关于物联网在建筑设备应用中的一些思考

建筑设备智能化是SpaceEase应用中最关键的的环节之一。如何让物联网技术在传统的建筑设备领域施展拳脚，解放原本受制于传统技术而各自孤立的“烟囱”设备和“孤岛”系统，是本文讨论的重点。

1、背景

说起建筑设备的智能化应用，就不得不提从诞生伊始被认为是“高大上”后来又逐渐沦落为摆设的BA系统。BA系统（Building Automation System）即楼宇设备自控系统，它集合了空调系统、冷热源系统、给排水系统、梯控系统，以及供配电系统（如照明、动力等），通过运行状态监控与故障监测，对建筑物内各类设备进行高效率的管理与控制，进而提供舒适环境和现代化管理。这个听上去集成度高、现代化程度也很高的管理系统为什么会逐渐成为摆设呢？原因归结起来有两点：假性的高集成度和不友好的应用界面。

1）假性的高集成度。这个其实很好理解，楼宇内不同子系统都采购自各家供应商，而照明、空调、电梯这些建筑设备都有自己的供应商圈子，他们在各自领域深耕多年，非常专业，只要采购方有控制需求，每家都可以拿出一套成熟、稳定的自控系统。BA系统只需要把各家的自控系统集合堆砌起来，再包装一个可操作的界面即可实现监测和控制。即使通过约定各子系统通讯协议的方式来减少中继、网关（或者转换器）数量，也改变不了子系统之间互相独立，数据不通、无法联动的局面。这在5G+物联网、大数据分析和人工智能快速发展的当下，等于自废武功，跳出技术迭代的大势，故步自封。

2）不友好的应用界面。传统的BA系统更多的关注在于集成不同的建筑设备子系统，将不同供应商已经成熟的系统集合到一个平台。对比更早期各系统控制器散落在各个机房、功能间、管道井内，需要运维人员各地跑动的模式，拥有一个集成平台的BA系统已经完成了从0到1的跃迁。平台交互是否友好、展示是否舒适，并不是必要条件。

在数据分析的价值越来越被大众意识并认可的时候，这些坐拥海量一手数据的设备却被锁死在终端，需要人主动以excel等格式导出历史数据来为分析做准备。如何把死数据用活，是物联网在建筑设备应用过程中首要思考的问题。

建筑设备子类丰富，本文仅举例空调一项做详细展开，其他板块的介绍将在日后分享输出给大家

2、空调系统简介

无论在任何性质的建筑单体或者园区中，空调永远是设备投资占比大、能耗最高的建筑设备类型。空调设备的能耗一般占建筑能耗的50%，在一些对舒适性或者工艺性要求高的场合，这一数值甚至会达到65%。所以，从提高投入产出比的角度，或者运行上如何实现降本增效的角度，空调始终是我们在实际工作中绕不开的大山。

开始分析物联网如何应用在空调设备之前，我先对空调系统做一个简单的介绍：

1）空调系统分类

上图是根据换热介质的不同而对空调系统做的分类，这里需要提前说明的一点是：除了制冷剂系统已经包括了冷热源之外，全空气系统和空气-水系统都需要另外设置冷热源，否则这些末端设备跟风扇差别不大。

全空气系统通过风管把处理到送风状态点的空气送达各个空调区，低温低湿的送风进入房间/空间对其制冷，送风吸收了房间的散热量和散湿量后变成高温高湿空气经回风管回到空调机组。空调机组使用冷水把回风降温除湿，混合新风或者直接再次进入送风管，至此完成一次空气循环。由于在整个空调区参与制冷过程的全是空气，所以该系统便称为全空气系统。

空气-水系统有两部分组成，一部分是新风，另一部分是末端制冷盘管。新风跟上述提到的全空气系统类似，只是新风空调不会有回风这一项。末端制冷盘管简单来说就是一段按照换热量设计好的水管组合，给它加上风机便是风机盘管，没有与风机打配合而直接单独被嵌入墙体或者吊顶（就跟地暖一样）则称为冷辐射。这样，我们便可以看出盘管是通过把冷水直接送到空调区进行与空气的换热而实现对房间/空间制冷的。新风代表全空气系统，盘管代表水系统，合在一起便是空气-水系统这一分类的由来。

最后是制冷剂系统，看完上面两个系统的名词解释我们就不难得出一个结论，即这个系统就是把制冷剂直接输送到空调区，使其与空调区内的空气发生换热从而对房间/空间进行制冷。家里常见的分体式空调便是制冷剂系统的一种，有些豪装一点的小伙伴家里用的“一拖多”的中央空调也属于制冷剂系统。

在上述所有大框架下，只要把冷水替换成热水就是一套制热系统，所以空调系统在这里是既可以实现制冷又可以实现制热的存在。

2）各系统的控制方式

全空气系统和空气-水系统中的空调机组（包括新风机组）一般可以使用PLC（Programmable Logic Controller）、DDC（Direct Digital Control）或者DCS（Distributed Control System）。PLC是基于继电器发展起来的控制技术，从一开始的逻辑控制（顺序开关）慢慢发展到现在已经可以处理模拟量，但是由于点位数量有限，但同时响应迅速，PLC更多作为局部控制放在设备附近。；相较于PLC通讯协议的通用性特质（串口R232、R485），DDC集成了更丰富的建筑设备专用协议（如BACnet、LonWorks、KNX）可以直接对接市面上常见的空调厂家设备/系统，而PLC则需要另外增加网关和上位机来实现集成；DCS可以理解为是PLC的PLUS版，可以对接更多控制点位，完成全局而非局部设备的控制。

