樓宇智能化在建筑電氣中應用的現狀及優化策略

文／聶超 北京良業科技集團股份有限公司 北京 100000

引言：

21世紀是信息化的世紀，信息技術與社會生產生活各個領域的結合正在對人們的現狀產生不可忽視的影響，人們越來越依賴信息技術帶來的便利。信息技術與建筑領域的結合，利用計算機對建筑內各條線設備進行自動控制和資源劃分，能夠有效實現生活成本控制和舒適程度提升，是建筑領域信息化建設的產物，被稱為樓宇智能化。早在1984年美國就對一座金融大廈進行了改造，鋪設了數字通信線路，還對大廈的給排水、空調、防火、安保等部分都對接了計算機控制，建成了世界上第一座智能化樓宇。我國的樓宇智能化建設起步較晚，但發展速度非常快。目前，樓宇智能化已經從3A發展到5A（建筑自動化BA、通信自動化CA、辦公自動化OA、安保自動化SAS、消防自動化FAS），搭配上結構化綜合布線、布網、信息管理，樓宇的智能化程度正在飛速前進，這就是信息技術的影響力。

1、樓宇智能化在建筑電氣中應用的現狀

1.1 樓宇智能化現狀

智能樓宇是在通過網絡系統的作用下，將樓宇自動化技術，通信自動化技術，辦公自動化技術，消防自動化技術以及安防自動化技術進行全面結合，實現了系統集成化自動結構，實現了智能化管理系統，建筑物也實現了管理與自動化為一體的集成式發展模式。在智能系統的安裝中，主要包含了三部分智能系統，首先，建筑機電設施能效管控系統、其次，公共安全系統、最后，信息化應用系統。在三部分智能系統的作用下，樓宇智能化功能也逐漸呈現出現多元化。第一，自動化建筑設備可以自動檢測建筑的周圍環境，可以實現和設備自動管控功能以及設備運行調節功能；第二，建筑物內部的溫控系統以及閉路監控系統，對建筑物內部溫度、濕度等信息進行收集，并實現信息進行傳遞與信息處理；第三，樓宇智能化可以對建筑物室內空氣情況進行分析，自動判斷是否需要開啟新風，避免出現建筑物室內出現事故等；第四，樓宇智能化可以對建筑物內的相關設備發出運行指令信息，例如：消防設備等。

樓宇智能化主要有三個子系統組成，分別是樓宇自動化系統、通信自動化系統、辦公自動化系統。其中樓宇自動化系統包括常見的照明系統、空調系統、消防系統、安保系統、給排水系統、電梯及自動扶梯系統等，簡稱為BAS。樓宇自動化系統的功能包括：制定系統的管理，調度，操作，和控制策略；存取有關數據與控制的參數；管理，調度，監視與控制系統的運行；顯示系統運行的數據，圖像和曲線；打印各類報表；進行系統運行的歷史記錄及趨勢分析，統計設備的運行時間，進行設備維護，保養管理等。樓宇自動化系統是由中央計算機及各種控制子系統組成的綜合性系統，它采用傳感技術，計算機和現代通信技術對包括采暖，通風，電梯，空調監控，給排水監控，配變電與自備電源監控，火災自動報警與消防聯動，安全保衛等系統實行全自動的綜合管理。各子系統之間可以信息互聯或聯動，為大樓的擁有者，管理者和客戶提供最有效的信息服務和一個高效舒適，便利和安全的一個環境。通信自動化系統包括常見的數據通信系統、語音通信系統、圖文通信系統、電視會議系統等，簡稱為CAS。智能建筑中的通信系統主要由兩大系統組成，程控數字用戶交換機和有線電視網。前者是由電信系統方面發展而來，后者是廣電系統發展而來。今后隨著4C技術發展將有可能使職能建筑的通信自動化系統統一。通信網絡系統的設計應滿足辦公系動畫系統的要求，并能適應樓外電信部門的通信網向數字化，智能化，綜合化，寬帶化及個人化的發展趨勢。應考慮到適應公網在接入網和綜合業務數字網方面的發展，向使用者提供快捷有效安全及可靠的信息通信服務，包括語言文本，圖形，圖像及計算機數據等多種媒體的通信服務。辦公自動化系統包括常見的樓宇局域網、數據批量處理、信息管理、決策支持、電子信箱等，簡稱OAS。辦公自動化是信息革命的產物，也是社會信息化的重要技術保證。辦公自動化，以計算機為中心，采用一系列現代化的辦公設備和先進的通信技術，廣泛全面迅速的收集整理加工，存儲和使用信息，使企業內部人員方便快捷的共享信息，高效的協同工作。改變過去復雜，低效的手工辦公方式，為科學管理和決策服務。這三個子系統由集成中心控制，通過綜合布線、布網系統連接，實現整個樓宇的各部分分級控制、資源節約分配，如圖1所示。

