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智能建筑楼宇自控系统再认识及发展趋势

来源: 发布时间:2018-7-6 2:06:19
随着时代的发展,国内高层建筑越来越多,而信息技术的发展,使大楼内的智能化程度不断普及发展。几乎所有的高层建筑,比如政府办公楼、酒店、综合性写字楼,根据规模及资金的大小,或多或少都投资建设了建筑智能化系统,特别是楼宇内的设备自动化系统几乎是必不可少的,它是楼宇智能化的基础,目标是对楼宇内的机电设备和能源实现智能化的管理,创造一个舒适、环保、节能的工作生活环境。楼宇自控系统对楼宇内的空调通风系统、变配电系统、给排水、冷热源系统、照明系统等大量设备进行有条不紊的管理及维护保养。

    建筑设备监控系统通过对大厦内的各种机电设施进行全面的计算机监控管理,利用分散控制和集中管理技术,为建筑物用户提供良好的工作环境(environmental),为建筑物的管理者提供方便的管理手段,从而最大化减少建筑物的能耗、延长设备使用寿命、提高劳动生产率并降低劳动力(power)管理成本。
    目前的楼宇自控系统尽管发展到一定程度,无论是硬件上还是软件比较先进可靠,但真正要达到预期的目的,还有非常多的工作要做。笔者根据多年的工作经验,在此提供一些新的认识和看法。
1  基于楼宇自控系统的投资和效果的认识
    自2000年以来,智能建筑的楼宇自动化系统的初投资(意义:是未来收益的累积)大幅度下降,从BA控制检测点2000元/点,下降到不到1000元/点,还处于不断的下降趋势中,而房产的价格却不断上涨,至今平均上涨幅度为3倍,目前尚处于高位运行。从中可以看出智能建筑的楼宇自动化系统的初投资占整个大楼投资比重越来越少,而且现代高楼的平均寿命为百年以上,尽管楼宇自动化设备将会不断落后,但整个布线框架(Framework)是存在的,升级改造将非常方便。
    智能建筑的楼宇自动化系统是节能的一种重要手段,一定要认识到其紧迫性,首先应加强建筑节能的宣传力度,使所有人都认识到,节能不仅仅是钱和环境的问题(Emerson),而是国家能否持续稳定发展的前提。目前的智能建筑楼宇自动化系统运行的节能效果不是很理想,原因是多方面的,首先部分管理者由于认识上的偏差,以为楼宇自控系统没有用,还不如几个人手动开开就可以了。这就走入了一个误区,实际上依靠人的手动控制,根本无法实现建筑设备的节能、高效、安全运行。因此认识上一定要加以转变,加强物业队伍的培训和建设,对设备的管理可以在保修期到期后,委托专业公司打理,提高设备的运行寿命,最大限度的发挥系统的作用。否则由于设备管理的水平低下使运行费用(expense)居高不下,造成投资的浪费。
    楼宇自控系统的节能一定要从细节做起,养成一种习惯,说到节能的设计,电气设计人员通常会想到选择合适的变压器、变频器、软启动器、给灯具配节能镇流器,盘管系统采用三速风机加电动阀,这是楼宇自控系统中普遍设计的内容。此外,节能设计还体现在因地制宜的细节中,比如对宾馆客房设计节电开关,人在时将电源接通,人离开时把电源切断,以达到节能目的。
2  智能化的楼宇自控系统对大楼机电设备(shèbèi)提出更高的要求
    智能建筑楼宇自控系统需要各种专业的配合,楼宇自动化(Automation)的节能不仅是某一个专业的事情,它需要智能化、建筑结构(Structure)、暖通通风、电力、给排水等专业共同参与合作,提出有节能潜力的方法。照明系统作为大楼一个独立的子系统,包括公共区域的公共照明(比如停车场、大堂、走廊、餐厅照明、室内照明(办公室、会议室等),室外照明(装饰照明、道路照明、泛光照明)等。大楼照明的耗能占整个楼宇的20%左右,照明系统有这样特点:第一,在电力输送过程中,要以较高的电压输送确保终端设备的工作(WORK)电压,随着设备运行的负荷下降,输出电压将会上升,因此通过楼宇自控系统进行动态调压控制方式,达到节电目的。第二,对照明功能的需求,每天的时间段是不同的,特别是可以结合室外照度传感器结合起来,对公共区域进行分组,分片控制方式或直接全部关闭方式,比如地下车库灯光的控制。第三,随着新照明源的发展,新型节能照明灯具不断涌现,代替传统发热的荧光灯、节能灯、白炽灯、金卤灯等多种灯具的开关控制,采用数字技术及计算机技术充分结合起来的智能控制采用软启动的方式,能控制电网冲击电压和浪涌电压,使灯丝免受热冲击,灯具寿命(lifetime)又得到延长。智能照明系统通常能使灯具寿命延长2~4倍,不仅节省大量灯具,而且大大减少更换灯具的工作量,有效地降低了照明系统的运行费用,对于大量使用(use)灯具和安装(ān zhuāng)困难的区域具有特殊的意义。此外,智能照明系统还有潜在的价值回报,使整个系统工作在使人们最舒适的状态,从而保证了人们的身心健康,提高了工作效率。
