智能建筑弱電集成的探討
發布時間：2017-08-22 來源：隨著時代的發展，國內高層建筑越來越多，而信息技術的發展，使大樓內的智能化程度不斷普及發展。幾乎所有的高層建筑，比如政府辦公樓、酒店、綜合性寫字樓，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現智能化的管理，創造一個舒適、環保、節能的工作生活環境。樓宇自控系統對樓宇內的空調通風系統、變配電系統、給排水、冷熱源系統、照明系統等大量設備進行有條不紊的管理及維護保養。
建筑設備監控系統通過對大廈內的各種機電設施進行全面的計算機監控管理，利用分散控制和集中管理技術，為建筑物用戶提供良好的工作環境，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、延長設備使用壽命、提高勞動生產率并降低勞動力管理成本。
目前的樓宇自控系統盡管發展到一定程度，無論是硬件上還是軟件比較先進可靠，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，智能建筑的樓宇自動化系統的初投資大幅度下降，從BA控制檢測點2000元/點，下降到不到1000元/點，還處于不斷的下降趨勢中，而房產的價格卻不斷上漲，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化系統的初投資占整個大樓投資比重越來越少，而且現代高樓的平均壽命為百年以上，盡管樓宇自動化設備將會不斷落后，但整個布線框架是存在的，升級改造將非常方便。
智能建筑的樓宇自動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，節能不僅僅是錢和環境的問題，而是國家能否持續穩定發展的前提。目前的智能建筑樓宇自動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有用，還不如幾個人手動開開就可以了。這就走入了一個誤區，實際上依靠人的手動控制，根本無法實現建筑設備的節能、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，委托專業公司打理，提高設備的運行壽命，最大限度的發揮系統的作用。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，說到節能的設計，電氣設計人員通常會想到選擇合適的變壓器、變頻器、軟啟動器、給燈具配節能鎮流器，盤管系統采用三速風機加電動閥，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關，人在時將電源接通，人離開時把電源切斷，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業的配合，樓宇自動化的節能不僅是某一個專業的事情，它需要智能化、建筑結構、暖通通風、電力、給排水等專業共同參與合作，提出有節能潛力的方法。照明系統作為大樓一個獨立的子系統，包括公共區域的公共照明(比如停車場、大堂、走廊、餐廳照明、室內照明(辦公室、會議室等)，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樓宇的20%左右，照明系統有這樣特點：
第一，在電力輸送過程中，要以較高的電壓輸送確保終端設備的工作電壓，隨著設備運行的負荷下降，輸出電壓將會上升，因此通過樓宇自控系統進行動態調壓控制方式，達到節電目的。
第二，對照明功能的需求，每天的時間段是不同的，特別是可以結合室外照度傳感器結合起來，對公共區域進行分組，分片控制方式或直接全部關閉方式，比如地下車庫燈光的控制。
第三，隨著新照明源的發展，新型節能照明燈具不斷涌現，代替傳統發熱的熒光燈、節能燈、白熾燈、金鹵燈等多種燈具的開關控制，采用數字技術及計算機技術充分結合起來的智能控制采用軟啟動的方式，能控制電網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。智能照明系統通常能使燈具壽命延長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值回報，使整個系統工作在使人們最舒適的狀態，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子系統，它分為空氣處理末端設備如新風機組、空調機組、VAV變風量，另一部分為冷源系統，它的電耗一般占整個大樓的70%左右，如何運行及管理空調的相關設備比較重要，采用先進的樓宇自控系統，在滿足房間的舒適度的情況下，既可以節約電能，延長設備壽命，又可以減少設備管理人數，現逐一進行分析闡述;
(1)新風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，保證房間的空氣質量，新風系統的自控設計一般確定一個送風溫度點，如果有濕度要求高的話需要增加一個濕度點，空調管道如采取二管制的話，冬天通熱水夏天通冷水，選用一個電動調節閥。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，并各安裝一個電動調節閥，為了防止冬天的冷凝器凍裂，安裝防凍開關和新風電動閥，碰上室外溫度低，空調沒有使用直接關閉新風門或將熱水循環泵啟動，熱水在小流量下運行。
