超高層建筑樓宇自控系統(tǒng)的設(shè)計探討

付顯濤(中國通廣電子公司，北京100040)

超高層建筑樓宇自控系統(tǒng)的設(shè)計探討

付顯濤(中國通廣電子公司，北京100040)

0 概述

樓宇自控系統(tǒng)又稱為建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng) (簡稱BAS，Building Automation System)，可以系統(tǒng)地對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行自動管理、監(jiān)視、控制其運行狀況，發(fā)揮被控設(shè)備綜合優(yōu)勢和潛力，提高被控設(shè)備的利用率，節(jié)約能源，降低維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度。

建筑高度大于100m的民用建筑為超高層建筑[1]。由于超高層建筑中機(jī)電設(shè)備復(fù)雜、界面接口多、場地狹窄、垂直運輸強(qiáng)度高、安全防護(hù)難度大等特點，在進(jìn)行超高層建筑樓宇自控系統(tǒng)設(shè)計時需要具有針對性。

昆鋼科技大廈位于云南省昆明市，主體建筑為地下三層、裙房五層、塔樓五十層的超高層建筑，由酒店與辦公兩部分組成，建筑總高度為219.60m(室外地坪至屋頂停機(jī)坪)，屬于超高層建筑，大廈總建筑面積149 826m2。

1 系統(tǒng)設(shè)計流程

1.1 用戶需求分析

根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求，與業(yè)主進(jìn)行充分的需求分析，收集相關(guān)圖紙等資料，了解被監(jiān)控對象的技術(shù)指標(biāo)和工藝要求，繪制出相應(yīng)的控制原理圖，確定監(jiān)控內(nèi)容。

統(tǒng)計出準(zhǔn)確的被控設(shè)備類型、數(shù)量以及監(jiān)控內(nèi)容后，將與樓宇自控系統(tǒng)有關(guān)的機(jī)電設(shè)備和監(jiān)控內(nèi)容按照樓層、房間等位置進(jìn)行列表，這樣可以清楚地了解整個系統(tǒng)的規(guī)模以及控制細(xì)節(jié)。昆鋼科技大廈辦公區(qū)監(jiān)控點數(shù)為578點，酒店區(qū)監(jiān)控點數(shù)為2 603點，監(jiān)控點數(shù)總計3 181點。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

樓宇自控系統(tǒng)的規(guī)模可按實時數(shù)據(jù)庫的硬件點和軟件點的總點數(shù)來區(qū)分，總點數(shù)為3 000點及以上的系統(tǒng)為大型系統(tǒng)、總點數(shù)為1 000～2 999點的系統(tǒng)為中型系統(tǒng)、總點數(shù)為999點及以下的系統(tǒng)為小型系統(tǒng)[1]。

樓宇自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模、功能要求以及選用產(chǎn)品的特點進(jìn)行設(shè)計，大型系統(tǒng)宜采用由管理網(wǎng)絡(luò)層、控制網(wǎng)絡(luò)層以及現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層組成的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，中、小型系統(tǒng)可根據(jù)實際情況采用單層、兩層或三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)昆鋼科技大廈監(jiān)控點數(shù)情況，該項目樓宇自控系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) (圖1)。

圖1 三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

管理網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備一般是指中央管理工作站，采用TCP/IP通信協(xié)議，具有與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的能力，提供互聯(lián)網(wǎng)用戶通信接口技術(shù)，保證用戶可通過WEB瀏覽器查看樓宇自控系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)和進(jìn)行遠(yuǎn)程操作?？刂凭W(wǎng)絡(luò)層由通信總線和控制器組成，通信總線的通信協(xié)議可采用TCP/IP、BAC-net、Modbus等國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，民用建筑控制器大多采用直接數(shù)字控制器 (DDC)。現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層通常也稱為前端設(shè)備，由分布式智能輸入/輸出模塊、傳感器、變送器、執(zhí)行器等組成，民用建筑大多采用常規(guī)現(xiàn)場儀表一對一連線。

