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[摘 要]南京市鼓楼医院中央空调系统的制冷量设计偏大，当时设计是按现场满客流条件来计算最大冷量，核算出空调主机的容量及冷冻水流量。然而，实际使用下来此类情况较少出现，从而导致空调主机都是在部分负荷条件下运行的，这无疑造成了大量的能源白白浪费。而且，空调系统发生故障时不能及时得到信息，以解决问题，排除故障，造成医院运营受到影响和顾客投诉。文章利用最新的物联网数据采集、大数据分析以及云端算法技术，对中央空调系统进行数据采集、云端数据存储与分析、云端智能控制，实现中央空调系统的智能自动运行。数据采集系统采用全无线方式，传感器安装无需破管走线，数据采用无线通讯传输。
[关键词]物联网;云端智控;数据采集
[中图分类号]TM63;TP391.44;TN929.5 [文献标志码]A [文章编号]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”提出我國已进入高质量发展阶段，节能工作向系统化，精细化，规范化进一步迈进，针对大功率设备的节能提出了新的要求。从暖通行业市场规模看，按一个机组折算，国内水机有上百万个冷水机组，并以每年10%左右速度增长。空调电耗约占总电耗的一半，开源节流是企业经营永恒的主线，提高管理效益，增加企业竞争力的内在动力。
1 项目概况
南京市鼓楼医院，建筑面积约15万m2，中央空调采用4台冷水机组制冷;冬季采用4台热水锅炉供暖（见表1中央空调系统设备）。由于冷水机组位于地下室，从分布区域看，项目空调系统分布较为离散，人为管理难度很大，无法实时掌控空调系统运行状态。同时兼顾制冷/制热和生活热水需求，人为管控存在一定的难度，操作复杂。并且没有根据季节、天气、时间段对空调系统做实时调整，导致冷（热）量输出始终保持在最高极限状态，系统一直处于并将长期处于高能耗状态。拟定对该项目中央空调系统的主体部分实施改造，改造内容包括主机运行参数监测与控制、水泵运行参数监测与控制、管路参数监测与控制以及空调系统能耗监测。
2 总体方案设计
针对中央空调运行能耗偏高及故障难以预警的问题，通过“数据采集及分析—智控系统改造—智控节能运行”三步走的方式，设计空调物联网智控节能系统，以实现中央空调高效舒适的运行，提高管理效率，节省运行费用。物联网智控节能系统采用四层架构，应用层、云平台层、设备层和环境层，见图1。包括监控系统、云端智能控制系统、预警系统。采集系统采用Lora无线传输的方式采集空调系统的运行参数，为控制和节能系统提供数据支撑。 3 云端智控系统
由于中央空调系统涉及面广，要实现系统的最佳节能方式，单独考虑某一局部去改变是不现实的，要对空调系统的各个设备（包括制冷主机、冷冻水系统、冷却水系统）及外部因素（气象数据及建筑结构、内部电气能耗、人流量等）统一考虑，使整個系统根据参数实时调整。云端智控系统正是依赖于对空调系统参数与环境参数的实时获取，模拟中央空调系统的运行情况及能耗，建立了一套自我优化的智慧节能运行控制策略。节能控制策略从全局考虑降低医院的能耗。这个问题可演化成数学问题：在满足制冷量需求这一约束条件下求下面函数的最小值。
（1）求f=E1+E2+E3的最小值。f为空调系统的总能耗。E1为主机的能耗，E2为冷冻泵能耗，E3为冷却泵能耗。以f最小为最优化目标函数，对主机、冷却泵、冷冻泵做能耗分析。
（2）冷水机组数学模型。
①冷水机组能耗分析
压缩机功率计算公式：
式（2）中，P为压缩机功率（kw）;λ为输气效率;K为多变指数;Vth为理论输气值;p0，pk为压缩机进气压力、压缩机排气压力;Tout、Tint分别是室内外温度。
对函数f进行最优参数求解，可寻得最优参数。根据最优参数，设定增减设备的数量，采集冷冻水流量数据来控制水泵的频率，其制冷机出水温度根据室外的干球温度重置。冷却塔的风机启停时间与相应的制冷机联动。云端智控系统正是依赖于对空调系统参数与环境参数的实时获取，不断优化空调系统运行参数，建立了一套自我优化的智慧节能运行控制策略。
4 监控方式
空调系统加装智控节能系统后，可以有4种监控方式：云端智能控制、移动终端监控（图2）、PC端监控和本地控制（图3）。为确保整个智能控制系统的稳定性和响应及时性，各设备在加装云端控制系统的基础上，保留现场本地控制模式。实现“远程/手动”模式的无缝衔接。
（1）移动终端控制。在微信小程序查看空调系统运行参数，同时，通过小程序控制页面下发控制命令，开关机一键操作，方便快捷。
（2）PC终端监控。在电脑上可更直观地监测系统运行曲线与实时参数。
5 信息采集方式
