樓宇自動(dòng)化節(jié)能控制淺析

夏鑫

(上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海 200023)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)生活、辦公環(huán)境舒適性、安全性的要求日漸增強(qiáng)。中央空調(diào)系統(tǒng)很好的滿足了人們的需求，但是中央空調(diào)系統(tǒng)一般都是針對(duì)最大工況(全負(fù)荷)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，能源利用效率較低，其能源消耗占到了整個(gè)建筑耗能的60%以上［1］。而能源問題是影響國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要因素，為了解決這一矛盾，使得空調(diào)系統(tǒng)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)工作點(diǎn)優(yōu)化以及參數(shù)在線修正，樓宇建筑智能化系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1984年美國首先提出了建筑智能化的概念，包含三個(gè)子系統(tǒng):樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)、通訊自動(dòng)化系統(tǒng)和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)［2］。本文主要針對(duì)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)論述，結(jié)合筆者負(fù)責(zé)研發(fā)的上海市政院辦公大樓自動(dòng)化節(jié)能控制系統(tǒng)，探討如何利用直接數(shù)字控制(Direct Digital Control，DDC)系統(tǒng)結(jié)合計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在確保設(shè)備安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，達(dá)到節(jié)省人力、節(jié)約能源的效果。

1 樓宇自動(dòng)化技術(shù)

1.1 樓宇自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)狀

樓宇自動(dòng)化技術(shù)自上世紀(jì)八十年代誕生以來，在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家經(jīng)歷了從單一功能專用系統(tǒng)到多功能系統(tǒng)直到目前的全面集成系統(tǒng)這樣的迅猛發(fā)展。在我國經(jīng)濟(jì)騰飛但能源相對(duì)緊缺這一大背景下，樓宇自動(dòng)化技術(shù)擁有廣闊的市場前景，雖然得到了廣大建設(shè)方的認(rèn)同，但由于國人節(jié)能意識(shí)普遍不高，缺乏長遠(yuǎn)的發(fā)展規(guī)劃，很多項(xiàng)目存在諸多功能缺陷而不能全狀態(tài)運(yùn)行，導(dǎo)致目前建筑能耗是相同氣候條件發(fā)達(dá)國家的兩倍以上［3］。因此無論是在開發(fā)商還是在使用者的角度上，都應(yīng)該對(duì)樓宇自動(dòng)化技術(shù)更加重視。

1.2 樓宇自動(dòng)化技術(shù)結(jié)構(gòu)體系

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)是智能建筑系統(tǒng)中最重要也是最基本的組成部分，一般由圖1所示各子系統(tǒng)組成。

圖1 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)圖

通過一個(gè)軟件平臺(tái)，對(duì)以上各子系統(tǒng)進(jìn)行集中管理，即樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)集成。

1.3 樓宇自動(dòng)化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

(1)對(duì)各系統(tǒng)設(shè)備集中統(tǒng)籌的進(jìn)行科學(xué)管理，大大節(jié)省人力物力，提高管理水平。

(2)實(shí)現(xiàn)電力用量監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)最優(yōu)化運(yùn)行，合理節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益。

(3)建立完整的設(shè)備運(yùn)行檔案，制定合理的檢修計(jì)劃，確保各系統(tǒng)的安全運(yùn)行［4］。

2 DDC系統(tǒng)

2.1 DDC控制系統(tǒng)組成

(1)中央管理計(jì)算機(jī)(又稱上位機(jī))，設(shè)置在中控室內(nèi)，將現(xiàn)場設(shè)備的所有信息集中提供給工作人員，并可外接顯示設(shè)備、記錄設(shè)備、報(bào)警設(shè)備等。

(2)DDC，作為現(xiàn)場設(shè)備與系統(tǒng)的接口(又稱下位機(jī))，通過分散設(shè)置在被控設(shè)備附近來收集相關(guān)信息，并能獨(dú)立工作。

(3)通信網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送，小型系統(tǒng)可采用屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，較大型的系統(tǒng)則一般通過成熟的工業(yè)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

