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智能建筑弱電集成的探討

發(fā)布時(shí)間:2017-08-22 來(lái)源:

    隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展,國內高層建筑越來(lái)越多,而信息技術(shù)的發(fā)展,使大樓內的智能化程度不斷普及發(fā)展。幾乎所有的高層建筑,比如政府辦公樓、酒店、綜合性寫(xiě)字樓,根據規模及資金的大小,或多或少都投資建設了建筑智能化系統,特別是樓宇內的設備自動(dòng)化系統幾乎是必不可少的,它是樓宇智能化的基礎,目標是對樓宇內的機電設備和能源實(shí)現智能化的管理,創(chuàng )造一個(gè)舒適、環(huán)保、節能的工作生活環(huán)境。樓宇自控系統對樓宇內的空調通風(fēng)系統、變配電系統、給排水、冷熱源系統、照明系統等大量設備進(jìn)行有條不紊的管理及維護保養。

    建筑設備監控系統通過(guò)對大廈內的各種機電設施進(jìn)行全面的計算機監控管理,利用分散控制和集中管理技術(shù),為建筑物用戶(hù)提供良好的工作環(huán)境,為建筑物的管理者提供方便的管理手段,從而減少建筑物的能耗、延長(cháng)設備使用壽命、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率并降低勞動(dòng)力管理成本。

    目前的樓宇自控系統盡管發(fā)展到一定程度,無(wú)論是硬件上還是軟件比較先進(jìn)可靠,但真正要達到預期的目的,還有很多的工作要做。筆者根據多年的工作經(jīng)驗,在此提供一些新的認識和看法。

1 基于樓宇自控系統的投資和效果的認識 自2000年以來(lái),智能建筑的樓宇自動(dòng)化系統的初投資大幅度下降,從BA控制檢測點(diǎn)2000元/點(diǎn),下降到不到1000元/點(diǎn),還處于不斷的下降趨勢中,而房產(chǎn)的價(jià)格卻不斷上漲,至今平均上漲幅度為3倍,目前尚處于高位運行。從中可以看出智能建筑的樓宇自動(dòng)化系統的初投資占整個(gè)大樓投資比重越來(lái)越少,而且現代高樓的平均壽命為百年以上,盡管樓宇自動(dòng)化設備將會(huì )不斷落后,但整個(gè)布線(xiàn)框架是存在的,升級改造將非常方便。

智能建筑的樓宇自動(dòng)化系統是節能的一種重要手段,一定要認識到其緊迫性,首先應加強建筑節能的宣傳力度,使所有人都認識到,節能不僅僅是錢(qián)和環(huán)境的問(wèn)題,而是國家能否持續穩定發(fā)展的前提。目前的智能建筑樓宇自動(dòng)化系統運行的節能效果不是很理想,原因是多方面的,首先部分管理者由于認識上的偏差,以為樓宇自控系統沒(méi)有用,還不如幾個(gè)人手動(dòng)開(kāi)開(kāi)就可以了。這就走入了一個(gè)誤區,實(shí)際上依靠人的手動(dòng)控制,根本無(wú)法實(shí)現建筑設備的節能、高效、安全運行。因此認識上一定要加以轉變,加強物業(yè)隊伍的培訓和建設,對設備的管理可以在保修期到期后,委托專(zhuān)業(yè)公司打理,提高設備的運行壽命,最大限度的發(fā)揮系統的作用。否則由于設備管理的水平低下使運行費用居高不下,造成投資的浪費。

樓宇自控系統的節能一定要從細節做起,養成一種習慣,說(shuō)到節能的設計,電氣設計人員通常會(huì )想到選擇合適的變壓器、變頻器、軟啟動(dòng)器、給燈具配節能鎮流器,盤(pán)管系統采用三速風(fēng)機加電動(dòng)閥,這是樓宇自控系統中普遍設計的內容。此外,節能設計還體現在因地制宜的細節中,比如對賓館客房設計節電開(kāi)關(guān),人在時(shí)將電源接通,人離開(kāi)時(shí)把電源切斷,以達到節能目的。

2 智能化的樓宇自控系統對大樓機電設備提出更高的要求 智能建筑樓宇自控系統需要各種專(zhuān)業(yè)的配合,樓宇自動(dòng)化的節能不僅是某一個(gè)專(zhuān)業(yè)的事情,它需要智能化、建筑結構、暖通通風(fēng)、電力、給排水等專(zhuān)業(yè)共同參與合作,提出有節能潛力的方法。照明系統作為大樓一個(gè)獨立的子系統,包括公共區域的公共照明(比如停車(chē)場(chǎng)、大堂、走廊、餐廳照明、室內照明(辦公室、會(huì )議室等),室外照明(裝飾照明、道路照明、泛光照明)等。大樓照明的耗能占整個(gè)樓宇的20%左右,照明系統有這樣特點(diǎn):

