（检测技术与自动化装置专业论文）bacnet在建筑物能量管理系统中的研究与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 b a c n c t 楼宇控制网络协议是当前智能建筑发展的主流技术，已经成为楼宇自 控的国际标准，该协议规范了楼宇控制设备实现互操作的方法。b a c n e t 完全开放， 技术先进，被许多标准组织接收为标准，具有广泛的权威性，它不依赖于现有的 局域网或广域网技术，具有良好的互连特性。 建筑节能成为当今普遍关注的热点问题之一。能量管理系统就是针对建筑节 能开发的。现阶段建筑节能领域的研究核心问题之一是解决各种节能系统之间以 及节能系统与智能建筑各系统之间的信息交换问题。建筑物能量管理系统是伴随 着智能建筑的发展而产生的，与智能建筑紧密结合在一起，特别是与其中的楼宇 自控系统关系密切。 b a c n e t 协议作为一个统一的数据通信平台，为建筑设备各系统提供了一种标 准的交互语言，从而从根本上解决了各系统间的通讯问题。将b a c n c t 应用于能量 管理系统，作为能量管理系统的通信协议，有利于能量管理系统与其他系统相互 协作，构建有效、节能的建筑环境。 本课题主要研究内容是b a c n e t 在能量管理系统中的实现。介绍了b a c n e t 的 体系结构、网络拓扑结构和主要特点，b a c n e t 标准的研究以及产品应用现状。在 此基础上，详细分析了基于b a c n e t 通信的能量管理系统的框架结构和工作原理， 给出了系统总体设计方案。搭建了处理服务节点和检测控制节点硬件平台，并且 针对能量管理系统采用嵌入式操作系统的软件设计理念，对处理服务节点和检测 控制节点的程序架构，任务划分，各任务的功能实现做了详细分析，包括基于c 语 言的具体实现。重点介绍了服务处理节点和检测控制节点通信任务中b a c n e t 作为 底层通信协议的实现。最后，针对通信过程遇到的问题及解决办法，进行了详细 的说明，并完成对b a c n e t 在能量管理系统中编码实现的一致性测试。 关键词：b a c n e t ；能量管理系统；实时操作系统；一致性测试 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a c n e t _ ad a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rb u i l d i n ga u t o m a t i o na n dc o n t r o l n e t w o r ki st h ec u r r e n td o m i n a t i v et e c h n i q u ew i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n t b u i l d i n g ，a n di th a sb e e nt h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di nb u i l d i n ga u t o m a t i o na n dc o n t r 0 1 t h ep r o t o c o ls t i p u l a t e sh o wt oi n t e r o p e r a t ea m o n gt h eb u i l d i n ge q u i p m e n t s a sa t e c h n o l o g y - a d v a n c e d ，o p e nc o m p l e t e l yp r o t o c o l ，w h i c hh a sb e e nr e g a r d e da st h e s t a n d a r db ym a n ys t a n d a r ds o c i e t i e s ，d o e sn o td e p e n do nt h ee x i s t i n gt e c h n o l o g y , l a n a n dw a n ，f o re x a m p l e ，h a sp e r f e c ti n t e r c o n n e c t i o n ，a n di sa u t h o r i t a t i v ew i d e s p r e a d l y t h ec o n s e r v a t i o no fb u i l d i n ge n e r g yb e c o m e so n eo fc u r r e n th o ti s s u e so f c o m m o nc o n c e r n t h ee n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mi s d e s i g n e db a s e do nb u i l d i n g e n e r g yc o n s e r v a t i o n n o wo n eo ft h ec o r ep r o b l e m si nt