楼宇自控系统在建筑物中的应用

文｜科特贝德机电设备（北京）有限公司 李晓刚

空调、通风、照明、给排水、电梯、低压配电设备是当前所有建筑物中必备的机电设备。这些设备的控制方式有两种：一种是最传统的控制方式，即只有本地控制盘控制；另外一种比较先进的控制方式是本地控制盘加上远程BAS控制。如果建筑物本身面积不大、机电设备不多、人员精力足够，采用传统的控制方式似乎可以在前期投入上节约资金，但是随着能源的储量减少和价格上涨、突发性设备运行故障等问题的出现，使传统的控制方式将越来越显得力不从心。BAS的出现在一定程度上消除了上述弊端。

BAS可以对楼宇中所有的机电设备（包括空调、变配电、给排水、电梯、照明等系统设备）进行监视，并通过计算对这些设备进行最优控制。该控制系统与人工控制系统比较，具有四项显著的优点：

（1）节省能源

采用BAS后，可以根据预先编排的时间程序对电力、照明、空调等设备的开启和关停进化最优化的节能控制，如根据办公时间程序和室外照度的变化来控制照明系统的开关，根据空调冷负荷量和室外温湿度调整冷机及相关水泵设备的开关，实现最优化控制等。

（2）减少管理费用

采用了BAS后，可以减少运行维护人员的数量，使管理成本得以相应地降低（人员工资、福利等支出均可节省）。

（3）延长设备使用寿命

通过BAS管理设备，可使被控设备根据工艺要求而编写的程序执行动作，在确保相关设备完好的情况下，可以保证被控设备不会因误动作而损坏。此外，BAS程序内会设计多台设备的轮询运行，以避免发生长时间超负荷运转等会损伤设备的现象，使设备能在最优状态下长期稳定运行。

（4）提高管理可靠性和降低风险

采用BAS后，机电设备按照事先编制好的程序自动运行，不会出现人工管理中因人员的疏忽疲劳、判断失误而给业主带来无法估量的经济损失的问题；管理中心主机可以全面地监控整个BAS的运行情况，对于突发事件可以及时地响应，在一定程度上可以使损失降到最低。

本文将以德国科特贝德BAS在天津大悦城的应用为例，介绍BAS系统的各项功能。

1 项目简介

天津大悦城B地块公建总建筑面积约为229450m2，地下部分共三层，地上部分由一幢办公楼（塔楼）和一幢五层商业建筑组成。办公楼分为高、中、低三区，有三组电梯分别通达；首层为大堂及银行营业厅，2～4层为商业及餐饮用，5～14层、16～25层、27～35层分别为低、中、高区办公用，15、26层为设备、避难层，4层上方设有设备管道夹层，屋顶设有三层机房层。地上商业建筑部分主要供百货、商铺、主力店、旗舰店、影院及餐饮等使用。地下室建筑部分中，地下三层、地下二层及地下一夹层为汽车库、冷冻机房、配电室、水泵房、换热站等设备用房，地下一层为卸货区、超市、库房及停车场等。

C地块中的商业部分，主体为钢筋混凝土框架结构，属一类高层建筑，耐火等级为一级；地下共两层，地上四层，局部五层。地下二层为制冷机房、换热站等设备机房及机动车库，地下一层为变配电室、发电机房等设备机房、机动车库、溜冰场和局部商业用房，地下一层局部夹层为自行车库。地上首层至四层为商业用房，局部五层为设备机房。

C地块由于设备分布较分散并且点数相对不多，因此在方案设计中采用了科特贝德公司的小点数并且可以扩展的新型控制器；B地块点数比较多且相对集中，因此采用了科特贝德公司的大点数且两种总线拓展可以任意互换的4000系列控制器。这两种控制器均支持当前比较流行的BACnet/IP协议，可通过整个卖场的综合布线系统连接到控制中心GLT主机上；B、C地块的两台GLT主机也可通过以太网的连接进行资源的互访。

