楼宇自动化在高校节能管理系统中的应用

李壮壮，李思翰，杨名亚，甄 玉

（华北水利水电大学，河南郑州 450040）

0 引言

在现代智能建筑中，楼宇自动化系统的构成不单涉及到楼宇自动化设计的内容，还需要充分考虑智能建筑中其他系统的构成，如小区的安保系统，停车位及建筑消防系统等。楼宇自动化系统设计的内容包括：冷冻机设备的控制和监视、空调调节机组的控制和监视、以及通风和排风系统的控制和监视等相关设备的监视，本文通过华北水利水电大学图书馆在楼宇自动化管理系统中的应用进行调查和分析。

1 华北水利水电大学图书馆楼宇控制系统节能改造项目

1.1 系统改造前情况

学校电子自动化专业的学生进行过详细调研，每当夏季来临时，大学图书馆的用电量每天都在12 000 kW·h 左右，其中空调系统就占60%以上。由于现阶段空调系统全部由人工操作，即手动控制，无法根据室内温度的变化随时调节水阀的温度大小以及控制空调主风机的启动和停止，进而导致图书馆自习室内的室温通常保持在24 ℃以上，体感温度偏低，同时会感觉到室内温度分布很不均匀，空气处理品质低。到了冬季，室内的温度能维持在26 ℃左右，自习区中的二氧化碳浓度平均为3000×10-6，比国家标准高出了1000×10-6。此外，图书馆早在几年前建设期间就建有楼宇自动控制系统，但是一直没有投入使用，目前发现一些设备存在控制器老化、版本陈旧过期的问题。

1.2 改造后的状况

系统经过改造后，不仅修复了图书馆原有的楼宇控制系统，还对控制系统增加了温湿度测定，二氧化碳浓度传感器和网络的传感器，对原有系统的不足之处进行完善和改进。改造之后的系统能够显著提高工作人员的工作效率，同时可以实现精确检测室内空气具体参数以及进行自动设备运行的状态分析，及时调整风机的启动开关，运用优化策略确保节能环保，从一定程度来说室内空气基本可以达到绿色品质的要求。

其次，从高校建筑物照明节能系统上来看，传统建筑中能源消耗最大的是照明系统，而照明系统的能量消耗由光源决定，传统灯泡能量消耗较大。随着制造业的发展，LED 节能灯的出现以及广泛应用，相比与传统的电灯来说能够实现一定的节能效果，甚至有些LED 可以减少80%的电能。近年来，人们对于节能减排理念认识逐渐深刻，对光源的节能效果提高重视，楼宇自动控制能够实现将节能灯代替传统灯泡。目前对于灯光节能可以通过以下几种方法实现：在建筑物，公共区域由手控灯变为自动控制灯，通过定时设计，对于分电灯使用时间进行确定，当用户进入照明区域时，会根据声音和感应自动进行灯光开启，满足设定时间后关闭通过自动控制，能够从一定程度上利用灯光，便于学生出行时，有效节省了灯光，这种方法是对灯源开关方式的转变，不需要投入大量的人力，物力，已经在很多建筑中广泛应用。其次，可以将灯光与室外光进行结合，在室外光能够满足日常需求时，不需要额外进行灯光作业，由于室外灯光会受到天气，建筑物，季节等因素的影响，无法直接对灯光时间、亮度进行设定，需要智能灯光系统对不同区域灯光进行调整，智能灯光系统可以根据照明需求进行回路设计，并在此基础上，选择合适的灯具，安装灯光传感器，能够将灯光信号传送到楼宇控制系统中，通过系统的信号接收，确定目前照明区域的光源作业情况。根据实际需求和标准对灯光进行控制，有效避免不合理使用灯光，减少不必要的能源消耗。楼宇自控灯光节能主要用于一些规模较大的建筑物中，目前在大规模建筑物中采用的是自控和手控相结合的照明系统，通过中央控制对自控与手控光源实现集中控制，相比传统的定时或者手动设定来说，能够对光源作业时间、亮度进行控制和监测，这种处理方式对电网从冲击电压和浪涌电压可以实现有效调节，也能够从一定程度上保护灯具，使灯具避免受到热冲击损害，进而延长灯具的使用寿命，并且可极大程度上节省人力、物力和财力。

1.3 节能改造的目的及意义

对楼宇自控系统在空调系统中的节能，不仅包括新风系统控制，同时还可以对相关设备实现有效管理和节能。根据不同季节空调系统的运行情况，楼宇控制系统可以对空调运行进行人性化管理，如冬天可在高温度，大风量方式运行，而夏天则可以通过较低温度，大风量运行。在春秋两季时，对于室内温度要求不是特别明显，基本可以满足空气更换，采取间歇式的运行模式，根据系统间歇启停特点和对设备工作时间的累计，通过这种方式提醒管理人员对设备进行定期的检修，可见这种人性化的自动控制，不仅能够满足不同季节空调系统运行需求，同时还可以大大减少能源消耗，并对设备也起到一定的保护作用。

