張 旭 江 萍 楊小天

(吉林建筑大學電氣與電子信息工程學院，長春 130118)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人們對生活品質(zhì)的追求，供暖設備和集中供熱系統(tǒng)在北方大部分地區(qū)都得到了廣泛的應用，隨之而來的問題就是能源消耗量的不斷增加.如何提高能源的使用效率，合理利用資源已成為亟待解決的問題.采暖能耗最具有節(jié)能潛力，故我們以教室為例，研究出一套教室供暖系統(tǒng)的節(jié)能智能控制模式，能夠有效地節(jié)約資源，避免熱能浪費.

1 硬件設計

本系統(tǒng)以AT 89 C 55為主控單片機，外圍模塊主要包括:電源及復位模塊;溫度采集模塊;鍵盤輸入模塊;外部存儲器模塊;顯示模塊及閥門控制模塊.工作原理框圖如圖1所示.

圖1 教室供暖節(jié)能系統(tǒng)結構框圖

1.1 溫度采集模塊

溫度傳感器DS 18 B 20測量溫度范圍為－55℃ ～+125℃，在－10℃ ～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃.若采用雙絞線帶屏蔽電纜，通訊距離可達150 m.它支持“一線總線”接口，在與單片機連接時僅需一條接口線即可實現(xiàn)與單片機雙向通訊，且抗干擾糾錯能力極強[1].

工作原理是將每個溫度傳感器賦予不同的地址，測得的當前溫度值經(jīng)過數(shù)字信號串行傳送到單片機，通過程序公式算出平均溫度，單片機通過與設定值的比對，下達命令，再經(jīng)閥門控制電路自動調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥開度的大小，即熱水流量的多少，從而達到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的.在對傳感器的布置上，考慮到由于冷空氣總是下沉，人的體表也是最先從腳底和腿部感受到?jīng)鲆猓覀冊谶h離散熱器的三面墻上，距離地面高0.3 m處均勻設置4個86盒，將溫度傳感器置于其中，并將86盒暗裝于墻內(nèi)，這樣既能給予傳感器一定的外圍保護，又不影響教室的整體美觀

1.2 時鐘電路

系統(tǒng)采用PCF 8583芯片作為時鐘，可通過I2C雙向兩線串行總線方式與單片機接口，它能提供準確的日期和時鐘，確保單片機對暖期、供暖時段進行準確的分析，并且功耗極低.為了確保系統(tǒng)運行時不因芯片突然掉電影響正常程序運行，可采用紐扣電池為芯片供電.

1.3 電動調(diào)節(jié)閥門控制電路

電動調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構接受調(diào)節(jié)電路輸出的4 mA～20 mA DC信號，并將其轉換成相應的直線位移，推動下部的調(diào)節(jié)閥動作，調(diào)節(jié)流體的流量.單片機輸出的是數(shù)字信號，所以需將其轉變?yōu)殡娏餍盘?，才能促使?zhí)行機構工作，為此設計電路如圖2所示.數(shù)模轉換器TLV 5620負責將單片機發(fā)出的數(shù)字信號轉換成模擬信號，芯片AD 694繼而將模擬信號轉換成4 mA～20 mA的電流信號，輸出給電動調(diào)節(jié)閥，完成調(diào)控.

圖2 時鐘、閥門控制與AT 89 C 55連接圖

2 智能控制模式設計

2.1 模式的建立

該教室采暖系統(tǒng)采用單管水平串聯(lián)系統(tǒng)，供水溫度為80℃，回水溫度為60℃，補水定壓由校區(qū)換熱站內(nèi)補水定壓設備解決.教室長11.2 m，寬8.05 m，高3.5 m.在根據(jù)供暖熱負荷理論計算和規(guī)范熱指標推薦值的基礎上，本設計中取面積熱指標為72 W/m2.為了得出室內(nèi)溫度與管道開度之間的關系，進行以下論證.

(1)供暖熱用戶的熱負荷.供暖設計熱負荷概算的方法有以下兩種.

體積熱指標法:

式中，V為建筑物的外圍體積，m3;tn為供暖室內(nèi)溫度，℃;twn為室外溫度，℃;qv為供暖體積熱指標(W/m3·℃).

面積熱指標法:

式中，F(xiàn)為建筑物的建筑面積，m2;qf為供暖面積熱指標，W/m2.

(2)供熱網(wǎng)路的供熱量(即熱水網(wǎng)路向供暖熱用戶輸送的熱量)

式中，G為供暖的循環(huán)水量，kg/h;tg為供水溫度，℃;th為回水溫度，℃.

如不計管網(wǎng)沿途熱損失，供暖熱用戶熱負荷Q1應等于供熱網(wǎng)路的供熱量Q2[2].通過以上公式及熱工理論、自動控制理論研究，得出3種控制模式中電動調(diào)節(jié)閥開度與這3個室內(nèi)溫度值的關系計算結果見表1.

表1 模式1～3及其對應的室內(nèi)溫度與管道開度之間的關系

2.2 模式的應用

系統(tǒng)軟件主程序由自檢子程序、供暖模式選擇子程序、鍵盤掃描子程序和閥門控制子程序組成[3]，程序流程圖如圖3所示.

(1)早上5∶30 －6∶00.當系統(tǒng)時間到達 5∶30 時，開啟模式 3，電動調(diào)節(jié)閥全開，進行預熱供暖，半小時后，人員到達前已達到預設溫度，電動調(diào)節(jié)閥調(diào)整至模式2，0.96開度;

(2)白天6∶00－22∶00.根據(jù)4只溫度傳感器平均溫度進行調(diào)節(jié).每隔半小時進行一次數(shù)據(jù)反饋，當4只溫度傳感器平均溫度低于22℃時，單片機發(fā)出控制指令，開啟模式3，電動調(diào)節(jié)閥全開進行供暖，當反饋溫度高于22℃時，單片機發(fā)出控制信號，使電動調(diào)節(jié)閥恢復至模式2進行供暖.根據(jù)表1，此時段能夠節(jié)約8.6%的熱水量;

(3)夜晚22∶00至第二天凌晨5∶30.夜晚無人員活動，開啟模式1，將電動調(diào)節(jié)閥調(diào)整至0.91開度，開啟最低能耗狀態(tài).根據(jù)表1，此時段能夠節(jié)約16.5%的熱水量;

(4)節(jié)假日.通過設定節(jié)假日時間，開啟模式1，進行最低能耗供暖.節(jié)假日亦能夠節(jié)約16.5%的熱水量.

圖3 程序流程圖

3 結語

本文介紹了教室供暖智能控制節(jié)能系統(tǒng)的原理及控制方式，根據(jù)教室不同時段所需供暖溫度不同，設置了18℃，22℃，26℃三種控制模式及其與電動調(diào)節(jié)閥開度的對應關系，單片機通過選擇控制模式靈活的調(diào)整室內(nèi)溫度，在保證供暖舒適性的同時極大的提高了能源的使用效率.

[1]趙 娜，趙 剛，于珍珠.基于51單片機的溫度測量系統(tǒng)[J].微計算機信息，2007(2):146－148.

[2]王宇清，宋永軍.集中供熱工程施工[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，2011:49－51.

[3]張毅剛，彭喜元，彭 宇.單片機原理及應用[M].北京:高等教育出版社，2010:9－55.