楼宇自控原理与暖通空调自控初步设计

智能建筑5A概念简介

楼宇自控系统就是将建筑物或建筑群内的变配电、照明、电梯、空调、供热、给排水、消防、保安等众多分散设备的运行、安全状况、能源使用状况及节能管理实行集中监视、管理和分散控制的建筑物管理与控制系统，称为BAS（Building Automation System）。

BAS系统的监控范围和参数内容：

空调机组：新风空调机组、新/回风空调机组、变风量空调机；

冷/热源系统：冷冻机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、热交换器、热水一次水泵、热泵机组；

电力系统：照明控制、高/低压信号测量、备用发电机组；

电梯；保安门锁、巡更等。

BAS


系统所能够产生的实际效果：

室内恒温、恒湿、良好的空气质量、合理的灯光照度控制；

实现最佳的能源控制方案，节约能源消耗并实现能源管理自动化。

实现设备自动化运行，提高运行效率，降低劳动强度。

便于大楼内的所有设备运行于最佳工况，同时便于设备的保养和维修；

便于大楼管理人员对设备进行操作并监视设备运行情况，提高整体管理水平；

良好的管理将延长大楼设备的使用寿命，使设备更换的周期延长，节省大楼的设备开支；

及时发出设备故障及各类报警信号，便于将损失降到最低点，便于操作人员最短时间处理故障。

BAS


子系统：

a、暖通空调系统自动监控

暖通空调系统是智能建筑创造舒适高效工作与生活环境不可缺少的重要环节，其设备耗电量占全楼总耗电量的50%-60%，其监控点数占全楼监控点数的50%以上，BAS系统为建筑物内的暖通空调设备（如：冷却塔、冷水机组、空气处理机、新风机组等）提供一个最优化的控制，实现经济运行降低能耗。

b、给排水系统自动监控

给排水系统是任何建筑都必不可少的重要组成部分。BAS系统主要是对给排水系统的状态、参数进行监控与控制，保证系统运行参数满足建筑供排水要求以及供排水的安全。

c、变配电系统自动监控

变配电系统是建筑物最主要的能源供给系统，BAS系统用于建筑物内用电设备的正常运行,保障供电可靠性。负责电力供应管理和设备节电运行。

d、照明系统

照明系统占建筑物耗电量20%-30% ，BAS系统一方面为了保证建筑物各区域的照度和视觉环境对灯光进行控制，另一方面对照明设备进行节能控制。

e、电梯控制系统

BAS系统对于建筑物内的多台电梯实行集中的控制和管理，同时配合消防系统，执行联动程序。

BAS系统的组成

中央控制室（数据中心）：主要包括中央处理系统（计算机和接口装置等）、外围设备（监控终端和打印机等）和不间断电源三部分。

传感器及执行调节机构：传感器是指装设在各监视现场的各种敏感元件、变送器、触点和限位开关、用来检测现场设备的各种参数（如温度、湿度、压差、液位等），如铂电阻温度检测器、复合湿度检测器、风道静压变送器、差压变送器等。

现场控制器是整个控制系统的核心，采用直接数字控制器（DDC）它具有AI、AO、DI、DO四种输入/输出接口。方便灵活地与现场的传感器、执行调节机构直接相连接，对各种物理量进行测量，以及实现对被控系统的调节与控制。

AI-模拟量输入接口，可用作仪表的检测输入，如温度、压力等，一般为0-10V(0-5V)或4-20mA的直流信号。

AO-模拟量输出接口，用于操作控制阀、执行器等，如电动阀、三通阀、风门执行器等，不需要外部电源，输出为0-10V的直流信号。

DI-数字量输入接口，即触点、液位开关、限位开关的闭合与断开，一般用作检测设备状态、报警接点、脉冲计数等。

DO-数字量输出接口，用于控制风机，水泵等运行，亦可作为输出信号与动作增减量型执行机构。

数据传输线路：是联系系统各部分的纽带，从各个监控点到分站控制器的线路是逐点连接（放射式），数据中心与各分站通过总线型或环形网络结构进行组网，各分站直接用一回路双芯导线连接到总线上就可以实现分站与分站之间，分站与中央站之间的通信。

