開放式無線產(chǎn)品在綠色節(jié)能建筑中VAV系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施-同方泰德-孫長(zhǎng)勝.

1、開放式無線（Open-to-Wireless）產(chǎn)品在綠色節(jié)能建筑中VAV系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施孫長(zhǎng)勝同方泰德國(guó)際科技（北京）有限公司 北京 100083摘要：EnOcean作為一種綠色無源的新技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用在綠色節(jié)能建筑中。它通過改變暖通空調(diào)系統(tǒng)末端現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的安裝維護(hù)方式、與控制層數(shù)據(jù)交換模式，更新機(jī)電設(shè)備控制邏輯，有效達(dá)到綠色節(jié)能建筑節(jié)能、環(huán)保的需求。關(guān)鍵詞：EnOcean；Techcon；VAV；綠色節(jié)能建筑The Open-to-Wireless products in the green energy-saving building VAV system design and imple

2、mentationSun Changsheng He DiTongFang Technovator Int. (Beijing)Co., Ltd. Beijing 100083Abstract：As a green EnOcean passive new technology has been widely used in green energy-saving building. It through the change of hvac systems field devices and control layer at the data exchange model, update th

3、e electrical equipment control logic, effectively achieve green energy-saving building energy and environmental needs.Keywords：EnOcean；Techcon；VAV；Green energy-saving building0引言綠色建筑是生態(tài)環(huán)境與建筑有機(jī)結(jié)合，在建筑生命周期內(nèi)最大限度地節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，為人們提供高效、舒適的空間。隨著綠色節(jié)能環(huán)保建筑的理念越來越得到廣泛的推崇，尤其是歐美地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了許多綠色節(jié)能建筑。無線傳感器技術(shù)作為新興節(jié)能技術(shù)正逐漸被更多的綠

4、色節(jié)能建筑采用。在眾多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)中，EnOcean以其先進(jìn)的綠色無源技術(shù)，被越來越多的樓宇自控設(shè)備廠商所采用。1EnOcean無線技術(shù)智能建筑中電氣布線如同我們身體的血管一樣，遍布其中，線纜對(duì)于建筑的日常運(yùn)行至關(guān)重要，但是世界范圍內(nèi)現(xiàn)行的新綠色建筑認(rèn)證已經(jīng)超出了線纜的定義范圍。EnOcean（基于德國(guó)EnOcean 股份有限公司能量收集技術(shù)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)）作為一種綠色無源的新技術(shù)，已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注。EnOcean公司認(rèn)為接下來的十年無線和無電池控制將大行其道，并且布線距離將會(huì)隨之變得越來越短。樓宇自控系統(tǒng)(BAS)在過去系統(tǒng)集成中如布線穿越墻和天花板時(shí)常常會(huì)受到安

5、裝成本以及其它行為的限制?；陔姵氐臒o線解決方案可在一定程度上克服安裝的麻煩，但是市場(chǎng)已經(jīng)證明其隨之而來的維護(hù)問題是無法忍受的。如果建筑設(shè)計(jì)目標(biāo)是減少能量消耗和二氧化碳排放，那么BA集成商需要一種更加便捷的安裝方式并在改造現(xiàn)有建筑時(shí)能獲得更佳的成本回收數(shù)據(jù)。目前為止，全世界有超過100000座建筑物采用了EnOcean的綠色技術(shù)，在相關(guān)資料中，EnOcean節(jié)能方案的無線能量回收控制技術(shù)已被證明為一種便捷的BAS集成方式。11 EnOcean無線技術(shù)的特點(diǎn)111 能量采集（Energy Harvest）技術(shù)EnOcean技術(shù)之所以能夠做到無需外接電源，主要是利用到了能量采集（Energy Ha

