建筑暖通机械故障诊断预警平台

摘要：随着建筑业舒适型和能源效率的需求不断增加，建筑暖通机械系统是建筑的基本组成部分，起到举足轻重的作用。但暖通机械系统长期运行中存在故障的问题会对系统的运行性和服务性产生影响，构建一套建筑暖通机械故障诊断预警平台是提升系统健固性和日常保养效益的关键。该平台利用现场测控、信息采集与智能诊断技术，对建筑暖通系统发生故障做出及时的判断，并进行预警，以达到有效的日常维护及节能功效。本文提出了一种基于智能算法的建筑暖通机械故障诊断预警平台的设计方案，涵盖了系统架构、数据传输、故障诊断、预警机制和用户界面等功能模块。实践证明，该平台具有较优的故障诊断准度和及时率，有利于对建筑物暖通系统的管理。

关键词：建筑暖通机械；故障诊断；预警平台；智能分析；系统优化

引言

设备状态的监测与诊断技术是当前迅速发展的一项设备管理新技术。随着信息技术、网络技术、数字通讯等新技术的普及和发展，故障的诊断和预测有了可能。特别是在暖通系统中，设备的性能持续提升，同时系统的复杂性也在不断增加，传统的故障检测手段已经无法满足需求，迫切需要新的故障诊断方法。通过应用故障诊断技术，结合状态监测等方法，可以显著缩短故障修复时间，提升设备的可用性，减少设备停机带来的损失。设备故障诊断不仅有助于故障修复，还能有效排除潜在故障，甚至在故障发生之前进行预警，从而避免重大故障的发生。这些研究和应用对于暖通空调设备的维护管理、系统优化及保障建筑的运行效率具有重要意义。

一、建筑暖通机械系统的概述

（一）建筑暖通机械系统的组成

建筑暖通机械系统(HVAC)作为一种较为庞大的系统，其以加热、通风、空调装置为主，实现建筑内部室内的室温、温度、空气质量、风量的调整。其中，其基础设施包括热源设备(如锅炉、热泵、太阳能热水器等)、制冷设备(如空调机组、冷水机等)、通风设备(如鼓风机、抽风机、加湿器等)、管道(如热水管道、冷水管道、送风管道等)，并涵盖一些其他设备(如温度控制器、湿度控制器、空气过滤器、风速控制器等)。为更好地进行运行调节，现代的建筑暖通机械系统多采用自动控制系统，实时监测室内温度、通风速率及设备运转情况，通过多个部分的共同协作，建筑暖通机械系统可以将合适的室内环境送到室内，并降低能耗。

（二）暖通机械系统的功能

暖通机械系统主要是调节与改善室内外空气的温、湿度、空气流通、空气质量等，营造舒适的工作空间或居住环境。随着气候的变化，供暖系统利用供暖装置加热空气，使房间内空气温度达到舒适程度。暖通系统则利用冷气系统使室内空气温度降下来，为居民提供一个舒适的房间内气候。而通风系统可以使空气不断循环流动，清洁净化空气质量，有效去除各种废气和毒气，以保持室内空气的质量。暖通设备同样具备空气净化器与吸湿器的效能，防止灰尘、病毒、细菌等微生物在空气中滋生，有助于室内空气健康。部分高档住宅建筑中，更附有自动化的调控功能，能够依照室内的环境变化自动调节温度与湿度，进而达到节能与舒适性兼顾的效果。简而言之，暖通机械系统不仅能够提升居住室内的舒适度，对于室内空气品质改善，亦会产生正面的影响，并且能够提升建筑物能源效率。

（三）暖通机械系统的常见故障类型

作为一项复杂且具有一定重要性的设备系统，建筑暖通机械系统的常见问题主要集中在系统中设备部分、管道部分和控制系统部分。其中较为常见的设备方面问题是常见的空调机组、锅炉、风机等主体关键部件出现故障，如压缩机失效、风机不工作、加热装置坏掉等等，这些问题会严重影响系统的工作效率和舒适性。而管道方面一般问题常见的为管道受损、堵塞或老化，造成热水或冷水的流动不畅、气流不畅等问题，进一步影响整个系统的正常运行。而控制系统的方面问题则主要包括温度控制器、湿度控制器、自动化控制系统故障导致系统不能按照预期自动调节温度和湿度，导致室内舒适性变差。很多旧的建筑物中由于系统部件老化也是比较常见的问题，管道和设备的老化会降低整个系统的功能性和故障性。因此及时发现及避免这类问题发生对于保障建筑暖通机械系统优质使用具有重要意义。