在空調運行時，控制的目標參數為送風溫度和送風濕度，與設定值比較，得到的偏差值經DDC運算輸出信號，控制冷(熱水)電動二通閥的開度。對于新風機組的溫度設定值樓控系統可以結合室外溫度的大小，自動進行調整，冬天為30~32℃，夏天為18~20℃。
(2)對于公共區域(大堂、餐廳)的溫濕度環境改善是主要通過空調機組的空氣處理方式來實現的，它的工藝流程圖比新風機復雜，增加回風管道。 一般自控配置的設備為冷熱水閥、加濕閥、新回風閥、送風溫度、回風溫度，有些還要安裝公共區域內的溫度傳感器，送風量通過變頻能夠進行調節，對于目標控制參數的確定一般以回風溫度為準，但也不一定合適，比如回風口離門口較近，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，全面進行考慮。對于控制策略它比新風機送風溫度控制來得復雜，它本身的特點是純滯后的，反應慢，如果采取常規的PID控制必將造成控制的閥門頻繁開關，溫度隨之將大幅波動。因此采取非常規的控制策略，比如死區方式，當目標參數進入與設定值認可的偏差范圍DT1(一般為0.5度)時，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，控制作用強一些，當目標參數與設定值小時，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)以內時，但處于下降過程中，水閥將慢慢開大，當溫度與設定值處于負偏差DT2以內時，但處于上升降過程中，水閥將慢慢關小。總之，對于目標參數的控制，充分考慮溫度測量值、設定值、單位時間內的溫度偏差值，“多看少動”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，同時充分利用新回風閥的連鎖功能，在過渡季全開新風閥，在盛夏或嚴冬將新風閥可以關到最小，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，過濾網堵塞和風機故障會發出聲光報警，提醒管理人員清冼和維護，統計設備的運行時間，定期進行設備的保養，在使用過程中，充分利用樓控系統的功能以及新風機組空調機組的特點，根據時間程序進行節能啟/停運行，具體體現在：
間歇運行：使設備合理間歇啟停，但不影響環境舒適程度和工藝要求。 最佳啟動：根據人員使用情況或生產工藝情況，預先開啟空調設備，夏天采取大風量低溫度;冬天采取大風量高溫度;房間溫度穩定以后，在低風量下運行。
最佳關機：根據人員下班情況或生產工藝情況，提前停止空調設備。 (3)變風量系統(VAV)是一種新型的空調方式，在智能樓宇的空調中被越來越多地應用。當室內環境溫度發生變化時，改變送風的溫度和改變送風量大小兩種控制方式都可以達到相同結果。采用變風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才使用最大風量，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量可調風閥末端裝置組成。監控內容包括控制風機的啟停，并監視風機的運行狀態，根據室內溫度的大小，自動調節新回風門的大小和水閥的開度來實現對溫度的控制，使室溫保持穩定。帶有VAV裝置的空調系統各環節需要協調控制，其內容主要體現在以下幾個方面：
① 由于各房間的負荷是不一樣，那么送入各房間風量是變化的，空調機組的風量將隨之變化，因此應采用調節變頻的大小對送風機進行控制。
② 送風機速度調節時，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，需要檢測各房間風量，溫度及風閥位置等信號，并經過綜合的分析處理后才能給出送風溫度設定值。
④ 在進行送風量調節的同時，還應調節新、回風閥，以使各房間有充分的新風量，保證房間的空氣品質。
(4)冷源系統是暖通系統的核心部分，如何協調管理至關重要，對能耗影響相當巨大，一般體現為量調和質調兩種調節方式，量調就是根據負荷的變化，調節冷凍水泵的開啟臺數，或通過水泵的變頻進行水量調節，然后根據冷源系統總負荷量(供回水溫差與總流量的相乘)進行冷水機組臺數控制。質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，實現機組最優啟停時間控制，使設備交替運行，優化設備的運行時間。
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個冷卻塔及膨脹水箱，采用樓宇自控系統通過安裝在冷凍機房內的直接數字控制器DDC來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、冷卻塔風機、冷卻塔進水閥及相關的設備實現聯動控制，同時監視其運行狀態及故障狀態。檢測冷凍水供回水溫度、供回水壓力和流量，冷卻水進回水溫度、壓力，計算空調系統的冷負荷。
