樓宇自動化在高校節(jié)能管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

李壯壯，李思翰，楊名亞，甄 玉

（華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450040）

0 引言

在現(xiàn)代智能建筑中，樓宇自動化系統(tǒng)的構(gòu)成不單涉及到樓宇自動化設(shè)計的內(nèi)容，還需要充分考慮智能建筑中其他系統(tǒng)的構(gòu)成，如小區(qū)的安保系統(tǒng)，停車位及建筑消防系統(tǒng)等。樓宇自動化系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容包括：冷凍機設(shè)備的控制和監(jiān)視、空調(diào)調(diào)節(jié)機組的控制和監(jiān)視、以及通風(fēng)和排風(fēng)系統(tǒng)的控制和監(jiān)視等相關(guān)設(shè)備的監(jiān)視，本文通過華北水利水電大學(xué)圖書館在樓宇自動化管理系統(tǒng)中的應(yīng)用進行調(diào)查和分析。

1 華北水利水電大學(xué)圖書館樓宇控制系統(tǒng)節(jié)能改造項目

1.1 系統(tǒng)改造前情況

學(xué)校電子自動化專業(yè)的學(xué)生進行過詳細調(diào)研，每當(dāng)夏季來臨時，大學(xué)圖書館的用電量每天都在12 000 kW·h 左右，其中空調(diào)系統(tǒng)就占60%以上。由于現(xiàn)階段空調(diào)系統(tǒng)全部由人工操作，即手動控制，無法根據(jù)室內(nèi)溫度的變化隨時調(diào)節(jié)水閥的溫度大小以及控制空調(diào)主風(fēng)機的啟動和停止，進而導(dǎo)致圖書館自習(xí)室內(nèi)的室溫通常保持在24 ℃以上，體感溫度偏低，同時會感覺到室內(nèi)溫度分布很不均勻，空氣處理品質(zhì)低。到了冬季，室內(nèi)的溫度能維持在26 ℃左右，自習(xí)區(qū)中的二氧化碳濃度平均為3000×10-6，比國家標(biāo)準(zhǔn)高出了1000×10-6。此外，圖書館早在幾年前建設(shè)期間就建有樓宇自動控制系統(tǒng)，但是一直沒有投入使用，目前發(fā)現(xiàn)一些設(shè)備存在控制器老化、版本陳舊過期的問題。

1.2 改造后的狀況

系統(tǒng)經(jīng)過改造后，不僅修復(fù)了圖書館原有的樓宇控制系統(tǒng)，還對控制系統(tǒng)增加了溫濕度測定，二氧化碳濃度傳感器和網(wǎng)絡(luò)的傳感器，對原有系統(tǒng)的不足之處進行完善和改進。改造之后的系統(tǒng)能夠顯著提高工作人員的工作效率，同時可以實現(xiàn)精確檢測室內(nèi)空氣具體參數(shù)以及進行自動設(shè)備運行的狀態(tài)分析，及時調(diào)整風(fēng)機的啟動開關(guān)，運用優(yōu)化策略確保節(jié)能環(huán)保，從一定程度來說室內(nèi)空氣基本可以達到綠色品質(zhì)的要求。

其次，從高校建筑物照明節(jié)能系統(tǒng)上來看，傳統(tǒng)建筑中能源消耗最大的是照明系統(tǒng)，而照明系統(tǒng)的能量消耗由光源決定，傳統(tǒng)燈泡能量消耗較大。隨著制造業(yè)的發(fā)展，LED 節(jié)能燈的出現(xiàn)以及廣泛應(yīng)用，相比與傳統(tǒng)的電燈來說能夠?qū)崿F(xiàn)一定的節(jié)能效果，甚至有些LED 可以減少80%的電能。近年來，人們對于節(jié)能減排理念認(rèn)識逐漸深刻，對光源的節(jié)能效果提高重視，樓宇自動控制能夠?qū)崿F(xiàn)將節(jié)能燈代替?zhèn)鹘y(tǒng)燈泡。目前對于燈光節(jié)能可以通過以下幾種方法實現(xiàn)：在建筑物，公共區(qū)域由手控?zé)糇優(yōu)樽詣涌刂茻簦ㄟ^定時設(shè)計，對于分電燈使用時間進行確定，當(dāng)用戶進入照明區(qū)域時，會根據(jù)聲音和感應(yīng)自動進行燈光開啟，滿足設(shè)定時間后關(guān)閉通過自動控制，能夠從一定程度上利用燈光，便于學(xué)生出行時，有效節(jié)省了燈光，這種方法是對燈源開關(guān)方式的轉(zhuǎn)變，不需要投入大量的人力，物力，已經(jīng)在很多建筑中廣泛應(yīng)用。其次，可以將燈光與室外光進行結(jié)合，在室外光能夠滿足日常需求時，不需要額外進行燈光作業(yè)，由于室外燈光會受到天氣，建筑物，季節(jié)等因素的影響，無法直接對燈光時間、亮度進行設(shè)定，需要智能燈光系統(tǒng)對不同區(qū)域燈光進行調(diào)整，智能燈光系統(tǒng)可以根據(jù)照明需求進行回路設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上，選擇合適的燈具，安裝燈光傳感器，能夠?qū)艄庑盘杺魉偷綐怯羁刂葡到y(tǒng)中，通過系統(tǒng)的信號接收，確定目前照明區(qū)域的光源作業(yè)情況。根據(jù)實際需求和標(biāo)準(zhǔn)對燈光進行控制，有效避免不合理使用燈光，減少不必要的能源消耗。樓宇自控?zé)艄夤?jié)能主要用于一些規(guī)模較大的建筑物中，目前在大規(guī)模建筑物中采用的是自控和手控相結(jié)合的照明系統(tǒng)，通過中央控制對自控與手控光源實現(xiàn)集中控制，相比傳統(tǒng)的定時或者手動設(shè)定來說，能夠?qū)庠醋鳂I(yè)時間、亮度進行控制和監(jiān)測，這種處理方式對電網(wǎng)從沖擊電壓和浪涌電壓可以實現(xiàn)有效調(diào)節(jié)，也能夠從一定程度上保護燈具，使燈具避免受到熱沖擊損害，進而延長燈具的使用壽命，并且可極大程度上節(jié)省人力、物力和財力。

