BA系统在集中空调设备节能控制中的应用

范峰海 / 韩 宁 / 岳子丰 / 尹婧瑶 (北京林业大学工学院， 北京 100083)

引言

楼宇自动化的实质就是把建筑内的各种机电设备连接到一个局域控制网络上，组建一个自动化的综合控制和管理系统，为提高设备利用率、优化设备运行状态及运行时间提供有效的方案。楼宇自动化致力于创建安全、便捷、舒适、经济、高效的生活工作环境，同时实现节能减排的要求。

高校是高用能单位，从能源使用的战略和全局出发，推进节能降耗，提高能源利用率，实现能源的可持续发展是非常必要的，因此运用楼宇自动化技术构建节能控制管理系统对高校节能具有深远的意义。

1 楼宇自动化系统

楼宇自动化系统建设的主要目的在于对建筑内各种机电设备的信息进行归类、分析、处理、判断，采用最优化的控制策略，实现各子系统与中央监控管理级计算机之间的信息通讯，对各子系统设备进行集中监控和管理，使各子系统设备在高效、节能的状态下运行，广义的BAS结构如图1所示。

图1 楼宇自动化系统结构

2 北京林业大学图书馆楼宇自动控制系统节能改造项目

2.1 系统改造前情况

经调研，夏季北京林业大学图书馆每天用电量在10 000kWh～12 000kWh，其中空调系统用电量占了约60%，而且空气处理机使用全新风。由于空调系统全部由人工手动控制，不能实时地根据室内温度变化来调节水阀开度和风机的启停以及速度，导致图书馆夏季阅览室室内温度基本上保持在23℃～24℃，体感温度偏低，并且室内温度分布不均，空气处理品质很低；冬季，室内温度维持在24℃～26℃，并且自习区CO2浓度范围为2 100 ppm～3 000ppm，远高于国家标准1 000ppm。

图书馆在2004年使用初期曾建设有楼宇自动控制系统，但一直未投入运行，目前存在控制器老化、版本过期问题。

综上所述，图书馆当前的室内空气温度处于手动控制超调状态(夏季过低，冬季过高)，空气质量较差，不符合现代社会的绿色节能需求，采用自动控制手段的节能潜力很大，楼宇控制设备维修与节能改造是非常必要的。

2.2 改造后的状况

此次改造不仅修复了图书馆原有楼宇自动控制系统，还新增加了一些温湿度、CO2浓度传感器和网络控制器，完善了原有系统的不足。现行系统的运行提高了管理人员的工作效率，更加精确地检测室内空气参数和设备运行情况，及时调整节能优化控制策略，保证了节能与室内空气绿色品质的要求。

2.3 节能改造的目的及意义

根据统计资料，空调能耗占建筑总能耗的60%左右，夏季将室内温度下调1℃，空调能耗将增加9%；冬季将室内温度上调1℃，空调能耗将增加12%。提高室内温湿度控制精度可以有效地节能。由于人工控制精度不高，因此对空调设备进行智能化监控调节对建筑节能十分有效。图书馆楼控系统改造的意义如下：

1)节能。节能改造完成后，在满足舒适度的基础上将节能10%～30%，每天可节电600kWh～1 800kWh。

2)提供教学和实习平台。该校自动化专业、电气专业、物业专业有“楼宇自动控制”课程，以往是在校外实习。改造后的图书馆楼控系统可以作为上述专业的实习基地。

3)科研。楼宇自动控制系统涉及自动化、电气、电子、计算机、物业管理等专业知识。升级后的控制系统将完全建立在开放架构和集成管理平台上(支持当前国际主流技术LonWorks、Modbus TCP、BACnet以及OPC)，可以方便地集成到任何能源管理跟踪分析系统，有利于日后对该系统进一步优化能源监控管理或进行二次开发工作。该项目实施后可提供一些开放的数据接口，为学校教师和研究生的科研提供一个先进的实验平台。

4)适宜的学习环境。根据前期调研，图书馆自习区CO2浓度严重超标，空气混浊，导致学习效率低下。因此，改造后的图书馆室内空气质量可以调整到国家标准(1 000ppm)之内。

5)节能案例展示平台。项目实施前图书馆内的建筑设备为人工控制。由于空调的温度是大滞后系统，手动控制必定产生超调，导致夏季偏冷和冬季偏热，耗能严重。本项目将实践学校建设绿色校园，实现节能减排的管理目标。