第一,在電力輸送過(guò)程中,要以較高的電壓輸送確保終端設備的工作電壓,隨著(zhù)設備運行的負荷下降,輸出電壓將會(huì )上升,因此通過(guò)樓宇自控系統進(jìn)行動(dòng)態(tài)調壓控制方式,達到節電目的。

第二,對照明功能的需求,每天的時(shí)間段是不同的,特別是可以結合室外照度傳感器結合起來(lái),對公共區域進(jìn)行分組,分片控制方式或直接全部關(guān)閉方式,比如地下車(chē)庫燈光的控制。

第三,隨著(zhù)新照明源的發(fā)展,新型節能照明燈具不斷涌現,代替傳統發(fā)熱的熒光燈、節能燈、白熾燈、金鹵燈等多種燈具的開(kāi)關(guān)控制,采用數字技術(shù)及計算機技術(shù)充分結合起來(lái)的智能控制采用軟啟動(dòng)的方式,能控制電網(wǎng)沖擊電壓和浪涌電壓,使燈絲免受熱沖擊,燈具壽命又得到延長(cháng)。智能照明系統通常能使燈具壽命延長(cháng)2~4倍,不僅節省大量燈具,而且大大減少更換燈具的工作量,有效地降低了照明系統的運行費用,對于大量使用燈具和安裝困難的區域具有特殊的意義。此外,智能照明系統還有潛在的價(jià)值回報,使整個(gè)系統工作在使人們最舒適的狀態(tài),從而保證了人們的身心健康,提高了工作效率。

空調系統又是另一個(gè)子系統,它分為空氣處理末端設備如新風(fēng)機組、空調機組、VAV變風(fēng)量,另一部分為冷源系統,它的電耗一般占整個(gè)大樓的70%左右,如何運行及管理空調的相關(guān)設備比較重要,采用先進(jìn)的樓宇自控系統,在滿(mǎn)足房間的舒適度的情況下,既可以節約電能,延長(cháng)設備壽命,又可以減少設備管理人數,現逐一進(jìn)行分析闡述;

(1)新風(fēng)系統主要功能是根據樓層的面積大小,輸送一定溫度的的新鮮空氣量,保證房間的空氣質(zhì)量,新風(fēng)系統的自控設計一般確定一個(gè)送風(fēng)溫度點(diǎn),如果有濕度要求高的話(huà)需要增加一個(gè)濕度點(diǎn),空調管道如采取二管制的話(huà),冬天通熱水夏天通冷水,選用一個(gè)電動(dòng)調節閥。對于溫濕度要求高的建筑,空調管道一般采取四管制,冷熱水管單獨安裝,并各安裝一個(gè)電動(dòng)調節閥,為了防止冬天的冷凝器凍裂,安裝防凍開(kāi)關(guān)和新風(fēng)電動(dòng)閥,碰上室外溫度低,空調沒(méi)有使用直接關(guān)閉新風(fēng)門(mén)或將熱水循環(huán)泵啟動(dòng),熱水在小流量下運行。

在空調運行時(shí),控制的目標參數為送風(fēng)溫度和送風(fēng)濕度,與設定值比較,得到的偏差值經(jīng)DDC運算輸出信號,控制冷(熱水)電動(dòng)二通閥的開(kāi)度。對于新風(fēng)機組的溫度設定值樓控系統可以結合室外溫度的大小,自動(dòng)進(jìn)行調整,冬天為30~32℃,夏天為18~20℃。