(4)傳感器和執(zhí)行器，位于整個(gè)系統(tǒng)最末端，直接安裝在被控的傳感元件或執(zhí)行元件上，正是靠他們來采集信息或執(zhí)行動(dòng)作［5］。

2.2 DDC控制系統(tǒng)主要功能

(1)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的周期對(duì)數(shù)據(jù)采樣設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)檢測。

(2)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換，設(shè)定轉(zhuǎn)換的數(shù)值轉(zhuǎn)換率及偏差值。

(3)對(duì)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，濾除波動(dòng)值，以使系統(tǒng)顯示正確讀數(shù)，確定現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

(4)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行檢查，并對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警處理。將報(bào)警信息傳送給中央管理系統(tǒng)。

(5)根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)執(zhí)行預(yù)定的程序獲得控制數(shù)據(jù)。

(6)通過預(yù)定控制程序完成各種控制功能，包括比例控制、比例加微分、積分控制、開關(guān)控制、最大最小值控制、平均值控制、邏輯運(yùn)算控制、焓值計(jì)算控制和聯(lián)鎖控制等。

(7)向數(shù)據(jù)控制和執(zhí)行設(shè)備輸出控制和執(zhí)行命令。

(8)通過網(wǎng)絡(luò)控制器或數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)連接第一層的設(shè)備，與各上級(jí)管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，向上傳送各項(xiàng)采集數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，同時(shí)接收各上級(jí)計(jì)算機(jī)下達(dá)的參數(shù)的設(shè)定與修改指令或?qū)崟r(shí)控制指令。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

目前市場上的樓宇自控系統(tǒng)以國外品牌為主，高端產(chǎn)品主要有西門子的Apogee系統(tǒng)和江森的Metasys系統(tǒng)。就系統(tǒng)功能而言，Metasys配置更加靈活，可支持BACnet協(xié)議，在性能上也明顯優(yōu)于Apogee系統(tǒng)［6］，因此雖然造價(jià)略高，我們還是選擇了Metasys系統(tǒng)。

為了保留足夠的技術(shù)先進(jìn)性、開放性和升級(jí)能力，我們采用了江森公司最新的基于BACnet總線技術(shù)的MSEA系統(tǒng)架構(gòu)，架構(gòu)示意如圖2。

整個(gè)項(xiàng)目機(jī)電設(shè)備眾多，分布廣泛，因此我們采用分散控制，集中管理的方式，為各個(gè)設(shè)備配置相應(yīng)的現(xiàn)場控制設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)總線將他們連接起來。樓宇自控系統(tǒng)工作站設(shè)置在大樓一層的消控中心，通過網(wǎng)絡(luò)控制引擎和現(xiàn)場的DDC對(duì)所有的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

3.2 系統(tǒng)主要功能

(1)空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)是整個(gè)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的核心部分，控制界面如圖3所示。

圖2 MSEA系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖3 空調(diào)系統(tǒng)控制界面

其中可以監(jiān)控風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，手自動(dòng)狀態(tài)，故障，季節(jié)模式，二氧化碳濃度，回風(fēng)溫、濕度，送風(fēng)溫、濕度，送風(fēng)壓力，冷、熱水閥開度，風(fēng)機(jī)頻率、加濕器狀態(tài)等。

可以控制風(fēng)機(jī)的啟停，新風(fēng)閥的開度，冷、熱水閥開度，冷、熱水閥開度;可以設(shè)定風(fēng)機(jī)頻率，送風(fēng)溫度，回風(fēng)溫度等。

(2)其他系統(tǒng)

給排水系統(tǒng)主要控制水泵的啟停以及監(jiān)視水泵的運(yùn)行狀態(tài)和水位的高度，如超過警示水位可發(fā)出報(bào)警信息。變配電系統(tǒng)需監(jiān)視機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)視電壓、電流、功率、功率因數(shù)、相位、頻率等重要參數(shù)，能發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息。照明系統(tǒng)可控制設(shè)備的開關(guān)，監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。電梯系統(tǒng)主要監(jiān)測其運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 BACnet總線

