范峰海 / 韓 寧 / 岳子豐 / 尹婧瑤 (北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

引言

樓宇自動化的實(shí)質(zhì)就是把建筑內(nèi)的各種機(jī)電設(shè)備連接到一個(gè)局域控制網(wǎng)絡(luò)上，組建一個(gè)自動化的綜合控制和管理系統(tǒng)，為提高設(shè)備利用率、優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行時(shí)間提供有效的方案。樓宇自動化致力于創(chuàng)建安全、便捷、舒適、經(jīng)濟(jì)、高效的生活工作環(huán)境，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的要求。

高校是高用能單位，從能源使用的戰(zhàn)略和全局出發(fā)，推進(jìn)節(jié)能降耗，提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展是非常必要的，因此運(yùn)用樓宇自動化技術(shù)構(gòu)建節(jié)能控制管理系統(tǒng)對高校節(jié)能具有深遠(yuǎn)的意義。

1 樓宇自動化系統(tǒng)

樓宇自動化系統(tǒng)建設(shè)的主要目的在于對建筑內(nèi)各種機(jī)電設(shè)備的信息進(jìn)行歸類、分析、處理、判斷，采用最優(yōu)化的控制策略，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)與中央監(jiān)控管理級計(jì)算機(jī)之間的信息通訊，對各子系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控和管理，使各子系統(tǒng)設(shè)備在高效、節(jié)能的狀態(tài)下運(yùn)行，廣義的BAS結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 樓宇自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 北京林業(yè)大學(xué)圖書館樓宇自動控制系統(tǒng)節(jié)能改造項(xiàng)目

2.1 系統(tǒng)改造前情況

經(jīng)調(diào)研，夏季北京林業(yè)大學(xué)圖書館每天用電量在10 000kWh～12 000kWh，其中空調(diào)系統(tǒng)用電量占了約60%，而且空氣處理機(jī)使用全新風(fēng)。由于空調(diào)系統(tǒng)全部由人工手動控制，不能實(shí)時(shí)地根據(jù)室內(nèi)溫度變化來調(diào)節(jié)水閥開度和風(fēng)機(jī)的啟停以及速度，導(dǎo)致圖書館夏季閱覽室室內(nèi)溫度基本上保持在23℃～24℃，體感溫度偏低，并且室內(nèi)溫度分布不均，空氣處理品質(zhì)很低；冬季，室內(nèi)溫度維持在24℃～26℃，并且自習(xí)區(qū)CO2濃度范圍為2 100 ppm～3 000ppm，遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)1 000ppm。

圖書館在2004年使用初期曾建設(shè)有樓宇自動控制系統(tǒng)，但一直未投入運(yùn)行，目前存在控制器老化、版本過期問題。

綜上所述，圖書館當(dāng)前的室內(nèi)空氣溫度處于手動控制超調(diào)狀態(tài)(夏季過低，冬季過高)，空氣質(zhì)量較差，不符合現(xiàn)代社會的綠色節(jié)能需求，采用自動控制手段的節(jié)能潛力很大，樓宇控制設(shè)備維修與節(jié)能改造是非常必要的。

2.2 改造后的狀況

此次改造不僅修復(fù)了圖書館原有樓宇自動控制系統(tǒng)，還新增加了一些溫濕度、CO2濃度傳感器和網(wǎng)絡(luò)控制器，完善了原有系統(tǒng)的不足。現(xiàn)行系統(tǒng)的運(yùn)行提高了管理人員的工作效率，更加精確地檢測室內(nèi)空氣參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行情況，及時(shí)調(diào)整節(jié)能優(yōu)化控制策略，保證了節(jié)能與室內(nèi)空氣綠色品質(zhì)的要求。

2.3 節(jié)能改造的目的及意義

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，空調(diào)能耗占建筑總能耗的60%左右，夏季將室內(nèi)溫度下調(diào)1℃，空調(diào)能耗將增加9%；冬季將室內(nèi)溫度上調(diào)1℃，空調(diào)能耗將增加12%。提高室內(nèi)溫濕度控制精度可以有效地節(jié)能。由于人工控制精度不高，因此對空調(diào)設(shè)備進(jìn)行智能化監(jiān)控調(diào)節(jié)對建筑節(jié)能十分有效。圖書館樓控系統(tǒng)改造的意義如下：

