BA系統(tǒng)在集中空調設備節(jié)能控制中的應用

范峰海 / 韓 寧 / 岳子豐 / 尹婧瑤 (北京林業(yè)大學工學院， 北京 100083)

引言

樓宇自動化的實質就是把建筑內的各種機電設備連接到一個局域控制網(wǎng)絡上，組建一個自動化的綜合控制和管理系統(tǒng)，為提高設備利用率、優(yōu)化設備運行狀態(tài)及運行時間提供有效的方案。樓宇自動化致力于創(chuàng)建安全、便捷、舒適、經(jīng)濟、高效的生活工作環(huán)境，同時實現(xiàn)節(jié)能減排的要求。

高校是高用能單位，從能源使用的戰(zhàn)略和全局出發(fā)，推進節(jié)能降耗，提高能源利用率，實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展是非常必要的，因此運用樓宇自動化技術構建節(jié)能控制管理系統(tǒng)對高校節(jié)能具有深遠的意義。

1 樓宇自動化系統(tǒng)

樓宇自動化系統(tǒng)建設的主要目的在于對建筑內各種機電設備的信息進行歸類、分析、處理、判斷，采用最優(yōu)化的控制策略，實現(xiàn)各子系統(tǒng)與中央監(jiān)控管理級計算機之間的信息通訊，對各子系統(tǒng)設備進行集中監(jiān)控和管理，使各子系統(tǒng)設備在高效、節(jié)能的狀態(tài)下運行，廣義的BAS結構如圖1所示。

圖1 樓宇自動化系統(tǒng)結構

2 北京林業(yè)大學圖書館樓宇自動控制系統(tǒng)節(jié)能改造項目

2.1 系統(tǒng)改造前情況

經(jīng)調研，夏季北京林業(yè)大學圖書館每天用電量在10 000kWh～12 000kWh，其中空調系統(tǒng)用電量占了約60%，而且空氣處理機使用全新風。由于空調系統(tǒng)全部由人工手動控制，不能實時地根據(jù)室內溫度變化來調節(jié)水閥開度和風機的啟停以及速度，導致圖書館夏季閱覽室室內溫度基本上保持在23℃～24℃，體感溫度偏低，并且室內溫度分布不均，空氣處理品質很低；冬季，室內溫度維持在24℃～26℃，并且自習區(qū)CO2濃度范圍為2 100 ppm～3 000ppm，遠高于國家標準1 000ppm。

圖書館在2004年使用初期曾建設有樓宇自動控制系統(tǒng)，但一直未投入運行，目前存在控制器老化、版本過期問題。

綜上所述，圖書館當前的室內空氣溫度處于手動控制超調狀態(tài)(夏季過低，冬季過高)，空氣質量較差，不符合現(xiàn)代社會的綠色節(jié)能需求，采用自動控制手段的節(jié)能潛力很大，樓宇控制設備維修與節(jié)能改造是非常必要的。

2.2 改造后的狀況

此次改造不僅修復了圖書館原有樓宇自動控制系統(tǒng)，還新增加了一些溫濕度、CO2濃度傳感器和網(wǎng)絡控制器，完善了原有系統(tǒng)的不足?，F(xiàn)行系統(tǒng)的運行提高了管理人員的工作效率，更加精確地檢測室內空氣參數(shù)和設備運行情況，及時調整節(jié)能優(yōu)化控制策略，保證了節(jié)能與室內空氣綠色品質的要求。

2.3 節(jié)能改造的目的及意義

根據(jù)統(tǒng)計資料，空調能耗占建筑總能耗的60%左右，夏季將室內溫度下調1℃，空調能耗將增加9%；冬季將室內溫度上調1℃，空調能耗將增加12%。提高室內溫濕度控制精度可以有效地節(jié)能。由于人工控制精度不高，因此對空調設備進行智能化監(jiān)控調節(jié)對建筑節(jié)能十分有效。圖書館樓控系統(tǒng)改造的意義如下：

1)節(jié)能。節(jié)能改造完成后，在滿足舒適度的基礎上將節(jié)能10%～30%，每天可節(jié)電600kWh～1 800kWh。

2)提供教學和實習平臺。該校自動化專業(yè)、電氣專業(yè)、物業(yè)專業(yè)有“樓宇自動控制”課程，以往是在校外實習。改造后的圖書館樓控系統(tǒng)可以作為上述專業(yè)的實習基地。

3)科研。樓宇自動控制系統(tǒng)涉及自動化、電氣、電子、計算機、物業(yè)管理等專業(yè)知識。升級后的控制系統(tǒng)將完全建立在開放架構和集成管理平臺上(支持當前國際主流技術LonWorks、Modbus TCP、BACnet以及OPC)，可以方便地集成到任何能源管理跟蹤分析系統(tǒng)，有利于日后對該系統(tǒng)進一步優(yōu)化能源監(jiān)控管理或進行二次開發(fā)工作。該項目實施后可提供一些開放的數(shù)據(jù)接口，為學校教師和研究生的科研提供一個先進的實驗平臺。

4)適宜的學習環(huán)境。根據(jù)前期調研，圖書館自習區(qū)CO2濃度嚴重超標，空氣混濁，導致學習效率低下。因此，改造后的圖書館室內空氣質量可以調整到國家標準(1 000ppm)之內。

5)節(jié)能案例展示平臺。項目實施前圖書館內的建筑設備為人工控制。由于空調的溫度是大滯后系統(tǒng)，手動控制必定產(chǎn)生超調，導致夏季偏冷和冬季偏熱，耗能嚴重。本項目將實踐學校建設綠色校園，實現(xiàn)節(jié)能減排的管理目標。