采集安装在各设备上的传感器+Lora低功耗数据采集传输设备，通过LORA无线传送到边缘计算网络服务器FWCPU后上云。空调主机运行参数信息利用冷机自带的RS485接口，通过加装CCN网关与通讯模块，直接进行通讯，实现主机运行监测与控制。水泵运行参数利用变频器自带的RS485接口，与通讯模块，直接进行通讯，实现水泵运行状态监测与控制，并远程启/停设备。
6 云端智能控制系统主要控制内容（表2）
7 硬件布置
图4为中央空调系统物联网改造硬件示意图。
8 数据采集设备安装方法
（1）温度传感器外贴式安装。打开水管外层金属保护壳，切割小块保温层，将管道上的油漆及铁锈磨去，露出管道原有的光洁金属表面，贴合强磁温度传感器，还原保温棉及金属保护壳。
（2）压力传感器安装：在原机械压力表位置安装三通阀件，重装原机械压力表及新增电子压力传感器。期间无需停机、泄水。
（3）设备能耗采集。与智能表直接通讯并远程读表，在空调机房配电室安装独立智能电表。
（4）设备参数采集。利用设备开放的RS485接口，接入DRS433通讯网关通过标准的Modbus协议与设备进行通讯。
9 结束语
系统正式运行后，除了节能带来的直接收益，还带来了其他附加收益。物联网智能控制，实现无人值守，空调管理人员可通过手机随时随地查看空调运行状态，对空调进行远程启/停和调节，空调运行状态尽在掌握。五年实际节省人力30万元以上。云端智能控制可有效减少中央空调系统负荷，延长空调系统使用年限。减少维修保养的费用以及频率。诊断预警功能，当空调系统发生故障时，系统会及时将异常信息发送到管理人员手机，并开启备用机组应对紧急情况。同时获取空调系统故障代码，将故障代码发送到合作的空调维修单位。专业维修人员快速知悉空调故障情况并作出反应，及时赶到客户现场为客户解决空调故障。第一时间发现问题，排除故障，减小停机时间和损失，让突发事件可以平稳过度，避免给医院造成更大的损失。采用大数据分析和人工智能技术，随时根据冷量需求调节空调冷量输出，可有效地均衡室内温度，避免出现各区域温差大和过冷过热的现象，使环境更舒适。
参考文献
[1] 舒顺.物联网技术中央空调控制系统[J].自然科学，2016（4）：268，2.
[2] 焦阳.智能楼宇技术在中央空调系统中的应用和推广[J].智能建筑，2018（9）：75-77.
[3] 李贤烈，刘梧林，何海光.基于ZigBee的移动物联网温度采集系统设计与实现[J].无线通信技术，2016（2）.42-45.
[4] 张朋，贺焕林，王艳霞，等.基于物联网的中央空调SCADA系统设计与实现[J].工业仪表与自动化装置，2014（6）：24-29，39.
[5] 吴光荣，全剑敏，章剑雄.基于ZigBee技术的空调控制系统[J].机电工程，2009（7）：11-13.
[关键词]物联网;云端智控;数据采集
[中图分类号]TM63;TP391.44;TN929.5 [文献标志码]A [文章编号]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”提出我國已进入高质量发展阶段，节能工作向系统化，精细化，规范化进一步迈进，针对大功率设备的节能提出了新的要求。从暖通行业市场规模看，按一个机组折算，国内水机有上百万个冷水机组，并以每年10%左右速度增长。空调电耗约占总电耗的一半，开源节流是企业经营永恒的主线，提高管理效益，增加企业竞争力的内在动力。
1 项目概况
南京市鼓楼医院，建筑面积约15万m2，中央空调采用4台冷水机组制冷;冬季采用4台热水锅炉供暖（见表1中央空调系统设备）。由于冷水机组位于地下室，从分布区域看，项目空调系统分布较为离散，人为管理难度很大，无法实时掌控空调系统运行状态。同时兼顾制冷/制热和生活热水需求，人为管控存在一定的难度，操作复杂。并且没有根据季节、天气、时间段对空调系统做实时调整，导致冷（热）量输出始终保持在最高极限状态，系统一直处于并将长期处于高能耗状态。拟定对该项目中央空调系统的主体部分实施改造，改造内容包括主机运行参数监测与控制、水泵运行参数监测与控制、管路参数监测与控制以及空调系统能耗监测。
2 总体方案设计
针对中央空调运行能耗偏高及故障难以预警的问题，通过“数据采集及分析—智控系统改造—智控节能运行”三步走的方式，设计空调物联网智控节能系统，以实现中央空调高效舒适的运行，提高管理效率，节省运行费用。物联网智控节能系统采用四层架构，应用层、云平台层、设备层和环境层，见图1。包括监控系统、云端智能控制系统、预警系统。采集系统采用Lora无线传输的方式采集空调系统的运行参数，为控制和节能系统提供数据支撑。 3 云端智控系统
