智能建筑風(fēng)水聯(lián)動(dòng)與SYS優(yōu)化控制平臺(tái)的運(yùn)行分析

楊景華 馬駿 王肖寧 石書(shū)亮 陸曉東

（1.中國(guó)鐵建電氣化局 北京 1001241；2.中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 300222；3.四川鴻景潤(rùn)科技有限公司 四川成都 610081）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及大數(shù)據(jù)云平臺(tái)技術(shù)的進(jìn)步，高新技術(shù)在各個(gè)行業(yè)及領(lǐng)域得以滲透，在這一背景下，智能建筑應(yīng)運(yùn)而生，其作為計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)聯(lián)合發(fā)展的產(chǎn)物，兼具舒適性、安全性與美學(xué)功能等多重優(yōu)勢(shì)，成為建筑行業(yè)發(fā)展的潮流趨勢(shì)，同時(shí)，智能建筑對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)也提出了更高的要求［1］。傳統(tǒng)建筑風(fēng)、水系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，兩個(gè)系統(tǒng)需要工作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨溫度變化實(shí)時(shí)調(diào)整，運(yùn)營(yíng)管理主要依賴管理員的經(jīng)驗(yàn)。風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制平臺(tái)下，更換了溫濕度傳感器、變頻器、智能電表，能夠提高用戶舒適度，不僅如此，風(fēng)水聯(lián)動(dòng)功能還大大降低能耗［2］。作為建筑能耗的重要組成部分，中央空調(diào)系統(tǒng)能耗高，大部分根據(jù)建筑的最大負(fù)荷實(shí)施設(shè)計(jì)，當(dāng)處于滿負(fù)荷狀態(tài)下，會(huì)降低時(shí)間頻數(shù)，引起不必要的資源浪費(fèi)。因此，構(gòu)建智能建筑風(fēng)水聯(lián)動(dòng)與SYS 優(yōu)化控制尤為重要，這不僅是智能建筑發(fā)展的內(nèi)在需求，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排的有效路徑。

1 智能建筑風(fēng)水聯(lián)動(dòng)與SYS 優(yōu)化控制平臺(tái)設(shè)計(jì)原則與原理

1.1 設(shè)計(jì)原則

作為一種新型自動(dòng)噴霧降塵裝置，風(fēng)水聯(lián)動(dòng)具有高效、低能耗等特點(diǎn)，噴霧距離遠(yuǎn)、用水量少，傳感器接收相關(guān)信號(hào)后，主控箱能夠通過(guò)對(duì)電路氣閥的控制為出水口供壓風(fēng)，將水電磁閥打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)水同時(shí)噴射，達(dá)到滅塵效果。SYS控制系統(tǒng)通常由空調(diào)系統(tǒng)中的風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng)組成，通過(guò)對(duì)任意參數(shù)的改變，均能夠使得系統(tǒng)設(shè)備的能效發(fā)生變化，表現(xiàn)為能耗降低或能耗上升［3］。為響應(yīng)智能建筑的發(fā)展號(hào)召，滿足節(jié)能、環(huán)保的要求，在風(fēng)水聯(lián)動(dòng)與SYS優(yōu)化控制平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)符合如下原則。

（1）實(shí)用性與先進(jìn)性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)符合智能建筑設(shè)計(jì)原則，體現(xiàn)先進(jìn)性的同時(shí)，發(fā)揮其實(shí)用價(jià)值，兼具功能性與經(jīng)濟(jì)性。

（2）標(biāo)準(zhǔn)化與結(jié)構(gòu)化。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要與國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相符，并結(jié)合功能需求，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，體現(xiàn)技術(shù)特點(diǎn)。

（3）集成性與可擴(kuò)展性。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，與原有的建筑控制系統(tǒng)接入，將監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆邢到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)原有控制系統(tǒng)的設(shè)備自動(dòng)啟停與調(diào)節(jié)。

（4）系統(tǒng)自我保護(hù)功能。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠完成自動(dòng)切換、自動(dòng)啟停，在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以自動(dòng)停止，并將備用設(shè)備投入使用。為冷凍水系統(tǒng)配備低溫、低壓保護(hù)功能，為電源提供過(guò)電壓、過(guò)電流及短路保護(hù)等。

（5）系統(tǒng)節(jié)能特性。系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)滿足無(wú)人化操作，具備一定的靈活性，用戶能夠結(jié)合實(shí)際對(duì)參數(shù)作出相應(yīng)的調(diào)整，可對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行相應(yīng)的控制。通過(guò)節(jié)能運(yùn)行算法，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)預(yù)設(shè)、自動(dòng)化修正，使得設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)。