6、rvest）技術(shù)，能夠利用動(dòng)能、壓力、光線、溫度或者震動(dòng)的輕微變化所產(chǎn)生的能量，從而完全做到不需要電池和電線。EnOcean無線標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)識(shí)即為無電池和無線通信。此技術(shù)方式可簡(jiǎn)要說明如下：當(dāng)傳感器捕捉到測(cè)量數(shù)值時(shí)，其能量狀態(tài)將不停發(fā)生變化。比如，當(dāng)按下開關(guān)時(shí)，溫度值和亮度值將發(fā)生變化。此操作將為傳輸照明和HVAC自動(dòng)控制無線信號(hào)產(chǎn)生足夠的能量。與電池或電力線傳輸技術(shù)不同的是，EnOcean使用小型能量轉(zhuǎn)換器和電容器對(duì)傳感器和開關(guān)進(jìn)行供電。EnOcean的無源發(fā)電技術(shù)能量來自線性運(yùn)動(dòng)，照明以及溫差的環(huán)境能量。低能耗無線模塊，能量收集模塊和特定應(yīng)用程序共同組合在一起成為了非常便于安裝的傳感器、開關(guān)、

7、網(wǎng)關(guān)及控制器。無線信號(hào)的可使用能量收集模塊是由超微量能量進(jìn)行供電，僅需50毫瓦的收集功率。EnOcean控制器的無線信號(hào)傳輸距離最多可至300米(室內(nèi)通常為45米-包括穿墻和天花板)。這些專利技術(shù)即為采用了持續(xù)短信號(hào)技術(shù)-整個(gè)無線信號(hào)傳輸過程，從開始運(yùn)行到完成的時(shí)間少于千分之一秒。112 使用低頻率傳輸全世界計(jì)算機(jī)、打印機(jī)及其它一些IT設(shè)備所使用的無線網(wǎng)絡(luò)均為2.4GHz頻率，這使得868MHz頻率波段更適合樓宇自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。它允許可以沒有連續(xù)傳輸,而只是有很短的傳輸脈沖。另外，無線電的物理定律表明868MHz的無線電波有著2倍于2.4GHz信號(hào)的覆蓋范圍，及2倍的穿透墻壁和家具的能力。一個(gè)2.

8、4GHz的系統(tǒng)要用4倍的接收節(jié)點(diǎn)來覆蓋它的區(qū)域，相比之下，它比868MHz的解決方案增加了成本。另外，當(dāng)通信干擾出現(xiàn)時(shí)，它通常是由緊鄰的工作在同一頻段的無線電收發(fā)器造成的。高密度的無線電設(shè)備，可能造成傳輸?shù)难舆t甚至數(shù)據(jù)丟失。由于EnOcean技術(shù)使用315和868兩個(gè)頻率，這使得它更加安全，并且使用低密度的設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)通信。113 EnOcean與其它無線技術(shù)的對(duì)比EnOcean技術(shù)與其它無線技術(shù)相比較（見表1-1），目前更適合綠色建筑的樓宇自控系統(tǒng)。EnOceanZ-Wave or KNX-RFZigBeeZigBeeBluetoothWLAN(802.11)(802.15.4)(802.1

9、5.4)(802.15.1)頻率（MHz）868/315868868240024002400數(shù)據(jù)速率（千字節(jié)/秒）1259.6 / 202025072011.000-54.000最低電報(bào)長(zhǎng)度（毫秒）0.6203040.7-能源需求（包括啟動(dòng)）極低低 低 低 中等 高 頻率波段基本負(fù)荷水平低 低 低 高 高的高 數(shù)據(jù)碰撞風(fēng)險(xiǎn)非常低中等 中等 低 非常低 高 無電池?zé)o線收發(fā)器是 否 否 否 否 否 生命周期成本非常好良好 良好 良好 良好 不太好基于以下目的方案優(yōu)化免維護(hù)的無源無線傳感器系統(tǒng)電池供電的無線傳感器系統(tǒng)電池供電的無線傳感器系統(tǒng)電池供電的無線傳感器系統(tǒng)帶有打印機(jī)和PDA的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)

10、 網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)，電子郵件，視頻）表1-1：當(dāng)前無線技術(shù)對(duì)比2Techcon09 Open-to-Wireless系列產(chǎn)品同方泰德國(guó)際科技（北京）有限公司基于EnOcean技術(shù)，在原Techcon09系列產(chǎn)品的基礎(chǔ)上開發(fā)出開放式無線（Open-to-Wireless）系列產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品由Techcon09 Open-to-Wireless系列自由編程控制器、無線接收器Techcon W100和Techcon W30XS系列無源無線室內(nèi)溫度傳感器組成?，F(xiàn)場(chǎng)無線設(shè)備（Techcon W30XS系列無源無線室內(nèi)溫度傳感器或其它采用EnOcean標(biāo)準(zhǔn)的無線無源傳感器，如開關(guān)、照度傳感器等）發(fā)射微功率無線