h eb u i l d i n gc o n s e r v a t i o nf i e l d i sh o wt ot r a n s f e rt h ei n f o r m a t i o nb e t w e e nt h ee n e r g y - e f f i c i e n t s y s t e m sa n dt h e i n t e l l i g e n tb u i l d i n gs y s t e m t h ee n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e md e v e l o p sw i t ht h e i n t e l l i g e n tb u i l d i n ga n dc o m b i n e sw i t ht h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n ge s p e c i a l l yw i mt h e b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m a st h eu n i f i e dc o m m u n i c a t i o n sp l a t f o r m ，b a c n e tp r o t o c o l g i v e st h es t a n d a r d d e f i n i t i o no ft h ei n t e r o p e r a t i o nl a n g u a g et o o lf o rd i f f e r e n tb u i l d i n ge q u i p m e n ti na n k i n d so fs y s t e m s ，s oi tm a k e st h ec o m m u n i c a t i o ne a s i e rb e t w e e nd i f f e r e n ts y s t e m s a p p l i e dt oe n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，a st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o li ne n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m ，b a c n e tc a r lm a k ea l lt h es y s t e mc o o r d i n a t ea n dc o n s t r u c ta n e f f i c i e n t ，c o m f o r t a b l eb u i l d i n ge n v i r o n m e n t t h ep r i m a r yp o i n ti nt h i st h e s i si st h eb a c n e ti m p l e m e n t a t i o ni n t h ee n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m t h i st h e s i si n t r o d u c e st h es y s t e ms t r u c t u r e ，n e tt o p o l o g ys t r u c t u r e a n dt h ec o r ef e a t u r eo fb a c n e t p r o t o c o l ，t h es t u a yo fb a c n e ts t a n d a r da n dt h ep r e s e n t a p p l i c a t i o no fb a c n e te q u i p m e n t s o nt h i sb a s i s ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h ef r a m e w o r k s t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l eo ft h ee n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，g i v e nt h eo v e r a l l p r o j e c td e s i g no f t h es y s t e m t h e nc o n s t r u c tt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo f t h es e r v i c en o d e a n dd e t e c t i n gc o n t r o ln o d e d i r e c t e dt o w a r d se n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，a