2 DDC控器主要控制功能

2.1 新风机组的控制和监视

新风机组控制和监视的主要内容如下：

◆ 根据送风温度与设定温度控制冷、热水阀门的开度，使室内温度保持在设定范围内；

◆ 根据事先排定的工作及时间表自动控制，或根据需要手动控制机组风机启停（开机动作顺序为“水阀—风阀—风机”，关机动作相反）、联锁保护控制，监测机组运行状态（风机压差状态）、手/自动状态、故障报警等，同时自动统计机组工作时间，提示定时维护；

◆ 在过滤器两端设压差开关；当空气过滤器两端压差过大时报警，提醒清理；

◆ 冬季时，在风机停止运行时，令水阀保持最小开度（5%），防止冻损盘管；

◆ 设防冻开关，在冬季，当盘管温度过低时，关停机组运行并报警，同时打开热水阀至100%，直到盘管温度达到设定值，以防止盘管被冻裂；

◆ 引入其他连锁控制、优化控制、节能和设备保护措施，例如最佳开机/关机、夏季夜间预冷、开机保护等。

2.1.1 组合式空调机组监控

组合式空调机组监控的部分内容与新风机组控制和监视（第二至第六项）大致相同；除此之处，组合式空调机组监控的内容还包括以下两点：

◆ 根据回风温度与设定温度控制冷、热水阀门的开度，使室内温度保持在设定范围内；

◆ 在冬季，如果室外空气温度过低，机组启动时令回风阀全开、新风阀全闭、热水阀全开，采用闭式循环加热模式，待各区域的室温达到要求后切换为正常运行模式。

2.1.2 通风系统监控

通风系统包括送风机、排风机等。通风系统监控的内容如下：

◆ 根据事先排定的时间表自动控制送/排风机的启停，监测风机运行状态、手/自动状态、故障报警等，同时自动统计机组工作时间，提示定时维护；

◆ 累计运行时间，开列保养及维修报告。

2.2 照明系统的监控

本工程照明系统涉及若干公共区域照明，监控内容如下：

◆ 根据所有公共区域的照明配电箱内所分的照明回路，对公用区域的照明进行监控，并根据时间进行回路控制；

◆ 监测照明开关状态，并对照明回路进行开关控制；

◆ 按照物业部门的要求，根据时间过程控制照明的开关，以实现最佳管理和节能效果。

2.3 电梯系统的监控

电梯系统监控的内容如下：

◆ 对电梯的运行状态、故障报警进行监测；

◆ 监测电梯的上行状态以及下行状态。

2.4 主要调节原理

（1）水阀调节

根据对送风温度与设定温度的比较，运用PI算法调节冷、热水电动调节阀以及热回收器风阀的开度，使送风温度保持在设定范围内。

（2）串级控制

串级控制是对大惯性空调设备进行调节的必要手段。例如，以送风温度为主，同时增加回风温度作为辅助变量，可以有效地减小温度的大幅波动。

（3）设定点偏移

根据室外温度对机组的温度设定值再设定，从而降低能耗。

（4）冬季开机保护

冬季开机保护是冬季机组开机时防止盘管因新风被冻坏的保护措施；即机组准备开机时，如果室外温度过低，则首先让盘管热水阀打开至100%并开启热水泵，直到盘管水温达到设定值或循环一定时间才允许打开新风阀和送风机。

3 DDC控制器网络结构

大悦城BAS可以分为B地块、C地块两部分。B地块部分采用了小点数控制器，该控制器本身带有两种通信协议，向下可以通过RS485总线连接五个I/O通信模块，向上采用了BACnet/IP协议——由此同一个网段上的控制器都可以连接到GLT控制系统主机上，由此可实现控制设备现场就地控制和管理中心统一控制相结合的控制方式，满足舒适、节能、高效的要求。C地块由于点数较多且点位集中，采用了科特贝德公司的大点数控制器。该控制器向下带有两种可以互换的通信协议，最多可以同时支持63个小点数I/O模块和16个大点数I/O模块；向上采用了BACnet/IP协议，最多支持99个同一个网段上的控制器连接到GLT控制系统主机上。

图1、图2分别为B、C地块的BAS结构图。

4 BAS的特点

4.1 空调机组系统和新风系统控制

图1 B地块控制系统图

图2 C地块控制系统图

传统的空调机组系统和新风系统控制模式是通过本地控制盘起停按钮和安装于盘管前端的手动阀门来控制送风温度，但其控制效果却往往由于各空调区域的使用人员对空调控制原理的不了解和节能意识淡薄的影响而达不到预期效果。引入BAS可使这种情况得到改善。

