从环境指标到联动策略：档案馆恒温恒湿系统选型与工程落地解析

┌──────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  决策层（中央管理平台）                                            │
│  ├── 环境趋势分析（历史数据 + 外部气象）                           │
│  ├── 联动策略引擎（IF-THEN 规则 + PID 参数自适应）                │
│  ├── 能耗优化（峰谷电价 + 设备轮换）                              │
│  └── 合规报表（日/月/年环境曲线，自动归档）                       │
└──────────────────────┬───────────────────────────────────────────┘
                       │ TCP/IP (MQTT/HTTP API)
                       │ 策略下发 + 状态回传
┌──────────────────────▼───────────────────────────────────────────┐
│  控制层（现场控制器 / DDC / PLC）                                 │
│  ├── 温湿度 PID 控制回路（夏季制冷除湿 / 冬季加热加湿）            │
│  ├── 设备启停逻辑（空调、除湿机、加湿器、新风机）                 │
│  ├── 防冷凝保护（露点计算 → 表面温度比对）                        │
│  ├── 设备轮换（N+1 冗余，运行时长均衡）                           │
│  └── 本地应急模式（网络断开时独立运行）                           │
└──────────────────────┬───────────────────────────────────────────┘
                       │ Modbus RTU/TCP / BACnet / SNMP
                       │ 传感器数据采集 + 设备状态反馈
┌──────────────────────▼───────────────────────────────────────────┐
│  感知层（现场传感器网络）                                         │
│  ├── 高精度温湿度变送器（±0.3℃ / ±2% RH，带校准证书）             │
│  ├── 露点传感器（防冷凝关键参数）                                 │
│  ├── CO₂ 传感器（人员活动 + 新风控制）                            │
│  ├── 压差传感器（洁净度 + 气流方向控制）                          │
│  └── 水浸传感器（空调冷凝水泄漏检测）                             │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────┘

档案馆库房布点示意图

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  入口区（缓冲区）                                             │
│  ● 入口传感器（监测人员进出带来的温湿度冲击）                   │
│                                                             │
│  主库房（每 20~30㎡ 一个）                                    │
│  ●      ●      ●      ●                                    │
│      ●      ●      ●      ●                                 │
│  ●      ●      ●      ●      ●                              │
│                                                             │
│  回风口（关键控制点）                                         │
│  ● 回风温湿度 → PID 控制回路反馈                              │
│                                                             │
│  特藏区（加密布点）                                           │
│  ● ● ●  密集布点，±1℃/±3% RH 控制                           │
│                                                             │
│  墙角/角落（易形成微气候）                                     │
│  ● 角落传感器（检测气流死角）                                 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

原则：
1. 离墙 ≥0.5m，离地 1.5m（工作区高度）
2. 避开空调直吹、阳光直射、热源
3. 回风口必装（控制反馈），送风口不装（干扰 PID）
4. 特藏区密度翻倍，每 10~15㎡ 一个
5. 每个分区至少 2 个传感器（冗余 + 交叉验证）

夏季模式（制冷 + 除湿为主）
┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  目标：温度 20±1℃，湿度 50±3% RH                              │
│                                                              │
│  PID 回路 1：温度控制（主回路）                                │
│    反馈：回风温度                                              │
│    执行：冷水阀开度 / 压缩机频率（变频空调）                    │
│    Kp=0.8, Ki=0.05, Kd=0.1（需现场整定）                     │
│                                                              │
│  PID 回路 2：湿度控制（从回路，与温度耦合）                     │
│    反馈：回风湿度                                              │
│    执行：加湿器（电极/超声波）+ 除湿机                         │
│    约束：制冷时湿度自然下降，避免过度除湿 → 再热                │
│                                                              │
│  防冷凝保护：                                                  │
│    露点计算 = f(温度, 湿度)                                    │
│    表面温度监测（风管、墙体）                                   │
│    IF 表面温度 < 露点 + 2℃ → 降低除湿量 / 提高送风温度        │
└──────────────────────────────────────────────────────────────┘