(2)對于公共區域(大堂、餐廳)的溫濕度環(huán)境改善是主要通過(guò)空調機組的空氣處理方式來(lái)實(shí)現的,它的工藝流程圖比新風(fēng)機復雜,增加回風(fēng)管道。 一般自控配置的設備為冷熱水閥、加濕閥、新回風(fēng)閥、送風(fēng)溫度、回風(fēng)溫度,有些還要安裝公共區域內的溫度傳感器,送風(fēng)量通過(guò)變頻能夠進(jìn)行調節,對于目標控制參數的確定一般以回風(fēng)溫度為準,但也不一定合適,比如回風(fēng)口離門(mén)口較近,取樣的數據就很不準確,也可以在公共區域布設多個(gè)溫度傳感器,然后取平均值,因此具體工程要具體分析,全面進(jìn)行考慮。對于控制策略它比新風(fēng)機送風(fēng)溫度控制來(lái)得復雜,它本身的特點(diǎn)是純滯后的,反應慢,如果采取常規的PID控制必將造成控制的閥門(mén)頻繁開(kāi)關(guān),溫度隨之將大幅波動(dòng)。因此采取非常規的控制策略,比如死區方式,當目標參數進(jìn)入與設定值認可的偏差范圍DT1(一般為0.5度)時(shí),冷(熱)水閥將保持不變。變PID控制方式,就是當目標參數與設定值大時(shí),控制作用強一些,當目標參數與設定值小時(shí),控制作用弱一些。還可以采取根據溫度偏差及上升或下降快慢的模糊控制方式,當溫度與設定值處于正偏差DT2(1度)以?xún)葧r(shí),但處于下降過(guò)程中,水閥將慢慢開(kāi)大,當溫度與設定值處于負偏差DT2以?xún)葧r(shí),但處于上升降過(guò)程中,水閥將慢慢關(guān)小??傊?,對于目標參數的控制,充分考慮溫度測量值、設定值、單位時(shí)間內的溫度偏差值,“多看少動(dòng)”才能真正將目標參數控制好。為了節能,根據室外溫度的大小,冬天有條件將溫度設定值下降1度,夏天有條件將溫度設定值提高1度,同時(shí)充分利用新回風(fēng)閥的連鎖功能,在過(guò)渡季全開(kāi)新風(fēng)閥,在盛夏或嚴冬將新風(fēng)閥可以關(guān)到最小,這樣可以節能達到12%。

樓宇自控系統不僅具有豐富的控制功能,而且有強大的管理功能,人性化的界面設計,過(guò)濾網(wǎng)堵塞和風(fēng)機故障會(huì )發(fā)出聲光報警,提醒管理人員清冼和維護,統計設備的運行時(shí)間,定期進(jìn)行設備的保養,在使用過(guò)程中,充分利用樓控系統的功能以及新風(fēng)機組空調機組的特點(diǎn),根據時(shí)間程序進(jìn)行節能啟/停運行,具體體現在:

間歇運行:使設備合理間歇啟停,但不影響環(huán)境舒適程度和工藝要求。 最佳啟動(dòng):根據人員使用情況或生產(chǎn)工藝情況,預先開(kāi)啟空調設備,夏天采取大風(fēng)量低溫度;冬天采取大風(fēng)量高溫度;房間溫度穩定以后,在低風(fēng)量下運行。

     最佳關(guān)機:根據人員下班情況或生產(chǎn)工藝情況,提前停止空調設備。 (3)變風(fēng)量系統(VAV)是一種新型的空調方式,在智能樓宇的空調中被越來(lái)越多地應用。當室內環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí),改變送風(fēng)的溫度和改變送風(fēng)量大小兩種控制方式都可以達到相同結果。采用變風(fēng)量系統的中央空調系統可節能40%,而且系統只在冷熱負荷達到峰值時(shí)才使用最大風(fēng)量,因此可以大大降低能耗。

VAV系統一般由帶變頻調節電機的空調機組和變風(fēng)量可調風(fēng)閥末端裝置組成。監控內容包括控制風(fēng)機的啟停,并監視風(fēng)機的運行狀態(tài),根據室內溫度的大小,自動(dòng)調節新回風(fēng)門(mén)的大小和水閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)現對溫度的控制,使室溫保持穩定。帶有VAV裝置的空調系統各環(huán)節需要協(xié)調控制,其內容主要體現在以下幾個(gè)方面:

① 由于各房間的負荷是不一樣,那么送入各房間風(fēng)量是變化的,空調機組的風(fēng)量將隨之變化,因此應采用調節變頻的大小對送風(fēng)機進(jìn)行控制。

② 送風(fēng)機速度調節時(shí),可以采用定靜壓或變靜壓控制方式,使各房間的壓力保持穩定,保證裝置正常工作。

③ 對于VAV系統,需要檢測各房間風(fēng)量,溫度及風(fēng)閥位置等信號,并經(jīng)過(guò)綜合的分析處理后才能給出送風(fēng)溫度設定值。

④ 在進(jìn)行送風(fēng)量調節的同時(shí),還應調節新、回風(fēng)閥,以使各房間有充分的新風(fēng)量,保證房間的空氣品質(zhì)。

(4)冷源系統是暖通系統的核心部分,如何協(xié)調管理至關(guān)重要,對能耗影響相當巨大,一般體現為量調和質(zhì)調兩種調節方式,量調就是根據負荷的變化,調節冷凍水泵的開(kāi)啟臺數,或通過(guò)水泵的變頻進(jìn)行水量調節,然后根據冷源系統總負荷量(供回水溫差與總流量的相乘)進(jìn)行冷水機組臺數控制。質(zhì)調就是調節冷凍水的出口溫度,一般在低負荷的情況下,適當將冷機的出口溫度提高幾度,實(shí)現機組最優(yōu)啟停時(shí)間控制,使設備交替運行,優(yōu)化設備的運行時(shí)間。