二、建筑暖通机械故障诊断预警平台的架构设计

（一）平台系统的整体架构

建筑暖通机械故障诊断预警平台的整体架构主要由数据采集层、数据处理层、诊断与预警层和用户交互层组成。该平台通过传感器、检测设备和外部设备持续不断地获取温度、湿度、压力、风速等关键值，以实现系统对所有暖通装置运行状态的监测。在数据处理环节，主要对采集到的数据进行预处理、预清洁和特征提取，为故障诊断环节提供有效数据支持。通过基于AI和机器学习算法的故障诊断与预警模块能够根据数据检测设备异常情况，发出预警信号。客户交互界面则将数据以图形化的方式展示问题、预警、设备运行状态等，便于管理者随时检查控制。例如，某大型购物中心应用了该平台，它将建筑各区域暖通系统设备连通，将采集数据集中送至云端进行管理，能够提升整个建筑系统运行的可靠性和时效性，为管理者及时掌握设备故障、缩短维修时长、提升系统可靠性提供帮助。

（二）数据采集与传输模块设计

数据采集与传输模块是平台的核心组成部分，负责实时采集建筑暖通机械系统的运行数据，并通过无线或有线方式将数据传输到数据处理中心。例如在某智能化办公楼工程中，包含了室内外温度湿度传感器、压力传感器、流量传感器以及风速传感器等，均安放于中央空调设备、风机盘管等关键设备上采集工作状态参数。为提升数据传输的安全性和时效性，采用无线传感器网络(WSN)和无线4G/5G通信技术实现数据传输至云计算管理平台，上述过程中数据均经过加密处理，保证了数据信息的安全性。另外在系统建设过程中考虑传感器数据备份、状态检查机制，当数据采集模块出现异常时自动切换数据来源，防止数据中断传输。通过该设计，建筑物中的暖通系统能够24小时实时监控，确保设备的高效运行并及时发现潜在问题。

（三）故障诊断与预警模块设计

采用高级人工智能(AI)和机器学习故障诊断与预警模块可以实时分析采集到的传感器信息，检测出设备中存在的故障，并生成相应的预警消息，如某个大型购物商场的暖通系统，通过此平台训练机器学习模型，从而监测系统设备工作出现的异常情况，例如，超高温度、压力异常或者风扇速度变慢等。当系统通过温度传感器测量值发现读数异常，AI算法就可以自动地判断出该故障很可能是制冷设备发生的，并由此引发预警，并在平台显示页面告诉管理者。除了以预设阈值方式来发出预警，预警模块还可以通过对之前信息进行预测并提前告知设备存在的问题，例如通过观察设备工作时间段历史数据，推测出设备可能会出现故障的时间，并及时通知检修工人去检查设备，防止突发故障等。采用这种方法可以最大限度地提升供暖设施的运作效率，减少由于设备故障造成停机的时间和费用。

（四）用户界面与管理功能设计

为方便对智能建筑物内的暖通设备进行有效管理，在系统中设计了多个级别上的用户界面，包括实时数据显示、故障预警、历史数据分析子模块等内容，工作人员可以通过各个界面找出问题并且对设备状态进行实时监控，也可以使用图形化工具对设备使用情况以及发展趋势进行监控。当发现异常的时候也会用显著性图标和红色警示线，显示有问题的设备并且能够给出其故障的具体类型以及发生时刻和可能原因，并且具有远程管理的功能，可以通过手机或者是电脑对系统进行远程监控和操作，获取故障诊断结果并对设备的修理下发指示。在对于用户的管理部分系统也采用不同的用户身份授权进行管理，使每个阶层的人能够获得相应的信息以提升管理效度，借助系统所设计的界面用户既能了解系统大体情况，对设备的处理效果也能做到胸有成竹，保障建筑内暖通系统的稳定。

三、建筑暖通机械故障诊断预警平台的性能评估

（一）平台的诊断准确性评估

平台的诊断准确性是衡量其有效性的关键指标之一。实际中，把办公大楼的暖通系统接入到平台中，系统基于人工智能和机器学习模式等判断空调设备故障。研究人员对该平台的诊断功能进行了大量实测，例如，某次实验中暖通系统的控制器故障，不正常显示空调的故障信息。基于历史运行数据和当前传感器测量数据，平台提前识别出故障，并做出预警提示。相比于传统的检修方法，基于人工智能和机器学习模式的平台提前诊断故障的准确率为92%，远高于传统方法的85%，而且可发现隐性的故障如管道的泄漏等难以发现问题，避免因误诊导致巨大的经济损失。经过这些评价，说明这种平台可以快速且准确地诊断设备故障，提供详细的信息，辅助设备维修工作。

