浅谈暖通空调系统的BA控制


发布时间:2012-6-8 13:42:44   文章来源:jiaxingweb   浏览:[  ]

 

  一、 引言 

    21世纪信息化的时代已经到来,以网络通讯和计算机技术为背景的建筑智能化正是顺应这一时代潮流的必然趋势。作为智能建筑3A系统之一的楼宇自动化系统(BAS)对大楼的水电暖通等机电设备进行集中的监控和管理已日益成为现代建筑中必不可少的配置。根据初步的统计,我院目前正在设计的公建项目中采纳楼宇自动化系统的已超过半数。与前几年对比,这种增长的势头是非常强劲的。 
实施BAS所能带来的节能效益和管理效益是广为人知的,并且在实施中业主往往对这一系统抱以很高的期望。然而,从许多已竣工的项目来看,并没有到预期的效果,其中突出表现在以下二个方面[1]:
a) 开通率底,距业内人士估计,不超过20%。 
b) 目前已开通的BAS系统,多数只实现了建筑设备的自动启停和监测,其节能也主要表现在一些设备的定时启闭,而作为建筑耗能的重点空调系统,如何优化运行,如何根据实际系统尽可能进行节能经济运行则远未能实现。 
    中央空调系统,管路复杂,运行工况多变,是建筑物能耗大户。为此实施BA系统一般将空调系统作为监控的重点,往往投入60%以上的监控点和超过水电监控投资总和的投入。部分中小型项目考虑到投资能力,将BA系统仅仅局限于暖通空调系统的做法也是不鲜见的。事实上,由于中央空调系统的复杂性,对暖通空调监控系统整体功能实现的好坏已成为制约BAS成败的瓶颈因素之一。要做好BA系统,仅靠弱电工程师的力量是不够的,暖通工程师积极参与到系统方案的制订过程中是十分必要的。
二、暖通空调BAS控制方案的优化 
1. 直接数字控制器(DDC)的选用
    主流BA系统供货商都能提供大中小不同处理能力的DDC,冷冻机房、热力站监控点是密集场合应优先采用大型控制器,以减少故障率和控制器间的通讯。这种控制器的典型特征是有强大的处理器(如:摩托罗拉的68302)和1MB以上的RAM,尤其是能够和I/O扩展模块连接达到输入输出功能的扩展,例如SIEMENS MBC可以挂接40个I/O模块,Trend IQ251控制器允许有8*16点的接口扩展能力。对空气处理机、新风机、通风机一般采用中型或小型的控制器即可。近年来,可编程逻辑控制器件(PLC)进步很快,其应用不再局限于工业场合,在空调通风的现场设备控制工程中不应将其排斥在外。
2. 控制器的布置 
    控制器一般应靠近受控设备,宜与相应配电箱并列布置以利于布线。同一个机房内的空调通风设备可以合用一个控制器,但应考虑控制器的运算能力和控制点是否足够。有的系统集成商将不同楼层的若干个新风机合用一个控制器,这种做法虽然节约了一定的成本,但对日后的管理和调试是不利的,不值得推荐。控制器的电源宜集中供应,有条件可以从UPS总电源引出;从受控设备现场引用电源的做法不值得推荐。
3. 关于BACnet和LonWorks的支持 
    BACnet和LonWorks的提出是为了在不同层面解决控制系统的互联互操作问题。LonWorks采用现场总线控制技术(FCS),突破了以往的集散型控制技术(DCS)。它的提出是BA技术的一次飞跃,是今后BAS发展的技术趋势。但目前受到各种条件限制LonWorks技术优势还不能完全发挥出来,工程实现并不完善。若自控系统规模不是很庞大,最好不用全面采用LonWorks技术[2]。如果仔细分析目前主流的BA产品,会发现其实它们在不同程度上部分采用或部分支持现场总线技术,这种取长补短的混合模式在当前是切合工程实际的,可以实现技术的平稳过渡。
    BACnet协议由美国ASHRAE制定并颁布,是现行美国国家标准及欧共体预备标准。运用BACnet协议,可以使空调冷热源主机自带的控制器直接进入BAS控制网络。但实施中应注意空调主机和BA供货商对BACnet的支持程度和技术协调,目前非标准的数据通讯格式仍大量存在于主机设备中。总之,在设计BA系统的过程中切不可一味追求技术的先进性。 
4. 控制网络 
    在满足扩展性和灵活性的前提下,控制网络的拓扑结构应尽可能简化、清晰,无论基于RS485总线或基于LonTalk总线的控制网络都是如此。分支、分级多的网络管理复杂、可靠性低。LonTalk总线在理论上可以组成任意拓扑结构的网络,这种布线设计的随意性如果运用不当,在工程实践中仍然是有技术风险的,并可能增加系统的投资。小型工程尽可能运用基于RS485总线的控制网络,采用“手拉手”的布线方式,大型工程可以考虑楼层网络分级。
5. 控制权 
