樓宇自控系統在建筑物中的應用

文｜科特貝德機電設備（北京）有限公司 李曉剛

空調、通風、照明、給排水、電梯、低壓配電設備是當前所有建筑物中必備的機電設備。這些設備的控制方式有兩種：一種是最傳統的控制方式，即只有本地控制盤控制；另外一種比較先進的控制方式是本地控制盤加上遠程BAS控制。如果建筑物本身面積不大、機電設備不多、人員精力足夠，采用傳統的控制方式似乎可以在前期投入上節約資金，但是隨著能源的儲量減少和價格上漲、突發性設備運行故障等問題的出現，使傳統的控制方式將越來越顯得力不從心。BAS的出現在一定程度上消除了上述弊端。

BAS可以對樓宇中所有的機電設備（包括空調、變配電、給排水、電梯、照明等系統設備）進行監視，并通過計算對這些設備進行最優控制。該控制系統與人工控制系統比較，具有四項顯著的優點：

（1）節省能源

采用BAS后，可以根據預先編排的時間程序對電力、照明、空調等設備的開啟和關停進化最優化的節能控制，如根據辦公時間程序和室外照度的變化來控制照明系統的開關，根據空調冷負荷量和室外溫濕度調整冷機及相關水泵設備的開關，實現最優化控制等。

（2）減少管理費用

采用了BAS后，可以減少運行維護人員的數量，使管理成本得以相應地降低（人員工資、福利等支出均可節省）。

（3）延長設備使用壽命

通過BAS管理設備，可使被控設備根據工藝要求而編寫的程序執行動作，在確保相關設備完好的情況下，可以保證被控設備不會因誤動作而損壞。此外，BAS程序內會設計多臺設備的輪詢運行，以避免發生長時間超負荷運轉等會損傷設備的現象，使設備能在最優狀態下長期穩定運行。

（4）提高管理可靠性和降低風險

采用BAS后，機電設備按照事先編制好的程序自動運行，不會出現人工管理中因人員的疏忽疲勞、判斷失誤而給業主帶來無法估量的經濟損失的問題；管理中心主機可以全面地監控整個BAS的運行情況，對于突發事件可以及時地響應，在一定程度上可以使損失降到最低。

本文將以德國科特貝德BAS在天津大悅城的應用為例，介紹BAS系統的各項功能。

1 項目簡介

天津大悅城B地塊公建總建筑面積約為229450m2，地下部分共三層，地上部分由一幢辦公樓（塔樓）和一幢五層商業建筑組成。辦公樓分為高、中、低三區，有三組電梯分別通達；首層為大堂及銀行營業廳，2～4層為商業及餐飲用，5～14層、16～25層、27～35層分別為低、中、高區辦公用，15、26層為設備、避難層，4層上方設有設備管道夾層，屋頂設有三層機房層。地上商業建筑部分主要供百貨、商鋪、主力店、旗艦店、影院及餐飲等使用。地下室建筑部分中，地下三層、地下二層及地下一夾層為汽車庫、冷凍機房、配電室、水泵房、換熱站等設備用房，地下一層為卸貨區、超市、庫房及停車場等。

C地塊中的商業部分，主體為鋼筋混凝土框架結構，屬一類高層建筑，耐火等級為一級；地下共兩層，地上四層，局部五層。地下二層為制冷機房、換熱站等設備機房及機動車庫，地下一層為變配電室、發電機房等設備機房、機動車庫、溜冰場和局部商業用房，地下一層局部夾層為自行車庫。地上首層至四層為商業用房，局部五層為設備機房。

C地塊由于設備分布較分散并且點數相對不多，因此在方案設計中采用了科特貝德公司的小點數并且可以擴展的新型控制器；B地塊點數比較多且相對集中，因此采用了科特貝德公司的大點數且兩種總線拓展可以任意互換的4000系列控制器。這兩種控制器均支持當前比較流行的BACnet/IP協議，可通過整個賣場的綜合布線系統連接到控制中心GLT主機上；B、C地塊的兩臺GLT主機也可通過以太網的連接進行資源的互訪。

2 DDC控器主要控制功能

2.1 新風機組的控制和監視

新風機組控制和監視的主要內容如下：

◆ 根據送風溫度與設定溫度控制冷、熱水閥門的開度，使室內溫度保持在設定范圍內；

◆ 根據事先排定的工作及時間表自動控制，或根據需要手動控制機組風機啟停（開機動作順序為“水閥—風閥—風機”，關機動作相反）、聯鎖保護控制，監測機組運行狀態（風機壓差狀態）、手/自動狀態、故障報警等，同時自動統計機組工作時間，提示定時維護；

