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樓宇自控系統(tǒng)設(shè)計淺析
發(fā)布時間：2013/7/19 15:42:32 修改時間：2006/8/3 20:53:25 瀏覽次數(shù)：1868

目前許多現(xiàn)代化大樓尤其是高層大樓內(nèi)安裝了樓宇自控（ BA ）系統(tǒng)，不僅極大改善了大樓的環(huán)境效率，而且也使大樓能源消耗在量化控制之下，確保大樓能源成本降低成為可能。　　但不可否認(rèn)的是，由于各種原因（如設(shè)計的不完善等）也確實(shí)造成一些 BA 項目不太成功甚至完全失敗。在本文中，將我司在所從事的 BA 工程中所積累的經(jīng)驗、教訓(xùn)以及一些新的想法寫出來和同行交流。 1 、 LONWORKS 技術(shù)在 BA 系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用　　目前， LONWORKS 技術(shù)在 BA 業(yè)界反響較大，這控制技術(shù)對傳統(tǒng) BA 系統(tǒng)配置影響較大。 LONWORKS 技術(shù)是美國 ECHELON 公司 91 年推出局域操作網(wǎng)，具有完整的開發(fā)系統(tǒng)平臺，包含所有設(shè)計、配置和支持控制網(wǎng)的元素，是目前最為先進(jìn)的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 LONWORKS 技術(shù)由以下三個核心部分組成：（ 1 ） MC143150 或 MC143120NEURON （神經(jīng)元）芯片（ 2 ） .LONTALK 協(xié)議，執(zhí)行 ISO/OSI 參考模型和提供全部七層服務(wù) （ 3 ）網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具（ LONBUILD ）和節(jié)點(diǎn)開發(fā)工具（ NODEBUILDER ） LONWORKS 網(wǎng)絡(luò)最大的優(yōu)點(diǎn)是其完全的開放性，其主要表現(xiàn)在以下方面：（ 1 ） LONWORKS 所用的通訊協(xié)議 LONTALK 提供 ISO/OSI 參考模型所定義的全部七層服務(wù)。（ 2 ） LONWORKS 支持多種通信媒質(zhì)和任意自由拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。（ 3 ） LONWORKS 支持的通信媒質(zhì)有雙絞線、同軸線纜、光纖和無線微波等。（ 4 ） LONWORKS 組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是任意形式，可以是星型、樹枝型、網(wǎng)狀型等，實(shí)現(xiàn)真正的點(diǎn)對點(diǎn)通訊。我們可以這樣假設(shè)：當(dāng)一幢大樓面積較大，所控機(jī)電設(shè)備（如空調(diào)機(jī)組、水泵）分散分布，如果仍舊采用傳統(tǒng)的 BA 聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，那么實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場 DDC 控制器通訊連接（“手拉手”方式）的布線不僅繁雜，甚至有的受到現(xiàn)場環(huán)境影響無法布線。如果這時采用帶 LONWORKS 技術(shù) DDC ，就可隨現(xiàn)場情況任意選擇通訊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)組態(tài)靈活方便，可見 LONWORKS 技術(shù)優(yōu)勢所在。但任何事物都是辨證的、一分為二的，在工程設(shè)計中我們明顯感到：（ 1 ） LONWORKS 盡管在物理形式上可自由拓?fù)洌總€ LONWORKS 節(jié)點(diǎn)需要連接到信道（ CHANNEL ）上，這就必須進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段（ SEGMENT ），在系統(tǒng)配置上必須增加路由器（ ROUTER ），帶來不足之處主要表現(xiàn)在： - 增加了系統(tǒng)管理復(fù)雜度 - 實(shí)際上在邏輯上增加了控制系統(tǒng)分級數(shù)，系統(tǒng)分級數(shù)越多，系統(tǒng)不可靠度值就高，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性（ 2 ）各廠商生產(chǎn)的元器件（如各類型傳感器、控制器）只有而且必須插入固化有 LONTALK 協(xié)議的 NEURON 芯片并按照 LONWORKS 控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)定組成任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)真正的智能化網(wǎng)絡(luò)。