    通常BA遵从的是中央控制站集中管理的原则。有时也有其不便的一面。在某些场合(如会议室)将空调、通风系统的参数的设定功能放置在现场可能更符合使用者的需要。DDC本身并不提供这样的功能,需要专门部件来实现。例如:Honeywell T7780A数字显示墙挂式Lon分站,可以在液晶面板上显示房间的温度,通过4个按钮完成设定房间温度,风机速度、启动/停止风机等功能,并能通过LonTalk总线驱动空调箱的DDC控制器执行相应的动作。这类功能接近VRV控制面板的设定器给房间的使用者带来极大的便利和舒适性,必要时应积极采用。
6. 控制策略 
    PID控制:空气处理机的DDC通常采用PID控制,选择合适的PID参数对空调系统的稳定运行是非常关键的。PID系数高,空调对室内温度波动的反应特性曲线陡,达到设定温度的过渡过程较短;相反PID系数低,达到设定温度的过渡过程较长。但并不是PID系数越高越好,否则易引起DDC控制系统失稳,表现为室内温度的振荡和水侧的电动调节阀周期性的来回运动无法在固定开度上运行。
    PID能解决大部分场合的空调控制,但对于影剧院等大热惯性空调场合,靠高的PID系数来提高空调机组对负荷变化的响应速度是不足以解决问题的。这时可以采用图1所示的双级控制。即分别在空调的送风道和室内安装温度传感器,室内的温度设定由主DDC控制器完成,水阀的驱动由副DDC根据风道温度传感器和主DDC的指令完成,由于风道温度变化速度快于房间温度的变化,这一控制方式加速了系统对温度波动的响应。必须注意的是,为防止水阀被人为关死或水系统供水不足等异常情况对控制系统的影响,副DDC通常只需采用比例控制算法(P),不可加入积分分量(I)。在实际的工程设计中并非一定需要二个完全独立的DDC来完成双级控制,如果DDC内置二个控制回路则完全可以用一个控制器胜任,例如:SIEMENS UC-2控制器。 图1. 空气处理机的双级控制方式(略)
    BA系统对空调的节能控制有多种手段可以采用,例如室内外焓值比较法、二氧化碳等污染物浓度检测法确定新风量,基于日程表的定时操作等等。工程设计中可以视需要灵活运用,以达到最优的效果。例如,办公、商场等场合,夏秋季在清晨时通过程序启动空气处理机(或新风机),利用室外凉爽空气对室内全面换气预冷,既节约新风能耗又提高了室内空气品质。 
7. 空气品质传感器 
    一氧化碳和二氧化碳含量传感器,应谨慎采用。一氧化碳传感器应用于地下车库的排风系统,用于驱动通风机动作。由于一氧化碳传感器长期处于污染环境中,其敏感元件受汽车尾气的毒害,有效寿命通常2年左右。当灵敏度下降到一定程度后即不能正确指示污染物浓度,因此在停车库的通风系统中如采用一氧化碳传感器,仍需以日程表启停控制方式作为必要的补充手段,在确定BAS方案时应避免系统对这类传感器的过度依赖。 
在室内采用二氧化碳传感器也有类似的问题。ASHARE研究表明,随着人均占有建筑面积的增大,在类似办公室这样的场合人工合成材料正在取代二氧化碳成为首要污染物。在允许吸烟的场所,烟气应是首要污染物。除非证明采用后确能产生很好的节能效益(如人员密度波动很大的商场、展厅),一般不应大量采用二氧化碳传感器作为调节新风量的主要依据,否则在传感器性能劣化后,对空调系统的影响将是长期的,且很难发现问题症结所在。
8. BAS监控中心
    BAS监控中心负责监控整个空调、通风、动力系统,一般与消防控制、安保监控等合用一室。由于该机房通常远离冷冻机房、锅炉房,在这里远程操作这些关键设备是不合适的。推荐的做法是在冻机房和锅炉房现场控制室另设置一台监控分站,由该分站负责冷冻机、锅炉监控功能,并且该分站功能受权局限为冷热源设备。
三. 小结 
    本文通过对暖通空调系统BA控制的传感器、执行器、控制器、网络等若干环节的探讨,力图使BA系统更好地服务于受控的空调通风系统,使二个系统在技术上紧密结合成为一个智能化的密不可分的机电系统。本文只是作者在工程实践中获得的一些浅见,希望起到抛砖引玉的作用。总结上文有以下结论:
1) 按受控设备的要求选用不同处理能力的DDC控制器; 
2) 空间距离较远的设备不宜合用同一DDC控制器;
3) LonWorks技术具有前瞻性,应关注,但目前尚不完善,不宜刻意采用;
4) 订购设备时关注冷水机组、锅炉对BACnet或Lon的支持;
5) 集散型控制技术向现场总线控制技术转型是技术趋势,集散控制仍是目前主流技术;
6) 实现BAS,应给空调通风系统的现场的用户留下必要的操控权利,不可过度集中; 
7) 根据空调场合灵活运用控制程序和控制策略;
8) 冻机房和锅炉房现场控制室宜另设置一台监控分站,负责冷水机组和锅炉的监控;
9) BA系统控制器、传感器、执行器电源宜独立与受控设备集中供电。

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