1.3 節(jié)能改造的目的及意義

對樓宇自控系統(tǒng)在空調(diào)系統(tǒng)中的節(jié)能，不僅包括新風(fēng)系統(tǒng)控制，同時還可以對相關(guān)設(shè)備實現(xiàn)有效管理和節(jié)能。根據(jù)不同季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的運行情況，樓宇控制系統(tǒng)可以對空調(diào)運行進行人性化管理，如冬天可在高溫度，大風(fēng)量方式運行，而夏天則可以通過較低溫度，大風(fēng)量運行。在春秋兩季時，對于室內(nèi)溫度要求不是特別明顯，基本可以滿足空氣更換，采取間歇式的運行模式，根據(jù)系統(tǒng)間歇啟停特點和對設(shè)備工作時間的累計，通過這種方式提醒管理人員對設(shè)備進行定期的檢修，可見這種人性化的自動控制，不僅能夠滿足不同季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)運行需求，同時還可以大大減少能源消耗，并對設(shè)備也起到一定的保護作用。

根據(jù)統(tǒng)計資料顯示，空調(diào)系統(tǒng)占建筑總能耗的60%左右，夏季時，只要將室內(nèi)溫度下調(diào)1 ℃，那么能耗將會增加9%左右。然而在冬季，只要將室內(nèi)溫度上調(diào)1 ℃，那么能耗將增加12%左右，因此提高室內(nèi)的溫度、濕度的控制精確度能夠有效提升節(jié)能效果，由于人工控制空調(diào)的精準(zhǔn)度較低，因此，對空調(diào)設(shè)備進行智能化監(jiān)測對于高校節(jié)能來說十分重要。圖書館樓控系統(tǒng)在改造后能夠有效實現(xiàn)節(jié)能，相比之前所統(tǒng)計的夏季用電量數(shù)據(jù)來看，空調(diào)占據(jù)60%。然而經(jīng)過改造之后，在基本能夠滿足舒適度的情況下，能夠減少20%左右的能量消耗，平均每天可以節(jié)省1000 kW·h 電。能夠提供教學(xué)實習(xí)平臺，對于學(xué)校自動化專業(yè)，物業(yè)專業(yè)的樓宇自動化控制課程來說，過去是以校外實習(xí)的方式展開的，而經(jīng)過改造之后可以將圖書館樓控系統(tǒng)作為學(xué)生實習(xí)基地。在科研方面，樓宇自動控制往往涉及到了計算機、電子、自動化等專業(yè)知識，進行控制系統(tǒng)是建立在集成管理平臺和開放性的平臺上的，便于集成能源管理分析系統(tǒng)，以及對日后實現(xiàn)能源監(jiān)控優(yōu)化和二次開發(fā)。實施該項目之后能夠提供開放的數(shù)據(jù)接口，為高?？蒲刑峁嶒炂脚_，為學(xué)生提供適宜的學(xué)習(xí)環(huán)境。根據(jù)前期的調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，圖書館自習(xí)區(qū)二氧化碳超標(biāo)，空氣質(zhì)量不佳，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效率較低。因此，經(jīng)過改造之后，能夠?qū)D書館的空氣質(zhì)量調(diào)升到國家標(biāo)準(zhǔn)的范圍之內(nèi)，可以將圖書館經(jīng)過改造之后的樓宇控制系統(tǒng)作為節(jié)能案例平臺，項目實施之前圖書館的建筑設(shè)備是由人為控制，由于空氣溫度屬于滯后系統(tǒng)，人工控制往往會存在超調(diào)的現(xiàn)象，導(dǎo)致夏季冷，冬季熱，電能消耗比較嚴(yán)重，而本課程可以將建設(shè)綠色校園，實現(xiàn)節(jié)能減排作為實踐教學(xué)目標(biāo)。

