智能建筑中樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展與未來

牟翔

（廣西壯族自治區(qū)公安廳科技信息化處）

智能建筑中樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展與未來

牟翔

（廣西壯族自治區(qū)公安廳科技信息化處）

論文簡要闡述了智能建筑和樓宇自動(dòng)化的關(guān)系，簡要介紹了樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的要求和結(jié)構(gòu)，著重說明了在智能建筑中樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)未來發(fā)展的方向及建議。

智能建筑；樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)；發(fā)展；節(jié)能

1　引言

隨著我國智慧城市發(fā)展步伐的不斷邁進(jìn)，信息化技術(shù)和三網(wǎng)融合技術(shù)的不斷推進(jìn)，工業(yè)與城市、建筑的不斷融合，智能建筑所包括的智能樓宇、智能家居、智能安防、智能環(huán)境監(jiān)測作為智慧城市建設(shè)的一個(gè)重要組成部分日益受到人們的關(guān)注。

2　智能建筑綜述

智能建筑是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)（BA系統(tǒng)）、通信自動(dòng)化系統(tǒng)（CAS）和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)（OAS）三者的有機(jī)結(jié)合，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心。智能建筑通過樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)建筑物內(nèi)的設(shè)備與建筑環(huán)境的全面監(jiān)控與管理，為使用者營造一個(gè)舒適、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、便捷的工作和生活環(huán)境，為管理者提供方便的管理手段，為經(jīng)營者減少能耗并降低管理成本，為物業(yè)管理現(xiàn)代化提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

3　樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)又叫建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)（BA系統(tǒng)），作為自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)分支，樓宇自控系統(tǒng)是伴隨著自動(dòng)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步而發(fā)展起來的。在我國，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)迄今為止大致經(jīng)歷了集中式控制系統(tǒng)、集散式控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS），網(wǎng)絡(luò)集成系統(tǒng)4個(gè)階段。一個(gè)完整的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

其基本功能及要求大致如下：

1）能全面監(jiān)控和管理各種設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；

2）可以自動(dòng)檢測并記錄設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)以及分析變化趨勢；

3）可以根據(jù)外部條件的不斷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備，使設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)；

4）可以實(shí)時(shí)監(jiān)控并處理各種意外情況以及突發(fā)事件并保存有關(guān)記錄，通知相關(guān)責(zé)任人；

5）可以實(shí)現(xiàn)能源管理的自動(dòng)化，包括對水、電的計(jì)量收費(fèi)；

6）可以實(shí)現(xiàn)對建筑內(nèi)部各種設(shè)備的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理。

圖1　完整的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4　我國樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的提出，建筑節(jié)能勢在必行，建筑節(jié)能離不開建筑智能，而樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)作為建筑智能的核心所在，市場潛力巨大。據(jù)“IDC能源觀察”的一份最新報(bào)告估計(jì)，到2018年智能建筑市場規(guī)模與現(xiàn)在相比將翻3倍，智能建筑領(lǐng)域的支出將從現(xiàn)在的73億美元升至2018年的219億美元左右。全國范圍來看，各個(gè)城市的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)水平參差不齊，“北上廣深”等發(fā)達(dá)地區(qū)的智能建筑行業(yè)發(fā)展相對比較成熟，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)水平較高，其他一二線城市正逐步跟上，而大部分三線城市的建筑智能化行業(yè)發(fā)展較慢，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)水平較低?？傮w來說，我國的智能建筑行業(yè)還不夠發(fā)達(dá)，根據(jù)《2013-2017年中國智能建筑行業(yè)發(fā)展前景與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》，我國智能建筑起步于1990年，比美國晚了6年，比日本晚4年。新建建筑里，相對于美國的70%和日本的60%為智能建筑，我國新建建筑為智能建筑的比例僅為20%左右?，F(xiàn)階段我國智能建筑主要集中在大型公共建筑與商業(yè)建筑中，在民用建筑、商用建筑、工業(yè)建筑，大型公共建筑里，通過智能化設(shè)計(jì)和管理后，大型公共建筑的節(jié)能效果最明顯；其次是商用建筑。民用建筑因其最終用戶要求過于復(fù)雜，對節(jié)能的需求和控制區(qū)別太大，節(jié)能的效果不太理想。工業(yè)建筑用戶往往更加注重生產(chǎn)流程的節(jié)能，對智能建筑的需求不高。近些年，新建政府辦公樓及高端商業(yè)大型公共建筑智能化占比達(dá)到了60%以上，是目前建筑智能化行業(yè)的主要市場。