以某一大樓為例,冷凍站系統中有四臺冷凍機組,5臺冷凍水泵(備用一臺),5臺冷卻水泵(備用1臺),4個(gè)冷卻塔及膨脹水箱,采用樓宇自控系統通過(guò)安裝在冷凍機房?jì)鹊闹苯訑底挚刂破鱀DC來(lái)完成對冷凍機組的控制要求:對冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機、冷卻塔進(jìn)水閥及相關(guān)的設備實(shí)現聯(lián)動(dòng)控制,同時(shí)監視其運行狀態(tài)及故障狀態(tài)。檢測冷凍水供回水溫度、供回水壓力和流量,冷卻水進(jìn)回水溫度、壓力,計算空調系統的冷負荷。

實(shí)現聯(lián)動(dòng)控制: 冷凍水閥門(mén)開(kāi)→冷凍水循環(huán)水泵開(kāi)(延時(shí)1分鐘)→冷卻水閥門(mén)開(kāi)→冷卻水循環(huán)水泵開(kāi)→冷卻塔風(fēng)扇開(kāi)→冷水主機開(kāi)。 聯(lián)動(dòng)停止順序: 冷水主機關(guān)→(延時(shí)5分鐘)冷卻塔風(fēng)扇關(guān)→冷卻水循環(huán)水泵關(guān)(延時(shí)20分鐘)→冷卻水閥門(mén)關(guān)→冷凍水循環(huán)水泵關(guān)→冷凍水閥門(mén)關(guān)。

除了上述的嚴格連鎖外,在運行過(guò)程中,為了保護冷凍機,一旦冷凍水泵發(fā)生意外,水泵停止運行,冷凍機必須停止運行,冷卻水泵也必須停止運行。 樓宇自控系統完成上述的基本功能外,更主要對冷凍機實(shí)現優(yōu)化控制,中央站采集現場(chǎng)DDC的數據進(jìn)行統籌計算,不斷分析確定每一時(shí)間段大樓負荷實(shí)際情況,確定冷機運行臺數,通過(guò)通信模式對現場(chǎng)DDC發(fā)命令,目前著(zhù)重解決下列問(wèn)題。

① 如何確定冷水機組運行初始臺數 在系統投入初期由人工手動(dòng)設定系統運行的冷水機組初始運行臺數,系統自動(dòng)記錄所有操作當日的氣候條件以及逐時(shí)的冷量負荷,并開(kāi)始執行負荷預測和優(yōu)化控制軟件,在積累到一定程度以后,監控系統將按照負荷預測結果,并對之前的氣候條件、負荷情況以及系統運行數據的經(jīng)驗數據進(jìn)行分析,取得一定規律,并逐漸實(shí)現對冷水機組系統運行控制進(jìn)行優(yōu)化。從而確定冷水機組運行的初始臺數。

② 如何實(shí)現冷水機組運行臺數的增減控制 第一,增開(kāi)冷水機組控制方法 當系統負荷增加,監控系統監測到供回水兩端的壓差減少,冷凍水量增加,此時(shí)機組根據自身負荷能進(jìn)行調節,當該臺冷水機組的系統負荷上升到其電流百分比FLA的95%時(shí)(可根據實(shí)際情況調整),則說(shuō)明單臺機組的滿(mǎn)載運行和水泵的滿(mǎn)載運行已不足以滿(mǎn)足系統負荷值,且冷凍水出水溫度不會(huì )穩定在出水溫度設定值上,這樣第二臺機組的電動(dòng)閥門(mén)馬上開(kāi)啟,經(jīng)過(guò)一定的閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間之后,第二臺機組迅速開(kāi)啟。