◆ 在過濾器兩端設壓差開關；當空氣過濾器兩端壓差過大時報警，提醒清理；

◆ 冬季時，在風機停止運行時，令水閥保持最小開度（5%），防止凍損盤管；

◆ 設防凍開關，在冬季，當盤管溫度過低時，關停機組運行并報警，同時打開熱水閥至100%，直到盤管溫度達到設定值，以防止盤管被凍裂；

◆ 引入其他連鎖控制、優化控制、節能和設備保護措施，例如最佳開機/關機、夏季夜間預冷、開機保護等。

2.1.1 組合式空調機組監控

組合式空調機組監控的部分內容與新風機組控制和監視（第二至第六項）大致相同；除此之處，組合式空調機組監控的內容還包括以下兩點：

◆ 根據回風溫度與設定溫度控制冷、熱水閥門的開度，使室內溫度保持在設定范圍內；

◆ 在冬季，如果室外空氣溫度過低，機組啟動時令回風閥全開、新風閥全閉、熱水閥全開，采用閉式循環加熱模式，待各區域的室溫達到要求后切換為正常運行模式。

2.1.2 通風系統監控

通風系統包括送風機、排風機等。通風系統監控的內容如下：

◆ 根據事先排定的時間表自動控制送/排風機的啟停，監測風機運行狀態、手/自動狀態、故障報警等，同時自動統計機組工作時間，提示定時維護；

◆ 累計運行時間，開列保養及維修報告。

2.2 照明系統的監控

本工程照明系統涉及若干公共區域照明，監控內容如下：

◆ 根據所有公共區域的照明配電箱內所分的照明回路，對公用區域的照明進行監控，并根據時間進行回路控制；

◆ 監測照明開關狀態，并對照明回路進行開關控制；

◆ 按照物業部門的要求，根據時間過程控制照明的開關，以實現最佳管理和節能效果。

2.3 電梯系統的監控

電梯系統監控的內容如下：

◆ 對電梯的運行狀態、故障報警進行監測；

◆ 監測電梯的上行狀態以及下行狀態。

2.4 主要調節原理

（1）水閥調節

根據對送風溫度與設定溫度的比較，運用PI算法調節冷、熱水電動調節閥以及熱回收器風閥的開度，使送風溫度保持在設定范圍內。

（2）串級控制

串級控制是對大慣性空調設備進行調節的必要手段。例如，以送風溫度為主，同時增加回風溫度作為輔助變量，可以有效地減小溫度的大幅波動。

（3）設定點偏移

根據室外溫度對機組的溫度設定值再設定，從而降低能耗。

（4）冬季開機保護

冬季開機保護是冬季機組開機時防止盤管因新風被凍壞的保護措施；即機組準備開機時，如果室外溫度過低，則首先讓盤管熱水閥打開至100%并開啟熱水泵，直到盤管水溫達到設定值或循環一定時間才允許打開新風閥和送風機。

3 DDC控制器網絡結構

大悅城BAS可以分為B地塊、C地塊兩部分。B地塊部分采用了小點數控制器，該控制器本身帶有兩種通信協議，向下可以通過RS485總線連接五個I/O通信模塊，向上采用了BACnet/IP協議——由此同一個網段上的控制器都可以連接到GLT控制系統主機上，由此可實現控制設備現場就地控制和管理中心統一控制相結合的控制方式，滿足舒適、節能、高效的要求。C地塊由于點數較多且點位集中，采用了科特貝德公司的大點數控制器。該控制器向下帶有兩種可以互換的通信協議，最多可以同時支持63個小點數I/O模塊和16個大點數I/O模塊；向上采用了BACnet/IP協議，最多支持99個同一個網段上的控制器連接到GLT控制系統主機上。

圖1、圖2分別為B、C地塊的BAS結構圖。

4 BAS的特點

4.1 空調機組系統和新風系統控制

圖1 B地塊控制系統圖

圖2 C地塊控制系統圖

傳統的空調機組系統和新風系統控制模式是通過本地控制盤起停按鈕和安裝于盤管前端的手動閥門來控制送風溫度，但其控制效果卻往往由于各空調區域的使用人員對空調控制原理的不了解和節能意識淡薄的影響而達不到預期效果。引入BAS可使這種情況得到改善。