（6）運(yùn)營(yíng)管理的便捷性。應(yīng)設(shè)置可視化操作界面，將SYS 系統(tǒng)工藝流程予以清晰地顯示，并實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)工藝參數(shù)。設(shè)備參數(shù)調(diào)節(jié)應(yīng)便捷，直觀顯示參數(shù)控制與設(shè)置界面，管理人員可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境作出相應(yīng)的調(diào)整。對(duì)系統(tǒng)能耗、主機(jī)效率及電耗等情況，可以通過(guò)曲線反映，歷史故障與維修記錄可以隨時(shí)進(jìn)行查詢［4］。各個(gè)子系統(tǒng)之間建立起通信關(guān)系，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

1.2 設(shè)計(jì)原理

SYS 系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行是一個(gè)相互耦合、密切聯(lián)系的過(guò)程，系統(tǒng)可以運(yùn)用多種運(yùn)行方式滿足同一冷負(fù)荷需求。風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示，而SYS 系統(tǒng)則能夠通過(guò)對(duì)風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)中任一控制參數(shù)的調(diào)整，對(duì)設(shè)備運(yùn)行能效產(chǎn)生正面或負(fù)面的影響。

圖1 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)

變流量系統(tǒng)在同一負(fù)荷下會(huì)受到冷機(jī)出水溫度的影響，隨著冷機(jī)溫度的升高，效率也會(huì)進(jìn)一步提升，進(jìn)而使得冷機(jī)能耗下降。但這一過(guò)程也會(huì)增加對(duì)冷凍水流量與末端空調(diào)風(fēng)量的需求，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)除濕負(fù)荷產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，因此，對(duì)冷凍水溫度、流量、送風(fēng)溫度等進(jìn)行優(yōu)化處理尤為重要。要想降低冷機(jī)、水泵等的總體能耗，應(yīng)從整體出發(fā)，對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)與優(yōu)化，尋找最優(yōu)的能耗優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)［5］。為實(shí)現(xiàn)對(duì)SYS 系統(tǒng)的全局優(yōu)化，需要構(gòu)建一個(gè)能耗模型，尋求最優(yōu)的多維節(jié)能控制系統(tǒng)，滿足工藝要求，發(fā)揮最大的節(jié)能效應(yīng)。

本方案優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)為基于系統(tǒng)行為的全局優(yōu)化控制，是以能耗模型為基礎(chǔ)的整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)多維、主動(dòng)尋優(yōu)的節(jié)能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)是建立在冷凍機(jī)房的每個(gè)設(shè)備及風(fēng)系統(tǒng)整體性能特性的基礎(chǔ)上，通過(guò)多維尋優(yōu)的方法，尋找滿足工藝設(shè)計(jì)及冷量需求下整個(gè)冷凍機(jī)房及風(fēng)系統(tǒng)的最佳能效點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能目標(biāo)［6］。

2 智能建筑風(fēng)水聯(lián)動(dòng)與SYS 優(yōu)化控制平臺(tái)整體架構(gòu)

SYS 系統(tǒng)整體架構(gòu)包括系統(tǒng)監(jiān)控、過(guò)程控制與設(shè)備層三層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)與SYS 優(yōu)化控制平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

（1）系統(tǒng)監(jiān)控層。為實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信，研究采用100M 的ETHERNET 網(wǎng)站，引入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通路，使得圖形工作站建立起與系統(tǒng)的聯(lián)系，工作人員能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)設(shè)定點(diǎn)作出相應(yīng)的改變，將信息存儲(chǔ)到任意位置。作為SYS 系統(tǒng)的核心部分，中央控制服務(wù)器硬件采用的是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)設(shè)備上安裝了節(jié)能軟件，可滿足各個(gè)設(shè)備模型系統(tǒng)工況的優(yōu)化，并向控制子站發(fā)送相關(guān)參數(shù)，保障各項(xiàng)功能與指令的順利執(zhí)行。

（2）過(guò)程控制層。各系統(tǒng)之間通過(guò)以太網(wǎng)建立高速通信，能夠采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，即便出現(xiàn)突發(fā)狀況，也不會(huì)導(dǎo)致記憶丟失，避免錯(cuò)誤操作。以太網(wǎng)將控制層與系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)連接在一起，使得數(shù)據(jù)通信暢通無(wú)阻［7］。

（3）設(shè)備層。主控設(shè)備為PLC，在擴(kuò)展模塊作用下，能夠采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)，掌握其通信功能等，保障獲得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性。完成數(shù)據(jù)采集后，能夠發(fā)送至中央控制站執(zhí)行優(yōu)化計(jì)算。