11、信號(hào)與無線接收器Techcon W100進(jìn)行通信。Techcon09 Open-to-Wireless系列自由編程控制器通過無線接收器Techcon W100接收到現(xiàn)場(chǎng)無線設(shè)備發(fā)射的無線信號(hào)后，根據(jù)預(yù)先定制的程序控制末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)或設(shè)備，從而達(dá)到環(huán)境預(yù)期需求。該系列產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于教室、酒店、辦公室以及其他商業(yè)的地區(qū)的樓宇自控系統(tǒng)。21 主要優(yōu)點(diǎn)：Techcon W30XS系列無源無線室內(nèi)溫度傳感器：l 不但能夠精確提供所測(cè)量的溫度，根據(jù)型號(hào)不同還可以提供溫度設(shè)定、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定和占用模式改變等功能；l 采用成熟的能量收集技術(shù)，無需供電，無需電池，能夠充分利用任何光源提供日常操作的所需的能源，無需

12、維護(hù)，節(jié)能環(huán)保，降低火災(zāi)隱患；l 經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，安裝十分簡(jiǎn)便，即可以使用雙面膠粘貼在任何表面上，也可以使用塑料脹管安裝在墻面上；l 通過發(fā)射微功率無線信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省大量的安裝材料和安裝時(shí)間，像布線設(shè)計(jì)、鋪設(shè)線纜等以往需要耗費(fèi)許多精力和預(yù)算的繁雜工作，將變得多余，從而使系統(tǒng)安裝的費(fèi)用大大降低；l 系統(tǒng)正常投入使用后，建筑空間可任意改變用途和空間布局，傳感器可隨意改動(dòng)位置、增減數(shù)量，不需任何重復(fù)施工；l 與接收器通訊方式簡(jiǎn)單，分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種；Techcon09 Open-to-Wireless系列自由編程控制器：l 采用標(biāo)準(zhǔn)Lontalk通訊協(xié)議，可以無縫接入任何Lonworks網(wǎng)絡(luò)中；l

13、 采用標(biāo)準(zhǔn)的EnOcean技術(shù)，不限定現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備生產(chǎn)廠商，使用現(xiàn)場(chǎng)末端設(shè)備靈活多樣；l 通用輸入、輸出點(diǎn)位，配置靈活；l 型號(hào)豐富，滿足各種應(yīng)用需求（自由編程型、VAV專用型）。22 系統(tǒng)架構(gòu)：圖2-1：系統(tǒng)架構(gòu)圖3開放式無線（Open-to-Wireless）產(chǎn)品在變風(fēng)量（VAV）空調(diào)系統(tǒng)中的解決方案31 變風(fēng)量（VAV）空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介變風(fēng)量（Variable Air Volume）空調(diào)系統(tǒng)是一種通過改變送風(fēng)量來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度的空調(diào)系統(tǒng)。它60年代起源于美國(guó)，70年代在歐美和日本得于廣泛應(yīng)用，90年代末才進(jìn)入我國(guó)大陸地區(qū)。由于它有巨大節(jié)能優(yōu)勢(shì)，而在世界迅速發(fā)展，目前已占世界空調(diào)系統(tǒng)30份額，并且

14、成為空調(diào)發(fā)展的必然趨勢(shì)。它區(qū)別于其它空調(diào)形式的優(yōu)勢(shì)主要在于以下幾個(gè)方面：1） 節(jié)能：由于空調(diào)系統(tǒng)在全年大部分時(shí)間里是在部分負(fù)荷下運(yùn)行，而變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是通過改變關(guān)風(fēng)量來調(diào)節(jié)室溫的，因此在滿足同一舒適性的前提下，VAV系統(tǒng)的空調(diào)就比普通造定風(fēng)量系統(tǒng)中的空調(diào)節(jié)省約20%的能源。2） 舒適：VAV系統(tǒng)是全空氣系統(tǒng)，相對(duì)于風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)可以很準(zhǔn)確、合理的補(bǔ)充新風(fēng)，在舒適的前提下不會(huì)造成不合理的浪費(fèi)。3）健康：VAV系統(tǒng)是全空氣系統(tǒng)，冷水管路不經(jīng)過吊頂空間，避免了風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)中令人煩惱的冷凝水滴漏和污染吊頂問題，也不會(huì)有霉變的問題，風(fēng)道里送出來的風(fēng)不會(huì)像風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)那樣帶有很多細(xì)菌。4）系統(tǒng)靈活性好：現(xiàn)代