空气-水系统中的风机盘管通过空调面板进行一对一就地控制，就地的意思是需要用户去现场去按面板上的实体按键或者液晶面板，这也就意味着把空调的控制权限全部开放给用户。以下场景大家应该非常熟悉：夏天刚到办公室觉得非常热，有些同事就会把自己工位上的空调设置温度调到最低的18℃，而当空调真的发挥作用把温度降下来后，有多少人会及时把空调关掉或者把温度调回到节能的26℃呢？更有甚者会把相邻的多台空调都打开设置成18℃。18℃本身就不是一个足够平衡节能和舒适的温度（国家标准的推荐值是24~28℃），设置成18℃后，空调系统必然会延长工作时间，既不节能也提供不了舒适的办公环境。这个末端设备变成了一个盲区，控制触达不到，数据送不出来。

制冷剂系统我们主要分析VRV/VRF多联机系统（VRV-Variable Refrigerant Volume，VRF-Variable Refrigerant Flow）。多联机虽然同样有放置在空调区域内的面板（厂家多称之为线控器），但是与空气-水系统中的风机盘管和提供冷水的冷源之间相对独立不同，多联机的末端（即室内机）和冷源（即室外机）是密不可分的，因为连接他们的制冷剂同时也是载冷剂。是不是稍微又有点糊涂了？那我们不防在这里稍作展开，把制冷剂和载冷剂两个名字说说清楚。载冷剂就是实际与空调区发生换热的介质，在全空气系统和空气-水系统里面，这个载冷剂就是冷冻水管里面的水。那谁给水制冷呢？是冷源（一般放置在地下室的制冷机房或者屋顶）里面的制冷剂，也可以直接用氟利昂来代入来理解。而在多联机系统里，这个制冷剂同时也作为载冷剂去了空调区与空气发生换热。所以，当选用了“一拖多”的多联机系统，实际已经把所有室内机和其对应的室外机做了捆绑，捆绑他们的线便是通讯线。厂家提供的室内机面板不止承担控制室内机的作用，也同时肩负着管理室外机的功能（虽然一般用户都不会使用到这个功能）。正是由于这个面板功能丰富而且重要，厂家便会对其投入更多精力来提升他的自动化程度。所有多联机厂家在提供设备之外，都会有一套集控系统给客户做选配。

3、空调系统的物联网化“药方”

在了解了上述各类控制方式后，我们物联网化的过程只需要见招拆招：

循环机组，无论是PLC（PLC一般不会单独作为空调控制系统，需要搭配SCADA）、DDC或者DCS系统，想要实现自控，都离不开传感器和执行器两个基础套件；进一步，要实现远控则离不开通讯网络；这三点同时也属于物联网的基础要素。通过物联网技术，原本只服务于空调系统的传感器和执行器便可以跳出系统限制，成为其他系统的感测设备和执行设备，设备的接入数量理论上几乎没有限制。在传统的DDC或者PLC+SCADA控制中，末端控制器本身就是一个功能丰富的微机，包括数据存储、逻辑控制、算法计算等，哪怕在一些只有简单控制需求的场合，控制器一视同仁得具备了这些功能，灵活度满足的同时造价也上来了，越大的项目造价越是惊人。而采用物联网技术，所有设备只要做好本职工作，存储也好、算法逻辑也好，都交给平台。

风机盘管，风机盘管系统的末端控制即空调面板，面板已经集成了感知和执行能力：面板可以采集室内温度；面板可以控制风机盘管的风机转速和水阀通断。距离实现物联网，其实只缺了最后一段路——通讯网络。把空调面板并入网络后，面板就可以变身成一个物联网控制小脑，承担数据上传、指令下发、秘钥检验的功能。由于在对空调面板进行联网升级的时候，并没有取消它原本就地控制的功能，所以面板天然具有“防呆”保障，本地+远程的结合既保证了方案实施的稳定性，也最大限度延续了原来的使用体验，方便物联升级的平滑过渡。

VRV/VRF多联机系统，上文已经解释过VRV的室内机和室外机有一套完整的控制系统，这意味着这些设备之间都有内部沟通协议，并且不同厂家都有自己成熟的通讯协议，我们首先需要做的就是把五花八门的协议标准化成物联网协议，再联网并入控制平台。有别于其他两种系统，VRV的室外机和室内机因为有了通讯，我们的物联网思路也因之有了两个对应的实现路径：室外机通过增加网关来接入平台；对室内机的线控机进行物联网升级。无论采用哪一种，都会面临大量繁复的对接测试工作，因为国内外常见的品牌就有21种（包括约克、开利、格力、美的、LG等），而这只是从事物联网的我们日常工作内容的一小部分。

4、小结

空调系统只是建筑设备的一部分，建筑设备又只是整个智慧园区/楼宇的一部分，上文所述对空调设备做的物联网升级也仅仅做到了对其硬件进行升级，对于物联网应用而言，一切只是基础和起步。要想避免步BA系统的后尘，我们需要做的更多：

1）叠加大数据分析buff，发挥数据的价值。做到空调系统的数据能够指导物业、行政管理人员形象高效、节能、人性化的管理。

2）与其他物联子系统的有效联动智控。如灯联网系统、智能插座、智能给水系统等都可以和空调系统有机结合，共享底层基础数据，由平台给出适用于全局的最优运行手段。

3）保持物联网空调系统具备快速迭代功能。传统的BA系统界面老旧、交互不友好，且完成安装后几乎不支持迭代更新，并不符合当下的使用习惯。只有让系统具备不断优化升级的功能，才能适应现代技术的快速发展。

以上便是本人关于物联网在建筑设备应用中的一些思考，希望能为大家对物联网如何在智慧建筑/楼宇应用提供一些思路。