绿色建筑BA控制技术

绿色建筑BA控制技术1BA系统的概念、原理及组成BA系统即楼宇自控系统（BAS—BuildingAutomationSystem），又称为建筑设备自动化系统，它是在综合运用自动控制、计算机、通信、传感器等技术的基础上，实现建筑物设备的有效控制与管理，保证建筑设施的节能、高效、可靠、安全运行，满足用户的需求。BA系统有广义与狭义之分：所谓广义BA系统是指智能建筑的BA系统，它涵盖了建筑物中所有机电设备和设施的监控内容（包括安全防范、火灾自动报警等系统）；而目前实际工程中指的BA系统大多为狭义范畴，即利用DDC（直接数字控制器）或PLC（可编程逻辑控制器）对其采暖、通风、空调、电力、照明以及电梯等进行监控管理的自动化控制系统。BA系统主要实现设备运行监控、节能控制与管理以及设备信息管理与分析三大功能。(1)设备运行监控是楼宇自控系统的首要和基本功能。BA系统采用集散控制系统，利用分散在控制现场的控制器完成设备本身的控制；通过现场总线实现设备之间的通信和互操作；中央控制站集中显示和管理各控制点的状态和参数，并对整个系统进行控制和配置。通过有效的设备运行监控，BA系统可以实现建筑设备的自动、远程控制，减少人力、加快系统响应时间和控制精度，同时方便物业人员对整个系统的把握和处理。(2)节能降耗是全球环境保护和可持续发展的首要手段。BA系统通过冷热源群控、最优启停、焓值控制、变频控制等手段可以有效节约建筑设备运行能耗20%～30%。同时，BA系统通过减少设备运行时间或降低设备运行强度实现节能，可在一定程度上降低设备的磨损与事故发生率，大大延长设备的使用寿命，减少设备维护与更新费用。(3)随着数据分析、数据挖掘等信息技术的发展，BA系统开始由单纯的自动控制功能，向自动控制、信息管理一体化发展。将BA系统采集的数据进行有效存储、分析，有利于发现建筑设备的设计缺陷或运行故障，为今后建筑设备改造及在线故障诊断提供依据。设备运行信息的综合分析有利于物业设施管理的设备故障诊断、设备运行状态优化、设备维护保养、降低设备能耗、提高服务质量等诸多工作项目。BA系统属于一种集散控制系统（DCS，DistributeContorlSystem）。所谓集散控制系统就是集中管理、分散控制，其基本结构包括分散的过程控制装置、集中的操作管理装置以及通信网络三部分。如图１所示，对于BA系统而言：◆所谓分散的过程控制装置就是各种DDC或PLC控制器。这些控制器安装在控制现场，具有较强的抗干扰能力，就地实现各种设备监控功能；◆数据通信方面，DDC和PLC之间通过通信网络进行连接，使不同控制器之间可以相互交换数据，实现互操作。目前BA系统中的主流开放性通信协议为美国Echlon公司推出的LonWorks和美国ASHRAE协会提出的BACnet两种。如采用PLC进行控制，有时也会采用一些工业通信总线标准（如Modbus等），但并非BA系统主流。集中操作和管理设备即各种服务器、工作站、Web工作站等。通过这些设备，操作管理人员可以通过友好的人机界面实现设备状态查看及控制、数据信息收集和管理、报警管理、报表生成等。除以上三大组成部分外，BA系统还有两大接口界面：一是集中操作和管理设备与工作人员之间的人机界面，目前行业中对人机界面友好性的要求越来越高；另一个是BA系统与控制对象之间的过程界面，包括各种传感器、执行器、阀门、变频器以及表具等。这是一个非常容易被忽视的部分，而事实上这一界面的好坏直接影响BA系统监控效果，且就市场份额而言两大接口界面相比基本上为各占一半。BA系统诞生至今已经有一个多世纪的历史，一百年来BA系统已从最初的单一设备控制发展到今天的集综合优化控制、在线故障诊断、全局信息管理和总体运行协调等高层次应用为一体的集散控制方式，已将信息、控制、管理、决策有机地融合在一起。但是，随着工业以太网、基于Web控制方式等新技术的涌现以及人们对节能管理、数据分析挖掘等高端需求的深化，BA系统仍然处在一个不断自我完善和发展的过程。