1.3 配置設(shè)備清單

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定后，繪制樓宇自控系統(tǒng)的管線設(shè)備安裝平面圖、樓宇自控系統(tǒng)圖、原理圖和DDC接線圖等。根據(jù)監(jiān)控點表，結(jié)合管線設(shè)備安裝圖紙和樓宇自控系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)等，進(jìn)行設(shè)備品牌選擇，根據(jù)所選產(chǎn)品即可配置樓宇自控系統(tǒng)設(shè)備清單。

1.4 編制技術(shù)方案

根據(jù)選用產(chǎn)品的特點以及工程實際情況編制技術(shù)方案，包括設(shè)計說明、設(shè)計依據(jù)、設(shè)計原則、結(jié)構(gòu)框圖、系統(tǒng)控制內(nèi)容、產(chǎn)品描述、系統(tǒng)指標(biāo)以及與產(chǎn)品選型有關(guān)的計算公式等。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

樓宇自控系統(tǒng)可對下列子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備運行和建筑節(jié)能的監(jiān)控，包括冷凍水及冷卻水系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、采暖通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、給水和排水系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、公共照明系統(tǒng)、電梯和自動扶梯系統(tǒng)[1]。事實上，只要被控設(shè)備能夠給出監(jiān)控接口，樓宇自控系統(tǒng)就可以對其進(jìn)行監(jiān)控，具體監(jiān)控內(nèi)容可參考規(guī)范中的規(guī)定。

樓宇自控系統(tǒng)的功能設(shè)計要結(jié)合不同地區(qū)、不同行業(yè)，考慮項目特點，進(jìn)行有針對性的設(shè)計。南方地區(qū)大多炎熱多雨，空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控應(yīng)多考慮除濕功能，并且不需設(shè)置防凍開關(guān)，設(shè)備應(yīng)選用防潮防濕型。北方地區(qū)大多嚴(yán)寒干燥，應(yīng)多考慮加濕功能，在冬季運行時為避免發(fā)生空調(diào)表冷器被凍裂，應(yīng)注重防凍開關(guān)的功能。

不同用途、不同功能、不同環(huán)境的建筑物需要選用不同的設(shè)備，如同樣是空調(diào)系統(tǒng)，要求的功能并不一樣，自動控制策略也不相同。如博物館、文物庫要求環(huán)境相對濕度、室內(nèi)溫度全年穩(wěn)定不變，辦公樓則根據(jù)室外焓值進(jìn)行空調(diào)的控制，滿足節(jié)能要求，但醫(yī)院外科手術(shù)間需要溫度隨著手術(shù)進(jìn)程而變化[2]。可見，建筑需求的個性化決定了樓宇自控系統(tǒng)設(shè)計的定制性，在設(shè)計時應(yīng)熟悉控制軟件和算法，這樣的樓宇自控系統(tǒng)才能達(dá)到其應(yīng)有的功能和效果。

由于昆鋼科技大廈辦公區(qū)和酒店區(qū)在管理、服務(wù)和業(yè)務(wù)流程方面有很大的差別，所以在樓宇自控系統(tǒng)的應(yīng)用和管理方面也分成兩個獨立的體系，對大廈內(nèi)所有的機(jī)電設(shè)備 (如通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、照明設(shè)備、給排水設(shè)備、電梯、供配電及鍋爐等)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

3 系統(tǒng)接口設(shè)計

樓宇自控系統(tǒng)接口界面涉及到所有被控設(shè)備。在超高層建筑中，機(jī)電設(shè)備復(fù)雜，經(jīng)常由于系統(tǒng)界面問題導(dǎo)致樓宇自控系統(tǒng)發(fā)生丟項、甩項故障。因此，需要在設(shè)計階段就提出接口界面要求，以便在被控設(shè)備制造時預(yù)留出相關(guān)接口，確保系統(tǒng)設(shè)計的功能全部實現(xiàn)。樓宇自控系統(tǒng)的接口包括軟件接口和硬件接口。

