基于組態(tài)王的辦公樓電能系統(tǒng)的節(jié)能仿真*

王亞娟 江 萍

(吉林建筑大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

近年來(lái)，我國(guó)提倡節(jié)能減排，而作為嚴(yán)寒地區(qū)辦公樓中的電能系統(tǒng)和供暖系統(tǒng)綜合節(jié)能問(wèn)題越來(lái)越受到社會(huì)重視.在電能方面，辦公樓耗電量據(jù)估計(jì)達(dá)到100度電/m2·年～300度電/m2·年，大約是住宅耗電量的10倍左右.辦公樓用電設(shè)備分散，無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)化統(tǒng)一管理，是造成大量能源浪費(fèi)的原因之一.在熱能方面，我國(guó)采暖能耗指標(biāo)是同類氣候條件下發(fā)達(dá)國(guó)家的3～5倍，能量損耗較大，節(jié)能的空間較大.研究建筑節(jié)能［1］新技術(shù)措施是適應(yīng)當(dāng)前形勢(shì)的迫切需要.所以課題是將嚴(yán)寒地區(qū)辦公樓節(jié)約電能與節(jié)約熱能統(tǒng)一起來(lái)，研究采用智能控制技術(shù)，在滿足辦公樓功能等前提下，達(dá)到節(jié)約熱能和節(jié)約電能的效果.

本課題以嚴(yán)寒地區(qū)普通多層辦公樓為例，設(shè)計(jì)了節(jié)電、節(jié)水、節(jié)熱三個(gè)既獨(dú)立運(yùn)行又相互關(guān)聯(lián)的綜合節(jié)能系統(tǒng)，在保證辦公樓正常辦公、環(huán)境舒適等基礎(chǔ)上，達(dá)到水、電、熱全面節(jié)能的目的.辦公樓的電能系統(tǒng)的參數(shù)通過(guò)傳感器采集，在無(wú)人狀態(tài)下，將用電設(shè)備斷電，以達(dá)到智能化控制和節(jié)能的目的.本項(xiàng)目主要是利用國(guó)內(nèi)的組態(tài)王Kingview V6.5對(duì)辦公樓的電能系統(tǒng)的智能化控制和綜合節(jié)能方面做了仿真分析，其開放性好、易于擴(kuò)展、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，為我們提供了可視化的監(jiān)控畫面，并且有利于我們編程和實(shí)時(shí)控制.

1 節(jié)能控制單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目中的嚴(yán)寒地區(qū)的辦公樓的節(jié)能控制單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成，節(jié)電系統(tǒng)和節(jié)熱系統(tǒng).節(jié)電系統(tǒng)中，當(dāng)紅外探測(cè)器檢測(cè)到房間無(wú)人工作時(shí)，或者是時(shí)間程序是節(jié)假日或者休息時(shí)間段等情況時(shí)，可自動(dòng)控制相應(yīng)的照明器關(guān)閉.節(jié)熱系統(tǒng)是根據(jù)室內(nèi)的溫度及供回水溫度來(lái)控制熱水管路中的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，減少供熱量.要實(shí)現(xiàn)控制單元節(jié)電與節(jié)熱系統(tǒng)聯(lián)合控制，控制單元起到了非常重要的作用.本項(xiàng)目的總體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1.辦公室節(jié)能控制單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.

圖1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖

圖2 嚴(yán)寒地區(qū)的辦公室節(jié)能控制單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 節(jié)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

在本課題研究的辦公樓模型中，取電力負(fù)荷用電指標(biāo)ρ=60W/m，辦公樓建筑面積A=1 000m2.采用指標(biāo)法計(jì)算負(fù)荷為

因此，辦公樓計(jì)算負(fù)荷估算為60kW，均為三級(jí)負(fù)荷.采用低壓380/220V一路市電電源鎧裝電纜進(jìn)線總配電箱AL設(shè)在一層門衛(wèi)，以控制單元設(shè)置分配電箱，全樓采用一個(gè)公共區(qū)配電箱，以配合節(jié)水、節(jié)電、節(jié)熱系統(tǒng)智能控制要求.每層單間辦公室配置一個(gè)分配電箱，配合單間辦公室節(jié)能控制單元.

2.1 照明節(jié)電控制要求

(1)辦公室內(nèi)的燈具可以人工控制，也可以自動(dòng)控制.自動(dòng)控制是由紅外傳感器確認(rèn)房間內(nèi)無(wú)人，且延續(xù)一段時(shí)間后，通過(guò)繼電器［2］自動(dòng)滅燈;

(2)當(dāng)辦公室人員正常工作時(shí)，通過(guò)可見(jiàn)光傳感器測(cè)量房間實(shí)際照度值，若小于設(shè)定值300Lx時(shí)，則開啟房間內(nèi)所有照明器;若測(cè)量房間照度大于設(shè)定值300Lx時(shí)，則根據(jù)情況適當(dāng)關(guān)閉一組、兩組、三組照明器的工作.

2.2 單間辦公室照明平面布置設(shè)計(jì)

單間辦公室面積為11.2m×8.05m，根據(jù)照明計(jì)算，設(shè)置6套3組32W×3三管格柵熒光燈具進(jìn)行均勻布置，采用兩燈一控的控制方式，能滿足300Lx的照度要求.采用繼電器控制技術(shù)控制照明燈具的每個(gè)回路.單間辦公室內(nèi)有照明器、散熱器、溫度傳感器、紅外線傳感器、智能控制箱等設(shè)備，6套格柵燈和3個(gè)紅外線傳感器嵌入式安裝在頂棚上，6只溫度傳感器安裝在距地面300mm處.智能控制箱ZK1安裝在距地面1 500mm墻內(nèi)暗裝.