应用IT化、通信开放化、网络扁平化、设备集成化和界面友好化将成为BA系统未来的发展方向。2BA系统与绿色节能BA系统自产生以来，就一直与节能降耗密不可分。节能降耗属于BA系统的三大功能之一。而且随着全球对于能源问题的关注，节能降耗效果在BA系统中所占的比重也越来越大。从基于就地单回路控制的闭环调节、控制参数调节范围限制、温度白适应控制等简单措施，到基于集散控制系统的冷热源群控、VAV（ValiableAirVolume，变风量系统）、焓值控制等系统控制策略，以及基于系统集成的业务流程、设备控制整体优化，系统通过对建筑设备的优化控制可为用户节约20%～30%的能源。然而BA系统对节能降耗的作用还不仅限于此。BA系统收集了大量建筑设备运行及能耗数据，通过对这些数据的分析利用，可以帮助用户发现建筑设备甚至建筑结构中存在的问题，指导用户进行维护、改造，从而提高建筑结构、建筑设备本身的能源效率、减少能源浪费。有时这部分能够节约的能源甚至大于通过优化控制实现的节能增效效果。由此可见，BA系统主要通过优化控制和指导设备改造两方面贡献于绿色节能。3通过BA系统基本功能减少能源浪费谈起BA系统绿色节能，人们往往首先想到各种先进、复杂的控制算法、数据分析/数据挖掘等高技术含量策略。而事实上，BA系统节能降耗的第一步应该是通过其基本功能减少建筑设备系统中的能源浪费，这些简单的方法、功能可以具有较高的投资回报率。3.1变频节能技术暖通空调设计中，设计容量往往根据建筑物相关区域的尖峰负荷进行计算，同时增加一定的裕量范围。然而由于尖峰负荷难以确定，因此往往采用估算的方法，并增大裕量范围以保证设计容量可以满足实际尖峰负荷需求。在很多工程中，由于这种粗略的估算往往会使得设计容量远远大于实际尖峰负荷需求。“大马拉小车”的现象在工程中广泛存在。即使设计容量计算正确，但建筑物每年达到尖峰负荷的时间也非常有限，因此建筑设备绝大多数时间仍处于部分负荷运行状态。在部分负荷运行状态下，与传统的通过风阀或水阀改变管路特性曲线不同，风机/水泵变频技术通过改变泵的特性曲线实现流量调节，同时节约能源。如图2所示，当采用传统以风阀、水阀增加管路阻力的方式对流量进行调节，风机/水泵在输出流量下降的同时，输出压头上升，导致节能效果并不明显；而通过变频调速进行流量调节时，由流体力学可知典型的风机/水泵其输出流量与转速成正比，输出压头与转速成平方比，轴功率等于输出流量与输出压头的乘积，故与风机/水泵的转速成立方比关系。表1为通过某典型水泵在不同频率下的理论参数数据，而同样对于限流至80%额定流量，如采用传统的水阀节流方式，经测试其节电率仅为3%左右。表1某典型水泵在不同频率下的理论参数表频率f(Hz)转速N%流量0%扬程H%轴功率P%节电率50100%100%100%100%0.00%4590%90%81%72.9%27.10%4080%80%64%51.2%48.80%3570%70%49%34.3%65.70%3060%60%36%21.6%78.40%2550%50%25%12.5%87.50%此外，除能源节省这一显性效益外，变频调速还可带来如下隐性效益:◆实现了电机的软启软停，消除电机启动电流对电网的冲击，减少了启动电流的线路损耗（部分在启动时的启动电流将达到额定电流的7倍之多）；◆消除了电机因启停所产生的惯动量对设备的机械冲击，大大降低了机械磨损，减少设备的维修，延长了设备的使用寿命；◆空调水泵的软启、软停克服了原来停机时的水槌现象。当然，凡事有利有弊，变频调速在带来众多效益的同时，也会产生周围电磁干扰、电网高磁谐波污染等问题，因此在产品选型时一定要注意相关EMC滤波及高次谐波滤波设备的选择；同时在选择频率控制时尽可能选择网络通信方式，以避免由电磁干扰产生的模拟通信干扰，导致电机运行频率波动；最后变频调速的频率控制依据也至关重要，众多工程中存在变频调速依据或传感器采样点选择不当导致的节能效果不尽如人意或送风/供水不足等情况。