由于中央空调系统涉及面广，要实现系统的最佳节能方式，单独考虑某一局部去改变是不现实的，要对空调系统的各个设备（包括制冷主机、冷冻水系统、冷却水系统）及外部因素（气象数据及建筑结构、内部电气能耗、人流量等）统一考虑，使整個系统根据参数实时调整。云端智控系统正是依赖于对空调系统参数与环境参数的实时获取，模拟中央空调系统的运行情况及能耗，建立了一套自我优化的智慧节能运行控制策略。节能控制策略从全局考虑降低医院的能耗。这个问题可演化成数学问题：在满足制冷量需求这一约束条件下求下面函数的最小值。
（1）求f=E1+E2+E3的最小值。f为空调系统的总能耗。E1为主机的能耗，E2为冷冻泵能耗，E3为冷却泵能耗。以f最小为最优化目标函数，对主机、冷却泵、冷冻泵做能耗分析。
（2）冷水机组数学模型。
①冷水机组能耗分析
压缩机功率计算公式：
式（2）中，P为压缩机功率（kw）;λ为输气效率;K为多变指数;Vth为理论输气值;p0，pk为压缩机进气压力、压缩机排气压力;Tout、Tint分别是室内外温度。
对函数f进行最优参数求解，可寻得最优参数。根据最优参数，设定增减设备的数量，采集冷冻水流量数据来控制水泵的频率，其制冷机出水温度根据室外的干球温度重置。冷却塔的风机启停时间与相应的制冷机联动。云端智控系统正是依赖于对空调系统参数与环境参数的实时获取，不断优化空调系统运行参数，建立了一套自我优化的智慧节能运行控制策略。
4 监控方式
空调系统加装智控节能系统后，可以有4种监控方式：云端智能控制、移动终端监控（图2）、PC端监控和本地控制（图3）。为确保整个智能控制系统的稳定性和响应及时性，各设备在加装云端控制系统的基础上，保留现场本地控制模式。实现“远程/手动”模式的无缝衔接。
（1）移动终端控制。在微信小程序查看空调系统运行参数，同时，通过小程序控制页面下发控制命令，开关机一键操作，方便快捷。
（2）PC终端监控。在电脑上可更直观地监测系统运行曲线与实时参数。
5 信息采集方式
采集安装在各设备上的传感器+Lora低功耗数据采集传输设备，通过LORA无线传送到边缘计算网络服务器FWCPU后上云。空调主机运行参数信息利用冷机自带的RS485接口，通过加装CCN网关与通讯模块，直接进行通讯，实现主机运行监测与控制。水泵运行参数利用变频器自带的RS485接口，与通讯模块，直接进行通讯，实现水泵运行状态监测与控制，并远程启/停设备。
6 云端智能控制系统主要控制内容（表2）
7 硬件布置
图4为中央空调系统物联网改造硬件示意图。
8 数据采集设备安装方法
（1）温度传感器外贴式安装。打开水管外层金属保护壳，切割小块保温层，将管道上的油漆及铁锈磨去，露出管道原有的光洁金属表面，贴合强磁温度传感器，还原保温棉及金属保护壳。
（2）压力传感器安装：在原机械压力表位置安装三通阀件，重装原机械压力表及新增电子压力传感器。期间无需停机、泄水。
（3）设备能耗采集。与智能表直接通讯并远程读表，在空调机房配电室安装独立智能电表。
（4）设备参数采集。利用设备开放的RS485接口，接入DRS433通讯网关通过标准的Modbus协议与设备进行通讯。
9 结束语
系统正式运行后，除了节能带来的直接收益，还带来了其他附加收益。物联网智能控制，实现无人值守，空调管理人员可通过手机随时随地查看空调运行状态，对空调进行远程启/停和调节，空调运行状态尽在掌握。五年实际节省人力30万元以上。云端智能控制可有效减少中央空调系统负荷，延长空调系统使用年限。减少维修保养的费用以及频率。诊断预警功能，当空调系统发生故障时，系统会及时将异常信息发送到管理人员手机，并开启备用机组应对紧急情况。同时获取空调系统故障代码，将故障代码发送到合作的空调维修单位。专业维修人员快速知悉空调故障情况并作出反应，及时赶到客户现场为客户解决空调故障。第一时间发现问题，排除故障，减小停机时间和损失，让突发事件可以平稳过度，避免给医院造成更大的损失。采用大数据分析和人工智能技术，随时根据冷量需求调节空调冷量输出，可有效地均衡室内温度，避免出现各区域温差大和过冷过热的现象，使环境更舒适。
参考文献
[1] 舒顺.物联网技术中央空调控制系统[J].自然科学，2016（4）：268，2.
[2] 焦阳.智能楼宇技术在中央空调系统中的应用和推广[J].智能建筑，2018（9）：75-77.
[3] 李贤烈，刘梧林，何海光.基于ZigBee的移动物联网温度采集系统设计与实现[J].无线通信技术，2016（2）.42-45.
[4] 张朋，贺焕林，王艳霞，等.基于物联网的中央空调SCADA系统设计与实现[J].工业仪表与自动化装置，2014（6）：24-29，39.
[5] 吴光荣，全剑敏，章剑雄.基于ZigBee技术的空调控制系统[J].机电工程，2009（7）：11-13.