5　我國樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的方向及建議

節(jié)能是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的主要功能及目的，如何提高BA系統(tǒng)的節(jié)能效果是BA系統(tǒng)必須要面對和解決的難題，也是未來發(fā)展的主要方向。首先，必須要了解BA系統(tǒng)中各類設(shè)備的耗能比重，然后再根據(jù)所占比重高低，從占耗能比重高的建筑設(shè)備上尋找解決的辦法。以筆者所在的廣西地區(qū)為例，列舉廣西華藍(lán)設(shè)計(jì)集團(tuán)2012年所做的調(diào)查統(tǒng)計(jì)報(bào)告，如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2　辦公建筑能耗比例

可見，在廣西各類智能建筑設(shè)備能耗比例中，照明和空調(diào)設(shè)備占據(jù)了主要位置，就全國范圍來說，這兩大類設(shè)備也是目前建筑設(shè)備中的耗能大戶，因此做好照明和空調(diào)設(shè)備的節(jié)能設(shè)計(jì)是提高樓宇自控系統(tǒng)節(jié)能效果的關(guān)鍵。目前，研究此課題的專家及從業(yè)人員很多，歸納起來的方法大致如下。

圖3　酒店建筑能耗比例

圖4　商業(yè)建筑能耗比例

圖5　醫(yī)院建筑能耗比例

1）照明系統(tǒng)

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能用節(jié)能燈代替高能耗的白熾燈，熒光燈等。根據(jù)室內(nèi)照明、公共區(qū)域照明和泛光照明三大類型設(shè)計(jì)的不同照明策略，比如：室內(nèi)照明和公共區(qū)域照明可以根據(jù)人員活動(dòng)情況進(jìn)行開關(guān)燈智能管理，做到人走燈滅，按需開燈；一些公共區(qū)域如走道等需要某時(shí)間段固定開燈的，可以設(shè)計(jì)按時(shí)間段開關(guān)燈，按場景狀況開燈，保證亮度需求的同時(shí)嚴(yán)格控制開關(guān)燈的數(shù)量來達(dá)到節(jié)能；而在泛光照明和部分照度受外界影響明顯的區(qū)域，可以加入自動(dòng)調(diào)光技術(shù)，在保證亮度的情況下全自動(dòng)調(diào)光，降低燈具能耗；還可以結(jié)合一些控光設(shè)備如百葉窗之類，充分利用室外自然光補(bǔ)充室內(nèi)亮度，配合自動(dòng)調(diào)光控制達(dá)到減少燈源耗能的目的。

2）空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)是建筑的另一個(gè)耗能超級大戶。目前，在大型建筑中一般多采用分層和分區(qū)的全空氣集中式空調(diào)系統(tǒng)。一個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)主要由末端空氣處理設(shè)備如新風(fēng)機(jī)組、空調(diào)機(jī)組、變風(fēng)量控制（VAV）以及冷熱源系統(tǒng)組成。當(dāng)前流行的新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)，一般在室外焓值小于室內(nèi)焓值（制熱方式）、室外焓值高于室內(nèi)焓值（制冷方式）時(shí)，根據(jù)CO2濃度值控制風(fēng)閥，其他情況下完全依靠室外和室內(nèi)的焓值差來控制風(fēng)閥，采用夜間掃風(fēng)，間歇性控制策略等。這種設(shè)計(jì)充分考慮了建筑物所處的外部環(huán)境氣候因素以及內(nèi)部實(shí)際用風(fēng)量，是目前最有效的節(jié)能手段?？照{(diào)機(jī)組一般會(huì)通過采用優(yōu)化的啟?？刂苼砉?jié)能，其通常的做法是，開啟時(shí)提前啟動(dòng)進(jìn)行預(yù)冷或預(yù)熱，關(guān)閉時(shí)提前關(guān)閉空調(diào)機(jī)組。提前開啟空調(diào)系統(tǒng)可以保證開始工作時(shí)環(huán)境的舒適度，由于室內(nèi)溫度是一個(gè)具有極強(qiáng)慣性的被控對象，提前關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)后一段時(shí)間室內(nèi)溫度變化也不大，這樣可以在保證環(huán)境舒適度的情況下，縮短不必要的空調(diào)啟停時(shí)間，達(dá)到節(jié)能目的。變風(fēng)量控制（VAV）是一種新型的空調(diào)方式，它被證明與傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)相比可節(jié)能40%左右。變風(fēng)量控制的基本思路是，動(dòng)態(tài)控制，按需提供風(fēng)量，目前有變靜壓控制、總風(fēng)量控制、定靜壓控制三種。