2.3 單間辦公室照明器的智能控制狀態(tài)仿真

采用組態(tài)王進(jìn)行應(yīng)用程序制作過(guò)程為:①設(shè)計(jì)圖形界面;②構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù);③建立動(dòng)畫連接;④運(yùn)行和調(diào)試.

利用組態(tài)王［3］軟件開發(fā)節(jié)電的組態(tài)界面，實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象仿真圖形化.組態(tài)王的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)里分內(nèi)存變量和I/0變量，在節(jié)電控制單元中用到的變量有照度、溫度及開關(guān)等.建立動(dòng)畫連接的方法就是組態(tài)界面窗口中的圖形對(duì)象和數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)對(duì)象建立相關(guān)性連接，并設(shè)置動(dòng)畫屬性，這樣，就實(shí)現(xiàn)了圖形的動(dòng)畫效果.運(yùn)行和調(diào)試是在組態(tài)王工程瀏覽器的工具條上點(diǎn)擊“VIEW”快捷鍵即可進(jìn)入該動(dòng)畫的運(yùn)行系統(tǒng).單間辦公室有人和無(wú)人時(shí)智能控制照明器的動(dòng)畫仿真效果圖如圖3所示.

圖3 單間辦公室有人和無(wú)人時(shí)智能控制照明器效果

辦公室照明器智能控制是利用紅外線傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn).當(dāng)紅外傳感器探測(cè)房間內(nèi)有人員時(shí)，照明器正常工作，黃色代表燈是打開狀態(tài)，配電箱內(nèi)的開關(guān)為閉合狀態(tài).當(dāng)紅外傳感器探測(cè)房間內(nèi)無(wú)人員時(shí)，照明器自動(dòng)延時(shí)開關(guān)動(dòng)作關(guān)閉，燈的顏色變?yōu)榧t色表示關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)配電箱內(nèi)的開關(guān)處于斷開狀態(tài).

當(dāng)辦公室顯示“室內(nèi)有人”時(shí)，對(duì)應(yīng)的分配電箱和分控制箱分別呈現(xiàn)棕色和紫色，并且房間內(nèi)的閥門呈現(xiàn)綠色，表示處于工作狀態(tài);當(dāng)辦公室顯示“室內(nèi)無(wú)人”時(shí)，對(duì)應(yīng)的分配電箱和分控制箱分別呈現(xiàn)紅色和黃色，并且閥門的顏色為紅色，表示處于不工作狀態(tài).辦公室有人和無(wú)人時(shí)配電箱和控制箱的動(dòng)畫仿真效果圖如圖4.

圖4 辦公室有人和無(wú)人時(shí)配電箱和控制箱的仿真效果

3 節(jié)約效率的計(jì)算

節(jié)能單元對(duì)電能的節(jié)能效率可以從白天使用的時(shí)間上進(jìn)行分析.如果每天工作8h，使用電能為W1，長(zhǎng)明燈也為8h，那么電能的消耗浪費(fèi)比較大.假設(shè)節(jié)能單元進(jìn)行有效控制了4h，則使用電能為W2，電能的節(jié)約效率計(jì)算公式為

式中，P1為辦公室照明器全開時(shí)的設(shè)備容量，W;P2為辦公室照明器部分開時(shí)的設(shè)備容量，W;t1為辦公室照明器全開時(shí)工作時(shí)間，s;t2為辦公室照明器部分開時(shí)工作時(shí)間，s.

以圖3所示為例，安裝6套3組32W×3三管格柵熒光燈具，其照明系統(tǒng)節(jié)電單元控制模式下的節(jié)能效率計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)表1.

表1 辦公室白天照明系統(tǒng)的節(jié)能率分析

如果按辦公樓照明器的用電量占約全樓用電量40%～50%估算，且通過(guò)插座的電氣設(shè)備用電量不進(jìn)行監(jiān)控管理，那么白天照明器用電量的減少將意味著節(jié)約電能的效率大大提高.由此可見(jiàn)，節(jié)約白天用電量是照明系統(tǒng)節(jié)能的有效途徑.

4 結(jié)語(yǔ)

本課題的研究是基于系統(tǒng)論、控制理論、信息化管理技術(shù)、計(jì)算機(jī)管理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，將建筑物內(nèi)分散的能源系統(tǒng)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)能，提高能源利用效率，降低資源消耗.雖然本課題研究成果還沒(méi)有達(dá)到技術(shù)應(yīng)用，但是其中的一部分已經(jīng)建立了理論模型，并能進(jìn)行初步的節(jié)能分析、計(jì)算和仿真.

［1］許錦標(biāo).樓宇智能化技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:2－3.

［2］馬小軍.建筑電氣控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010:13－18.

［3］組態(tài)王6.53使用手冊(cè)［S］.北京:北京亞控科技發(fā)展有限公司，2007.

［4］許居婉.機(jī)械工業(yè)采暖通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)［S］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2007.

［5］徐 云.節(jié)能照明系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2009:195－198.