綜上所述，從技術(shù)層面講， LONWORKS 技術(shù)給樓宇自控系統(tǒng)配置提供了又一選擇，但目前受到各種條件限制 LONWORKS 技術(shù)優(yōu)勢還不能完全發(fā)揮出來。我們認(rèn)為，若自控系統(tǒng)規(guī)模不是很龐大，進(jìn)行工程設(shè)計配置時最好不用 LONWORKS 技術(shù)。 2 、 BA 工程設(shè)計的關(guān)鍵一個成功 BA 工程必須具有兩個要素： ·系統(tǒng)應(yīng)用穩(wěn)定可靠，發(fā)生故障概率降到最低可能限度。 ·系統(tǒng)能提供精確的、量化的控制模式，為大樓能源控制提供可靠保證。　　任一業(yè)主為大樓安裝 BA 系統(tǒng)直接動因就是能實(shí)現(xiàn)大樓能源消耗大幅度降低以達(dá)到節(jié)省大樓營運(yùn)成本的目的。這就要求 BA 系統(tǒng)整個控制過程盡可能精確。在下文中我們想從工程設(shè)計方面探討一下如何保證 BA 精確控制。 2.1 BA 系統(tǒng)模型從理論上講，一個控制系統(tǒng)主要有以下裝置組成：（ 1 ）檢測變送裝置：將被控對象的被調(diào)參數(shù)檢測出來，并將其轉(zhuǎn)換成各類型的能量信號。（ 2 ）控制調(diào)節(jié)裝置：將檢測裝置送來的被調(diào)參數(shù)信號與設(shè)定值相比較，當(dāng)出現(xiàn)偏差時發(fā)出一定規(guī)律的控制信號到執(zhí)行調(diào)節(jié)裝置。（ 3 ）執(zhí)行調(diào)節(jié)裝置：根據(jù)控制調(diào)節(jié)裝置（控制器）發(fā)來的控制信號的大小和方向，開大或開小調(diào)節(jié)閥門而改變調(diào)節(jié)參數(shù)的數(shù)值。顯然，組成樓宇自控系統(tǒng)（ BA ）主要裝置有： - 檢測裝置：有各類型傳感器（如溫度傳感器、壓力、壓差傳感器等）。 - 直接數(shù)位控制器：簡稱 DDC ，采用計算機(jī)數(shù)字輸出信號去直接控制電動水閥閥門的開度。 - 執(zhí)行器及電動閥門 2.2 BA 系統(tǒng)精度要素從上文可以顯而易見，以下幾個條件（因素）直接影響到 BA 系統(tǒng)精確控制程度：（ 1 ）系統(tǒng)前端所測信號準(zhǔn)確尤其是象溫度這樣的模擬信號必須盡可能準(zhǔn)確。如何保證系統(tǒng)前端信號準(zhǔn)確，我們采取以下措施： ·合理配置前端傳感器數(shù)量。探測點(diǎn)數(shù)設(shè)置過少，則無法取得精確的前端信號；而前端傳感器數(shù)量（點(diǎn)數(shù)表）過多的話易造成信號之間耦合，也使系統(tǒng)成本增大。 ·正確選擇傳感器的安裝位置。舉例來說，安裝于送風(fēng)管道內(nèi)的溫度傳感器如果安裝在靠近機(jī)組送風(fēng)口處，則傳感器檢測得到溫度值可能偏低；如果安裝在離送風(fēng)口較遠(yuǎn)，則傳感器測得溫度值可能要高一些。這就必須根據(jù)風(fēng)管的實(shí)際情況合理選擇傳感器安裝位置。（ 2 ）系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)少、能提供豐富的控制積算軟件。目前各 BA 廠商提供 DDC （直接數(shù)位控制器），采用的是計算機(jī)數(shù)字輸出信號去直接控制電動水閥閥門的開度，而無須中間調(diào)節(jié)器；另外， DDC 內(nèi)含有豐富的積算控制程序，有比例（ P ）算法、比例積分（ PI ）算法、比例積分微分（ PID ）算法。由于不同的 PID 系數(shù)，被控對象生成不同的反應(yīng)特性曲線： PID 系數(shù)較高，則對象反應(yīng)特性曲線較陡，也就是反應(yīng)過渡過程較短； PID 系數(shù)較低，則對象反應(yīng)特性曲線較為平緩，也就是反應(yīng)過渡過程相對較長。　　理論上說，過渡過程較短的話，則系統(tǒng)響應(yīng)快，換句話說，也就是系統(tǒng)控制精度較高，但這并不說系統(tǒng)控制精度越高就越好：由于空調(diào)系統(tǒng)本身慣性較大，如 BA 系統(tǒng)控制精度越高，系統(tǒng)越容易引起振蕩，系統(tǒng)也就越不穩(wěn)定。　　這就要求在工程設(shè)計和調(diào)試的過程中正確進(jìn)行軟件組態(tài)，選擇恰當(dāng)?shù)牟蓸又芷诤涂刂坪瘮?shù)，保證系統(tǒng)響應(yīng)輸出最優(yōu)化，在系統(tǒng)控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定度之間找到最佳平衡點(diǎn)。（ 3 ）保證閥門的“零”開度　　各類電動水閥是 BA 系統(tǒng)主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在空調(diào)運(yùn)行控制過程中閥門開度是 BA 系統(tǒng)主要調(diào)節(jié)內(nèi)容。其中，保證閥門“零”開度是 BA 系統(tǒng)控制精度重要保證。換句話說，選擇正確流量特性和合適口徑的電動水閥是 BA 系統(tǒng)成功的重要保證。 ·電動調(diào)節(jié)水閥的流量特性是指空調(diào)水流過閥門的相對流量與閥門的相對開度之間的函數(shù)關(guān)系，目前工程上常用的主要有直線流量特性、等百分比流量特性的電動水閥。單位行程變化所引起的相對流量變化與點(diǎn)的相對流量成正比關(guān)系的是等百分比流量特性水閥。該類型水閥可調(diào)范圍相對較寬，比較適合具有自平衡能力的空調(diào)水系統(tǒng)，因此 BA 系統(tǒng)中大量應(yīng)用的是等百分比流量特性的電動水閥。 ·電動水閥的口徑?jīng)Q定了閥門的調(diào)節(jié)精度。水閥口徑選擇過大，不僅增大業(yè)主投資成本，而且使閥門基本行程單位變大導(dǎo)致閥門調(diào)節(jié)精度降低，達(dá)不到節(jié)能目的；水閥口徑選擇過小，往往會出現(xiàn)即使水閥全部打開系統(tǒng)也難以達(dá)到設(shè)定溫度值，無法實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。那么如何計算選擇電動水閥口徑？工程上我們常用的是通過計算電動閥門的流量系數(shù)（ Kv/Cv ）值來推導(dǎo)電動水閥口徑，因為流量系數(shù)和水閥口徑是成對應(yīng)關(guān)系的，換句話說，流量系數(shù) 定了，水閥口徑大小也就確定了。水閥流量系數(shù)（ Kv/Cv ）采用以下公式計算： Cv=Q/ Δ P1/2 　　其中 Q- 設(shè)備（空調(diào) / 新風(fēng)機(jī)組）的冷量 / 熱量或風(fēng)量　Δ P- 為調(diào)節(jié)閥前后壓差比理論上講，在不同的空調(diào)回路中，Δ P 值是不同的，是一個動態(tài)變化的值，取值范圍一般在 1-7 之間。但由于在流量系數(shù)的計算過程中Δ P 是開根號取值，所以對 Cv 計算影響并不是很大。因此，在工程設(shè)計中一般選Δ P 值為 4 。舉例來說，假設(shè) 1 臺空調(diào)機(jī)組技術(shù)指標(biāo)值如下：風(fēng)量： 8000 M3/H 冷量： 47.17 KW 熱量： 67.55 KW 余壓： 410 PA 功率： 2KW 如何選用調(diào)節(jié)水閥？首先，我們計算流量系數(shù) Kv/ Cv 值 Cv=Q/ Δ P1/2=67.55*0.685/2=23.14 Kv=Cv/1.17=43.92/1.17=19.8 然后計算出來的流量系數(shù) Kv/ Cv 選用與其相適應(yīng)口徑的調(diào)節(jié)水閥。 3 、業(yè)主應(yīng)該注意的幾個問題 3.1 以實(shí)是求是的眼光看待 BA 的節(jié)能　　業(yè)主為大樓投資安裝 BA 系統(tǒng)主要是看在 BA 系統(tǒng)能夠節(jié)省能源成本，降低大樓運(yùn)行支出，提高大樓經(jīng)濟(jì)效率。　　但有相當(dāng)數(shù)量的業(yè)主存在著錯誤觀點(diǎn)：以為大樓節(jié)能就是靠 BA 系統(tǒng)，有了 BA 系統(tǒng)就能省很多錢。存在這種觀點(diǎn)雖然可以理解，但顯然忽視了 BA 系統(tǒng)節(jié)能的前提條件：只要在暖通設(shè)計合理的前提下，結(jié)合合理有效的 BA 自動控制，才能真正達(dá)到節(jié)省人力、節(jié)省能源的目的。換句話說，大樓的節(jié)能是一項綜合性系統(tǒng) 工程，不是單靠 BA 系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)的。有關(guān)大樓節(jié)能與 BA 系統(tǒng)關(guān)系已有專門文獻(xiàn)作出分析，本文不做深入討論。 3.2 采購設(shè)備時應(yīng)考慮 BA 接口　　理論上講， BA 對所控設(shè)備的型號、品牌、功能沒有限制，但這并不是說 BA 對設(shè)備沒有要求：業(yè)主所購的受控電氣設(shè)備必須具備二次控制回路或者說 BA 接口，否則 BA 系統(tǒng)是無法進(jìn)行有效控制。　　我司在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)許多業(yè)主在采購設(shè)備沒有考慮 BA 要求，電氣柜內(nèi)沒有二次回路，不得不重新改制電氣控制柜，造成業(yè)主投資浪費(fèi)。　　由于不同品牌的 BA 系統(tǒng)對二次控制回路要求不盡相同，所以最好能與 BA 工程商先行溝通。 4 、小結(jié) 　　以上只是我司在 BA 工程實(shí)踐中的一些體會和經(jīng)驗，請專家和同行批評指正。 5. 參考文獻(xiàn) （ 1 ）華東建筑設(shè)計院，《智能建筑設(shè)計技術(shù)》同濟(jì)大學(xué)出版社 1996 年 10 月（ 2 ）陳一才主編，《智能建筑電氣設(shè)計手冊》中國建材工業(yè)出版社 1999 年 8 月（ 3 ）陸偉良，《智能化建筑導(dǎo)輪》中國建筑工業(yè)出版社 1996 年 6 月（ 4 ）陸偉良，《智能建筑主流技術(shù)展望》 1998 年 8 月（ 5 ）祝敬國，《空調(diào)節(jié)能與建筑智能化》 1999 年 12 月

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