3 樓宇自動控制系統(tǒng)運行管理

3.1 樓宇自控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

改造后的圖書館樓宇控制系統(tǒng)使用奧地利Loytec公司的LINX-100作為協(xié)議轉換器和德國Sysmik公司的ICS-709 作為網(wǎng)絡控制器，把LonWorks總線的Lontalk協(xié)議轉換為TCP/IP協(xié)議與上位機通訊。控制網(wǎng)絡采用當前先進的B/S(瀏覽器/服務器)結構并連接到校園LAN網(wǎng)絡中，控制信息通過Web服務器發(fā)布到Internet上，用戶可以使用網(wǎng)絡瀏覽器去訪問Internet上的數(shù)據(jù)、文本、圖像、動畫等信息,通過設定權限可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

3.2 節(jié)能控制管理系統(tǒng)

改造后的樓宇自動控制管理系統(tǒng)如圖3所示，圖形化的監(jiān)控界面包含了風機盤管自動啟停控制與風機盤管溫度控制、新風機組自動啟?？刂婆c新風機組二氧化碳濃度控制、自然采風控制、圖書館室內溫度趨勢圖、室內空氣品質檢測、DDC控制器參數(shù)優(yōu)化配置等。系統(tǒng)實現(xiàn)了控制、管理、監(jiān)視一體化，為學校后勤管理提供了綜合節(jié)能技術平臺。

3.3 節(jié)能優(yōu)化控制策略

1)風機盤管溫度控制

圖2 圖書館樓控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

圖3 節(jié)能控制管理系統(tǒng)

圖書館風機盤管機組內部的電機是單相電容調速電機，因此可以通過調節(jié)電機的輸入電壓使風量分為高、中、低三檔，進而調節(jié)風機盤管的供冷量。考慮到房間內人體感的舒適性，本系統(tǒng)中將風機盤管置于低檔運行，只有啟?？刂?。溫度控制流程如圖4所示。

圖4 風機盤管溫控流程圖

改造前風機盤管為全工作時間不間斷運行，每天運行時間段為8：00～21：30，共 計13.5h。改 造后的風機盤管節(jié)能控制運行試驗如圖5和圖6所示。其中圖5是室內溫度趨勢圖，圖6是風機盤管運行時間趨勢圖。

分析：由圖5和圖6可知圖書館室內溫度維持在25℃～27℃，風機盤管運行時段為8：00～21：30，中間停了將近6h，較之前人工管理全時段運行節(jié)能44.4%。

結論：風機盤管自動控制改造前為人工手動控制全工作時間不間斷運行；改造后風機盤管設置在低檔自動啟停運行，室內溫度維持在25℃～27℃的標準值，至少節(jié)能40%。

2)新風機組CO2濃度控制

根據(jù)實際系統(tǒng)運行試驗得知，本系統(tǒng)中新風機組的降溫能力很弱，空氣制冷主要還是依靠風機盤管，當前設備的新風機組可以用來改善空氣質量。新風機組的CO2濃度控制運行流程圖如圖7所示，新風機組運行試驗如圖8所示。

圖5 室內溫度趨勢圖

圖6 風機盤管運行時間

圖7 新風機組CO2濃度控制運行流程圖

從圖8可知，室內CO2濃度不超過700ppm，低于國家標準值1 000ppm(我國現(xiàn)有室內CO2衛(wèi)生標準≤1 000ppm)，空氣質量良好，達到了預定目標。

3)新風機組自然采風運行控制

新風機組自然采風運行控制是在制冷機沒有運行的情況下，借助室外新風來實現(xiàn)改善室內空氣品質的一種方法，此種策略用在過渡季節(jié)效果較佳。新風機組自然采風運行控制流程圖如圖9所示。

這種方法的好處是低碳節(jié)能，完全利用室外新風來改善室內的空氣品質。

4 節(jié)能效果分析

本項目的局部試驗表明，改造后的樓宇控制系統(tǒng)在滿足室內空氣品質前提下較之前人工手動控制至少節(jié)能40%，降低了冷水機組的負荷。

本項目的全局試驗運行時間是2012年6月份，2012年6月份圖書館用電量為208 800kWh，同比節(jié)能57 200kWh。在此期間除了照明設備的更換外，其他用電設備并無變化，2012年6月份照明設備同比節(jié)能15 120kWh。因此，2012年6月本項目節(jié)能部分為42 080kWh，節(jié)能15.8%。

圖8 CO2濃度趨勢圖

圖9 新風機組自然采風運行控制流程圖

從新風機組運行試驗可知，CO2濃度控制在設定的范圍內，低于國家標準值，室內空氣質量良好。

本文樓宇自控系統(tǒng)在確保了室內綠色空氣品質的同時，節(jié)省了設備的運行成本，為高校后勤智能化管理提供了有效的途徑。

5 結束語

本文樓宇自動控制系統(tǒng)中使用了LonWorks現(xiàn)場總線技術，提高了系統(tǒng)內部的通信速率、實時性與精確性，降低了誤碼傳送率。系統(tǒng)的設計實現(xiàn)了LonWorks網(wǎng)絡與Internet互聯(lián)，可以遠程監(jiān)控管理設備，通過優(yōu)化節(jié)能控制策略節(jié)省了運行與管理費用，使先進的綜合節(jié)能技術得以實現(xiàn)。本文以實際案例表明樓宇自動化為高校后勤管理節(jié)省運行成本，全面提高設備管理水平發(fā)揮重要的作用。

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