1)節(jié)能。節(jié)能改造完成后，在滿足舒適度的基礎(chǔ)上將節(jié)能10%～30%，每天可節(jié)電600kWh～1 800kWh。

2)提供教學(xué)和實(shí)習(xí)平臺。該校自動化專業(yè)、電氣專業(yè)、物業(yè)專業(yè)有“樓宇自動控制”課程，以往是在校外實(shí)習(xí)。改造后的圖書館樓控系統(tǒng)可以作為上述專業(yè)的實(shí)習(xí)基地。

3)科研。樓宇自動控制系統(tǒng)涉及自動化、電氣、電子、計(jì)算機(jī)、物業(yè)管理等專業(yè)知識。升級后的控制系統(tǒng)將完全建立在開放架構(gòu)和集成管理平臺上(支持當(dāng)前國際主流技術(shù)LonWorks、Modbus TCP、BACnet以及OPC)，可以方便地集成到任何能源管理跟蹤分析系統(tǒng)，有利于日后對該系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化能源監(jiān)控管理或進(jìn)行二次開發(fā)工作。該項(xiàng)目實(shí)施后可提供一些開放的數(shù)據(jù)接口，為學(xué)校教師和研究生的科研提供一個(gè)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺。

4)適宜的學(xué)習(xí)環(huán)境。根據(jù)前期調(diào)研，圖書館自習(xí)區(qū)CO2濃度嚴(yán)重超標(biāo)，空氣混濁，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率低下。因此，改造后的圖書館室內(nèi)空氣質(zhì)量可以調(diào)整到國家標(biāo)準(zhǔn)(1 000ppm)之內(nèi)。

5)節(jié)能案例展示平臺。項(xiàng)目實(shí)施前圖書館內(nèi)的建筑設(shè)備為人工控制。由于空調(diào)的溫度是大滯后系統(tǒng)，手動控制必定產(chǎn)生超調(diào)，導(dǎo)致夏季偏冷和冬季偏熱，耗能嚴(yán)重。本項(xiàng)目將實(shí)踐學(xué)校建設(shè)綠色校園，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的管理目標(biāo)。

3 樓宇自動控制系統(tǒng)運(yùn)行管理

3.1 樓宇自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

改造后的圖書館樓宇控制系統(tǒng)使用奧地利Loytec公司的LINX-100作為協(xié)議轉(zhuǎn)換器和德國Sysmik公司的ICS-709 作為網(wǎng)絡(luò)控制器，把LonWorks總線的Lontalk協(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)通訊?？刂凭W(wǎng)絡(luò)采用當(dāng)前先進(jìn)的B/S(瀏覽器/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)并連接到校園LAN網(wǎng)絡(luò)中，控制信息通過Web服務(wù)器發(fā)布到Internet上，用戶可以使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器去訪問Internet上的數(shù)據(jù)、文本、圖像、動畫等信息,通過設(shè)定權(quán)限可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.2 節(jié)能控制管理系統(tǒng)

改造后的樓宇自動控制管理系統(tǒng)如圖3所示，圖形化的監(jiān)控界面包含了風(fēng)機(jī)盤管自動啟停控制與風(fēng)機(jī)盤管溫度控制、新風(fēng)機(jī)組自動啟?？刂婆c新風(fēng)機(jī)組二氧化碳濃度控制、自然采風(fēng)控制、圖書館室內(nèi)溫度趨勢圖、室內(nèi)空氣品質(zhì)檢測、DDC控制器參數(shù)優(yōu)化配置等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制、管理、監(jiān)視一體化，為學(xué)校后勤管理提供了綜合節(jié)能技術(shù)平臺。

3.3 節(jié)能優(yōu)化控制策略

1)風(fēng)機(jī)盤管溫度控制

圖2 圖書館樓控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3 節(jié)能控制管理系統(tǒng)

圖書館風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組內(nèi)部的電機(jī)是單相電容調(diào)速電機(jī)，因此可以通過調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入電壓使風(fēng)量分為高、中、低三檔，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)盤管的供冷量?？紤]到房間內(nèi)人體感的舒適性，本系統(tǒng)中將風(fēng)機(jī)盤管置于低檔運(yùn)行，只有啟?？刂啤囟瓤刂屏鞒倘鐖D4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)盤管溫控流程圖

改造前風(fēng)機(jī)盤管為全工作時(shí)間不間斷運(yùn)行，每天運(yùn)行時(shí)間段為8：00～21：30，共 計(jì)13.5h。改 造后的風(fēng)機(jī)盤管節(jié)能控制運(yùn)行試驗(yàn)如圖5和圖6所示。其中圖5是室內(nèi)溫度趨勢圖，圖6是風(fēng)機(jī)盤管運(yùn)行時(shí)間趨勢圖。