3 楼宇自动控制系统运行管理

3.1 楼宇自控系统网络结构

改造后的图书馆楼宇控制系统使用奥地利Loytec公司的LINX-100作为协议转换器和德国Sysmik公司的ICS-709 作为网络控制器，把LonWorks总线的Lontalk协议转换为TCP/IP协议与上位机通讯。控制网络采用当前先进的B/S(浏览器/服务器)结构并连接到校园LAN网络中，控制信息通过Web服务器发布到Internet上，用户可以使用网络浏览器去访问Internet上的数据、文本、图像、动画等信息,通过设定权限可实现远程监控。

3.2 节能控制管理系统

改造后的楼宇自动控制管理系统如图3所示，图形化的监控界面包含了风机盘管自动启停控制与风机盘管温度控制、新风机组自动启停控制与新风机组二氧化碳浓度控制、自然采风控制、图书馆室内温度趋势图、室内空气品质检测、DDC控制器参数优化配置等。系统实现了控制、管理、监视一体化，为学校后勤管理提供了综合节能技术平台。

3.3 节能优化控制策略

1)风机盘管温度控制

图2 图书馆楼控系统网络结构

图3 节能控制管理系统

图书馆风机盘管机组内部的电机是单相电容调速电机，因此可以通过调节电机的输入电压使风量分为高、中、低三档，进而调节风机盘管的供冷量。考虑到房间内人体感的舒适性，本系统中将风机盘管置于低档运行，只有启停控制。温度控制流程如图4所示。

图4 风机盘管温控流程图

改造前风机盘管为全工作时间不间断运行，每天运行时间段为8：00～21：30，共 计13.5h。改 造后的风机盘管节能控制运行试验如图5和图6所示。其中图5是室内温度趋势图，图6是风机盘管运行时间趋势图。

分析：由图5和图6可知图书馆室内温度维持在25℃～27℃，风机盘管运行时段为8：00～21：30，中间停了将近6h，较之前人工管理全时段运行节能44.4%。

结论：风机盘管自动控制改造前为人工手动控制全工作时间不间断运行；改造后风机盘管设置在低档自动启停运行，室内温度维持在25℃～27℃的标准值，至少节能40%。

2)新风机组CO2浓度控制

根据实际系统运行试验得知，本系统中新风机组的降温能力很弱，空气制冷主要还是依靠风机盘管，当前设备的新风机组可以用来改善空气质量。新风机组的CO2浓度控制运行流程图如图7所示，新风机组运行试验如图8所示。

图5 室内温度趋势图

图6 风机盘管运行时间

图7 新风机组CO2浓度控制运行流程图

从图8可知，室内CO2浓度不超过700ppm，低于国家标准值1 000ppm(我国现有室内CO2卫生标准≤1 000ppm)，空气质量良好，达到了预定目标。

3)新风机组自然采风运行控制

新风机组自然采风运行控制是在制冷机没有运行的情况下，借助室外新风来实现改善室内空气品质的一种方法，此种策略用在过渡季节效果较佳。新风机组自然采风运行控制流程图如图9所示。

这种方法的好处是低碳节能，完全利用室外新风来改善室内的空气品质。

4 节能效果分析

本项目的局部试验表明，改造后的楼宇控制系统在满足室内空气品质前提下较之前人工手动控制至少节能40%，降低了冷水机组的负荷。

本项目的全局试验运行时间是2012年6月份，2012年6月份图书馆用电量为208 800kWh，同比节能57 200kWh。在此期间除了照明设备的更换外，其他用电设备并无变化，2012年6月份照明设备同比节能15 120kWh。因此，2012年6月本项目节能部分为42 080kWh，节能15.8%。

图8 CO2浓度趋势图

图9 新风机组自然采风运行控制流程图

从新风机组运行试验可知，CO2浓度控制在设定的范围内，低于国家标准值，室内空气质量良好。

本文楼宇自控系统在确保了室内绿色空气品质的同时，节省了设备的运行成本，为高校后勤智能化管理提供了有效的途径。

5 结束语

本文楼宇自动控制系统中使用了LonWorks现场总线技术，提高了系统内部的通信速率、实时性与精确性，降低了误码传送率。系统的设计实现了LonWorks网络与Internet互联，可以远程监控管理设备，通过优化节能控制策略节省了运行与管理费用，使先进的综合节能技术得以实现。本文以实际案例表明楼宇自动化为高校后勤管理节省运行成本，全面提高设备管理水平发挥重要的作用。

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