    空调系统又是另一个子系统,它分为空气处理末端设备如新风机组、空调机组、VAV变风量,另一部分为冷源系统,它的电耗一般占整个大楼的70%左右,如何运行及管理空调的相关设备比较重要,采用先进的楼宇自控系统,在满足房间的舒适度的情况下,既可以节约电能,延长设备寿命,又可以减少设备管理人数,现逐一进行分析阐述;
    (1)新风系统主要功能是根据楼层的面积大小,输送一定温度的的新鲜空气量,保证房间的空气质量,新风系统的自控设计一般确定一个送风温度点,如果有湿度要求高的话需要增加一个湿度点,空调管道如采取二管制的话,冬天通热水夏天通冷水,选用一个电动调节阀。宿州地区弱电施工随着智能建筑的迅速兴起,弱电系统工程在建筑智能化工程建设中占据的地位越来越重要,弱电系统工程也越来越受到各方的重视。弱电系统智能建筑中的弱电主要有两类,一类是国家规定的安全电压等级及控制电压等低电压电能,有交流与直流之分,交流36V以下,直流24V以下,如24V直流控制电源,或应急照明灯备用电源。另一类是载有语音、图像、数据等信息的信息源,如电话、电视、计算机的信息。对于温湿度要求高的建筑,空调管道一般采取四管制,冷热水管单独安装,并各安装一个电动调节阀,为了防止冬天的冷凝器冻裂,安装防冻开关和新风电动阀,碰上室外温度低,空调没有使用直接关闭新风门或将热水循环泵启动,热水在小流量下运行。
    在空调运行时,控制的目标参数为送风温度和送风湿度,与设定值比较,得到的偏差值经DDC运算输出信号,控制冷(热水)电动二通阀的开度。弱电系统集成以客户需求为核心,集成 节能管理系统、通信与 网络管理系统、防盗报警系统、 视频监控系统、一卡通系统、 机房动力环境监控系统等多个子系统。对于新风机组的温度设定值楼控系统可以结合室外温度的大小,自动进行调整,冬天为30~32℃,夏天为18~20℃。
    (2)对于公共区域(大堂、餐厅)的温湿度(humidity)环境改善是主要通过空调机组的空气处理方式来实现的,它的工艺流程图比新风机复杂,增加回风管道。
    一般自控配置的设备为冷热水阀、加湿阀、新回风阀、送风温度(temperature)、回风温度,有些还要安装公共区域内的温度传感器,送风量通过变频(frequency conversion)能够进行调节,对于目标控制参数的确定一般以回风温度为准,但也不一定合适,比如回风口离门口较近,取样的数据就很不准确,也可以在公共区域布设多个温度传感器,然后取平均值,因此具体工程要具体分析,全面进行考虑。对于控制策略它比新风机送风温度控制来得复杂,它本身的特点是纯滞后的,反应慢,如果采取常规的PID控制必将造成控制的阀门频繁开关,温度随之将大幅波动。因此采取非常规的控制策略,比如死区方式,当目标参数进入与设定值认可的偏差范围DT1(一般为0.5度)时,冷(热)水阀将保持不变。变PID控制方式,就是当目标参数与设定值大时,控制作用强一些,当目标参数与设定值小时,控制作用弱一些。还可以采取根据温度偏差及上升或下降快慢的模糊控制方式,当温度与设定值处于正偏差DT2(1度)以内时,但处于下降过程中,水阀将慢慢开大,当温度与设定值处于负偏差DT2以内时,但处于上升降过程中,水阀将慢慢关小。总之,对于目标参数的控制,充分考虑温度测量值、设定值、单位时间内的温度偏差值,“多看少动”才能真正将目标参数控制好。为了节能,根据室外温度的大小,冬天有条件将温度设定值下降1度,夏天有条件将温度设定值提高1度,同时充分利用新回风阀的连锁功能,在过渡季全开新风阀,在盛夏或严冬将新风阀可以关到最小,这样可以节能达到12%。
    楼宇自控系统不仅具有丰富的控制功能,而且有强大的管理功能,人性化的界面设计,过滤网堵塞和风机故障会发出声光报警,提醒管理人员清冼和维护,统计设备的运行时间,定期进行设备的保养,在使用过程中,充分利用楼控系统的功能以及新风机组空调机组的特性,根据时间程序(procedure)进行节能启/停运行,具体体现在:
    间歇运行:使设备合理间歇启停,但不影响环境舒适程度和工艺要求。
    最佳启动:根据人员使用情况或生产工艺情况,预先开启空调设备,夏天采取大风量低温度;冬天采取大风量高温(hyperthermia)度;房间温度稳定以后,在低风量下运行。
    最佳关机:根据人员下班情况或生产工艺情况,提前停止空调设备。
(3)变风量系统(system)(VAV)是一种新型的空调方式,在智能楼宇的空调中被越来越多地应用。当室内环境温度(temperature)发生变化时,改变送风的温度和改变送风量大小两种控制方式都可以达到相同结果。采用变风量系统的中央空调系统可节能40%,而且系统只在冷热负荷达到峰值时才使用最大风量,因此可以大大降低能耗。
    VAV系统一般由带变频调节电机的空调机组和变风量可调风阀末端装置组成。监控内容包括控制风机的启停,并监视风机的运行状态,根据室内温度的大小,自动调节新回风门的大小和水阀的开度来实现对温度的控制,使室温保持稳定。带有VAV装置的空调系统各环节需要协调控制,其内容主要体现在以下几个方面:
    