（1）在傳統模式下，由于操作人員必須到現場才能對本地的控制按鈕進行操作，如果現場設備的電機或者其他相關設備的故障報警不能及時反映到控制中心，將對設備的壽命有很大的負面影響。引入BAS后，通過由控制中心的主機直接向現場控制器發出指令、控制相應的設備啟停，根據控制中心檢測到的各類信息進行對相關設備的處理，可消除這一弊端。

（2）盤管前端水閥的控制是由操作人員根據經驗和現場的體感溫度控制水閥完全打開或處于某個固定開度來實現的，當現場的工況有了變化后不能及時響應。例如，當商場的門打開后長時間的沒有關閉造成房間溫度升高或者降低時，經過水閥的冷水或熱水在一定時間內的流量是恒定的，必將造成房間的溫度不能控制。引入BAS后，利用其溫度采集功能和PID的功能可解決此問題：對控制中心發出的設計溫度與現場房間或回風風道的溫度傳感器采集的溫度進行比較，將比較的結果送到PID輸入端，通過PID計算來及時控制電動執行器（冷、熱水閥）的開度大小。這樣既節省了能源又可以將體感溫度調節到最佳狀態。

（3）當房間的溫度比較平穩時，閥門應該相應地關小甚至關閉，只有這樣才能節省能源；在過渡季節或者室外溫度比較舒適的時候，可以將冷熱水水閥關閉，通過打開新風閥門進行空氣交換來滿足房間溫度的需要，如此將對節能有很大幫助。但是，如果風道的新、送風風閥同樣也只能完全打開或處于某個固定開度，這些功能是無法實現的。BAS可通過比較房間或回風風道的溫度傳感器采集的溫度和室外溫度傳感器采集的溫度，及時地關閉冷、熱水水閥執行器，打開風道的電動新風、送風風閥執行器以達到節省能源的目的。

（4）機組內過濾器兩端安裝的壓力表只能現場顯示，不能及時反映出過濾器的潔凈程度，如果過濾器很臟，將對房間內工作人員的健康構成很大的威脅。BAS的控制中心可以通過安裝在機組過濾器兩端的壓差傳感器的檢測信號來判斷過濾器的潔凈程度（每個傳感器的靈敏度是不同的，可以通過現場調節旋鈕進行調節），如果潔凈度低于設定值就觸發報警信號，在主機的顯示界面不停地閃爍，并且以報警提示音的方式輸出到揚聲器，提示物業人員更換新的過濾器。

4.2 排風系統控制

傳統的排風系統控制方式是本地控制盤按鈕控制，對于有地下室的建筑物，排風和補風系統是必備的。目前在很多建筑物中，這類機電設備都是24小時不停地運轉，而這類機電設備數量多，并且運行人員必須到每個設備的控制盤處才能對其操作，造成了能源的極大浪費。利用BAS預先編制好的時間程序，可以實現對這類的機電設備的階段性開啟和關閉，對節能大有裨益；如有條件，配合CO和CO2傳感器來使用，節約能源的效果將會更加明顯。

4.3 照明系統控制

照明系統是除了風機水泵類設備外耗能最多的系統之一。商場類的建筑物公共區域比較多，相應安裝的照明設備也很多，并且比較分散。在傳統的控制模式下，運行人員需要到每一個照明控制箱前去開啟和關閉設備，這會造成人力資源的緊張——加大人員投入會造成運營成本增加，反之則會造成工作延誤、電能消耗增加。同樣的利用BAS預先編制好的時間程序對照明設備進行階段性的開啟和關閉，可以獲得很好的節能效果（在條件允許的情況下，配合室外照度傳感器使用，節約能源的效果更加明顯）。

4.4 給排水系統控制

給排水系統的傳統工作方式是通過集水坑內的高低液位傳感器觸發排水水泵的啟停。由于相關設備通常位于地下室或人員不經常去的設備間區域，如果出現液位報警后相應的水泵沒有開啟，相關的巡視人員也沒有到現場，造成污水溢出損壞設備或者貨物，將給業主帶來較大的損失。利用BAS系統預先編制好的液位控制程序可以實現對這類的相關設備的開啟和關閉，通過控制中心的報警功能及時反映出現場的設備運行信息，從而最大程度地降低上述風險。