圖1 樓宇智能化系統示意圖

1.2 建筑電氣系統

實現樓宇智能化的重要環節在于建筑電氣系統的自動化和可靠程度。目前，我國對于民用建筑電氣設備進行了供電等級的劃分，電氣設備的等級分為三類，不同的設備對應不同的用電等級，在進行樓宇智能化建設時需要根據用電等級進行布線、布網。在建筑電氣系統中，技術人員需要安裝計量儀表對每條高壓、低壓線路處進行計量，對公共用電、用戶個人用電進行單獨計量，為出租的樓層、房間單獨安裝計量表進行分表計量。這些計量儀表不僅能夠對樓宇各個部分、樓層進行分別計量，還能夠根據回電儀表計量情況了解樓宇輸配電網絡是否存在故障，搭配上監控監視設備能夠及時發現電氣系統故障（如圖2所示），并進行及時排除，保障業主、租戶的用電體驗，保證樓宇智能化運行的用電需求。

圖2 樓宇電氣線路監控原理

1.3 樓宇智能化中存在的電氣系統問題

（1）性能問題

性能問題以應急照明系統為例。在設計樓宇電氣系統時，設計人員需要參照樓宇本身的照明需求設計應急照明系統，以便于在常規照明系統出現問題時，應急照明系統能夠提供正常的照明明度，能夠支持應急消防控制設備需求，能夠支持疏散標志的照明。按照國家相關要求，應急照明系統的明度不得低于0.5LX。為了保證應急照明電源能夠快速啟動，設計人員往往將常規照明系統所使用的電纜直接應用于消防應急照明的耐火橋中，卻并未考慮到常規規格電纜能否承擔起應急照明系統啟動時的瞬時功率，會不會因為電流過載而出現短路。想要改善樓宇智能化中應急照明系統的性能問題，需要設計人員選用合適的電纜規格，或根據應急系統啟動時的瞬時功率增加相應的電纜層數，保證應急照明系統不會在需要的時候短路給人員疏散、消防搶險造成額外妨礙。

（2）節能問題

節能問題是樓宇智能化發展中，建筑電氣系統比較不盡如人意的一方面。建設樓宇智能化的目標之一就是分層、分區域控制，實現資源的再分配，實現資源的有效節約。但在實踐過程中，智能化樓宇的實際節能情況卻并未能達到預期水準，達不到真正節能的程度。目前，我國智能化樓宇在建設中缺乏對低能源效益方面的控制和協調，缺乏對電氣系統全面有效的協調，節能系統存在控制漏洞等問題，這些問題都是影響智能化樓宇節能效果的關鍵。以智能化樓宇選擇節能型變壓器、電氣設備環節為例，設計人員需要根據樓宇的總電氣負荷、變壓器負載系數等方面入手進行電氣系統設計，選擇合適的照明燈具等設施，合理利用自然采光、監測儀表，注意在不必要時避免啟動燈光，切實實現對電能的節約。

（3）安全問題

樓宇智能化發展過程中，電氣系統的建設安全問題是重中之重，如果存在安全問題，整個建筑物的用戶、設備都處于危險狀態之中，智能化水平嚴重受限。比如：接地是十分重要的安全保障措施，相當部分的三相插頭電氣設備必須接地，否則難以保證電氣設備和使用人的安全。但當建筑物的插座缺乏可靠接地時，再碰上電氣設備漏電、短路的情況，就很有可能威脅整座建筑物的安全。又比如：建筑輸配電線路、設備線路出現了老化或破損，卻并未在日常巡查監測中發現端倪并排除，就有較大的可能在潮濕環境中放電、引發火災。尤其是當建筑進行智能化改造時，大量密集的線路、電氣設備排布在一起，不能及時更換老化、破損的電路很有可能引發更大規模的電氣火災危險。

（4）消防問題

樓宇智能化過程為業主和租戶提供了更加便捷、舒適的生產生活環境，但同時也存在較小空間內大量電氣設備、線路集中存在的問題，再加上人員密集程度高，火災隱患的存在程度較高。如果智能化樓宇的電氣系統設計人員不能認識到這一點，沒有在電氣系統設計中加入更高的防火措施并實現聯動控制，就很有可能引發火災危險。消火栓安裝：①消防材料安裝前要檢查，所有消防產品都必須符合國家規范，要有生產許可證、產品合格證及消防部門出具的準銷證；②按圖紙要求配置但頭或雙頭型消火栓，消火栓應含有殼緊收的球閥，有合適孔帶陽螺紋的出水口和65mm的母螺紋快速接口，室內消火栓的出水口，離地面為1.1m，消火栓的出水口的方向將與設置的消火栓的墻面成90°。消防箱箱底要求距地0.15m。噴頭安裝：噴頭安裝先按設計噴灑管道的平面布置安裝噴灑水管的吊架，吊架間距視噴頭的間距而定。吊架與噴頭的凈距離不小于300mm，距末端噴頭不大于750mm。噴灑管道的安裝順序是先安裝供水主管，接著安裝配水支管、噴水支管及噴頭。自噴系統各層橫管在安裝允許情況下作0.003的坡度坡向放水管。