下面的K計算很突兀,應該明確是什么樣的規則,從而判定開(kāi)啟。 其中:△T=CHWT-CHWT.STP CHWT —— 冷凍水出水溫度 CHWT.STP —— 冷凍水出水溫度的設定值(7℃) 。 即設定冷凍水出水溫度值為7℃,當△T≥0.3℃(可根據實(shí)際情況調整)時(shí),同時(shí)冷水機組的電流百分比FLA≥95%時(shí),第二臺機組(運行時(shí)間最短的)自動(dòng)開(kāi)啟。 第二,自動(dòng)減機策略 假設兩臺機組正在運行,當系統負荷變小時(shí),供回水二端的壓差增加,即反應到機組的負荷相應減小,當兩臺機組的負荷總量?jì)H有甚至小于一臺機組的負荷總量時(shí)(設兩臺機組的FLA < 50%,可根據實(shí)際情況調整),冷水機組群控系統適當延時(shí)后關(guān)掉其中一臺機組,以使得另一臺機組在高負荷效率狀況下運行同時(shí)滿(mǎn)足負荷的要求。根據冷水機組的綜合效率曲線(xiàn),將冷水機組控制在最佳能效范圍內運行,是冷水機組群控的目的。

3 智能樓宇設備自動(dòng)化系統的最新發(fā)展趨勢 最初,人們在大樓里引進(jìn)自動(dòng)控制的目的,在于解決一些具體的實(shí)際問(wèn)題:溫度的控制、設備的啟動(dòng)。隨著(zhù)大樓的智能設備不斷增多,自動(dòng)控制系統局限性不斷顯現出來(lái)了:第一,傳統的樓宇系統還是一個(gè)相對封閉的系統,表現在通信協(xié)議上,各廠(chǎng)家還是各自為政,互不兼容,系統設備之間的連接不能做到無(wú)縫連接。因此,對于一個(gè)封閉的系統來(lái)說(shuō),要將大樓內的所有設備集成在一個(gè)系統平臺上將會(huì )有很多的工作要做,不僅成本高,而且性能差;第二,由于系統是封閉的,從設計、供貨、安裝、調試、升級只能由廠(chǎng)家壟斷,業(yè)主無(wú)能為力,只能被動(dòng)接受,因此,初投資將得不到保護;第三,當今世界計算機的發(fā)展日新月異,產(chǎn)品的更新周期越來(lái)越短,樓宇自控的新產(chǎn)品也必將層出不窮。對于一個(gè)封閉系統來(lái)說(shuō),產(chǎn)品的更新必將受到廠(chǎng)家的抵制和壟斷,阻止技術(shù)的發(fā)展,實(shí)際上以低成本跟蹤先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展是不可能的。

     因此,采用開(kāi)放的、標準的通信協(xié)議是樓宇自控系統的發(fā)展趨勢,需要所有廠(chǎng)家共同執行,才能徹底改變現狀。真正意義上的開(kāi)放系統,必須采用標準的通信協(xié)議,而且該協(xié)議必須是主流的,要被各廠(chǎng)家接受認可。目前在樓宇自控系統中用得很普遍的是美國Echelon公司推出的LonWorks技術(shù)協(xié)議,一般采用雙絞線(xiàn)連接,通信速率為76.8K,采用手拉手總線(xiàn)方式通信距離可達2500m,若采用自由拓撲結構也可以達到500m,LonTalk是唯一的點(diǎn)對點(diǎn)通信,它的使用為完全實(shí)現開(kāi)放性和互操作性提供了解決途徑,使整個(gè)大樓的自控系統更現代化、高效化?,F場(chǎng)的設備(比如閥門(mén)及傳感器)也可以采用網(wǎng)絡(luò )化傳輸的方式,減少現場(chǎng)的管線(xiàn)及施工的工程量。對于目前那些還是非標的設備,可以限定一個(gè)過(guò)渡期,只要能夠提供有關(guān)設備的相關(guān)協(xié)議,樓控中央站本身具有Modbus、BACnet、DDE、OPC等接口插件功能,通過(guò)編程接口軟件,將相關(guān)的設備,比如鍋爐及冷凍機,連接至樓宇自控系統中,隨著(zhù)Internet的普及,通過(guò)密碼管理的方式既可以在辦公室也可以在家里,或只要能上網(wǎng)的地方都可以瀏覽整個(gè)大樓設備的運行情況,管理既簡(jiǎn)單又可以節約能源。

     由于采用先進(jìn)開(kāi)放的樓宇自控系統,符合國際的最新潮流,產(chǎn)品選擇更加多樣性,在系統維護及升級方面可以有多種設備選擇余地,包括各廠(chǎng)家的DDC控制器,路由器等產(chǎn)品,有效控制運行成本,保護現有投資,發(fā)揮更大的作用。同時(shí)在認知,設計,工程施工等細節方面多做文章,采取綜合管理的方法,樓宇自動(dòng)化的作用將會(huì )充分地發(fā)揮,有利于整個(gè)大樓的管理、節能,真正造福于人類(lèi),前景將會(huì )越來(lái)越廣。