實現聯動控制： 冷凍水閥門開→冷凍水循環水泵開(延時1分鐘)→冷卻水閥門開→冷卻水循環水泵開→冷卻塔風扇開→冷水主機開。 聯動停止順序： 冷水主機關→(延時5分鐘)冷卻塔風扇關→冷卻水循環水泵關(延時20分鐘)→冷卻水閥門關→冷凍水循環水泵關→冷凍水閥門關。
除了上述的嚴格連鎖外，在運行過程中，為了保護冷凍機，一旦冷凍水泵發生意外，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，更主要對冷凍機實現優化控制，中央站采集現場DDC的數據進行統籌計算，不斷分析確定每一時間段大樓負荷實際情況，確定冷機運行臺數，通過通信模式對現場DDC發命令，目前著重解決下列問題。
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設定系統運行的冷水機組初始運行臺數，系統自動記錄所有操作當日的氣候條件以及逐時的冷量負荷，并開始執行負荷預測和優化控制軟件，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驗數據進行分析，取得一定規律，并逐漸實現對冷水機組系統運行控制進行優化。從而確定冷水機組運行的初始臺數。
② 如何實現冷水機組運行臺數的增減控制 第一，增開冷水機組控制方法 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，此時機組根據自身負荷能進行調節，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(可根據實際情況調整)，則說明單臺機組的滿載運行和水泵的滿載運行已不足以滿足系統負荷值，且冷凍水出水溫度不會穩定在出水溫度設定值上，這樣第二臺機組的電動閥門馬上開啟，經過一定的閥門開啟時間之后，第二臺機組迅速開啟。
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℃(可根據實際情況調整)時，同時冷水機組的電流百分比FLA≥95%時，第二臺機組(運行時間最短的)自動開啟。 第二，自動減機策略 假設兩臺機組正在運行，當系統負荷變小時，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僅有甚至小于一臺機組的負荷總量時(設兩臺機組的FLA < 50%，可根據實際情況調整)，冷水機組群控系統適當延時后關掉其中一臺機組，以使得另一臺機組在高負荷效率狀況下運行同時滿足負荷的要求。根據冷水機組的綜合效率曲線，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 智能樓宇設備自動化系統的最新發展趨勢 最初，人們在大樓里引進自動控制的目的，在于解決一些具體的實際問題：溫度的控制、設備的啟動。隨著大樓的智能設備不斷增多，自動控制系統局限性不斷顯現出來了：第一，傳統的樓宇系統還是一個相對封閉的系統，表現在通信協議上，各廠家還是各自為政，互不兼容，系統設備之間的連接不能做到無縫連接。因此，對于一個封閉的系統來說，要將大樓內的所有設備集成在一個系統平臺上將會有很多的工作要做，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、升級只能由廠家壟斷，業主無能為力，只能被動接受，因此，初投資將得不到保護;第三，當今世界計算機的發展日新月異，產品的更新周期越來越短，樓宇自控的新產品也必將層出不窮。對于一個封閉系統來說，產品的更新必將受到廠家的抵制和壟斷，阻止技術的發展，實際上以低成本跟蹤先進技術的發展是不可能的。
因此，采用開放的、標準的通信協議是樓宇自控系統的發展趨勢，需要所有廠家共同執行，才能徹底改變現狀。真正意義上的開放系統，必須采用標準的通信協議，而且該協議必須是主流的，要被各廠家接受認可。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技術協議，一般采用雙絞線連接，通信速率為76.8K，采用手拉手總線方式通信距離可達2500m，若采用自由拓撲結構也可以達到500m，LonTalk是唯一的點對點通信，它的使用為完全實現開放性和互操作性提供了解決途徑，使整個大樓的自控系統更現代化、高效化。現場的設備(比如閥門及傳感器)也可以采用網絡化傳輸的方式，減少現場的管線及施工的工程量。對于目前那些還是非標的設備，可以限定一個過渡期，只要能夠提供有關設備的相關協議，樓控中央站本身具有Modbus、BACnet、DDE、OPC等接口插件功能，通過編程接口軟件，將相關的設備，比如鍋爐及冷凍機，連接至樓宇自控系統中，隨著Internet的普及，通過密碼管理的方式既可以在辦公室也可以在家里，或只要能上網的地方都可以瀏覽整個大樓設備的運行情況，管理既簡單又可以節約能源。
由于采用先進開放的樓宇自控系統，符合國際的最新潮流，產品選擇更加多樣性，在系統維護及升級方面可以有多種設備選擇余地，包括各廠家的DDC控制器，路由器等產品，有效控制運行成本，保護現有投資，發揮更大的作用。同時在認知，設計，工程施工等細節方面多做文章，采取綜合管理的方法，樓宇自動化的作用將會充分地發揮，有利于整個大樓的管理、節能，真正造福于人類，前景將會越來越廣。