樓宇自控系統(tǒng)在建筑物中的應(yīng)用

文｜科特貝德機電設(shè)備（北京）有限公司 李曉剛

空調(diào)、通風(fēng)、照明、給排水、電梯、低壓配電設(shè)備是當(dāng)前所有建筑物中必備的機電設(shè)備。這些設(shè)備的控制方式有兩種：一種是最傳統(tǒng)的控制方式，即只有本地控制盤控制；另外一種比較先進(jìn)的控制方式是本地控制盤加上遠(yuǎn)程BAS控制。如果建筑物本身面積不大、機電設(shè)備不多、人員精力足夠，采用傳統(tǒng)的控制方式似乎可以在前期投入上節(jié)約資金，但是隨著能源的儲量減少和價格上漲、突發(fā)性設(shè)備運行故障等問題的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)的控制方式將越來越顯得力不從心。BAS的出現(xiàn)在一定程度上消除了上述弊端。

BAS可以對樓宇中所有的機電設(shè)備（包括空調(diào)、變配電、給排水、電梯、照明等系統(tǒng)設(shè)備）進(jìn)行監(jiān)視，并通過計算對這些設(shè)備進(jìn)行最優(yōu)控制。該控制系統(tǒng)與人工控制系統(tǒng)比較，具有四項顯著的優(yōu)點：

（1）節(jié)省能源

采用BAS后，可以根據(jù)預(yù)先編排的時間程序?qū)﹄娏Α⒄彰?、空調(diào)等設(shè)備的開啟和關(guān)停進(jìn)化最優(yōu)化的節(jié)能控制，如根據(jù)辦公時間程序和室外照度的變化來控制照明系統(tǒng)的開關(guān)，根據(jù)空調(diào)冷負(fù)荷量和室外溫濕度調(diào)整冷機及相關(guān)水泵設(shè)備的開關(guān)，實現(xiàn)最優(yōu)化控制等。

（2）減少管理費用

采用了BAS后，可以減少運行維護(hù)人員的數(shù)量，使管理成本得以相應(yīng)地降低（人員工資、福利等支出均可節(jié)?。?。

（3）延長設(shè)備使用壽命

通過BAS管理設(shè)備，可使被控設(shè)備根據(jù)工藝要求而編寫的程序執(zhí)行動作，在確保相關(guān)設(shè)備完好的情況下，可以保證被控設(shè)備不會因誤動作而損壞。此外，BAS程序內(nèi)會設(shè)計多臺設(shè)備的輪詢運行，以避免發(fā)生長時間超負(fù)荷運轉(zhuǎn)等會損傷設(shè)備的現(xiàn)象，使設(shè)備能在最優(yōu)狀態(tài)下長期穩(wěn)定運行。

（4）提高管理可靠性和降低風(fēng)險

采用BAS后，機電設(shè)備按照事先編制好的程序自動運行，不會出現(xiàn)人工管理中因人員的疏忽疲勞、判斷失誤而給業(yè)主帶來無法估量的經(jīng)濟(jì)損失的問題；管理中心主機可以全面地監(jiān)控整個BAS的運行情況，對于突發(fā)事件可以及時地響應(yīng)，在一定程度上可以使損失降到最低。

本文將以德國科特貝德BAS在天津大悅城的應(yīng)用為例，介紹BAS系統(tǒng)的各項功能。

1 項目簡介

天津大悅城B地塊公建總建筑面積約為229450m2，地下部分共三層，地上部分由一幢辦公樓（塔樓）和一幢五層商業(yè)建筑組成。辦公樓分為高、中、低三區(qū)，有三組電梯分別通達(dá)；首層為大堂及銀行營業(yè)廳，2～4層為商業(yè)及餐飲用，5～14層、16～25層、27～35層分別為低、中、高區(qū)辦公用，15、26層為設(shè)備、避難層，4層上方設(shè)有設(shè)備管道夾層，屋頂設(shè)有三層機房層。地上商業(yè)建筑部分主要供百貨、商鋪、主力店、旗艦店、影院及餐飲等使用。地下室建筑部分中，地下三層、地下二層及地下一夾層為汽車庫、冷凍機房、配電室、水泵房、換熱站等設(shè)備用房，地下一層為卸貨區(qū)、超市、庫房及停車場等。