d o p t i n gt h e s o t h v a r ed e s i g nm e t h o do fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，w i t ht h ep r o c e d u r e ss t r u c t u r e i i 山东大学硕士学位论文 o fs e r v i c en o d ea n dd e t e c t e dc o n t r o ln o d e ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h ef u n c t i o no fa l lt h e t a s k sa n dt a s k sd e m a r c a t i o n ，i n c l u d i n gt h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o nb a s e do nc e m p h a s i si sp u to nt h ei m p l e m e n t a t i o no fb a c n e ta st h eu n d e r l y i n gc o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 i nt h ee n d ，t h ea u t h o re l a b o r a t e so nt h ec o m m u n i c a t i o np r o b l e ma n d t h e m e t h o d sh o wt or e s o l v et h e ma n dg i v e st h eb a c n e tu n i f i e dt e s t i n go ft h ee n c o d i n g i m p l e m e n t a t i o ni nt h ee n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m k e y w o r d s ：b a c n e t ；e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ；r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ； c o n s i s t e n c y t e s t i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：- 三性 冒期：! 堑：苎：! 兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 、 、 论文作者签名：l 业导师签名：丛日期：二型 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 建筑能耗与能量管理系统 能源是人类赖以生存和发展的基本条件。当前的能源形势极为严峻，节约能 源对实现国民经济的可持续发展至关重要。建筑能耗在社会总能耗中所占的比重 很大，在发达国家已占到能源消耗总量的3 5 - 4 0 。尽管我国经济发展水平和生 活水平都还不高，但建筑能耗已占社会总能耗的2 0 - - - 2 5 ，并且还在逐步上升。 与世界发达国家相比，我国单位建筑面积能耗还很高，能源利用效率也很低。因 此，在我国的建筑领域中，提高能源的有效利用，开展建筑节能工作有着积极的 现实意义【l 】。 建筑能耗主要包括三个方面，一是建筑本身的能耗( 主要包括外围护结构的传 热及冷风渗透耗热) ；二是维持室内热环境、冷( 热) 源设备及系统的能耗；三是各 种余热、废热及自然能的热【2 】。在技术节能方面除了采用节能建材、新型节能墙体、 屋面的保温隔热技术、节能门窗的保温隔热和密闭技术等技术外，不可忽视维持 室内热环境消耗在建筑设备上的能耗。 一般而言，在一栋建筑物的建筑能耗设备中，中央空调所占的比重最大。根 据有关的统计，中央空调部分大概占4 0 0 0 - - 5 0 ，照明部分大概占3 0 左右，而 给排水、运输等其它部分大约占2 0 左右。中央空调系统的设计是以全年最大的 负荷为标准设计的，实际上，建筑物的空调负荷是随气候条件、环境温度、大厦 内人员流动情况、用电设备使用情况等而变化的，建筑物中央空调的年运行负荷 率较低，一般在设计负荷5 0 以下的运行时间就占了7 0 以上。照明系统除了有 些未采用高效的照明设备之外，普遍存在着浪费现象，比如人走灯不灭等。 能量管理系统是指基于微处理器的各个设备组成一个网络，实现能耗检测、 能量管理和能量调度，主要针对空调与冷热源系统和照明系统，以达到建筑节能 的目的。 能量管理系统首先对建筑物能耗进行分析，具体方法就是将建筑物能量的损 失利用能量传输效率和能量利用效率两个方面表征，能量传输效率的检测主要是 针对中央空调系统的冷冻水路，冷却水路，主风路的能量损耗状况，而能量的利 山东大学硕士学位论文 用效率主要针对各个房间的具体环境状况，人的因素等检测能量利用的状况。