15、建筑工程中常需進(jìn)行二次裝修，由于帶VAV空調(diào)箱裝置的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，其送風(fēng)管與風(fēng)口以軟管連接，送風(fēng)口的位置可以根據(jù)房間分隔的變化而任意改變，也可根據(jù)需要適當(dāng)增加風(fēng)口。而在采用定風(fēng)量系統(tǒng)或風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的建筑工程中，任何小的局部改造都顯得很困難。 5）方便管理：由于VAV系統(tǒng)每一個(gè)控制器都可以由聯(lián)網(wǎng)控制，所以每一個(gè)房間的運(yùn)行狀況，都可以在中控室進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)，從而提高樓宇智能化程度。32 選擇基于EnOcean技術(shù)的開放式無線產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)VAV系統(tǒng)控制的優(yōu)點(diǎn)321 優(yōu)化的控制邏輯：除滿足常規(guī)VAV系統(tǒng)全部控制功能外，通過增加移動(dòng)偵測(cè)傳感器，配合系統(tǒng)時(shí)間表計(jì)劃，優(yōu)化了控制邏輯。如房間有人使用，則根據(jù)

16、溫度設(shè)定需求正常調(diào)節(jié)；如房間無人使用，則根據(jù)需求關(guān)閉VAV BOX或改變（根據(jù)工況調(diào)高或調(diào)低）溫度設(shè)定值。通過合理降低VAV BOX送風(fēng)風(fēng)量，有效的降低建筑運(yùn)營(yíng)成本，達(dá)到節(jié)能效果。322 優(yōu)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備： 除常規(guī)配置（有線連接）外，增加無線通信功能，無需布線，就可以正常使用無源無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。區(qū)別于傳統(tǒng)有線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，無源無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有以下優(yōu)點(diǎn)：l 無需供電、布線，能夠充分利用任何光源提供日常操作的所需的能源，節(jié)省大量的安裝材料和安裝時(shí)間，使系統(tǒng)安裝的費(fèi)用大大降低； l 安裝簡(jiǎn)便，可以使用雙面膠粘貼，也可以使用塑料脹管安裝，唯一需要考慮的只有傳感器最佳安裝位置；l 系統(tǒng)正常投入使用后，建筑空間可任

17、意改變用途和空間布局，可隨意改動(dòng)位置、增減數(shù)量，不需任何重復(fù)施工；l 相對(duì)于其它無線標(biāo)準(zhǔn)（如ZigBee等）的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，無需電池，無需維護(hù)，節(jié)能環(huán)保；323 增強(qiáng)的控制功能建筑設(shè)備中，除暖通空調(diào)系統(tǒng)中的空調(diào)設(shè)備（風(fēng)機(jī)、水泵），照明系統(tǒng)也是比較消耗能源的，所以開放式無線產(chǎn)品除常規(guī)的的溫度控制外，增加室內(nèi)照明控制。通過增加房間照度傳感器（或照明開關(guān)），配合系統(tǒng)時(shí)間表計(jì)劃，參考移動(dòng)偵測(cè)傳感器信號(hào)，探測(cè)房間是否正在使用，如有人使用，則根據(jù)照度設(shè)定需求正常調(diào)節(jié)或關(guān)閉；如無人使用，則根據(jù)需求關(guān)閉照明回路或調(diào)低照度，達(dá)到節(jié)能效果。還可添加百葉窗或窗簾控制，VAV控制器預(yù)留I/O點(diǎn)位和控制程序。324 真正的