通信控制协议

楼宇自控系统中基本采用的是集散控制方式和分布控制方式，是通过某种控制网络实现的，这就要求控制设备以及建筑设备都要遵循一定的通信协议。

目前，国际上采用较多的是BACnet和LonTalk。

1、BACnet是楼宇自控领域唯一的国际标准（ISO16484-5）。

独立于任何制造商，不需要专门芯片，并得到众多制造商支持。

有完善和良好的数据表式和交换方法。

按标准制造的产品有严格的性能等级和完整的说明。

产品有良好的互操作性，有利于系统的扩展和集成。

2、LonTalk协议：LonWorks技术所使用的通信协议。

LonTalk协议遵循由国际标准化组织（ISO）定义的开放系统互连（OSI）参考模型所定义的全部七层服务。

它支持多种通讯介质，包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆等。

采用Neuron芯片，提供开发工具平台—LonBuilder与Nodebuilder。

面性对象的设计方法，网络结构灵活如星形、环行及总线型。

3、BACnet 与LonTalk

BACnet和Lontalk协议均为开放式协议两者互相渗透、交叉。

Lanwork协议是实施控制域为建筑设备控制系统中传感器与执行器之间的网络化，控制现场传感器与执行器之间实现互操作的网络标准。

BACnet协议是信息管理域方面实现不同的系统互联而制定的标准。BACnet有比LanTalk更为强大的大数据量通讯和运行高级复杂算法的能力，有更强大的过程处理组织处理的能力。

BAS系统的设计

BAS系统的设计具有很大的灵活性，应根据建筑物的整体功能需求和物业管理方式控制水平，根据建筑物内不同区域的要求和被控系统的各个特点，选择技术先进、成熟、可靠、经济合理的控制系统方案和设备，避免投资的盲目性。

设计步骤：

确定BAS规模，根据冷冻、空调、变配电、热力、给排水等相关专业提供的设计条件（资料）及投资情况，功能内容，确定需要监控的设备种类、数量、分布情况及标准；

确定各子系统组成方案、功能及技术要求；

确定各子系统之间的关联方式；

确定BAS中各子系统与大厦其它部分间的接口；

根据各专业的控制要求和控制内容确定并画出设备监控系统原理图；

统计监控系统的监控点（AI、AO、DI、DO）的数量，分布情况并列表；

根据监控点数和分布情况确定分站的监控区域、分站设置的位置，统计整个大楼所需分站的数量、类型及分布情况；

选择现场设备的传感器和执行机构；

确定楼宇监控的系统网络及中心站设备的选择；

实施布线。

BAS设计方法流程图

现场控制器DDC的设置原则及布线方式

DDC的设置，应主要考虑系统管理方式，安装调试维护方便和经济性，一般按机电系统的平面布置进行划分，如布置在：冷冻站、热交换站、空调机房、新风机房等控制参数较为集中之处，也可根据要求布置在弱电竖井中，箱体一般挂墙明装；

每台DDC的输入输出接口数量与种类应与所控制的设备要求相适应，并留有10%-15%的余量；

BAS


中央控制室要求

BAS中控室的位置，应尽量靠近控制负荷中心，注意远离变配电室等电磁干扰源，并注意防潮、防震。BAS中控室可与消防中心，保安监控中心等合并组成楼宇控制中心，此时位置应满足消防中心的要求