2 高校樓宇自動控制系統(tǒng)的運行

2.1 樓宇自動化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

華北水利水電大學(xué)圖書館樓控系統(tǒng)經(jīng)過改造之后，在組網(wǎng)方式上采用德國ICS-709 作為控制系統(tǒng)，以及將奧地利Linx100作為協(xié)議轉(zhuǎn)換器，將總線的Lontalk 協(xié)議轉(zhuǎn)換TCP/IP 協(xié)議，實現(xiàn)與上位機的通信功能，將控制網(wǎng)絡(luò)連接到校園網(wǎng)絡(luò)中，采用B/S服務(wù)器，將信息通過對比服務(wù)器進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，用戶可以通過瀏覽器來訪問數(shù)據(jù)信息，后臺通過權(quán)限設(shè)置可實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。

2.2 節(jié)能控制系統(tǒng)

圖形化的控制界面，包括新風(fēng)機組自動啟動控制，風(fēng)機盤管自動啟動控制，以及溫度控制，二氧化碳濃度控制，自然風(fēng)控制等。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)控制，監(jiān)控，管理的一體化功能，給后勤管理提供了高效的節(jié)能技術(shù)平臺。

2.3 節(jié)能優(yōu)化具體措施

首先從風(fēng)機盤管溫度控制上來看，風(fēng)機盤管機組中的電機大多是單相電容調(diào)速電機，通過電機輸入電壓的調(diào)節(jié)，能夠?qū)L(fēng)量控制在不同的擋次，進而調(diào)節(jié)供冷量，考慮到給學(xué)生提供的舒適度問題，在該系統(tǒng)設(shè)置中，將風(fēng)機盤管處于低擋位運行，只能實現(xiàn)基本的啟動和停止控制，改造之前風(fēng)機盤管是屬于工作時間運行的，具體時間段為早上八點到晚上九點半，不間斷運行，而經(jīng)過改造之后能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能控制運行。將室內(nèi)的溫度控制在25 ℃左右，運行時間與之前保持一致，然而中間會停止運行6 h，相比之前來說能夠節(jié)省約44%的電能。因此，經(jīng)過改造之后，風(fēng)機盤管自動控制能夠?qū)⑷斯な謩涌刂谱優(yōu)樽詣踊瘑⑼＿\行。其次從二氧化碳濃度控制上來看，經(jīng)過系統(tǒng)測試，發(fā)現(xiàn)新風(fēng)機組在降溫能力方面比較弱，依靠風(fēng)機盤管來進行空氣制冷，當(dāng)前設(shè)備能夠用于空氣質(zhì)量的改善，在二氧化碳濃度控制上，經(jīng)過檢測，發(fā)現(xiàn)二氧化碳濃度可以被控制在700×10-6范圍內(nèi)，能夠獲得良好的空氣質(zhì)量值。從自然采風(fēng)運行控制上來看，自然采風(fēng)運行控制室在制冷機處于停止運行的狀態(tài)下，能夠借助自然風(fēng)來實現(xiàn)室內(nèi)降溫和二氧化碳濃度控制的有效方法。該策略適合用于過渡期，這種方法能夠有效踐行低碳節(jié)能，綠色環(huán)保的理念，利用室外新風(fēng)有效改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。

對于高校來說，學(xué)生生活所采用的主要能源就是電能。因此，在樓宇自動控制系統(tǒng)中，其節(jié)能設(shè)計是針對用電量較多的照明、空調(diào)系統(tǒng)而言，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，以及計算機在建筑行業(yè)的運用，對于風(fēng)能，太陽能的有效應(yīng)用逐漸被重視起來，在樓宇控制系統(tǒng)中有效利用這些可再生的能源，并將能源進行收集將其轉(zhuǎn)化為電能，可以滿足日常用電需求，成為在節(jié)能運用上主要考慮的問題，而有效利用這些電能不僅能夠?qū)崿F(xiàn)智能建筑節(jié)能減排，同時還可以緩解目前我國用電緊張的現(xiàn)狀，進一步推動我國電力行業(yè)的發(fā)展。

3 小結(jié)

改造高校樓宇控制系統(tǒng)，并從燈光，空調(diào)節(jié)能，二氧化碳濃度控制等角度出發(fā)，融入節(jié)能減排理念。但由于我國樓宇自動控制相比西方發(fā)達國家來說，在這一方面研究較晚，技術(shù)水平有限，且在實際運用中還會出現(xiàn)很多問題，比如管理監(jiān)管力度不夠，無法滿足建筑行業(yè)需求。因此，要想真正實現(xiàn)樓宇自動控制系統(tǒng)與其他領(lǐng)域的有效融合，需要未來繼續(xù)投入大量的時間和精力進行相關(guān)研究。