18、離散結(jié)構(gòu) VAV控制器完成房間溫度、照明控制，通過網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給管理服務(wù)器，達(dá)到集中管理、分散控制要求。325 真正的綠色樓宇方案l 有效利用可再生能源；l 不使用電池，沒有電池更換、管理、回收的負(fù)擔(dān)；l 減少電纜和布線材料（金屬、塑料）的使用；l 保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)326 Techcon09 Open-to-Wireless系列產(chǎn)品VAV系統(tǒng)房間應(yīng)用 典型的Techcon09 Open-to-Wireless產(chǎn)品VAV系統(tǒng)房間應(yīng)用是由無源無線室內(nèi)傳感器、移動(dòng)偵測(cè)傳感器、照度傳感器和Open-to-Wireless系列VAV自由編程型控制器組成（見圖3-1）。圖3-1：Techcon09 Op

19、en-to-Wireless系列產(chǎn)品VAV系統(tǒng)房間應(yīng)用4開放式無線（Open-to-Wireless）系列產(chǎn)品安裝注意事項(xiàng)41 傳輸距離系統(tǒng)傳輸距離主要是由接收器的天線類型和所在位置、阻礙連接路徑的地形情況、影響接收的干擾源及由于附近導(dǎo)體反射引起的信號(hào)“盲點(diǎn)”所影響。預(yù)期傳輸?shù)木嚯x由系統(tǒng)環(huán)境決定，某些特殊應(yīng)用場(chǎng)所必須進(jìn)行距離測(cè)試。下面所列僅僅是預(yù)期傳輸?shù)木嚯x：l 直線傳播：走廊標(biāo)準(zhǔn)距離30米，大廳100米；l 石膏板或木板墻：標(biāo)準(zhǔn)距離30米，最大穿越5面墻；l 混凝土墻或天花板：標(biāo)準(zhǔn)距離10米，最大穿越1層天花板；l 防火墻壁，電梯井，樓梯和供給區(qū)域被認(rèn)為是完全屏蔽傳輸信號(hào)的。傳輸信號(hào)穿墻的角

20、度也是非常重要的，信號(hào)的衰減程度是隨穿墻有效厚度的角度不同而不同的。信號(hào)傳輸時(shí)應(yīng)直接透過墻壁，避免墻壁壁龕。其他制約距離的因素是：l 開關(guān)安裝在金屬表面將損失30%傳輸距離l 內(nèi)有金屬箔的絕緣或中空等輕重量的墻壁l 人工天花板中含有大量金屬或碳纖維l 含有金屬涂料的玻璃或鋼制家具接收器之間的距離或其他傳輸設(shè)備（例如電腦、音頻和視頻設(shè)備）也會(huì)因?yàn)榘l(fā)出高頻信號(hào)而應(yīng)適當(dāng)拉開至少0.5米。42 保持信號(hào)強(qiáng)度在安裝無線設(shè)備時(shí)，一定要保證沒有障礙物，并且有足夠的間距不阻礙數(shù)據(jù)傳輸。金屬部件，例如加固墻、機(jī)械設(shè)備、辦公家具等是信號(hào)衰減的主要來源。此外，供給區(qū)域、電梯井被認(rèn)為是完全屏蔽傳輸信號(hào)的（詳見圖4-1

21、）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在一般情況下，在正常的環(huán)境中設(shè)備傳輸?shù)木嚯x超過30米。即使在這種情況下，可能也有必要用信號(hào)強(qiáng)度表檢測(cè)一下實(shí)際傳輸性能。一個(gè)人操作無線傳感器上的按鍵發(fā)送無線數(shù)據(jù)，另一個(gè)人使用儀表檢驗(yàn)信號(hào)接收強(qiáng)度，從而決定無線設(shè)備的最佳安裝位置。圖4-1：無線電波屏蔽除了障礙物，傳輸信號(hào)穿墻厚度距離的角度對(duì)信號(hào)強(qiáng)度也有巨大的影響。穿墻角度越陡，傳輸信號(hào)強(qiáng)度越差（詳見圖4-2）。因此，最佳的信號(hào)傳輸是安排它垂直穿越障礙物。圖4-2：無線電波穿墻角度傳感器的安裝位置不要與接收器在同一平面上，無線電波很容易受到反射干擾（詳見圖4-3），更好的安裝位置是側(cè)面或?qū)γ娴膲Ρ?。圖4-3：無線電波和墻壁為避免不必要的干擾，不相關(guān)的信號(hào)傳送器應(yīng)與接收器之間