分析：由圖5和圖6可知圖書館室內(nèi)溫度維持在25℃～27℃，風(fēng)機(jī)盤管運(yùn)行時(shí)段為8：00～21：30，中間停了將近6h，較之前人工管理全時(shí)段運(yùn)行節(jié)能44.4%。

結(jié)論：風(fēng)機(jī)盤管自動控制改造前為人工手動控制全工作時(shí)間不間斷運(yùn)行；改造后風(fēng)機(jī)盤管設(shè)置在低檔自動啟停運(yùn)行，室內(nèi)溫度維持在25℃～27℃的標(biāo)準(zhǔn)值，至少節(jié)能40%。

2)新風(fēng)機(jī)組CO2濃度控制

根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)得知，本系統(tǒng)中新風(fēng)機(jī)組的降溫能力很弱，空氣制冷主要還是依靠風(fēng)機(jī)盤管，當(dāng)前設(shè)備的新風(fēng)機(jī)組可以用來改善空氣質(zhì)量。新風(fēng)機(jī)組的CO2濃度控制運(yùn)行流程圖如圖7所示，新風(fēng)機(jī)組運(yùn)行試驗(yàn)如圖8所示。

圖5 室內(nèi)溫度趨勢圖

圖6 風(fēng)機(jī)盤管運(yùn)行時(shí)間

圖7 新風(fēng)機(jī)組CO2濃度控制運(yùn)行流程圖

從圖8可知，室內(nèi)CO2濃度不超過700ppm，低于國家標(biāo)準(zhǔn)值1 000ppm(我國現(xiàn)有室內(nèi)CO2衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)≤1 000ppm)，空氣質(zhì)量良好，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。

3)新風(fēng)機(jī)組自然采風(fēng)運(yùn)行控制

新風(fēng)機(jī)組自然采風(fēng)運(yùn)行控制是在制冷機(jī)沒有運(yùn)行的情況下，借助室外新風(fēng)來實(shí)現(xiàn)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的一種方法，此種策略用在過渡季節(jié)效果較佳。新風(fēng)機(jī)組自然采風(fēng)運(yùn)行控制流程圖如圖9所示。

這種方法的好處是低碳節(jié)能，完全利用室外新風(fēng)來改善室內(nèi)的空氣品質(zhì)。

4 節(jié)能效果分析

本項(xiàng)目的局部試驗(yàn)表明，改造后的樓宇控制系統(tǒng)在滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)前提下較之前人工手動控制至少節(jié)能40%，降低了冷水機(jī)組的負(fù)荷。

本項(xiàng)目的全局試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間是2012年6月份，2012年6月份圖書館用電量為208 800kWh，同比節(jié)能57 200kWh。在此期間除了照明設(shè)備的更換外，其他用電設(shè)備并無變化，2012年6月份照明設(shè)備同比節(jié)能15 120kWh。因此，2012年6月本項(xiàng)目節(jié)能部分為42 080kWh，節(jié)能15.8%。

圖8 CO2濃度趨勢圖

圖9 新風(fēng)機(jī)組自然采風(fēng)運(yùn)行控制流程圖

從新風(fēng)機(jī)組運(yùn)行試驗(yàn)可知，CO2濃度控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，低于國家標(biāo)準(zhǔn)值，室內(nèi)空氣質(zhì)量良好。

本文樓宇自控系統(tǒng)在確保了室內(nèi)綠色空氣品質(zhì)的同時(shí)，節(jié)省了設(shè)備的運(yùn)行成本，為高校后勤智能化管理提供了有效的途徑。

5 結(jié)束語

本文樓宇自動控制系統(tǒng)中使用了LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)，提高了系統(tǒng)內(nèi)部的通信速率、實(shí)時(shí)性與精確性，降低了誤碼傳送率。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了LonWorks網(wǎng)絡(luò)與Internet互聯(lián)，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控管理設(shè)備，通過優(yōu)化節(jié)能控制策略節(jié)省了運(yùn)行與管理費(fèi)用，使先進(jìn)的綜合節(jié)能技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。本文以實(shí)際案例表明樓宇自動化為高校后勤管理節(jié)省運(yùn)行成本，全面提高設(shè)備管理水平發(fā)揮重要的作用。

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