C地塊中的商業(yè)部分，主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屬一類高層建筑，耐火等級為一級；地下共兩層，地上四層，局部五層。地下二層為制冷機房、換熱站等設(shè)備機房及機動車庫，地下一層為變配電室、發(fā)電機房等設(shè)備機房、機動車庫、溜冰場和局部商業(yè)用房，地下一層局部夾層為自行車庫。地上首層至四層為商業(yè)用房，局部五層為設(shè)備機房。

C地塊由于設(shè)備分布較分散并且點數(shù)相對不多，因此在方案設(shè)計中采用了科特貝德公司的小點數(shù)并且可以擴(kuò)展的新型控制器；B地塊點數(shù)比較多且相對集中，因此采用了科特貝德公司的大點數(shù)且兩種總線拓展可以任意互換的4000系列控制器。這兩種控制器均支持當(dāng)前比較流行的BACnet/IP協(xié)議，可通過整個賣場的綜合布線系統(tǒng)連接到控制中心GLT主機上；B、C地塊的兩臺GLT主機也可通過以太網(wǎng)的連接進(jìn)行資源的互訪。

2 DDC控器主要控制功能

2.1 新風(fēng)機組的控制和監(jiān)視

新風(fēng)機組控制和監(jiān)視的主要內(nèi)容如下：

◆ 根據(jù)送風(fēng)溫度與設(shè)定溫度控制冷、熱水閥門的開度，使室內(nèi)溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi)；

◆ 根據(jù)事先排定的工作及時間表自動控制，或根據(jù)需要手動控制機組風(fēng)機啟停（開機動作順序為“水閥—風(fēng)閥—風(fēng)機”，關(guān)機動作相反）、聯(lián)鎖保護(hù)控制，監(jiān)測機組運行狀態(tài)（風(fēng)機壓差狀態(tài)）、手/自動狀態(tài)、故障報警等，同時自動統(tǒng)計機組工作時間，提示定時維護(hù)；

◆ 在過濾器兩端設(shè)壓差開關(guān)；當(dāng)空氣過濾器兩端壓差過大時報警，提醒清理；

◆ 冬季時，在風(fēng)機停止運行時，令水閥保持最小開度（5%），防止凍損盤管；

◆ 設(shè)防凍開關(guān)，在冬季，當(dāng)盤管溫度過低時，關(guān)停機組運行并報警，同時打開熱水閥至100%，直到盤管溫度達(dá)到設(shè)定值，以防止盤管被凍裂；

◆ 引入其他連鎖控制、優(yōu)化控制、節(jié)能和設(shè)備保護(hù)措施，例如最佳開機/關(guān)機、夏季夜間預(yù)冷、開機保護(hù)等。

2.1.1 組合式空調(diào)機組監(jiān)控

組合式空調(diào)機組監(jiān)控的部分內(nèi)容與新風(fēng)機組控制和監(jiān)視（第二至第六項）大致相同；除此之處，組合式空調(diào)機組監(jiān)控的內(nèi)容還包括以下兩點：

◆ 根據(jù)回風(fēng)溫度與設(shè)定溫度控制冷、熱水閥門的開度，使室內(nèi)溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi)；

◆ 在冬季，如果室外空氣溫度過低，機組啟動時令回風(fēng)閥全開、新風(fēng)閥全閉、熱水閥全開，采用閉式循環(huán)加熱模式，待各區(qū)域的室溫達(dá)到要求后切換為正常運行模式。

2.1.2 通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控

通風(fēng)系統(tǒng)包括送風(fēng)機、排風(fēng)機等。通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控的內(nèi)容如下：

◆ 根據(jù)事先排定的時間表自動控制送/排風(fēng)機的啟停，監(jiān)測風(fēng)機運行狀態(tài)、手/自動狀態(tài)、故障報警等，同時自動統(tǒng)計機組工作時間，提示定時維護(hù)；

◆ 累計運行時間，開列保養(yǎng)及維修報告。

2.2 照明系統(tǒng)的監(jiān)控

本工程照明系統(tǒng)涉及若干公共區(qū)域照明，監(jiān)控內(nèi)容如下：

◆ 根據(jù)所有公共區(qū)域的照明配電箱內(nèi)所分的照明回路，對公用區(qū)域的照明進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)時間進(jìn)行回路控制；

◆ 監(jiān)測照明開關(guān)狀態(tài)，并對照明回路進(jìn)行開關(guān)控制；

◆ 按照物業(yè)部門的要求，根據(jù)時間過程控制照明的開關(guān)，以實現(xiàn)最佳管理和節(jié)能效果。

2.3 電梯系統(tǒng)的監(jiān)控

電梯系統(tǒng)監(jiān)控的內(nèi)容如下：

◆ 對電梯的運行狀態(tài)、故障報警進(jìn)行監(jiān)測；

◆ 監(jiān)測電梯的上行狀態(tài)以及下行狀態(tài)。

2.4 主要調(diào)節(jié)原理

（1）水閥調(diào)節(jié)