在 获得了能量的传输效率和使用效率后，能量管理系统进行能量的调度与控制。能 量的调度是指根据区域能量需求的变化，在保证系统正常运行的前提下，按需分 配能量。能量的控制是指根据调度指令具体实施这种分配工作。 1 2 基于b a c n e t 的能量管理系统 1 2 1b a c n e t 协议简介 随着社会信息化程度的提高，人们对建筑物的内在功能、生态环境、信息处 理能力等人性化和智能化功能的要求越来越高。但是，由于建筑智能化技术发展 历史的原因和出于商业竞争的考虑，各厂商的技术和产品并没有依据统一的标准 进行开发和应用，或自定标准，或依据对自己有利的标准，这就造成了各系统相 互封闭运行，技术和产品互不兼容、互不通用，无法实现全面开发和互操作。而 全球第一个楼宇自控行业通信标准_ b a c n e t 协议，可以很好的解决智能建筑楼 宇自动化控制领域内的这一难题【3 】。 b a c n e t 协议( ad a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rb u i l d i n ga u t o m a t i o na n d c o n t r o l n e t w o r k ) ，是由美国冷暖空调工程师协会组织( a s h r a e ) 的标准项目委 员会( s p c ) 1 3 5 p 于1 9 9 5 年6 月制定的【4 1 。下面简单介绍一下b a c n e t 协议的设计 目的、体系结构、网络拓扑结构和主要特点。 1 ) b a c n e t 协议目的 用户对楼宇自动控制设备互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 的广泛要求是b a c n c t 标 准产生的背景，即将不同厂家的设备组成一个一致的自控系统，实现互联互通【5 l 。 b a c n e t 就是要建立一个统一的数据通信的标准，用于设备的通信部分，从而使得 按这种标准生产的设备，都可以进行信息交换，实现互操作。b a c n e t 标准只是规 定了楼宇自控设备之间要进行“对话”所必须遵守的规则，并不涉及如何实现这些规 则，各厂商可以用不断进步的技术来开发，从而使得整个领域的技术不断进步。 2 ) b a c n c t 协议体系结构 b a c n c t 的灵魂是它的互操作性，即不同厂家的设备能够很好的互联互通。从 而在一定层面上实现体系结构的统一。这主要是由它的协议体系结构决定的。如 图1 1 所示【6 】 b a c n e t 参照i s o o s i 的7 层标准协议模型，并根据控制系统本身的 特点，对它进行了简化和改进。考虑到控制系统本身要求快速、简捷，将原来的7 2 山东大学硕士学位论文 层模型改为4 层。协议定义了自己的网络层和应用层，从而将控制体系在一个较 高层面上统一起来。在数据链路层和物理层，考虑到现存各种网络的既定事实、 同时也是为了使协议具有更好的兼容性、开放性，并兼顾各标准的优点和特点， 协议提供了5 种不同的选择方案，包括以太网、a r c n e t 、m s t p 、r s 4 8 5 、r s 2 3 2 、 l o n t a l k 7 l 等，并为每种方式提供了相应的标准。其中l o n t a l k 的使用必须得到 e c h e l o n 公司的o e m 许可，并且要做一个b a c n e t 原语到l 0 n t 扯应用层接口的 映射。通过以上设计，使得b a c n e t 协议在体系结构上保证了标准性和开放性。 b a c n e t 协议的层次 b a c n e t 应用层 b a c n e t 网络层 i s o8 8 0 2 - 2 m s t pp t p ( 主从令牌传( 点对点协 ( i e e e8 0 2 2 ) 类型1 递)议) l o n t a i k i s o8 8 0 2 2 a r c n e t e l a - 4 8 5 e i a - 2 3 2 ( 1 e e e8 0 2 3 )( r s 4 8 5 ) ( r s 2 3 2 ) 对应o s i 的层次 应用层 网络层 数据链路层 物理层 图1 1 ：b a c n e t 体系结构 3 ) b a c n e t 网络拓扑结构 在b a c n e t 网络中，物理网段( p h y s i c a ls e g m e n t ) 是b a c n e t 设备直接连接的物 理传输介质段，物理网段可以由物理层中继器互连设备连接成一个更大的网段 ( s e g m e n t ) 。网段由数据链路层网桥( b r i d g e ) - 0 _ 连设备连接成具有一定m a c 地址域 名的b a c n e t 网络( b a c n e tn e t w o r k ) 。一个b a c n e t 网络是指具有一个m a c 地址域 名的网络，通常由多个网段组成。最后，不同的b a c n e t 网络由网络层路由器( r o u t e r ) 连接就形成b a c n e t 互连网络( b a c n e ti n t e r n e t w o r k ) 。