楼宇自动化节能控制浅析

夏鑫

(上海电气自动化设计研究所有限公司，上海 200023)

0 引言

随着科学技术的飞速发展，人们对生活、办公环境舒适性、安全性的要求日渐增强。中央空调系统很好的满足了人们的需求，但是中央空调系统一般都是针对最大工况(全负荷)进行设计的，能源利用效率较低，其能源消耗占到了整个建筑耗能的60%以上［1］。而能源问题是影响国民经济持续发展的重要因素，为了解决这一矛盾，使得空调系统控制器能够实现工作点优化以及参数在线修正，楼宇建筑智能化系统应运而生。

1984年美国首先提出了建筑智能化的概念，包含三个子系统:楼宇自动化系统、通讯自动化系统和办公自动化系统［2］。本文主要针对楼宇自动化系统进行相关论述，结合笔者负责研发的上海市政院办公大楼自动化节能控制系统，探讨如何利用直接数字控制(Direct Digital Control，DDC)系统结合计算机管理系统，实现在确保设备安全运行的基础上，达到节省人力、节约能源的效果。

1 楼宇自动化技术

1.1 楼宇自动化技术现状

楼宇自动化技术自上世纪八十年代诞生以来，在欧美、日本等发达国家经历了从单一功能专用系统到多功能系统直到目前的全面集成系统这样的迅猛发展。在我国经济腾飞但能源相对紧缺这一大背景下，楼宇自动化技术拥有广阔的市场前景，虽然得到了广大建设方的认同，但由于国人节能意识普遍不高，缺乏长远的发展规划，很多项目存在诸多功能缺陷而不能全状态运行，导致目前建筑能耗是相同气候条件发达国家的两倍以上［3］。因此无论是在开发商还是在使用者的角度上，都应该对楼宇自动化技术更加重视。

1.2 楼宇自动化技术结构体系

楼宇自动化系统是智能建筑系统中最重要也是最基本的组成部分，一般由图1所示各子系统组成。

图1 楼宇自动化系统图

通过一个软件平台，对以上各子系统进行集中管理，即楼宇自动化系统集成。

1.3 楼宇自动化技术优点

(1)对各系统设备集中统筹的进行科学管理，大大节省人力物力，提高管理水平。

(2)实现电力用量监控，实现各系统最优化运行，合理节约能源，提高经济效益。

(3)建立完整的设备运行档案，制定合理的检修计划，确保各系统的安全运行［4］。

2 DDC系统

2.1 DDC控制系统组成

(1)中央管理计算机(又称上位机)，设置在中控室内，将现场设备的所有信息集中提供给工作人员，并可外接显示设备、记录设备、报警设备等。

(2)DDC，作为现场设备与系统的接口(又称下位机)，通过分散设置在被控设备附近来收集相关信息，并能独立工作。

(3)通信网络，用于实现上位机和下位机之间的数据传送，小型系统可采用屏蔽双绞线作为传输介质，较大型的系统则一般通过成熟的工业总线进行数据通讯。

(4)传感器和执行器，位于整个系统最末端，直接安装在被控的传感元件或执行元件上，正是靠他们来采集信息或执行动作［5］。

2.2 DDC控制系统主要功能

(1)根据预先设定的周期对数据采样设备进行数据采集和状态检测。

(2)对采集的数据进行A/D和D/A转换，设定转换的数值转换率及偏差值。

(3)对现场采集的数据进行分析，滤除波动值，以使系统显示正确读数，确定现场设备的运行状态。

(4)对现场设备运行状况进行检查，并对异常状态进行报警处理。将报警信息传送给中央管理系统。

(5)根据现场采集的数据执行预定的程序获得控制数据。

(6)通过预定控制程序完成各种控制功能，包括比例控制、比例加微分、积分控制、开关控制、最大最小值控制、平均值控制、逻辑运算控制、焓值计算控制和联锁控制等。

(7)向数据控制和执行设备输出控制和执行命令。

(8)通过网络控制器或数据网关连接第一层的设备，与各上级管理计算机进行数据交换，向上传送各项采集数据和设备运行状态信息，同时接收各上级计算机下达的参数的设定与修改指令或实时控制指令。

3 系统的设计和实现

3.1 系统架构

目前市场上的楼宇自控系统以国外品牌为主，高端产品主要有西门子的Apogee系统和江森的Metasys系统。就系统功能而言，Metasys配置更加灵活，可支持BACnet协议，在性能上也明显优于Apogee系统［6］，因此虽然造价略高，我们还是选择了Metasys系统。

为了保留足够的技术先进性、开放性和升级能力，我们采用了江森公司最新的基于BACnet总线技术的MSEA系统架构，架构示意如图2。

整个项目机电设备众多，分布广泛，因此我们采用分散控制，集中管理的方式，为各个设备配置相应的现场控制设备，通过网络总线将他们连接起来。楼宇自控系统工作站设置在大楼一层的消控中心，通过网络控制引擎和现场的DDC对所有的机电设备进行监控。

3.2 系统主要功能

(1)空调系统

空调系统是整个楼宇自动化系统的核心部分，控制界面如图3所示。

图2 MSEA系统架构图

图3 空调系统控制界面

其中可以监控风机的运行状态，手自动状态，故障，季节模式，二氧化碳浓度，回风温、湿度，送风温、湿度，送风压力，冷、热水阀开度，风机频率、加湿器状态等。

可以控制风机的启停，新风阀的开度，冷、热水阀开度，冷、热水阀开度;可以设定风机频率，送风温度，回风温度等。

(2)其他系统

给排水系统主要控制水泵的启停以及监视水泵的运行状态和水位的高度，如超过警示水位可发出报警信息。变配电系统需监视机组的运行状态，监视电压、电流、功率、功率因数、相位、频率等重要参数，能发出相应的报警信息。照明系统可控制设备的开关，监测设备运行状态。电梯系统主要监测其运行状态。

