高校教室照明系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)研究

高校教室照明系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)研究

0教室電能資源浪費(fèi)嚴(yán)重作為主要的學(xué)習(xí)場(chǎng)所，教室通常采用開放時(shí)間的自由管理模式，以便學(xué)生之間的知識(shí)和學(xué)習(xí)交流。換句話說，教室資源不像高中、初和初等學(xué)校那樣集中在特定班級(jí)。因此，教室管理者靜態(tài)管理教室的設(shè)備、衛(wèi)生、公共安全和其他材料。教室資源的開放式管理雖然給學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)交流提供了便捷的場(chǎng)所,但由于缺乏對(duì)應(yīng)的高效調(diào)配管理自動(dòng)化系統(tǒng),很多教室能源浪費(fèi)十分嚴(yán)重,經(jīng)常出現(xiàn)一兩個(gè)人,甚至無人情況下,教室照明燈具、風(fēng)扇等長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài);或者在光線強(qiáng)度、溫濕度等條件滿足學(xué)習(xí)要求時(shí),照明、風(fēng)扇等耗能電器依然處于額定運(yùn)行工況,從而造成大量的電能資源浪費(fèi)。按照教室等公共區(qū)域的照明設(shè)計(jì)規(guī)范可知,教室照明功率密度通常按照10W/m2進(jìn)行設(shè),也就是說如果一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)教室按照96m2進(jìn)行設(shè)計(jì),則按照其照明系統(tǒng)從早晨8點(diǎn)到晚上9點(diǎn)正常運(yùn)行13個(gè)小時(shí),每個(gè)教室每個(gè)教學(xué)年度按160kw·h,整個(gè)學(xué)校共有210間教室進(jìn)行計(jì)算,如果采用相關(guān)先進(jìn)控制技術(shù)手段將其照明系統(tǒng)的節(jié)電能力提高30%,則全年大約可以節(jié)約電能資源2.28×105kw·h,如果按照單位電能0.5元進(jìn)行計(jì)算,則全年可以節(jié)約電費(fèi)額為12萬元左右,而且上述估算分析中還沒有考慮教室照明系統(tǒng)的線損、燈具使用壽命等因素,因此,對(duì)教室照明系統(tǒng)等進(jìn)行節(jié)能技術(shù)升級(jí)改造,其所獲得的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀,是學(xué)校教室建筑節(jié)能降耗研究的一個(gè)重要內(nèi)容。1教室照明系統(tǒng)自動(dòng)節(jié)能控制方案設(shè)計(jì)教室燈光控制器可以通過內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)教室內(nèi)部照明燈光系統(tǒng)的有效節(jié)能自動(dòng)智能化調(diào)節(jié)控制。從整個(gè)系統(tǒng)的功能效果來看,其系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)主要是教室內(nèi)人體存在信號(hào)、環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度等特征信息當(dāng)量,即在教室檢測(cè)到有人存在時(shí),結(jié)合環(huán)境溫濕度、環(huán)境光照等外部因素,動(dòng)態(tài)判斷是否開啟燈光系統(tǒng)以及照明燈具相互節(jié)能匹配方案等;當(dāng)環(huán)境光照等滿足教室照明規(guī)范需求時(shí),就會(huì)控制燈具不打開,即只有當(dāng)教室內(nèi)存在學(xué)習(xí)人員且外部環(huán)境光照強(qiáng)度參數(shù)達(dá)到某種閾值條件以下時(shí),并在內(nèi)部計(jì)算分析判斷合理調(diào)節(jié)照明燈具開啟匹配方案,達(dá)到教室照明燈光高效穩(wěn)定節(jié)能運(yùn)行效果。為了實(shí)現(xiàn)教室照明系統(tǒng)調(diào)節(jié)運(yùn)行的靈活性和高效節(jié)能性,本文選取單片機(jī)作為這個(gè)控制系統(tǒng)的核心控制器,結(jié)合光照度傳感器等硬件設(shè)備,通過自動(dòng)智能化控制,有效提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)可靠性。對(duì)于硬件部分的設(shè)計(jì),只要結(jié)合教室照明系統(tǒng)基本功能要求,通過合理選型搭配構(gòu)筑一個(gè)完善的功能硬件系統(tǒng),為系統(tǒng)軟件運(yùn)行提供一個(gè)重要的技術(shù)支持平臺(tái);對(duì)于軟件部分的設(shè)計(jì),通過各種傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集,并結(jié)合其它硬件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸、分析處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)教室燈光資源的自動(dòng)智能化節(jié)能經(jīng)濟(jì)調(diào)度運(yùn)行。2教室資源高效合理動(dòng)態(tài)調(diào)配管理本文設(shè)計(jì)的教室燈光節(jié)能控制系統(tǒng)以PIC18F458單片機(jī)作為教室檢測(cè)控制單元的核心控制器,然后通過RS-485通訊線將同一樓層的教室節(jié)能控制檢測(cè)控制單元1n有機(jī)互聯(lián)起來,然后通過CAN總線將樓層控制單元1n與教室資源綜合調(diào)配管理中央計(jì)算機(jī)單元進(jìn)行有機(jī)互聯(lián)起來,實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)部燈光等資源的高效合理動(dòng)態(tài)調(diào)配管理,其具體邏輯組成結(jié)構(gòu)如圖1所示:從圖1可知,教室檢測(cè)控制單元主要由PIC系統(tǒng)的PIC18F458單片機(jī)為控制核心,實(shí)現(xiàn)對(duì)教室用電電氣設(shè)備運(yùn)行狀況、教室溫濕度、光照強(qiáng)度、以及學(xué)習(xí)交流學(xué)生人數(shù)等信息的動(dòng)態(tài)采集,并利用KingView6.5在教學(xué)樓中央計(jì)算機(jī)單元上為教室管理人員提供一個(gè)全中文、數(shù)字化、圖形化、以及動(dòng)態(tài)化的教室資源統(tǒng)籌調(diào)配監(jiān)控界面,大大提高了系統(tǒng)的人性化服務(wù)水平。