也就是说，b a c n e t 互连网络 是由不同的局域网在b a c n e t 网络层协议的统一下而组成的网络。由于b a c n e t 标 准的网络层协议在路由功能上经过了简化，路由表的内容基本上在安装配置时静 态完成，因而b a c n e t 互连网络中所有的路径均是唯一的【8 1 。图1 2 为b a c n e t - 百连 网络结构图。 3 山东大学硕士学位论文 黼络 b = 蹒辚 蕤。书燃器 r t = 躇懑耧 1 2 r t 潦 蹒蠹器 绦嵋 图1 2b a c n e t 互连网络结构图 4 ) b a c n e t 协议主要特点 ( 1 ) 采用“对象”的概念【9 1 。目前b a c n e t 定义了2 3 种标准对象类型。任何 现有的楼宇自动化产品均可视为由一个或多个对象类型组成。每一对象又是一个 数据元素集合，这种数据元素称之为“属性”，不同楼宇产品制造商的设备内部设计 和组态依然保持专用对象的属性，提供无需设备内部设计细节而对数据进行操作 的方法。 ( 2 ) 设计了一系列通用服务【l o 】【i l 】，利用它们完成分布式楼宇控制系统应具有 的信息交互功能。b a c n e t 目前定义了六类3 8 种应用服务( a p p l i c a t i o ns e r v i c e ) 。 ( 3 ) 定义了信息传送的标准化编码方式，即如何用二进制对它们进行表示， 它实际上应包括两方面的内容：怎样抽象地清晰描述b a c n e t 信息的数据结构： 怎样将给定信息转换成标准表达方式。经过慎重考虑，b a c n e t 结合采用了标准 的第一号抽象语法标记法a s n 1 ( a b s t r a c ts y n t a xn o t a t i o n ) ，解决了上述问题。 ( 4 ) 规定和描述了在信息通讯实现中，所采用的l a n ( 局域网) 技术。 1 2 2b a c n e t 与能量管理系统的结合 现阶段针对建筑设备的建筑节能领域的研究与实现中的核心问题是解决各种 节能系统设备间以及与智能化其他系统间的互操作问题和实现有效的节能控制策 4 山东大学硕士学位论文 略问题。建筑物能量管理系统是伴随着智能建筑的发展而产生的，与智能建筑紧 密结合在一起，特别是与其中的楼宇自控系统【1 2 ( b a s ，b u i l d i n g a u t o m a t i cs y s t e m ) 关系密切。如果能量管理系统采用独有的通讯协议，造成的直接结果就是它们之 间的信息交互非常困难，在这种情况下要对它们作统一集成控制从而达到智能化 与自动化就更为困难。 根据b a c n e t 协议所具有的特点，b a c n e t 协议能很好的解决以上问题，它为建 筑设备各系统提供了一种标准的交互语言，从而从根本上解决了各系统间的通讯 问题。 在国外，针对b a c n e t 标准，有些著名的公司进行了深入的研究，并进行了产 品开发，例如d e l t ac o n t r o l s 、a u t o m a t e dl o g i c 、h o n e y w e l l 等公司的网关、路由器 等相关b a c n e t 产品已经投向市场1 3 1 【1 4 】。可以预计，在不久的将来，b a c n e t 协议将 有可能成为统一的国际标准控制网协议，而相关的b a c n e t 产品也将成为控制网产 品中的主流产品。b a c n e t 标准公布以来，国内就进行了跟踪和研究，同时引入了 实际的工程项目中。总体来说，我国对b a c n e t 标准的研究有了阶段性的成果，并进 入了实用化和产品化的阶段，但b a c n e t 标准在我国建筑领域中的应用份额还是相 对较小。 将b a c n e t 与能量管理系统结合后，能量管理系统与智能建筑特别是b a s 的 关系变得更加紧密。能量管理系统要采集的数据有一部分可以由b a s 提供，甚至 有些控制的执行机构是相同的。b a s 大多采用b a c n e t 协议，所以能量管理系统 和b a s 可以实现良好的互操作性，从而能够更好的实现系统集成，而且也为业主 节约设备投资成本。通过b a s ，大厦一般可以节约5 1 5 的能源。然而b a s 的节能策略存在很大的缺陷：b a s 对中央空调系统的节能重点仅局限在通过增加 b a 控制器调节空调的设备，提高各部件的性能，采用各种优化控制算法如变流 量控制、变风量控制【1 5 1 等对中央空调某一局部进行节能控制。这些措施虽然可以 起到一定的节能效果，但是从系统的角度看节能效果并不十分明显。比如会议室 没有人使用时，即使设备的效率再好，这时输出的能量也是被完全浪费的。之所 以会出现这种情况，是因为b a s 忽视了中央空调各个系统之间不是完全独立开 的，而是互相关联的。 5 山东大学硕士学位论文 1 3 本课题的研究内容和意义 课题来源：山东省寿光市市政商务小区智能化能量管理系统项目。 课题简述：本课题主要是通过b a c n e t 在能量管理系统中的应用，进一步研究 b a c n e t 标准，同时完成能量管理系统的开发。由此，开发出能量控制服务器和能 量检测控制器，组建能量管理系统网络，实现能量效率的检测，能量管理和能量 调度及输出控制，并完成通讯协议标准的一致性测试。 