  ① 由于各房间的负荷是不一样,那么送入各房间风量是变化的,空调机组的风量将随之变化,因此应采用调节变频的大小对送风机进行控制。
    
  ② 送风机速度调节时,可以采用定静压或变静压控制方式,使各房间的压力保持稳定,保证装置正常工作。
    
  ③ 对于VAV系统,需要检测各房间风量,温度及风阀位置等信号,并经过综合的分析处理后才能给出送风温度设定值。
    
  ④ 在进行送风量调节的同时,还应调节新、回风阀,以使各房间有充分的新风量,保证房间的空气品质。  
    (4)冷源系统是暖通系统的核心部分,如何协调管理至关重要,对能耗影响相当巨大,一般体现为量调和质调两种调节方式,量调就是根据负荷的变化,调节冷冻水泵的开启台数,或通过水泵的变频进行水量调节,然后根据冷源系统总负荷量(供回水温差与总流量的相乘)进行冷水机组台数控制。质调就是调节冷冻水的出口温度,一般在低负荷的情况下,适当将冷机的出口温度提高几度,实现机组最优启停时间控制,使设备交替运行,优化设备的运行时间。
    以某一大楼为例,冷冻站系统中有四台冷冻机组,5台冷冻水泵(备用一台),5台冷却水泵(备用1台),4个冷却塔及膨胀水箱,采用楼宇自控系统通过安装在冷冻机房内的直接数字控制器DDC来完成对冷冻机组的控制要求:对冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、冷却塔进水阀及相关(related)的设备实现联动控制,同时监视其运行状态及故障状态。检测冷冻水供回水温度、供回水压力和流量,冷却水进回水温度、压力,计算空调系统的冷负荷。
    实现联动控制:
    冷冻水阀门开→冷冻水循环水泵开(延时1分钟)→冷却水阀门开→冷却水循环水泵开→冷却塔风扇开→冷水主机开。
    联动停止顺序:
    冷水主机关→(延时5分钟)冷却塔风扇关→冷却水循环水泵关(延时20分钟)→冷却水阀门(功能:截止、导流、稳压、分流等)关→冷冻水循环水泵关→冷冻水阀门关。
    除了上述的严格连锁外,在运行过程中,为了保护冷冻机,一旦冷冻水泵发生意外,水泵停止运行,冷冻机必须停止运行,冷却水泵也必须停止运行。
    楼宇自控系统完成上述的基本功能外,更主要对冷冻机实现优化控制,中央站采集现场DDC的数据进行统筹计算,不断分析确定每一时间段大楼负荷实际情况,确定冷机运行台数,通过通信模式(pattern)对现场DDC发命令,目前着重解决下列问题。
    
  ① 如何确定冷水机组运行初始台数
    在系统投入初期由人工手动设定系统运行的冷水机组初始运行台数,系统自动记录所有操作当日的气候条件以及逐时的冷量负荷,并开始执行负荷预测和优化控制软件,在积累到一定程度以后,监控系统将按照负荷预测结果,并对之前的气候条件、负荷情况以及系统运行数据的经验(experience)数据进行分析,取得一定规律,并逐渐实现对冷水机组系统运行控制进行优化。从而确定冷水机组运行的初始台数。
    