冬季模式（加热 + 加湿为主）
┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  目标：温度 18±1℃，湿度 50±3% RH                              │
│                                                              │
│  PID 回路 1：温度控制                                          │
│    反馈：回风温度                                              │
│    执行：电加热 / 热水阀 / 蒸汽加热                            │
│                                                              │
│  PID 回路 2：湿度控制                                          │
│    反馈：回风湿度                                              │
│    执行：加湿器（蒸汽/湿膜）                                    │
│    约束：加热时湿度自然下降，需同步加湿                         │
│                                                              │
│  新风预热：                                                    │
│    室外温度 < 5℃ → 新风预热盘管启动                           │
│    防止冷风直接灌入导致局部低温                                 │
└──────────────────────────────────────────────────────────────┘

"""
archive_hvac_strategy.py - 档案馆恒温恒湿联动策略引擎（核心逻辑）
"""

from dataclasses import dataclass
from enum import Enum
from typing import List
import time

class Season(Enum):
    SUMMER = "summer"    # 制冷除湿
    WINTER = "winter"    # 加热加湿
    TRANSITION = "transition"  # 过渡季

class DeviceAction(Enum):
    AC_ON = "ac_on"              # 空调开
    AC_OFF = "ac_off"            # 空调关
    AC_SETPOINT = "ac_setpoint"  # 设定温度
    HUMIDIFIER_ON = "hum_on"     # 加湿器开
    HUMIDIFIER_OFF = "hum_off"   # 加湿器关
    DEHUMIDIFIER_ON = "dehum_on" # 除湿机开
    DEHUMIDIFIER_OFF = "dehum_off"
    REHEAT_ON = "reheat_on"      # 再热开（防过冷）
    FRESH_AIR_DAMPER = "fa_damper"  # 新风阀开度 0~100%

@dataclass
class EnvReading:
    temperature: float       # ℃
    humidity: float          # %RH
    dew_point: float         # ℃
    surface_temp: float      # 表面温度（风管/墙体）
    co2: float               # ppm
    timestamp: int

@dataclass
class PIDState:
    kp: float
    ki: float
    kd: float
    integral: float = 0.0
    prev_error: float = 0.0
    output: float = 0.0

def pid_compute(pid: PIDState, setpoint: float, actual: float, dt: float) -> float:
    """PID 计算"""
    error = setpoint - actual
    pid.integral += error * dt
    # 积分限幅
    pid.integral = max(-100, min(100, pid.integral))
    derivative = (error - pid.prev_error) / dt if dt > 0 else 0
    output = pid.kp * error + pid.ki * pid.integral + pid.kd * derivative
    pid.prev_error = error
    return max(0, min(100, output))  # 输出限幅 0~100%

class ArchiveHVACStrategy:
    """档案馆恒温恒湿联动策略"""

    def __init__(self):
        self.season = Season.TRANSITION
        self.temp_setpoint = 20.0      # ℃
        self.hum_setpoint = 50.0       # %RH
        self.temp_pid = PIDState(kp=0.8, ki=0.05, kd=0.1)
        self.hum_pid = PIDState(kp=0.6, ki=0.03, kd=0.05)
        self.last_time = time.time()
        self.actions: List[tuple] = []

    def detect_season(self, outdoor_temp: float) -> Season:
        """根据室外温度判断季节模式"""
        if outdoor_temp > 22:
            return Season.SUMMER
        elif outdoor_temp < 12:
            return Season.WINTER
        else:
            return Season.TRANSITION

    def evaluate(self, reading: EnvReading, outdoor_temp: float) -> List[tuple]:
        """
        核心评估函数
        返回: [(DeviceAction, value), ...]
        """
        self.actions.clear()
        now = time.time()
        dt = now - self.last_time
        self.last_time = now

        # 季节判断
        self.season = self.detect_season(outdoor_temp)

        # ---- 温度 PID ----
        temp_output = pid_compute(
            self.temp_pid, self.temp_setpoint, reading.temperature, dt
        )

        # ---- 湿度 PID ----
        hum_output = pid_compute(
            self.hum_pid, self.hum_setpoint, reading.humidity, dt
        )

        # ---- 防冷凝保护 ----
        condensation_risk = reading.surface_temp < reading.dew_point + 2.0
        if condensation_risk:
            self.actions.append((DeviceAction.REHEAT_ON, 100))
            # 降低除湿量
            hum_output = min(hum_output, 30)

        # ---- 季节模式联动 ----
        if self.season == Season.SUMMER:
            # 制冷模式
            if reading.temperature > self.temp_setpoint + 1.0:
                self.actions.append((DeviceAction.AC_ON, temp_output))
            elif reading.temperature < self.temp_setpoint - 0.5:
                self.actions.append((DeviceAction.AC_OFF, 0))