课题意义：随着智能建筑的发展和建筑节能的迫切要求，对系统的集成和信 息相互共享也提出了更高的要求，这些要求的实现都离不开智能建筑网络的建立。 b a c n e t 协议作为一个统一的数据通讯平台，应用于能量管理系统，成为能量管理 系统与智能化其他系统的信息交互接口，利于各系统的相互协作，构建一个高效、 舒适、温馨、便利的建筑环境。 b a c n e t 作为开放的、权威的国际标准对打破技术垄断、营造公平的竞争环境、 促进国产的自主知识产权的产品的发展都具有重大意义。为了紧跟国际主流技术， 努力铸就民族工业品牌，打破国外专用系统的垄断，摆脱受制于外的局面，促进我 国在智能建筑方面理论和实践的发展以及和国际水平接轨，研究和应用b a c n e t 标 准有很重要的意义。 本人的主要工作如下： ( 1 ) 通过实际项目，发现楼宇自控系统存在的问题，从而认识开发建筑物能量 管理系统的必要性。 ( 2 ) 对b a c n e t 最新研究动态及时关注，并对其应用状况做了深入调查。 ( 3 一k 量管理系统硬件平台的搭建。 ( 4 一一量管理系统中基于p i c 单片机嵌入式操作系统的分析及应用。 ( 5 ) 依据功能模块划分系统任务，确保任务调度的合理性。 ( 6 ) 采用c 语言依据b a c n e t 编码规则实现b a c n e tm s t p 通讯协议的编码。 ( 7 ) 使用s 软件进行编码的一致性测试。 6 山东大学硕士学位论文 第二章能量管理系统设计 能量管理系统基于微处理器的各个设备组成一个网络，实现能耗检测、能量 管理和能量调度，主要针对空调与冷热源系统和照明系统，以达到建筑节能的目 的。下面介绍能量管理系统的总体框架结构和工作原理，以及框架结构各层完成 的功能以及实现方法。 2 1 系统框架结构 能量管理系统分为三层，分别为检测控制层，能量管理服务层，管理中心层， 系统结构示意如图2 1 所示。 能量检测控制节点能量检测控制节点能量检测控制节点能量检测控制节点 层 图2 - 1 能量管理系统结构图 由上图可见，检测控制层通过b a c n e t 协议将各能量检测控制节点分别与对 应的能量处理服务节点通信。能量管理服务层则通过能量处理服务节点具有的 t c p i p 通信接口与能量管理中心层的总服务器通信，组成整个系统网络。能量管 理系统主要针对中央空调系统和照明系统设计的，根据中央空调系统各种设备的 运行特点以及房间照明使用状况，采用如下具体的实现方案，如图2 2 所示： 7 山东大学硕士学位论文 图2 - 2 能量管理系统具体方案 2 2 系统工作原理 能量管理系统通过各种传感器实时采集现场数据，利用b a c n e tm s t p 传送 给各控制服务器，各控制服务器对采集的数据进行数据处理，然后通过以太网络 传递给管理中心服务器，管理中心服务器对得到的数据进行数据融合，得到建筑 物的能耗状况，进行能量调度，将具体调度方案通过以太网传递给各控制服务器， 各控制服务器再通过b a c n e tm s t p 将具体控制命令传递给现场各种检测控制 器，从而达到节能的目的。 2 3 检测控制层 能量管理检测控制层，主要完成建筑物能量效率的检测以及能量调度方案的 实施。建筑物能量效率的检测，主要包括两个方面，能量传输效率的检测和能量 利用效率的检钡, f l f l7 1 。能量传输效率指总能量减去从制冷机到末端各个房间的传输 过程中所损失的能量，然后与总能量的百分比，也就是用户获得的总能量与输出 总能量之比。能量利用效率用来表示传输到房间、大厅等人们活动场所的能量是 否为人充分利用，比如若房间中没有人，此时空调系统仍在运行，这时的能量利 用效率就为零，或虽然有人，但输入的能量大于人们的需求，超出需求的部分能 量便浪费了，能量利用效率与空调系统和照明系统管理和运行模式有关【1 8 】。 囝 山东大学硕士学位论文 2 3 1 传输效率的检测与控制 中央空调系统的工作过程是一个能量转换过程。在这里，冷冻水和冷却水循 环系统是能量的主要传递者。参与冷冻水和冷却水循环的设备主要有空调主机和 空调末端设备。其中各种类型的冷水机组是应用最为广泛的空调主机。空调末端 设备的能源消耗主要在风机。中间介质传输中的能耗主要在冷冻水泵和冷却水泵 上。如下图2 3 所示，根据中央空调的运行模式可知，能量传输效率主要是由三大 部分组成【1 9 】： 1 ) 制冷效率。这部分主要是依赖于所选取得的中央空调制冷机的性能参数和 运行状况。这个效率由制冷机组自身完成，能量管理系统只是对其参数进行检测。 2 ) 传递效率。主要是指空调水系统( 包括冷冻水循环系统和冷却水循环系统) 的能量传递效率。通过测量水路中进出水温差和流量等参数，可以计算出系统的 水路传递能量。 3 ) 末端效率。主要是指空调风系统( 包括风机盘管和组合空气处理机组 ( a h u ，a i r h a n d l i n g u n i t ) ) 的能量效率。利用风量和出回风温差等参数来计算末 端的输出能量。 传递效率 末端效率 图2 3 中央空调能量传输效率组成示意图 基于上述分析可知，能量传输效率主要包括冷水机组制冷效率、水路传递效 率和空调风机送风的末端效率三部分。用叩。