2、樓宇智能化中電氣系統優化策略

2.1 改善樓宇智能化電氣系統性能問題

在樓宇智能化建設中，電氣系統設計人員需要遵循國家標準、行業標準、樓宇負載程度進行系統設計，確保每一個技術環節都滿足質量保證體系的要求，確保圖紙符合要求、模型完整無誤，才能夠交付給施工團隊進行建設。諸如應急照明系統啟動瞬間因瞬時功率過大而出現短路的情況屬于設計環節問題，電氣設計總管理人員應當負起責任，檢查合格后的材料方可與施工團隊進行交底，盡最大可能保證智能化樓宇電氣系統的性能水平。

2.2 改善樓宇智能化電氣系統節能問題

（1）通過控制系統實現節能

之所以建設樓宇智能化，目的之一就是節約能源。因此，樓宇的智能化控制系統本身就是實現節能的最佳途徑，必須引起技術人員的重視。控制系統的節能主要體現在幾個方面：其一，諸如暖通空調等方面節能。對于智能化樓宇來講，同時安裝空調和溫度傳感器是比較有效的節能控制手段，能夠借助溫度傳感器來將業主和租戶生活區域空調溫度控制在較為舒適的范圍，不會過低也不會過高。而樓宇中需要密集通風的電氣設備機房、冷凍室等區域可以進行單獨控溫，為這些區域提供更加合適的溫度控制和通風控制。如此一來，智能化樓宇中在暖通空調方面就實現了較為有效的分區域管理、分區域控制，實現了部分節能。其二，智能化樓宇安全體系方面節能。如果說，智能化樓宇的照明、空調、給排水等方面都可以通過有需要時再運行的方式來實現節能，或者分區域控制的方式來實現節能，那么在安全體系這一必須24h運轉的系統部分中，想要實現節能就需要通過體系優化來達成。目前，信息領域中已經應用的現場總線技術、接口控制技術、智能調試技術等技術應用有助于提升安保線路的節能效果，同時提升安保系統的運行有效性。

（2）通過質量安全監控實現節能

除了通過控制系統實現節能外，保證電氣系統的運行質量安全也是實現節能的一個途徑。對于智能化樓宇這樣集中了大量線路、電氣設備的建筑來講，線路和設備能夠正常運行，沒有因為老化、破損而出現電能的額外消耗，就能夠實現一部分的節能效果。想要通過質量安全來實現節能，電氣系統可以通過人工巡查、在線監測兩種途徑來保證安全程度，快速識別出電源、線路、設備安全問題，及時排除安全問題，保證智能化樓宇的節能運行。

2.3 改善樓宇智能化電氣系統安全、消防問題

（1）通過接地實現電氣系統安全

電氣設備接地是保護電氣系統安全的必要環節，也是對用戶、運維人員的保護措施。在樓宇智能化發展中，電氣系統接地方式已經衍化出多個種類，比如三相五線制、三相四線制、混合制等。其中三相五線制多見于家庭應用，擁有三條火線、一條中性線、一條接地線，這樣就實現了重復接地，有效提高電氣設備的安全。而三相四線制多見于輸配電網入戶，對接樓宇內的公用電氣設備，擁有三條火線和一條中性線，或三條火線和一條接地線。這樣的借地方是容易在負載不均衡時產生隨機電流，對電氣設備存在一定的危險，有一定幾率出現接地未完全的情況，導致設備外殼帶電。設備外殼帶電不僅會威脅到用戶、運維人員的安全，還有可能在電氣設備、線路、精密電子設備密集的區域形成電磁干擾。因此，應用三相四線制接地方式時，技術人員需要為接入的電氣設備安裝額外的接地保護，并對精密電子設備密集區域做靜電保護設施。

（2）做好電氣系統保護措施

電氣系統保護措施包括靜電保護、防雷等多個層面的內容。首先是額外地接地保護，在三相四線制接地方式中單一的設備存在外殼帶電的可能，技術人員需要做好額外地接地保護，保證電氣設備的穩定運行。其次是靜電保護，靜電對于精密電子設備存在較大的安全危險，靜電不僅來源于設備外殼帶電等危險情況，人體本身也攜帶有大量的靜電，設備移動時也可能產生大量的靜電，因此，對精密電子設備做好防靜電接地是最好的選擇。然后是交流工作接地和直流工作接地，其中交流工作接地多應用中性點接地的方式進行，隱藏在變壓器機箱中，意在保護高壓系統的運行穩定，平衡三相電壓，避免零序電壓偏移；而直流工作接地多見于電子設備，通過橫截面較大的絕緣銅線與基準電位連接，目的是在電子設備信號放大或其他操作時能夠提供穩定的電壓。最后是防雷接地，屬于樓宇智能化電氣系統中最外圍的保護措施，通過避雷系統和接地線將大能量的雷電導入地下，保證樓宇電氣系統的安全和穩定。

結語：

樓宇智能化是建筑領域發展的必然趨勢，電氣系統自動化是實現樓宇智能化的必經之路。在進行樓宇智能化建設、改建時，電氣系統的設計和施工必須引起足夠的重視，根據實際需求應用合理的技術解決實際問題。目前，樓宇智能化建設中電氣系統還存在這樣那樣的問題，性能、節能、安全等方面尚未達到預期標準。相關領域技術人員和設計人員需要做好研究工作，積極總結經驗，推動樓宇智能化的發展。