BACnet通訊標(biāo)準(zhǔn)是美國冷暖工程師協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目委員會(huì)首先提出的，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在推出的同一年通過了美國國家標(biāo)準(zhǔn)局ANSI的審批成為了美國國家標(biāo)準(zhǔn)，并且在2000年的八月份草擬成為了樓宇自控標(biāo)準(zhǔn)［7］。

該標(biāo)準(zhǔn)的最大亮點(diǎn)是具有強(qiáng)大的互操作性。BACnet采用的協(xié)議是面向?qū)ο箢愋偷?，其?yīng)用層中對(duì)服務(wù)和對(duì)象的定義是標(biāo)準(zhǔn)化的，這使得應(yīng)用功能具有較好的可擴(kuò)展性和集成程度。因此在本工程的監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)中使用BACNet總線，就使得系統(tǒng)具有很好的柔性，便于后續(xù)系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)。控制層中所有的VAV控制器和前端設(shè)備，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式通過BACnet總線通訊，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩耘c獨(dú)立性。同時(shí)BACnet總線還可實(shí)時(shí)連接現(xiàn)場控制器，智能儀表、其他通訊接口、變頻器等，為構(gòu)建大型化、復(fù)雜化的系統(tǒng)提供了便利。

3.4 節(jié)能控制技術(shù)

針對(duì)不同的設(shè)備情況和不同地區(qū)的室內(nèi)外環(huán)境，我們的控制策略是在保證舒適性的前提下，既確保整個(gè)系統(tǒng)的安全監(jiān)控，還要使用多項(xiàng)節(jié)能技術(shù)使整個(gè)系統(tǒng)在穩(wěn)定、可靠的基礎(chǔ)上，最大限度的減少人力和節(jié)約能源，從而實(shí)現(xiàn)降低整個(gè)大廈運(yùn)行和維護(hù)成本的目標(biāo)。主要節(jié)能措施如下:

3.4.1 動(dòng)態(tài)變流量空調(diào)節(jié)能控制技術(shù)

與傳統(tǒng)的變頻器控制系統(tǒng)不同，我們?cè)诒卷?xiàng)目中采用的是動(dòng)態(tài)變流量控制系統(tǒng)。將采集到的參數(shù)，通過模糊運(yùn)算得出控制參數(shù)，送到控制系統(tǒng)中，結(jié)合變頻技術(shù)，改變空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水的流量，從而改變溫度，確保整個(gè)系統(tǒng)在部分負(fù)荷的情況下仍能處于最佳工作狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。與傳統(tǒng)變頻控制系統(tǒng)的區(qū)別見表1。

表1 動(dòng)態(tài)變流量控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的變頻器控制系統(tǒng)比較

圖4 風(fēng)機(jī)溫度控制程序流程圖

可見，動(dòng)態(tài)變流量節(jié)能控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的變頻器控制系統(tǒng)擁有更好的節(jié)能效果。具體程序控制流程見圖4。

3.4.2 提高室內(nèi)溫濕度控制精度

建筑節(jié)能與室內(nèi)溫、濕度的變化是密切相關(guān)的。相關(guān)資料表明，在夏季設(shè)定溫度有1℃的誤差，就會(huì)有9%左右的能量損耗;在冬季設(shè)定溫度有1℃的誤差，就會(huì)有12%左右的能量損耗。因此樓宇節(jié)能的有效措施之一就是提高室內(nèi)溫濕度控制精度。在本系統(tǒng)中我們提高了該精度的控制要求:溫度允許誤差在1.2℃，濕度允許誤差在5%。并且為了根據(jù)實(shí)際情況更加有效的自動(dòng)調(diào)整室內(nèi)溫度設(shè)定值，我們嘗試參照熱負(fù)荷補(bǔ)償曲線設(shè)置了浮動(dòng)的設(shè)定點(diǎn)，盡可能的節(jié)省能源。