  ② 如何实现冷水机组运行台数的增减控制
    第一,增开冷水机组控制方法
    当系统负荷增加,监控系统监测到供回水两端的压差减少,冷冻水量增加,此时机组根据自身负荷能进行调节,当该台冷水机组的系统负荷上升到其电流百分比FLA的95%时(可根据实际情况调整),则说明单台机组的满载运行和水泵的满载运行已不足以满足系统负荷值,且冷冻水出水温度不会稳定在出水温度设定值上,这样第二台机组的电动阀门马上开启,经过一定的阀门开启时间之后,第二台机组迅速开启。
    下面的K计算很突兀,应该明确是什么样的规则,从而判定开启。
    其中:△T=CHWT-CHWT.STP   
    
    CHWT  —— 冷冻水出水温度
    CHWT.STP —— 冷冻水出水温度的设定值(7℃) 。   
    即设定冷冻水出水温度值为7℃,当△T≥0.3℃(可根据实际情况调整)时,同时冷水机组的电流百分比FLA≥95%时,第二台机组(运行时间最短的)自动开启。
    第二,自动减机策略
    假设两台机组正在运行,当系统负荷变小时,供回水二端的压差增加,即反应到机组的负荷相应减小,当两台机组的负荷总量仅有甚至小于一台机组的负荷总量时(设两台机组的FLA < 50%,可根据实际情况调整),冷水机组群控系统适当延时后关掉其中一台机组,以使得另一台机组在高负荷效率状况下运行同时满足负荷的要求。根据冷水机组的综合效率曲线,将冷水机组控制在最佳能效范围内运行,是冷水机组群控的目的。
3  智能楼宇设备自动化系统的最新发展趋势
    最初,人们在大楼里引进自动控制的目的,在于解决一些具体的实际问题:温度的控制、设备的启动。随着大楼的智能设备不断增多,自动控制系统局限性不断显现出来了:第一,传统的楼宇系统还是一个相对封闭的系统,表现在通信协议上,各厂家还是各自为政,互不兼容,系统设备之间的连接不能做到无缝连接。因此,对于一个封闭的系统来说,要将大楼内的所有设备集成在一个系统平台上将会有很多的工作要做,不仅成本高,而且性能差;第二,由于系统是封闭的,从设计、供货、安装、调试、升级只能由厂家垄断,业主无能为力,只能被动接受,因此,初投资将得不到保护;第三,当今世界计算机的发展日新月异,产品的更新周期越来越短,楼宇自控的新产品也必将层出不穷。对于一个封闭系统来说,产品的更新必将受到厂家的抵制和垄断,阻止技术的发展,实际上以低成本跟踪先进技术的发展是不可能的。
    因此,采用开放的、标准的通信(communication)协议是楼宇自控系统的发展趋势,需要所有厂家共同执行,才能彻底改变现状。真正意义上的开放系统,必须采用标准的通信协议,而且该协议必须是主流的,要被各厂家接受认可。目前在楼宇自控系统中用得很普遍的是美国Echelon公司推出的LonWorks 技术协议,一般采用双绞线连接,通信速率为76.8K,采用手拉手总线方式通信距离可达2500m,若采用自由拓扑结构也可以达到500m,LonTalk是唯一的点对点通信,它的使用为完全实现开放性和互操作性提供了解决途径,使整个大楼的自控系统更现代化、高效化。现场的设备(比如阀门及传感器)也可以采用网络化传输的方式,减少现场的管线及施工的工程量。对于目前那些还是非标的设备,可以限定一个过渡期,只要能够提供有关设备的相关协议,楼控中央站本身具有Modbu
  S、BACne
  T、DD
  E、OPC等接口插件功能,通过编程接口软件,将相关的设备,比如锅炉及冷冻机,连接至楼宇自控系统中,随着Internet的普及,通过密码管理的方式既可以在办公室也可以在家里,或只要能上网的地方都可以浏览整个大楼设备的运行情况,管理既简单又可以节约能源。
    由于采用先进开放的楼宇自控系统,符合国际的最新潮流,产品选择更加多样性,在系统维护及升级方面可以有多种设备选择余地,包括各厂家的DDC控制器,路由器等产品,有效控制运行成本,保护现有投资,发挥更大的作用(role)。同时在认知,设计,工程施工等细节方面多做文章,采取综合管理的方法,楼宇自动化的作用将会充分地发挥,有利于整个大楼的管理、节能,真正造福于人类,前景将会越来越广。
 

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