（二）平台的实时性与响应性分析

实时性与响应性是平台在实际操作中的一项主要特性。以一个商铺的暖通系统为例，接入了一系列的传感器对其中设备进行工作监测。这一实时性反映体现的是搜集和处理信息的速度，在设备故障时快速地进行警报提醒。实际案例中空调机的压缩机发生过载的故障，而在平台中可以在两秒内发现该错误并以自动警报的方式对相关人员进行提醒。对于平台的响应性而言，可以从即时的信息调整控制策略，来维持整个系统的稳定运行。在商铺的实际应用中通过即时跟踪以及信息分析，防止了多起由过载运行或故障造成的系统停摆。实时性和响应性的提升使设备宕机次数大幅下降，提升了整个系统的整体性能。

（三）平台的稳定性与可靠性测试

平台的稳定性和可靠性是确保其长期有效运行的基础。在一座大型办公大楼的暖通系统中，平台进行了三个月的可靠性与稳定性测试，在此期间平台成功地处理了各种各样的故障情景和外部的变动环境，且表现得比较稳定。它能够迅速分析上报各类设备故障，如超载运行、线路断路或温度异常等。此次测试累计使用测试时间10000+小时，从未出现过重大的系统崩溃或核心故障。以确保平台的可靠性为目标，也对其存储、处理能力和应急能力进行了严密评估。测试结果表明，此平台在所有极端情况下依然保持很高的可靠性，确保设备不受损坏。同时，此平台具有自我恢复能力，在出现小范围故障时可及时切换到备份系统，从而不会对正常工作产生影响。平台的优异表现提升了建筑暖通系统的维护效率，并且为实际运营提供了有力的技术保障。

（四）平台的应用效果与反馈分析

平台的应用效果与反馈分析是检验其在实际运行中的价值的关键环节。主要方式是对平台实际应用产生的效果与反馈的分析。例如，某大型超市已经实现了该暖通系统故障诊断与预警系统的实际应用，极大地提高了系统的有效利用率。自该系统的实施以来3个月内，该系统已经协助超市提前预判了若干台设备的故障问题，比如空气处理机组压缩机故障问题、回风机过量的振动等问题。如若不能提前预知，后果将造成非常大设备损坏以及巨大的维修费用。但由于该系统可以做到实时监测与预警，使超市免于这样的事故发生，其维修成本节省了15%，同时更好地对设备进行调控，能源使用降低10%。据运营商反馈该系统是清晰直接、智能化程度高的系统，极大地改善了维护检修效果，节约了一部分的人力投入。受到客户的高度认可说明，其不仅提升了暖通系统的可靠性与稳定性，也提高工作效益与资源利用的效率，具有较为重要的智能建筑应用实践的价值。

结语

建筑暖通机械故障诊断预警平台在提升暖通系统稳定性、可靠性以及运营效率方面展现出了显著的优势。暖通机械设备故障诊断预警系统可通过动态监测与预警，智能识别暖通机械设备可能存在的故障、及时采取措施以避免因暖通机械设备故障引发的经营成本和经济损失。在实际应用中对系统性能进行的评估结果表明，该系统具有高效、准确性的故障诊断结果，快速的反应能力，可靠的系统稳定性和高效的系统适用性等优点。未来，随着人工智能和大数据分析技术的进一步发展，平台有望进一步优化其算法和功能，提升故障预测的精准度和响应速度，进一步推动建筑暖通机械系统的智能化和高效化。

参考文献：

[1]张红,石峰豪,陈苏坤.基于免疫算法的暖通系统传感器故障诊断研究[J].机械制造与自动化, 2022(002):051-051.

[2]冀航.暖通系统故障诊断技术运用探究[J].产品可靠性报告, 2023(6):59-61.

[3]王先圣,严珂.基于联邦学习的暖通系统故障检测与诊断[J].计算机科学, 2022, 49(12):7-7.

[4]蒋海刚,唐林峰,凌瑞.基于BIM+MR的空调设备故障诊断系统研发与应用[J].暖通空调, 2023, 53(S01):381-384.

[5]黄益波.暖通空调的自动故障检测及诊断分析[J].中文科技期刊数据库(全文版)工程技术, 2022(8):4-4.