3.4.3 合理的新風(fēng)量控制

根據(jù)衛(wèi)生部要求，為了人體健康考慮，必須保證建筑內(nèi)每人享有一定的新風(fēng)量。但如果新風(fēng)所占比例過大，也會(huì)使得新風(fēng)能耗增加。因此在確保人體健康的前提下，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，應(yīng)該將新風(fēng)量適當(dāng)減少。我們采取了以下措施實(shí)施新風(fēng)量控制:

(1)確保新風(fēng)占送風(fēng)量的比例不低于10%。

(2)進(jìn)行二氧化碳濃度檢測，據(jù)此確定適合的新風(fēng)量。

(3)適度加大回風(fēng)量，參考新風(fēng)和回風(fēng)比來調(diào)整新風(fēng)量。

(4)根據(jù)上下班時(shí)間、節(jié)假日等影響大廈內(nèi)人員變化的規(guī)律來調(diào)整新風(fēng)量。

3.4.4 空調(diào)啟停時(shí)間控制

本系統(tǒng)中的建筑在夜里是無人使用的，但需要提前開啟設(shè)備，以確保開始工作時(shí)能享有舒適的環(huán)境，此外，室內(nèi)溫度具有一定的慣性，提前一定時(shí)間關(guān)閉空調(diào)，溫度也不會(huì)有太大變化。因此我們?cè)囍?jì)算了空調(diào)設(shè)備的最佳啟停時(shí)間，對(duì)各樓層設(shè)備制定了可調(diào)整的啟停時(shí)間表，以此保證在享有舒適環(huán)境的前提下，縮短不必要的空調(diào)使用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

3.4.5 春季過渡模式、秋季過渡模式的劃分

在春、秋季過渡模式中，早晚溫差較大，當(dāng)白天最高溫度超過26℃時(shí)，我們利用夜晚無人的時(shí)間，對(duì)整個(gè)建筑進(jìn)行吹掃，充分利用夜晚涼爽的空氣帶走房間余熱，并凈化室內(nèi)空氣。吹掃時(shí)間主要依據(jù)熱負(fù)荷曲線，并可由用戶根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驅(qū)嶋H變化自行調(diào)整。此外春秋過渡季還可以由管理人員靈活設(shè)計(jì)管理策略，根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁亍h(huán)境、設(shè)備狀態(tài)等實(shí)際情況判斷是否需要吹掃或加開各種制冷、制熱設(shè)備，盡可能的節(jié)約能源。季節(jié)模式圖見圖5。

圖5 季節(jié)模式示意圖

4 結(jié)束語

目前該項(xiàng)目已進(jìn)入竣工驗(yàn)收階段，我們既為用戶提供了安全、舒適、便利的工作環(huán)境;又實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能源、降低成本的目標(biāo)。相信在科技飛速發(fā)展的今天，樓宇自動(dòng)化技術(shù)必然有一個(gè)更加光明的未來!

［1］張煥廷.空調(diào)機(jī)組BA系統(tǒng)節(jié)能控制的探討［J］.城市建筑，2014，11(17):197.

［2］宋健.樓宇自動(dòng)化技術(shù)的研究與應(yīng)用探討［J］.建筑知識(shí):學(xué)術(shù)刊，2014，34(6):57-59.

［3］蒲如石.樓宇自動(dòng)化工程現(xiàn)狀分析［J］.智能建筑與城市信息，2013，20(9):35-39.

［4］傅學(xué)軍.樓宇自動(dòng)化節(jié)能初探［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2014，22(4):43.

［5］汪詩雯.淺論完善樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2014，20(4):103.

［6］喜琍，夏長鳳.基于DDC的智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，13(1):45-50.

［7］鄧麗金.現(xiàn)場總線技術(shù)在樓宇自動(dòng)化中的應(yīng)用［J］.電子世界，2014，36(12):465.