3.2时间表控制及占用状态检测建筑设备的大量能源在无人、非占用状态下被无谓浪费。无人会议室照明、空调、投影的开启；公共区域非工作时间照明长亮；大开间办公室在少数人加班甚至无人时照明、空调全部开启。这些能源浪费现象在公共建筑中比比皆是。通过时间表控制及占用状态检测可以有效地减少以下能源浪费现象:（1）对于使用时间固定的场所（如办公楼公共区域照明、大型会议室等），可采用时间表控制程序对建筑设备进行控制，保证非工作或预约时间设备自动关闭；（2）对于使用时间与占用状态相关，且专用状态随机性较大的场所（如酒店走道、个人办公室等），可采用占用状态对建筑设备进行启停或负荷调节控制，保证非占用状态时设备自动关闭或进入低功耗运行模式；（3）对于部分时间使用状态固定，而其他时间随机性较大的场所（如大开间办公区域等），可采用时间表结合占用状态的方法进行控制。在使用状态固定时段（如大开间办公区域的工作时间），设备常开；其他时段设备根据占用状态进行控制。在此模式下，占用状态通常可通过两种方式进行检测。一是通过红外双鉴传感器或其他传感设备对人体移动进行检测，当长期检测不到人体移动，则视区域处于无人状态，关闭或降低建筑设备功耗。另一种是通过温控面板上的“旁通按钮”实现有人状态切换。即在非固定使用时间，系统首先默认区域为无人状态；当由于加班等原因需要切换至占用状态时，需人为按下温控面板上的“旁通按钮”，此时系统进入有人运行状态。但通过“旁通按钮”强制的有人运行状态只能持续一定时间（此时间可调），当超过强制时间后，系统将自动恢复到无人运行模式，如需再次强制需重按“旁通按钮”。第一种方式的优势在于无需人为介入，可自动切换有人/无人运行模式，但容易在人员长期静止不动时误关建筑设备。第二种方式的优势在于不会产生建筑设备误关现象，但需要人员定期介入进行状态强制。对于部分未纳入BA系统，以就地为主的区域，为防止能源浪费情况，可采用非工作时间、非占用状态设备运行报警的方式要求物业人员介入检查。即当非工作时间，BA系统检测到相关区域处于非占用状态，然而设备处于运行状态时（可通过电流开关或相关能源计量设备判断设备运行状态），向物业人员发出提示，要求物业人员至现场检查相应区域状态。3.3末端设备的合理选择及现场安装末端设备是BA系统中最易被忽视的部分，然而由于末端设备选型、安装错误造成的能源浪费比比皆是。以下仅列出部分选型及安装过程中应注意的问题。鉴于末端设备种类众多、应用复杂，在此无法列全所有情况。◆风机盘管水阀驱动器选型。对于一些依靠插卡取电（包括风机盘管电源）的酒店系统，应选用弹簧复位水阀驱动器，以免拔卡后，水阀仍然保持在开启状态，浪费水系统能源。◆水阀及驱动器选型应确保其关断压力能够关断水流，以免由此造成的能源浪费及温度失控。◆在温度传感元件位于温控器内时，应注意将温控器安装于空调设备控制区域内（避免集中安装），并避免其他热源、阳光直射及气流死角。◆安装风、水管温度传感器时，应注意敏感元件插入风、水管直径的1/3至1/2；尽可能选择风、水流平稳区域，避免死角；保证敏感元件与被测介质充分接触；保证风、水管道的保温效果。◆安装压力、压差传感器时，应区分风管、水管和室内/外；宜安装在温、湿度传感器上游侧；宜选择气流、水流平稳区域，避免死角；风管安装宜在风管保温层完成后进行，水管宜于工艺管道预制和安装同时进行；安装压差开关时，宜将薄膜处于垂直平面位置；开孔不易太大，保证工艺及美观要求；便于维护调试。◆安装水流量开关、传感器时，宜选择水流平稳区域，避免死角；流量计宜安装在调节阀上游。流量计上游至少10倍管径，下游5倍；宜与工艺管道预制和安装同时进行；尽可能安装在水平管段；对于涡轮流量计流体的流动方向必须与传感器壳体上所示的流向标志一致；避免安装在有较强交直流磁场、热磁场或剧烈振动的场所；流量计、被测介质及工艺管道三者之间应该连成等电位，并合理接地；开孔不宜太大，保证工艺及美观要求；便于维护调试。末端设备是BA系统进行有效监测