，表示制冷效率，表示传递效率， 表示末端效率，根据中央空调设备的运行机理，按乘法原则，整个空调系统的能 量传输效率石用下式( 2 1 ) 表示【1 9 】： 仇= 锄 ( 2 1 ) 9 山东大学硕士学位论文 通常，为了衡量制冷压缩机在制冷或制热方面的热力经济性，常依据性能系 数能效比( c o p ，c o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ，w w ) 这个指标。c o p 是额定功率 下，冷水机组制冷量与制冷机输入功率的比值。比值越大能效比就越高，空调的 性能就越好。从产品标准上说，能效比是一个绝对值。在本文提出的能效理论概 念下，机组的制冷效率概念与实际工况下得c o p 定义相似，表示为式( 2 2 ) p 9 】： 仇j =冷水机组输出冷量( k w ) 冷水机组输入功率th 、 x - 剃 ( 2 2 ) 这里，r 同样是一个相对值，它随空调运行的具体条件而变化。不同工况下， 仉，是不相同的。 在设备运行良好情况下，冷冻水的出水温度为7 c 左右，回水在1 2 c 左右， 温差为5 0 。冷却水的出水温差为3 2 左右，回水在3 7 左右，温差同为5 0 左 右。但实际由于传递过程中水路各种因素影响，出回水温差往往比5 要小。假 设空调系统循环水量为1 吨，则循环冷量为5 吨摄氏度。当冷冻水或冷却水实际 出回水温差为2 5 时，要实现5 吨摄氏度的冷量，原来只需循环一圈的水，现 在需要循环2 圈，时间相应变为原来的2 倍，从而使消耗的电能增大到原来的2 5 倍。故水路传递效率叩。：可用下式表剥1 9 】： 珏t 2 = 之峪冻水传递效率斗冷却水传递效率、 = 爿篙糍鬻鬻x l 蒯+ 麓糍鬻鬻x 1 0 0 5 0)2 冷冻水出回水理论温差t 口c 1v v 冷却水出回水理论温差( o ( 2 - 3 ) 蒸发器出来的低温冷冻水经风机盘管的表冷器与盘管风机的室内回风( 或兼有 新风) 进行热交换，从而降低送出空气的温度，最后达到室内设计的空调温度。根 据末端系统工作情况，忽略其他因素，可以用下式表示末端效率【1 9 】： 叩口=；善要鬟篓柔薹茎囊霎豸薹翳。xj。c2-m。0 ， 刀= 一 儿， ，di 上- j h 冷冻水实际出回水温差( 口 一 根据冷冻水和冷却水路上以及主风路上设备功能的不同，将控制器划分为如 下类型，1 ) 冷源部分。包括冷冻泵检测控制器、冷却泵检测控制器和冷却塔检测 控制器。2 ) 新风机组部分：新风机组检测控制器。3 ) 组合式空调器部分：组合 1 0 山东大学硕士学位论文 式空调器检测控制器。 1 、冷源部分 冷源系统是建筑物的耗能大户，如何合理的控制、使用好这些机电设备，是 实现节能的关键。这部分包括冷冻机及阀的检测控制、冷冻泵和冷却泵状态检测 及变频控制( 并非所有的泵都需要变频) 、冷却塔相关设备的状态监控、冷冻水和 冷却水的温度和压力等参数的监测。如图2 4 所示。 禺也吲甲警动 nml 二列 皿 口l凹 d ： t 盘- d i ，忑 “广_ 1 # 一 母 石 ， 产砭1 冷冻机广酮一 、1 一 冷冻泵 l _ 一 l 冷却泵 ，忑嘹蒂 2 # 毋d 即 石蔬 t 冷冻机卜 c 、 冷冻泵 冷却泵 石玉黧黧翻历 穗固够矗l l 圈l 缓r 、 lf 圈圈舷圹一举 备用：最 冷冻机启碰盘 冷却泵j自动趣 懈 缸 一 卜皿篓 藿电 靶 萋 嚷 鎏 警罨 姑 夏g 鼍按按 罱 最 蛰 翼奋 一烈 柏 抬苷i =撩 幕剖 * 麒斟蔗 匿 霎 爱 佥受 i 蔷 篓 剿簧 舞赠 3 h 耀碉* 厦* *暑霹罨【* 辅国i 增j 稍罩 苄* 噙 受悸 受受佥受瓮受瓮j器蔼 固 * 增 佥 卜、 ai x “ 、 ， i 、 、 l 、厂v l d a c 人人人 j ， 冷冻泵检测 制冷机检测 冷却泵检测冷却塔检测 控制器控制器控制器控制器 图2 4 冷源检测控制示意图 2 、组合式空调器和新风机组部分 组合式空调器和新风机是中央空调系统的另一种形式的末端，它们的应用对 不同的场合来说也是不同的。根据实时温湿度参数，及室外天气状况，计算出控 制区域的实时冷负荷，从而按照实际需求，调节变频器，进而实现对冷量输出的 控制。尽可能的实现节能，提高能量的利用效率。组合式空调器还要根据实际空 间的人数等情况，得出控制区域新风量的需求，调节回风阀和新风阀的开关时间。 山东大学硕士学位论文 从而满足房间对新风的需求。依据组合空调器和新风机组的运行特点和检测控制 参数，分别设计组合式空调检测控制器和新风机组检测控制器。 2 3 2 利用效率的检测与控制 能量利用效率检测的参数有房间内的温度、照度和人的活动频度。由于中央 空调系统的能量最终是以房间内的温度高低的形式被人们所利用，因此采集温度 是要检测中央空调系统在末端的利用情况；而照度参数是指落在表面单位面积上 的光照总量或光通量，它可以反映典型区域内的照明系统的能量状况；感知传感 器用来探测在典型区域内人的活动情况，能量利用效率与人的活动紧密相关。比 如夏天里一个会议室没有会议召开的时候，我们却一直源源不断的给该会议室输 送冷气，这必然造成能量的大量浪费。因此用感知传感器探测人的活动情况对获 得能量利用效率至关重要。感知传感器采用红外探测原理，通过记录报警输出信 号的次数获取人的活动情况。 