軟件接口主要指通訊接口，包括標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議Modbus和OPC等，自定義的通訊協(xié)議以及其他方式的協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議可以直接拿來使用；自定義的通訊協(xié)議應(yīng)提供詳細(xì)的通訊控制步驟、傳送控制順序、控制符號、格式等編程所必需的資料，需要進(jìn)行二次開發(fā)或定制相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)；其他方式的協(xié)議可以歸為數(shù)據(jù)庫方式，應(yīng)提供數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)類型、格式定義及說明，并說明哪些數(shù)據(jù)是實時的，數(shù)據(jù)庫接口應(yīng)支持ODBC方式。當(dāng)變配電系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)、冷水機(jī)組群控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)等以軟件接口形式納入樓宇自控系統(tǒng)時，應(yīng)提供標(biāo)準(zhǔn)接口。

硬件接口包括通訊硬件接口RS485或RS232等，以及由被控設(shè)備配電箱提供的接觸器或繼電器給出的輔助干接點接口。

4 系統(tǒng)性能設(shè)計

樓宇自控系統(tǒng)的性能體現(xiàn)在 “穩(wěn)、準(zhǔn)、快”三個方面。系統(tǒng)穩(wěn)定性是最基本的要求，穩(wěn)定的系統(tǒng)才能正常工作。準(zhǔn)確性是要求系統(tǒng)的動態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差越小越好?？焖傩允侵赶到y(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間要快，但控制過程太快時動態(tài)誤差也相應(yīng)增大，所以在設(shè)計中要首先滿足動態(tài)誤差要求，再縮短控制過渡時間。

從以上的分析中，不難看出系統(tǒng)性能的三個目標(biāo)是互相制約的。以PID控制系統(tǒng)為例，參數(shù)整定是經(jīng)常面臨的難題，要想找到合適的PID參數(shù)，需要弄清PID控制的原理。在PID控制中，積分的作用是消除殘差，當(dāng)有較大的擾動或大幅度改變設(shè)定值時，由于有較大的偏差及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項的作用下，往往會產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的波動，特別對于溫度、成分等變化緩慢的過程，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重，為此可以采用積分分離措施，當(dāng)偏差較大時取消積分作用，當(dāng)偏差較小時才使用積分作用。同時為了能夠很好地適應(yīng)電動調(diào)節(jié)閥動作速度的要求，要求微分作用維持多個控制周期，應(yīng)采用實際微分PID控制算法，同時也增強(qiáng)了抗干擾能力。

為了尋找到最佳的 PID控制參數(shù)，使系統(tǒng)“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”的目標(biāo)都達(dá)到最佳，經(jīng)過理論計算得到控制參數(shù)后，這種方法還需要工程調(diào)試經(jīng)驗進(jìn)行試湊，并經(jīng)過一段時間試運行后才能得出合適的PID參數(shù)。

5 設(shè)計要點

據(jù)有關(guān)調(diào)查顯示，樓宇自控系統(tǒng)在實際運行中的效果并不是很理想，顧客對樓宇自控系統(tǒng)運行情況評價中好評與差評大約各占50%。糾其原因，大多問題都出自設(shè)計階段，包括對被控對象的工藝要求了解不準(zhǔn)確，甚至存在錯誤認(rèn)識，沒有進(jìn)行針對性設(shè)計等。下面針對樓宇自控系統(tǒng)運行中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，對設(shè)計要點進(jìn)行描述。