            # 湿度控制：制冷时自然除湿
            if reading.humidity > self.hum_setpoint + 5:
                self.actions.append((DeviceAction.DEHUMIDIFIER_ON, hum_output))
            elif reading.humidity < self.hum_setpoint - 3:
                # 过度除湿，需要再热
                self.actions.append((DeviceAction.REHEAT_ON, hum_output * 0.5))

        elif self.season == Season.WINTER:
            # 加热模式
            if reading.temperature < self.temp_setpoint - 1.0:
                self.actions.append((DeviceAction.AC_ON, temp_output))  # 加热模式
            elif reading.temperature > self.temp_setpoint + 0.5:
                self.actions.append((DeviceAction.AC_OFF, 0))

            # 湿度控制：加热时自然降湿，需要加湿
            if reading.humidity < self.hum_setpoint - 5:
                self.actions.append((DeviceAction.HUMIDIFIER_ON, hum_output))
            elif reading.humidity > self.hum_setpoint + 3:
                self.actions.append((DeviceAction.HUMIDIFIER_OFF, 0))

        # ---- 新风控制（CO₂ + 室外温湿度） ----
        if reading.co2 > 800:
            # 人员活动增加，开新风
            damper = min(100, (reading.co2 - 800) / 4)  # 800~1200ppm → 0~100%
            self.actions.append((DeviceAction.FRESH_AIR_DAMPER, damper))
        else:
            self.actions.append((DeviceAction.FRESH_AIR_DAMPER, 0))

        # ---- 设备轮换（每 7 天切换主备） ----
        # 此处简化，实际需记录运行时长

        return self.actions

    def emergency_mode(self, reading: EnvReading) -> List[tuple]:
        """应急模式：网络断开或控制器故障时"""
        actions = []
        # 保守策略：维持当前状态，不激进调节
        if reading.temperature > 25:
            actions.append((DeviceAction.AC_ON, 50))
        elif reading.temperature < 15:
            actions.append((DeviceAction.AC_ON, 30))  # 加热

        if reading.humidity > 65:
            actions.append((DeviceAction.DEHUMIDIFIER_ON, 50))
        elif reading.humidity < 35:
            actions.append((DeviceAction.HUMIDIFIER_ON, 50))

        return actions


# ---- 使用示例 ----
if __name__ == "__main__":
    strategy = ArchiveHVACStrategy()

    reading = EnvReading(
        temperature=23.5,
        humidity=62.0,
        dew_point=15.2,
        surface_temp=18.0,
        co2=650,
        timestamp=int(time.time())
    )

    outdoor_temp = 28.0  # 夏季
    actions = strategy.evaluate(reading, outdoor_temp)

    print("联动策略输出:")
    for action, value in actions:
        print(f"  {action.value}: {value}")

验收标准（GB/T 27703-2011 + 项目合同）

1. 温度控制精度：24h 内波动 ≤±2℃（普通库）/ ±1℃（特藏库）
2. 湿度控制精度：24h 内波动 ≤±5% RH（普通库）/ ±3% RH（特藏库）
3. 传感器一致性：同区域传感器读数差异 ≤0.5℃ / ≤3% RH
4. 系统可用性：年可用率 ≥99.9%（含维护窗口）
5. 应急响应：断电恢复后 ≤5min 自动回到控制状态
6. 数据完整性：环境数据连续记录，无 >5min 缺口
7. 合规报表：自动生成日/月/年报表，可导出 PDF/Excel

统一动环平台（融合部署）

├── 档案馆恒温恒湿子系统
│   ├── 高精度传感器（Rotronic/Vaisala）
│   ├── DDC 控制器 + PID 策略引擎
│   ├── 精密空调 + 除湿/加湿设备
│   └── 合规报表 + 审计日志
│
├── 机房动环子系统
│   ├── 工业温湿度变送器（Modbus TCP）
│   ├── SNMP 设备监控
│   ├── 采集容器 + MQTT 上行
│   └── 告警 + 历史数据
│
└── 共享基础设施
    ├── PoE 交换机（分 VLAN 隔离）
    ├── 时序数据库（InfluxDB，按 subsystem 分 measurement）
    ├── 统一告警通道（短信/邮件/Webhook）
    └── 统一可视化（Grafana，按角色分 Dashboard）