（1）在传统模式下，由于操作人员必须到现场才能对本地的控制按钮进行操作，如果现场设备的电机或者其他相关设备的故障报警不能及时反映到控制中心，将对设备的寿命有很大的负面影响。引入BAS后，通过由控制中心的主机直接向现场控制器发出指令、控制相应的设备启停，根据控制中心检测到的各类信息进行对相关设备的处理，可消除这一弊端。

（2）盘管前端水阀的控制是由操作人员根据经验和现场的体感温度控制水阀完全打开或处于某个固定开度来实现的，当现场的工况有了变化后不能及时响应。例如，当商场的门打开后长时间的没有关闭造成房间温度升高或者降低时，经过水阀的冷水或热水在一定时间内的流量是恒定的，必将造成房间的温度不能控制。引入BAS后，利用其温度采集功能和PID的功能可解决此问题：对控制中心发出的设计温度与现场房间或回风风道的温度传感器采集的温度进行比较，将比较的结果送到PID输入端，通过PID计算来及时控制电动执行器（冷、热水阀）的开度大小。这样既节省了能源又可以将体感温度调节到最佳状态。

（3）当房间的温度比较平稳时，阀门应该相应地关小甚至关闭，只有这样才能节省能源；在过渡季节或者室外温度比较舒适的时候，可以将冷热水水阀关闭，通过打开新风阀门进行空气交换来满足房间温度的需要，如此将对节能有很大帮助。但是，如果风道的新、送风风阀同样也只能完全打开或处于某个固定开度，这些功能是无法实现的。BAS可通过比较房间或回风风道的温度传感器采集的温度和室外温度传感器采集的温度，及时地关闭冷、热水水阀执行器，打开风道的电动新风、送风风阀执行器以达到节省能源的目的。

（4）机组内过滤器两端安装的压力表只能现场显示，不能及时反映出过滤器的洁净程度，如果过滤器很脏，将对房间内工作人员的健康构成很大的威胁。BAS的控制中心可以通过安装在机组过滤器两端的压差传感器的检测信号来判断过滤器的洁净程度（每个传感器的灵敏度是不同的，可以通过现场调节旋钮进行调节），如果洁净度低于设定值就触发报警信号，在主机的显示界面不停地闪烁，并且以报警提示音的方式输出到扬声器，提示物业人员更换新的过滤器。

4.2 排风系统控制

传统的排风系统控制方式是本地控制盘按钮控制，对于有地下室的建筑物，排风和补风系统是必备的。目前在很多建筑物中，这类机电设备都是24小时不停地运转，而这类机电设备数量多，并且运行人员必须到每个设备的控制盘处才能对其操作，造成了能源的极大浪费。利用BAS预先编制好的时间程序，可以实现对这类的机电设备的阶段性开启和关闭，对节能大有裨益；如有条件，配合CO和CO2传感器来使用，节约能源的效果将会更加明显。

4.3 照明系统控制

照明系统是除了风机水泵类设备外耗能最多的系统之一。商场类的建筑物公共区域比较多，相应安装的照明设备也很多，并且比较分散。在传统的控制模式下，运行人员需要到每一个照明控制箱前去开启和关闭设备，这会造成人力资源的紧张——加大人员投入会造成运营成本增加，反之则会造成工作延误、电能消耗增加。同样的利用BAS预先编制好的时间程序对照明设备进行阶段性的开启和关闭，可以获得很好的节能效果（在条件允许的情况下，配合室外照度传感器使用，节约能源的效果更加明显）。

4.4 给排水系统控制

给排水系统的传统工作方式是通过集水坑内的高低液位传感器触发排水水泵的启停。由于相关设备通常位于地下室或人员不经常去的设备间区域，如果出现液位报警后相应的水泵没有开启，相关的巡视人员也没有到现场，造成污水溢出损坏设备或者货物，将给业主带来较大的损失。利用BAS系统预先编制好的液位控制程序可以实现对这类的相关设备的开启和关闭，通过控制中心的报警功能及时反映出现场的设备运行信息，从而最大程度地降低上述风险。