5.1 電動調(diào)節(jié)閥設(shè)計要點

水管道電動調(diào)節(jié)閥是樓宇自控系統(tǒng)對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制的重要設(shè)備，直接決定空調(diào)系統(tǒng)自動控制的成敗。水管道的二通調(diào)節(jié)閥宜選擇等百分比流量特性，調(diào)節(jié)閥的口徑應(yīng)通過計算閥門流通能力來確定。電動調(diào)節(jié)水閥選型計算具有很強(qiáng)的技術(shù)性，而且電動調(diào)節(jié)閥選型的合理性與暖通專業(yè)工藝有很大的關(guān)系。電動調(diào)節(jié)閥門的實際流量特性與閥權(quán)度S關(guān)系密切，設(shè)計時S的取值應(yīng)合理選定，S越大，實際流量特性與理想流量特性越接近，電動調(diào)節(jié)閥門的控制能力就越好，S為1時，電動調(diào)節(jié)閥門具有最好的可控性，但這種情況在實際使用中不可能出現(xiàn)；S越小，電動調(diào)節(jié)閥門的控制能力就愈差，實際流量特性趨向兩位閥，當(dāng)S為0時，電動調(diào)節(jié)閥門失去調(diào)節(jié)能力。在閥門的流

式中，Q為通過閥門的流量，m3/h；ΔP為調(diào)節(jié)閥兩端的壓差，Pa。

再根據(jù)流通系數(shù)Cv值，從調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品規(guī)格中選取流通系數(shù)大于或等于計算出的流通系數(shù)的產(chǎn)品，進(jìn)而選出調(diào)節(jié)閥的規(guī)格或口徑[3]。

5.2 風(fēng)閥執(zhí)行器設(shè)計要點

風(fēng)閥執(zhí)行器的選型主要是計算風(fēng)門總扭矩，總扭矩與風(fēng)閥面積以及風(fēng)量有關(guān)。執(zhí)行器扭矩應(yīng)能可靠關(guān)閉風(fēng)閥，風(fēng)閥面積過大時，可選用多臺執(zhí)行器并聯(lián)工作。

在設(shè)計時能得到的數(shù)據(jù)是風(fēng)門形式、風(fēng)門面積以及風(fēng)量。根據(jù)風(fēng)閥面積S(m2)及風(fēng)量Q(m3/h)，可以根據(jù)公式 (2)計算出風(fēng)閥迎面風(fēng)速V(m/s)。

根據(jù)風(fēng)門形式、風(fēng)閥迎面風(fēng)速等數(shù)據(jù)，查閱典型風(fēng)門的單位面積負(fù)載扭矩系數(shù)ζ，扭距系數(shù)ζ與空氣流速、管道靜壓有關(guān) (當(dāng)迎面風(fēng)速小于5m/s或300Pa時，負(fù)載扭矩系數(shù)為6Nm/m2；當(dāng)迎面風(fēng)速為5m/s～12m/s或450Pa時，負(fù)載扭矩系數(shù)為9Nm/m2；當(dāng)迎面風(fēng)速大于12m/s或500Pa時，負(fù)載扭矩系數(shù)為12Nm/m2)。

總扭矩為風(fēng)門面積與負(fù)載扭矩系數(shù)的乘積，計算方式如公式 (3)。

計算出風(fēng)門總扭矩，再考慮余量系數(shù)1.15后，可以查閱相應(yīng)型號的執(zhí)行器。如果按計算數(shù)據(jù)沒有選到合適的型號，應(yīng)選用比計算數(shù)據(jù)大一級別的型號。

5.3 系統(tǒng)電源設(shè)計

超高層建筑中樓宇自控系統(tǒng)供電根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及建筑特點進(jìn)行設(shè)計，管理網(wǎng)絡(luò)層的中央管理工作站及打印機(jī)等設(shè)備應(yīng)按市電加配UPS模式，控制網(wǎng)絡(luò)層的通信總線、控制器及現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層的傳感器等設(shè)備采用集中供電，電源統(tǒng)一取自控制室，由于供電線路過長，避免電纜線徑過粗，在樓體中部弱電間應(yīng)加裝電源轉(zhuǎn)換箱。量特性確定之后，接下來就要確定調(diào)節(jié)閥的口徑，首先根據(jù)S值確定調(diào)節(jié)閥的壓差，然后根據(jù)公式(1)計算調(diào)節(jié)閥的流通系數(shù)Cv。

