电动阀状态来控制空气源热泵机组的启停。系统若检测到有风机盘管电动阀状态为开，启动空气源热泵机组；若检测到风机盘管所有电动阀状态为关，则停止空气源热泵机组运行。该方法提高了系统控制的灵活性，克服了机组时间表控制所造成的电能浪费情况。

2 系统硬件架构

系统硬件主要包括两台JACE8000网络控制器、三台I/O-28U模块、一台ZigBee无线网关，以及各类传感器与现场设备。系统硬件架构如图5所示。

图5 系统硬件架构图Fig.5 Architecture of system hardware

第一台JACE(IP:192.168.1.139)通过其COM1与COM2口的RS-485线连接I/O-28U模块，以Modbus协议进行通信；采集室外温湿度、风管温湿度、二氧化碳浓度、PM2.5浓度以及控制I/O模块的数字输出(digital output,DO)输出，用于控制继电器的闭合，从而控制新风机组启停等；通过COM3口的RS-485线连接ZigBee无线网关，读取各末端房间室内温度以及风速等。

第二台JACE(IP:192.168.1.140)通过其COM1口的RS-485线连接IO-28U模块，以Modbus协议进行通信；采集太阳能-空气源复合系统内的温度、压力和压差传感器采集的模拟量数据；通过COM2口的RS-485线连接空气源热泵机组、三块智能电表和冷热量表；通过COM3口的RS-485线连接变频器，控制水泵变频。

最后，通过TCP/IP协议，以Niagara网络集成技术，将采集的数据参数汇总入计算机服务器内。

3 系统软件设计与搭建

本平台采用Vykon WorkPlace N4软件进行编制相应的监控管理系统。Vykon WorkPlace N4是Niagara 4统一应用开发工具，包括业务建模、用户界面设计、驱动开发等模块。该平台实现了本地和远程访问与控制、数据采集与显示、系统节能与优化、网络数据共享与多用户管理等功能。

监控管理平台软件结构如图6所示。

图6 监控管理平台软件结构框图Fig.6 Block diagram of software stracture of monitoring management platform

平台软件结构分为首页、新风系统、太阳能-空气源热泵系统、末端房间系统、历史数据、故障报警等，可通过点击鼠标进入各系统的监控管理界面。用户可远程实时查看各系统中传感器与设备运行状态；可了解各子系统工作原理，监控新风、空气源热泵等机组的关键数据，包括各传感器采集的实时数据，以及对新风机组热回收效率进行分析；可调节新风机组运行模式，如强制、自动启停等。

在Niagara软件中采用模块化编程，每个功能模块基于Java语言开发，通过对功能模块的选择、设计和连接，实现平台的节能控制逻辑。以新风机组CO2浓度值与时间表联合控制方式为例，主要通过软件中的BooleanSwitch功能模块选择相应的控制功能，并通过对该功能模块的In Switch、In True、In False3个引脚数值的设置来控制该模块Out点的信号输出，以便控制新风机组的启停。通过Great Than模块判定回风CO2浓度是否大于室内CO2浓度标准值(800×10-6)。当回风CO2浓度大于800×10-6，Great Than模块的Out点位输出为true值，BooleanSwitch中的In True点位输出为true值；而BoolWritable模块设定为CO2浓度控制方式，此时In Switch控制Out点位的输出为In True点位对应的true值；新风机组启停模块接收到true信号，控制I/O-28U模块开启新风机组。