3 智能建筑風(fēng)水聯(lián)動(dòng)與SYS 優(yōu)化控制平臺(tái)系統(tǒng)功能

我司自行研發(fā)的優(yōu)化控制模擬分析工具SYS，可根據(jù)輸入的中央空調(diào)系統(tǒng)情況（包括冷站及末端設(shè)備配置、負(fù)荷、設(shè)備性能模型、控制策略等），動(dòng)態(tài)計(jì)算出中央空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗情況，其能夠進(jìn)行不同負(fù)荷、不同工況、不同控制策略條件下中央空調(diào)系統(tǒng)的能效模擬計(jì)算，從而可模擬使用節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)前后的能耗情況，且可進(jìn)行全年逐時(shí)能耗計(jì)算［8］。能耗模擬軟件中使用的優(yōu)化算法與現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器底層優(yōu)化引擎服務(wù)完全一致，其計(jì)算得到的能耗結(jié)果可完全反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。冷站冷機(jī)建模如圖3所示。

圖3 冷站冷機(jī)建模界面

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能

該系統(tǒng)能夠?qū)κ彝鉁囟?、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凍機(jī)房、空調(diào)末端等系統(tǒng)設(shè)備及運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。不僅如此，各項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、流量、溫度等也能夠在系統(tǒng)上顯示，掌握冷凍機(jī)房及相關(guān)設(shè)備的能耗情況。

3.2 優(yōu)化控制功能

通過(guò)對(duì)冷站設(shè)備、風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化，SYS平臺(tái)能夠在滿足工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上使得整個(gè)冷凍機(jī)房與風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到最佳的能效，將中央空調(diào)系統(tǒng)能耗降到最低［9］。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)冷機(jī)、冷凍水壓差、水泵臺(tái)等的變頻控制，優(yōu)化系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

3.3 優(yōu)化診斷功能

系統(tǒng)設(shè)備的參數(shù)均能夠通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行采集與監(jiān)控，在自主開(kāi)發(fā)的設(shè)備模型支持下，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)冷戰(zhàn)機(jī)房、空調(diào)末端等運(yùn)行情況進(jìn)行在線診斷，確保設(shè)備運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性，減少對(duì)設(shè)備的損耗，盡可能延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

3.4 報(bào)警與保護(hù)功能

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障，系統(tǒng)能夠發(fā)出警報(bào)，及時(shí)被維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)，積極采取措施，以維持設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的系統(tǒng)對(duì)冷水機(jī)組、排熱量均進(jìn)行了報(bào)警保護(hù)配置，系統(tǒng)能夠依據(jù)故障類型對(duì)故障進(jìn)行分級(jí)，發(fā)出相應(yīng)的提示。

3.5 能效管理功能

SYS 系統(tǒng)還能夠?qū)υO(shè)備能耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。在數(shù)據(jù)庫(kù)支持下，用戶可以登錄平臺(tái)查詢歷史數(shù)據(jù)，對(duì)改進(jìn)后的能耗數(shù)據(jù)與以往的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，為參數(shù)設(shè)置及進(jìn)一步優(yōu)化提供支持［10］。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證分析

作為智能建筑風(fēng)水聯(lián)動(dòng)與SYS優(yōu)化控制的核心驗(yàn)收環(huán)節(jié)，節(jié)能測(cè)試能夠反映出系統(tǒng)的可行性。在進(jìn)行節(jié)能測(cè)試時(shí)，將制冷器中央空調(diào)能耗作為依據(jù)，首先對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，結(jié)合室外氣溫，任意選擇制冷周期的一個(gè)氣溫進(jìn)行評(píng)測(cè)，在同一溫度條件下，工頻運(yùn)行與優(yōu)化模式運(yùn)行各一天，對(duì)比兩者在相同運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的能耗情況，測(cè)試結(jié)果如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，與工頻運(yùn)行相比，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的控制平臺(tái)冷卻泵系統(tǒng)與中央空調(diào)總系統(tǒng)實(shí)際耗電量均較低。

表1 工頻運(yùn)行與優(yōu)化控制平臺(tái)節(jié)能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能建筑風(fēng)水聯(lián)動(dòng)與SYS 優(yōu)化控制平臺(tái)通過(guò)節(jié)能改造能夠滿足節(jié)能需求，且保障設(shè)備可靠性，提升了中央空調(diào)系統(tǒng)、水泵系統(tǒng)等運(yùn)行效率，使得整個(gè)系統(tǒng)處于最佳工況，節(jié)能效率高，有利于降低能耗，具有廣闊的發(fā)展空間。