以上是當(dāng)下在照明和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一般使用的節(jié)能方法，然而，按這樣的方法設(shè)計(jì)使用后，卻經(jīng)常發(fā)現(xiàn)實(shí)際節(jié)能效果與預(yù)期理論效果相差甚遠(yuǎn)。原因是多方面的，但筆者認(rèn)為，其中很關(guān)鍵也很容易被忽略的一點(diǎn)是傳感器設(shè)備的選擇。特別是系統(tǒng)集成商在做集成設(shè)計(jì)時(shí)，基于成本的考慮，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)最先進(jìn)的風(fēng)機(jī)、空調(diào)機(jī)組設(shè)備與最落后的傳感器設(shè)備搭配的情況，這往往會(huì)導(dǎo)致焓值或室內(nèi)溫度值的采集不準(zhǔn)確。據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)局資料顯示，在夏季將溫度下調(diào)1℃將增加9%的能耗；在冬季上調(diào)1℃將增加12%的能耗，這是溫度傳感器偏差1℃導(dǎo)致的能源浪費(fèi)。而焓值傳感器采集的數(shù)值不準(zhǔn)確導(dǎo)致的能源浪費(fèi)更不用說了，焓值采集不準(zhǔn)確，除了在新風(fēng)機(jī)組上由于風(fēng)量計(jì)算不準(zhǔn)確而增加能耗外，當(dāng)室內(nèi)外溫差較大時(shí)，還會(huì)大大增加空調(diào)機(jī)組的能耗。選用調(diào)光模塊搭配照度儀、光照儀時(shí)，也會(huì)存在因傳感器采集數(shù)值不準(zhǔn)確而造成能源浪費(fèi)或者舒適度不佳的問題。所以設(shè)計(jì)時(shí)，在各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)達(dá)標(biāo)的前提下，綜合考慮成本因素后，因盡量選聲譽(yù)好、品牌價(jià)值高的傳感器設(shè)備。在歐美國家，對室內(nèi)溫濕度控制精度要求為：溫度為±1.5℃，濕度為±5%的變化范圍；在國內(nèi)，雖然《建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求2010年后新建建筑節(jié)能率要達(dá)到60%，但對于具體的相關(guān)設(shè)備還沒有強(qiáng)制性的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)未來發(fā)展的另一個(gè)重點(diǎn)是BA系統(tǒng)的IP化。一直以來，以太網(wǎng)都是信息網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)，BA系統(tǒng)采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)從管理層到控制層的“一網(wǎng)到底”，使BA系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到實(shí)質(zhì)性的簡化，也能解決目前BA系統(tǒng)中控制網(wǎng)絡(luò)多種現(xiàn)場總線技術(shù)并存、彼此兼容性差的問題。使用透明以太網(wǎng)，可使BA系統(tǒng)非常方便地以有線或無線方式介入Internet。雖然Lonworks網(wǎng)、MS/TP總線等控制網(wǎng)絡(luò)也能實(shí)現(xiàn)與Internet互聯(lián)，但必須經(jīng)過第三方網(wǎng)關(guān)或中間部件才能實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)過程也復(fù)雜得多。未來BA系統(tǒng)可采用基于Web的BS架構(gòu)，通過Internet對分布在現(xiàn)場的I/O進(jìn)行訪問，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備的檢測和控制。參考當(dāng)下新興的智能家居市場發(fā)展方向，未來的BA系統(tǒng)也必將是可以通過移動(dòng)智能設(shè)備來監(jiān)控的新型樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)，可以說誰最先擁有完善的BA系統(tǒng)IP化技術(shù)，解決使用Internet網(wǎng)絡(luò)所存在的安全、可靠及實(shí)時(shí)性問題，誰就能在未來的樓宇自動(dòng)化市場中占據(jù)主動(dòng)。

6　結(jié)束語

21世紀(jì)，隨著人類社會(huì)的高速發(fā)展，能源問題成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)，低碳節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展是世界各國發(fā)展的基本戰(zhàn)略，提高樓宇自控系統(tǒng)的節(jié)能效果是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)未來發(fā)展的最重要的方向，也是利國利民的大事，需要所有相關(guān)從業(yè)人員共同努力。

【1】趙煒.淺談智能建筑中的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)［J］.科技廣場，2007（9）：247-248.

【2】劉光平.樓宇自控系統(tǒng)發(fā)展及應(yīng)用分析［J］.建筑節(jié)能，2013（12）：82-86.

【3】朱健，馮華強(qiáng)，徐大偉.建筑節(jié)能降耗改造分析及策略［J］.智能建筑與城市信息，2009（7）：41-44.

The Application and the Future of Building Automation System in Intelligent Building

MOU Xiang

（ Guangxi Zhuang Autonomous Region Public Security Bureau of Science and Technology Information）

This paper briefly expounds the relationship between intelligent building and building automation system， generally introduces the requirements and structure of the building automation system. At last， emphatically discuss the future development of the building automation system in intelligent building， and give some suggestions.

intelligent building； building automation system； development； energy saving