3.3 BACnet总线

BACnet通讯标准是美国冷暖工程师协会的标准项目委员会首先提出的，这项标准在推出的同一年通过了美国国家标准局ANSI的审批成为了美国国家标准，并且在2000年的八月份草拟成为了楼宇自控标准［7］。

该标准的最大亮点是具有强大的互操作性。BACnet采用的协议是面向对象类型的，其应用层中对服务和对象的定义是标准化的，这使得应用功能具有较好的可扩展性和集成程度。因此在本工程的监控层网络中使用BACNet总线，就使得系统具有很好的柔性，便于后续系统的升级和维护。控制层中所有的VAV控制器和前端设备，以点对点的方式通过BACnet总线通讯，保证了数据传输的安全性与独立性。同时BACnet总线还可实时连接现场控制器，智能仪表、其他通讯接口、变频器等，为构建大型化、复杂化的系统提供了便利。

3.4 节能控制技术

针对不同的设备情况和不同地区的室内外环境，我们的控制策略是在保证舒适性的前提下，既确保整个系统的安全监控，还要使用多项节能技术使整个系统在稳定、可靠的基础上，最大限度的减少人力和节约能源，从而实现降低整个大厦运行和维护成本的目标。主要节能措施如下:

3.4.1 动态变流量空调节能控制技术

与传统的变频器控制系统不同，我们在本项目中采用的是动态变流量控制系统。将采集到的参数，通过模糊运算得出控制参数，送到控制系统中，结合变频技术，改变空调系统循环水的流量，从而改变温度，确保整个系统在部分负荷的情况下仍能处于最佳工作状态，从而达到节能的目标。与传统变频控制系统的区别见表1。

表1 动态变流量控制系统与传统的变频器控制系统比较

图4 风机温度控制程序流程图

可见，动态变流量节能控制系统比传统的变频器控制系统拥有更好的节能效果。具体程序控制流程见图4。

3.4.2 提高室内温湿度控制精度

建筑节能与室内温、湿度的变化是密切相关的。相关资料表明，在夏季设定温度有1℃的误差，就会有9%左右的能量损耗;在冬季设定温度有1℃的误差，就会有12%左右的能量损耗。因此楼宇节能的有效措施之一就是提高室内温湿度控制精度。在本系统中我们提高了该精度的控制要求:温度允许误差在1.2℃，湿度允许误差在5%。并且为了根据实际情况更加有效的自动调整室内温度设定值，我们尝试参照热负荷补偿曲线设置了浮动的设定点，尽可能的节省能源。

3.4.3 合理的新风量控制

根据卫生部要求，为了人体健康考虑，必须保证建筑内每人享有一定的新风量。但如果新风所占比例过大，也会使得新风能耗增加。因此在确保人体健康的前提下，为了实现节能目标，应该将新风量适当减少。我们采取了以下措施实施新风量控制:

(1)确保新风占送风量的比例不低于10%。

(2)进行二氧化碳浓度检测，据此确定适合的新风量。

(3)适度加大回风量，参考新风和回风比来调整新风量。

(4)根据上下班时间、节假日等影响大厦内人员变化的规律来调整新风量。

3.4.4 空调启停时间控制

本系统中的建筑在夜里是无人使用的，但需要提前开启设备，以确保开始工作时能享有舒适的环境，此外，室内温度具有一定的惯性，提前一定时间关闭空调，温度也不会有太大变化。因此我们试着计算了空调设备的最佳启停时间，对各楼层设备制定了可调整的启停时间表，以此保证在享有舒适环境的前提下，缩短不必要的空调使用时间，实现节能。

3.4.5 春季过渡模式、秋季过渡模式的划分

在春、秋季过渡模式中，早晚温差较大，当白天最高温度超过26℃时，我们利用夜晚无人的时间，对整个建筑进行吹扫，充分利用夜晚凉爽的空气带走房间余热，并净化室内空气。吹扫时间主要依据热负荷曲线，并可由用户根据当地气候实际变化自行调整。此外春秋过渡季还可以由管理人员灵活设计管理策略，根据当地气温、环境、设备状态等实际情况判断是否需要吹扫或加开各种制冷、制热设备，尽可能的节约能源。季节模式图见图5。

图5 季节模式示意图

4 结束语

目前该项目已进入竣工验收阶段，我们既为用户提供了安全、舒适、便利的工作环境;又实现了节约能源、降低成本的目标。相信在科技飞速发展的今天，楼宇自动化技术必然有一个更加光明的未来!

［1］张焕廷.空调机组BA系统节能控制的探讨［J］.城市建筑，2014，11(17):197.

［2］宋健.楼宇自动化技术的研究与应用探讨［J］.建筑知识:学术刊，2014，34(6):57-59.

［3］蒲如石.楼宇自动化工程现状分析［J］.智能建筑与城市信息，2013，20(9):35-39.

［4］傅学军.楼宇自动化节能初探［J］.中国新技术新产品，2014，22(4):43.

［5］汪诗雯.浅论完善楼宇自动化控制系统设计［J］.电子技术与软件工程，2014，20(4):103.

［6］喜琍，夏长凤.基于DDC的智能楼宇监控系统设计［J］.南通航运职业技术学院学报，2014，13(1):45-50.

［7］邓丽金.现场总线技术在楼宇自动化中的应用［J］.电子世界，2014，36(12):465.