设计采集这三类参数，一方面可反映空调系统和照明系统在能量使用区域的 能量实际状况，另一方面又获得了能量的使用者的相关信息，这对我们后续制定 具体能量管理与调度方案，最终实现节能具有重要意义。末端针对能量利用效率 的控制参数主要包括风机盘管的档位控制以及照明的开关控制。能量利用效率检 测控制示意图如图2 5 所示。 温度传感 i 骂 夕 照度传感 囚三 c ( r 感知传感 照明控制 盘管控制 图2 5 能量利用效率检测控制示意图 实际应用中涉及成本问题，系统采取典型区域测量法。一栋建筑物由于建筑 设计、内部构造以及房间的适用用途的不同，能量的使用状况也有所区别，这就 使得我们在考虑能量的利用效率时，对不同区域要分别进行检测与分析。比如一 座办公楼的普通办公室和会议室，在一般情况下人的活动情况是不同的。办公室 人的个数比较少，但活动比较频繁，会议室只有在开会的时候才有人，但此时人 1 2 山东大学硕士学位论文 往往会比较多。再比如建筑物内在阳面的房间与在阴面的房间相比较，其所需要 的温度值和照度值也是不一样的。也就是说，这些不同的区域所需要的能量是不 同的，因此我们检测能量时必须对这些区域分别处理，才能在能量进行管理与调 度时采取具体可行的有针对性的实施方案。 2 4 管理服务层 能量管理服务层主要完成对检测控制层数据的采集处理，控制命令的传输以 及与管理中心的数据处理及数据通信服务功能，示意如图2 - 6 所示。 检测控制器 b 懿a s c n t e p t 控制服务器以太网 中，b p c 图2 6 服务层功能示意图 2 4 1 服务层数据处理 数据的处理是用软件的方法，对采集的传感器数据进行处理，包括数据的标 度变换，剔除数据中的奇异项等f 2 0 】。 l 、数据的标度变换 传感器的温度、照度等数据经过刖d 转换后变成一系列数字量，如果直接把 a ，d 转换器输出的数字量显示或打印出来，显然不便于使用者理解。因此，必须 把a d 转换的数字量变换为带有工程单位的数字量，即标度变换。标度表换有多 种形式，它取决于被测物理量所用的传感器或变送器的类别。 以温度为例，本设计采用热敏电阻元件采集温度参数。热敏电阻的输出信号 与被测量之间是非线性关系，并且该关系无法用个确定的解析式表达。在这种 情况下，可以采用多项式变换法进行标度变换。 采用多项式变换的关键是要找出一个能够较准确地反映传感器输出信号与被 测量之间关系的多项式。寻找多项式的方法有多种，如最小二乘法、代数捶值法 等。 在代数插值法中，插值点的选择对于逼近的精度有很大的影响。一般来说， 1 3 蠡 墨一 山东大学硕士学位论文 在函数y = ( x ) 曲线上曲率比较大的地方应适当加密插值点，这样可以得到比较 高的精度，但是将增加多项式的阶次，从而增加计算多项式的时间，影响数据采 集与处理系统的速度。为了避免增加计算时间，可以考虑采用表格法对非线性参 数做标度变换。 所谓“表格法 是指在已知的被测量与传感器输出的关系曲线上选取若干个 样点并以表格形式进行存储，即把关系曲线分成若干段。对每一个需要做标度变 换的数据y 分别查表一次，找出数据y 所在的区间，然后用该区间的线性插值公 式 y = y ，+ 毛g x i ) ( 2 5 ) 其中 k i ：丛 笠 x i + i x l 进行计算，即可完成对a d 转换数字量所做的标度变换。 2 、数据的去异处理 在数据采样过程中，往往会出现有明显错误的( 丢失或粗大) 的个别数据，我 们称这样的数据为采样数据中的奇异项。这些奇异项的存在，会使数据处理后的 误差大大增加。例如，我们想求某一被测物理量的平均值。它们从t ，叫，4 个时刻 的取值分别为l o 、1 2 、1 2 、1 4 ，其平均值应为1 2 。若设其中一项t 。时刻的取值由 于某种原因丢失了，也就是说，出现了奇异项。那么，这4 个点的平均值就由1 2 降至为9 ，从而产生均值误差。均值误差是由奇异项引起的。因此，为了减少数 据处理后的误差，必须剔除采样数据中的奇异项。 剔除采样数据中的奇异项的方法，可选用一阶差分法、多项式逼近法和最小 二乘法。本系统采用最4 - 乘法。 2 4 2 服务层数据通信 服务层数据通信包括两种通信协议的应用，服务层各控制服务器通过以太网 与能量管理中心层通信，通过b a c n e tm s t p 与检测控制层各检测控制器通信。 采用对象访问服务实现检测控制器的控制与管理。控制服务器向检测控制器 发送读多个属性服务请求，检测控制器在验证请求的合法性之后，就搜寻自己的 对象数据库，选择满足选择准则的对象。对选中的对象，根据特定的“l i s to f r e a d 1 4 山东大学硕士学位论文 a c c e s ss p e c i f i c a t i o n 一参数，构造“l i s to f r e a d a c c e s sr e s u l t 。当所有访问操作 完成时，则向控制服务器返回一个“r e s u l t ( + ) ”原语，从而完成数据的上传。控 制服务器给检测控制器传递的控制信息是通过写多个属性访问服务请求，检测控 制器使用“w r i t ea c c e s ss p e c i f i c a t i o n 中提供的属性值修改指定的属性值，并且 发送一个“