根据统计资料显示，空调系统占建筑总能耗的60%左右，夏季时，只要将室内温度下调1 ℃，那么能耗将会增加9%左右。然而在冬季，只要将室内温度上调1 ℃，那么能耗将增加12%左右，因此提高室内的温度、湿度的控制精确度能够有效提升节能效果，由于人工控制空调的精准度较低，因此，对空调设备进行智能化监测对于高校节能来说十分重要。图书馆楼控系统在改造后能够有效实现节能，相比之前所统计的夏季用电量数据来看，空调占据60%。然而经过改造之后，在基本能够满足舒适度的情况下，能够减少20%左右的能量消耗，平均每天可以节省1000 kW·h 电。能够提供教学实习平台，对于学校自动化专业，物业专业的楼宇自动化控制课程来说，过去是以校外实习的方式展开的，而经过改造之后可以将图书馆楼控系统作为学生实习基地。在科研方面，楼宇自动控制往往涉及到了计算机、电子、自动化等专业知识，进行控制系统是建立在集成管理平台和开放性的平台上的，便于集成能源管理分析系统，以及对日后实现能源监控优化和二次开发。实施该项目之后能够提供开放的数据接口，为高校科研提供实验平台，为学生提供适宜的学习环境。根据前期的调查结果发现，图书馆自习区二氧化碳超标，空气质量不佳，导致学生学习效率较低。因此，经过改造之后，能够将图书馆的空气质量调升到国家标准的范围之内，可以将图书馆经过改造之后的楼宇控制系统作为节能案例平台，项目实施之前图书馆的建筑设备是由人为控制，由于空气温度属于滞后系统，人工控制往往会存在超调的现象，导致夏季冷，冬季热，电能消耗比较严重，而本课程可以将建设绿色校园，实现节能减排作为实践教学目标。

2 高校楼宇自动控制系统的运行

2.1 楼宇自动化控制系统网络结构分析

华北水利水电大学图书馆楼控系统经过改造之后，在组网方式上采用德国ICS-709 作为控制系统，以及将奥地利Linx100作为协议转换器，将总线的Lontalk 协议转换TCP/IP 协议，实现与上位机的通信功能，将控制网络连接到校园网络中，采用B/S服务器，将信息通过对比服务器进行网络发布，用户可以通过浏览器来访问数据信息，后台通过权限设置可实现远程实时监控。

2.2 节能控制系统

图形化的控制界面，包括新风机组自动启动控制，风机盘管自动启动控制，以及温度控制，二氧化碳浓度控制，自然风控制等。该系统能够实现控制，监控，管理的一体化功能，给后勤管理提供了高效的节能技术平台。

2.3 节能优化具体措施

首先从风机盘管温度控制上来看，风机盘管机组中的电机大多是单相电容调速电机，通过电机输入电压的调节，能够将风量控制在不同的挡次，进而调节供冷量，考虑到给学生提供的舒适度问题，在该系统设置中，将风机盘管处于低挡位运行，只能实现基本的启动和停止控制，改造之前风机盘管是属于工作时间运行的，具体时间段为早上八点到晚上九点半，不间断运行，而经过改造之后能够实现节能控制运行。将室内的温度控制在25 ℃左右，运行时间与之前保持一致，然而中间会停止运行6 h，相比之前来说能够节省约44%的电能。因此，经过改造之后，风机盘管自动控制能够将人工手动控制变为自动化启停运行。其次从二氧化碳浓度控制上来看，经过系统测试，发现新风机组在降温能力方面比较弱，依靠风机盘管来进行空气制冷，当前设备能够用于空气质量的改善，在二氧化碳浓度控制上，经过检测，发现二氧化碳浓度可以被控制在700×10-6范围内，能够获得良好的空气质量值。从自然采风运行控制上来看，自然采风运行控制室在制冷机处于停止运行的状态下，能够借助自然风来实现室内降温和二氧化碳浓度控制的有效方法。该策略适合用于过渡期，这种方法能够有效践行低碳节能，绿色环保的理念，利用室外新风有效改善室内空气质量。

对于高校来说，学生生活所采用的主要能源就是电能。因此，在楼宇自动控制系统中，其节能设计是针对用电量较多的照明、空调系统而言，随着科学技术发展，以及计算机在建筑行业的运用，对于风能，太阳能的有效应用逐渐被重视起来，在楼宇控制系统中有效利用这些可再生的能源，并将能源进行收集将其转化为电能，可以满足日常用电需求，成为在节能运用上主要考虑的问题，而有效利用这些电能不仅能够实现智能建筑节能减排，同时还可以缓解目前我国用电紧张的现状，进一步推动我国电力行业的发展。

3 小结

改造高校楼宇控制系统，并从灯光，空调节能，二氧化碳浓度控制等角度出发，融入节能减排理念。但由于我国楼宇自动控制相比西方发达国家来说，在这一方面研究较晚，技术水平有限，且在实际运用中还会出现很多问题，比如管理监管力度不够，无法满足建筑行业需求。因此，要想真正实现楼宇自动控制系统与其他领域的有效融合，需要未来继续投入大量的时间和精力进行相关研究。