根據(jù)對送風(fēng)溫度與設(shè)定溫度的比較，運用PI算法調(diào)節(jié)冷、熱水電動調(diào)節(jié)閥以及熱回收器風(fēng)閥的開度，使送風(fēng)溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi)。

（2）串級控制

串級控制是對大慣性空調(diào)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)的必要手段。例如，以送風(fēng)溫度為主，同時增加回風(fēng)溫度作為輔助變量，可以有效地減小溫度的大幅波動。

（3）設(shè)定點偏移

根據(jù)室外溫度對機組的溫度設(shè)定值再設(shè)定，從而降低能耗。

（4）冬季開機保護(hù)

冬季開機保護(hù)是冬季機組開機時防止盤管因新風(fēng)被凍壞的保護(hù)措施；即機組準(zhǔn)備開機時，如果室外溫度過低，則首先讓盤管熱水閥打開至100%并開啟熱水泵，直到盤管水溫達(dá)到設(shè)定值或循環(huán)一定時間才允許打開新風(fēng)閥和送風(fēng)機。

3 DDC控制器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

大悅城BAS可以分為B地塊、C地塊兩部分。B地塊部分采用了小點數(shù)控制器，該控制器本身帶有兩種通信協(xié)議，向下可以通過RS485總線連接五個I/O通信模塊，向上采用了BACnet/IP協(xié)議——由此同一個網(wǎng)段上的控制器都可以連接到GLT控制系統(tǒng)主機上，由此可實現(xiàn)控制設(shè)備現(xiàn)場就地控制和管理中心統(tǒng)一控制相結(jié)合的控制方式，滿足舒適、節(jié)能、高效的要求。C地塊由于點數(shù)較多且點位集中，采用了科特貝德公司的大點數(shù)控制器。該控制器向下帶有兩種可以互換的通信協(xié)議，最多可以同時支持63個小點數(shù)I/O模塊和16個大點數(shù)I/O模塊；向上采用了BACnet/IP協(xié)議，最多支持99個同一個網(wǎng)段上的控制器連接到GLT控制系統(tǒng)主機上。

圖1、圖2分別為B、C地塊的BAS結(jié)構(gòu)圖。

4 BAS的特點

4.1 空調(diào)機組系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)控制

圖1 B地塊控制系統(tǒng)圖

圖2 C地塊控制系統(tǒng)圖

傳統(tǒng)的空調(diào)機組系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)控制模式是通過本地控制盤起停按鈕和安裝于盤管前端的手動閥門來控制送風(fēng)溫度，但其控制效果卻往往由于各空調(diào)區(qū)域的使用人員對空調(diào)控制原理的不了解和節(jié)能意識淡薄的影響而達(dá)不到預(yù)期效果。引入BAS可使這種情況得到改善。

（1）在傳統(tǒng)模式下，由于操作人員必須到現(xiàn)場才能對本地的控制按鈕進(jìn)行操作，如果現(xiàn)場設(shè)備的電機或者其他相關(guān)設(shè)備的故障報警不能及時反映到控制中心，將對設(shè)備的壽命有很大的負(fù)面影響。引入BAS后，通過由控制中心的主機直接向現(xiàn)場控制器發(fā)出指令、控制相應(yīng)的設(shè)備啟停，根據(jù)控制中心檢測到的各類信息進(jìn)行對相關(guān)設(shè)備的處理，可消除這一弊端。

（2）盤管前端水閥的控制是由操作人員根據(jù)經(jīng)驗和現(xiàn)場的體感溫度控制水閥完全打開或處于某個固定開度來實現(xiàn)的，當(dāng)現(xiàn)場的工況有了變化后不能及時響應(yīng)。例如，當(dāng)商場的門打開后長時間的沒有關(guān)閉造成房間溫度升高或者降低時，經(jīng)過水閥的冷水或熱水在一定時間內(nèi)的流量是恒定的，必將造成房間的溫度不能控制。引入BAS后，利用其溫度采集功能和PID的功能可解決此問題：對控制中心發(fā)出的設(shè)計溫度與現(xiàn)場房間或回風(fēng)風(fēng)道的溫度傳感器采集的溫度進(jìn)行比較，將比較的結(jié)果送到PID輸入端，通過PID計算來及時控制電動執(zhí)行器（冷、熱水閥）的開度大小。這樣既節(jié)省了能源又可以將體感溫度調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。