3教室監(jiān)控對(duì)象管理系統(tǒng)從圖1可知,教室檢測(cè)控制單元是整個(gè)教室節(jié)能控制智能化調(diào)節(jié)管理系統(tǒng)中重要的核心組成部分,一方面,其應(yīng)對(duì)教室內(nèi)部各種監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集、實(shí)時(shí)運(yùn)算分析處理、存儲(chǔ)等功能;另外還要與樓層相關(guān)控制單元進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息通信共享。3.1硬件方案的設(shè)計(jì)3.1.1pic18f458+pic18f458+c考慮到智能教室資源節(jié)能調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)所要求的自動(dòng)智能化集成度高、可靠性強(qiáng)、功耗低以及操作維護(hù)方面等特點(diǎn),本次設(shè)計(jì)選用美國Microchip公司自主研發(fā)的PIC系統(tǒng)單片機(jī)中的PIC18F458單片機(jī)。該單片機(jī)具有哈佛總線通信結(jié)構(gòu)、精簡(jiǎn)指令集(RISC)控制技術(shù)、運(yùn)算分析速率高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),非常適合與工業(yè)控制、儀器儀表精確控制、家用電器智能控制等領(lǐng)域。3.1.2光照強(qiáng)度設(shè)計(jì)從大量關(guān)于光電管、光禍合器、以及光敏電阻等光電探測(cè)器性能研究成果表明,光敏電阻所具有的光譜響應(yīng)峰值與人視覺敏感區(qū)的光波長(zhǎng)非常接近;而且當(dāng)外部光照強(qiáng)度發(fā)生減弱時(shí),光敏電阻所具有的響應(yīng)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加,這于教室燈光控制系統(tǒng)在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),其輸出狀態(tài)保持功能需要加強(qiáng)較為匹配,因此,本次設(shè)計(jì)選用光敏電阻作為教室光照強(qiáng)度的主要采集和處理單元。教室光照強(qiáng)度信號(hào)采集硬件電路如圖2所示:圖2中,RO為光敏電阻,其電阻值會(huì)隨教室內(nèi)部光線的變亮變慢而下降和上升,從而確保教室控制器輸出的穩(wěn)定性;R為光照采集電路中的負(fù)載電阻;Vcc為采集電能的+5v電源;C為電路中得去藕電容。3.1.3教室節(jié)能控制以紅外傳感器為核心構(gòu)筑教室內(nèi)部學(xué)習(xí)人數(shù)信號(hào)采集與處理子系統(tǒng),不僅具有成本低、電路結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單等特點(diǎn);同時(shí)還可以將教室人數(shù)作為教室內(nèi)部照明系統(tǒng)燈具數(shù)量控制方案的重要數(shù)據(jù)依據(jù),以實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)部資源的合理節(jié)能調(diào)配管理。紅外數(shù)據(jù)采集與處理單元的邏輯組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。3.2節(jié)能系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由于教室節(jié)能控制系統(tǒng)是一個(gè)集信號(hào)采集、信號(hào)傳輸以及智能化節(jié)能調(diào)節(jié)等功能為一體的復(fù)雜系統(tǒng),其軟件編程是一個(gè)非常重要的部分。限于文章篇幅,文中不對(duì)所有部分進(jìn)行一一詳細(xì)闡述,只對(duì)光照強(qiáng)度采集電路和紅外數(shù)據(jù)采集處理電路的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。3.2.1植物植物光照強(qiáng)度軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)光照信號(hào)光敏傳感器采集電路部分的軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)在于通過光敏傳感器對(duì)教室內(nèi)的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和動(dòng)態(tài)分析處理,其具體軟件流程步驟如圖4所示。3.2.2紅外數(shù)據(jù)采集、軟件安裝采用紅外傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)量教室內(nèi)的實(shí)時(shí)學(xué)生學(xué)習(xí)人數(shù),從而獲得最優(yōu)的照明燈具控制方案,其具體軟件流程如圖5所示。4教室節(jié)能自動(dòng)調(diào)度管理教學(xué)樓中央計(jì)算機(jī)單元作為整個(gè)教室資源節(jié)能控制系統(tǒng)的上位監(jiān)控機(jī),其正常運(yùn)行時(shí)教室內(nèi)部能源資源的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息運(yùn)算分析、存儲(chǔ)等程序,均通過CAN總線與教室節(jié)能檢測(cè)終端控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,實(shí)現(xiàn)教室資源的動(dòng)態(tài)節(jié)能智能化調(diào)度管理。教室資源節(jié)能控制系統(tǒng)的上位機(jī)可視化人機(jī)互通軟件設(shè)計(jì)界面如