5.4 系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

超高層建筑內(nèi)耗能較多的系統(tǒng)是公共照明和空調(diào)系統(tǒng)[4]，使這些設(shè)備能夠高效運行是樓宇自控系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮的問題，采用最優(yōu)化的控制模式來滿足建筑功能要求可以帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益。

系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計優(yōu)先考慮的是室外環(huán)境的充分利用。室外環(huán)境的變化直接影響室內(nèi)環(huán)境和設(shè)備的工作負(fù)荷，樓宇自控系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮機(jī)電設(shè)備的運行模式與室外氣候的聯(lián)動模式。在超高層建筑中合理利用自然通風(fēng)和采光可以節(jié)約大量能源，當(dāng)室外光線充足時可以關(guān)閉照明，室外溫度適宜且空氣質(zhì)量良好時可關(guān)閉空調(diào)，采用開窗通風(fēng)等。

其次，超高層建筑中樓宇自控系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)保證建筑內(nèi)能源需求平衡，避免能源浪費。機(jī)電設(shè)備運行所供應(yīng)的能量與大廈內(nèi)環(huán)境所需求的能量相等是最佳狀態(tài)，若不足則不能滿足舒適環(huán)境的需求，若過量則產(chǎn)生浪費。樓宇自控系統(tǒng)的統(tǒng)計模塊功能應(yīng)實現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，對投入產(chǎn)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量考核，得出精確的數(shù)值。

第三，保證機(jī)電設(shè)備最佳運行狀態(tài)，減少設(shè)備維修費用。通過樓宇自控系統(tǒng)的軟件功能設(shè)計，可以自動累計被控機(jī)電設(shè)備的運行時間，可以自動實現(xiàn)在使用設(shè)備和備用設(shè)備之間的工作轉(zhuǎn)換。

6 結(jié)束語

超高層建筑由于其自身特點，對樓宇自控系統(tǒng)依賴性很強(qiáng)，想要使其發(fā)揮應(yīng)有的作用，需要在設(shè)計方面下足功夫，要求系統(tǒng)功能齊全、性能合理、界面接口設(shè)計易于實現(xiàn)、節(jié)能環(huán)保達(dá)標(biāo)并方便施工。由于樓宇自控系統(tǒng)在設(shè)備監(jiān)控、能量采集、節(jié)能環(huán)保等方面的積極作用，隨著智慧城市由概念炒作到悄然出現(xiàn)，樓宇自控系統(tǒng)已經(jīng)逐漸融入到智慧城市的建設(shè)中。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范 (JGJ 16-2008)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] 祝敬國.樓宇自動化工程 [M].北京:中國電力出版社，2012.

[3] 袁昌立.樓宇自控系統(tǒng)中電動二通調(diào)節(jié)水閥的選擇研究[J].制冷與空調(diào)，2007(3):29-32.

[4] 郭曉巖.超高層建筑智能化系統(tǒng)設(shè)計特點分析 [J].建筑電氣，2011(10):8-10.

Discussion on the Design of Building Automation System for Extra-high Buildings

Fu Xiantao

超高層建筑采用樓宇自控系統(tǒng)可以滿足建筑節(jié)能、環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的要求。采用理論結(jié)合實際的方法進(jìn)行論述，以超高層建筑特點及工程實例作為依托，對樓宇自控系統(tǒng)的設(shè)計流程及要點進(jìn)行探討，旨在為后續(xù)超高層建筑中樓宇自控系統(tǒng)的建設(shè)提供借鑒意義，促使樓宇自控系統(tǒng)能夠在超高層建筑中最大限度發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

樓宇自控系統(tǒng) 超高層建筑 綠色建筑 系統(tǒng)設(shè)計

The building automation system can meet the requirements of energy saving，environmental protection and sustainable development of extra-high building.Combined with the theory and reality，according to the characteristics of extra-high building and engineering examples，the process and main points of the design of building automation system are discussed.The aim is providing reference for the subsequent design of building automation system and making the building automation system play its greatest role in extra-high buildings.

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