（3）當(dāng)房間的溫度比較平穩(wěn)時，閥門應(yīng)該相應(yīng)地關(guān)小甚至關(guān)閉，只有這樣才能節(jié)省能源；在過渡季節(jié)或者室外溫度比較舒適的時候，可以將冷熱水水閥關(guān)閉，通過打開新風(fēng)閥門進(jìn)行空氣交換來滿足房間溫度的需要，如此將對節(jié)能有很大幫助。但是，如果風(fēng)道的新、送風(fēng)風(fēng)閥同樣也只能完全打開或處于某個固定開度，這些功能是無法實現(xiàn)的。BAS可通過比較房間或回風(fēng)風(fēng)道的溫度傳感器采集的溫度和室外溫度傳感器采集的溫度，及時地關(guān)閉冷、熱水水閥執(zhí)行器，打開風(fēng)道的電動新風(fēng)、送風(fēng)風(fēng)閥執(zhí)行器以達(dá)到節(jié)省能源的目的。

（4）機組內(nèi)過濾器兩端安裝的壓力表只能現(xiàn)場顯示，不能及時反映出過濾器的潔凈程度，如果過濾器很臟，將對房間內(nèi)工作人員的健康構(gòu)成很大的威脅。BAS的控制中心可以通過安裝在機組過濾器兩端的壓差傳感器的檢測信號來判斷過濾器的潔凈程度（每個傳感器的靈敏度是不同的，可以通過現(xiàn)場調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)），如果潔凈度低于設(shè)定值就觸發(fā)報警信號，在主機的顯示界面不停地閃爍，并且以報警提示音的方式輸出到揚聲器，提示物業(yè)人員更換新的過濾器。

4.2 排風(fēng)系統(tǒng)控制

傳統(tǒng)的排風(fēng)系統(tǒng)控制方式是本地控制盤按鈕控制，對于有地下室的建筑物，排風(fēng)和補風(fēng)系統(tǒng)是必備的。目前在很多建筑物中，這類機電設(shè)備都是24小時不停地運轉(zhuǎn)，而這類機電設(shè)備數(shù)量多，并且運行人員必須到每個設(shè)備的控制盤處才能對其操作，造成了能源的極大浪費。利用BAS預(yù)先編制好的時間程序，可以實現(xiàn)對這類的機電設(shè)備的階段性開啟和關(guān)閉，對節(jié)能大有裨益；如有條件，配合CO和CO2傳感器來使用，節(jié)約能源的效果將會更加明顯。

4.3 照明系統(tǒng)控制

照明系統(tǒng)是除了風(fēng)機水泵類設(shè)備外耗能最多的系統(tǒng)之一。商場類的建筑物公共區(qū)域比較多，相應(yīng)安裝的照明設(shè)備也很多，并且比較分散。在傳統(tǒng)的控制模式下，運行人員需要到每一個照明控制箱前去開啟和關(guān)閉設(shè)備，這會造成人力資源的緊張——加大人員投入會造成運營成本增加，反之則會造成工作延誤、電能消耗增加。同樣的利用BAS預(yù)先編制好的時間程序?qū)φ彰髟O(shè)備進(jìn)行階段性的開啟和關(guān)閉，可以獲得很好的節(jié)能效果（在條件允許的情況下，配合室外照度傳感器使用，節(jié)約能源的效果更加明顯）。

4.4 給排水系統(tǒng)控制

給排水系統(tǒng)的傳統(tǒng)工作方式是通過集水坑內(nèi)的高低液位傳感器觸發(fā)排水水泵的啟停。由于相關(guān)設(shè)備通常位于地下室或人員不經(jīng)常去的設(shè)備間區(qū)域，如果出現(xiàn)液位報警后相應(yīng)的水泵沒有開啟，相關(guān)的巡視人員也沒有到現(xiàn)場，造成污水溢出損壞設(shè)備或者貨物，將給業(yè)主帶來較大的損失。利用BAS系統(tǒng)預(yù)先編制好的液位控制程序可以實現(xiàn)對這類的相關(guān)設(shè)備的開啟和關(guān)閉，通過控制中心的報警功能及時反映出現(xiàn)場的設(shè)備運行信息，從而最大程度地降低上述風(fēng)險。