BAS中央控制室室内设备布置时应满足以下要求：

a、控制台前应留大于3m的操作距离，控制台离墙布置时台后应留有大于1m的检修距离，并注意避免阳光直射；

b、当控制台横向排列总长度大于7m时应在两端各留有足够的安装和观察面积；

c、当BAS系统单独设置不间断电源，并采用集中供电方式时，应考虑放置电源设备的面积和位置；

d、应适当考虑工作人员值班，维修及休息所需的面积。

BAS中央控制室其它要求：

a、控制室内宜采用抗静电活动地板；

b、当控制室内长度大于7m时，宜设两个外开门的出口，门宽不小于1m；

c、控制室内土建及装修等要求参见有关计算机房设计标准。

BAS


系统的电源要求：

a、应由变配电所引出专用回路向中央控制室供电，供电回路应采用保安电源供电 ；

b、中央操作站供电应设不间断电源（UPS）装置，其容量应包括系统内用电设备的总和并考虑预计的扩展容量，UPS供电时间不低于20分钟；

c、DDC的电源宜采用中央控制室集中供电方式，以放射式供给各DDC，如采用就地供电方式，可由就近的保安电源供给；

BAS


系统的接地要求

一般采用建筑物总体接地方式，要求总体接地电阻不大于1Ω，如BAS系统单独设置接地极，应采用一点接地方式，要求接地电阻不大于4Ω，并与建筑物防雷接地系统接地极间距离不小于20m；

BAS系统设计中采用的仪表量程选择、调节阀计算方法等，见有关自控设计手册；现场仪表安装方法参见有关自动化仪表标准安装图册及设备生产厂家的安装使用说明书。

冷热源设备监控系统

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一)冷源系统监控原理：

1.冷水机组：水冷式热泵机组在制冷工况下的工作原理与冷水机组完全相同，而风冷式热泵机组的控制更加简单（没有冷却水循环系统，由风冷式热泵机组的室外机承担水冷式热泵机组冷却水循环的功能，且室外机由热泵机组自带控制器自行控制）。

2.冷冻水循环：建筑物空调冷源系统的冷冻水循环见图左半部分，它将从各楼层空气处理设备循环回来的高温冷冻水送至冷水机组制冷，然后再供给各空气处理设备。

3.冷却水循环：建筑物空调冷源系统的冷却水循环见图右半部分，它的主要任务是将冷水机组从冷冻水循环中吸取的热量释放到室外。

4.设备间联动及冷水机组的群控：冷水机组是整个建筑物空调冷源系统的核心设备，冷冻水循环、冷却水循环都是根据冷水机组的运行状态进行相应控制的。

5.冷冻水回路二次水泵变频的控制方案：如前所述，在冷冻水回路采用定流量水泵的情况下，为平衡负荷侧变流和冷水机组侧定流之间的矛盾，防止低负荷情况下(负荷侧盘管水阀同时关小)水泵对管路及泵本身的冲击，应在冷冻水供回水总管上加装旁通回路，通过旁通阀的开度控制平衡水管压力。

6.冰蓄冷系统：冰蓄冷的基本思想是利用夜间低谷电价时段制冰蓄冷，而白天高峰期融冰供冷。

冷水机组控制：

1)冷水机组起/停控制及状态监视。

2)冷水机组故障报警监视。

3)冷水机组的手/自动控制状态监视。

4)冷冻水出水/回水温度监视等。

冷却塔控制：

1)冷却塔风机起/停控制及状态监视。

2)冷却塔风机故障报警监视。

3)冷却塔风机的手/自动控制状态监视等。

1)冷却水泵的起/停及状态监视。

2)冷却水泵故障报警监视。

3)冷却水泵的手/自动控制状态监视等。

冷水机组系统控制：

1)首先，当需要增加起动一台冷水机组时，需要确定起动哪台冷水机组，同样，需要停止一台冷水机组时也是一样。

2)其次，当需要起动或停止某台冷水机组时首先要确定应增开或停止几台及哪几台冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔。

(1)制冷机组优先控制策略：在空调负荷小于制冷机组容量时仅运行制冷机组，只有当空调负荷大于制冷机组容量时才由蓄冷装置补充不足部分。

(2)蓄冰优先供冷控制策略：在空调负荷低于蓄冰设备最大融冰释冷量时，先由融冰承担负荷，当空调负荷大于最大融冰释冷量时，再投运制冷机组补充。

(3)固定比例供冷控制策略：这种控制策略是指蓄冰装置与制冷机组按照固定的比例输出冷负荷，满足建筑物空调负荷的需求。

(4)优化控制策略：这种控制策略是根据动态预测负荷，在约束条件(包括制冷机组输出冷负荷最大值约束、蓄冰设备最大蓄冷量约束、最大融冰速率约束等)的限制下，对多个控制目标(包括日运行费用、空调负荷、一个循环的剩余冰量、制冷机组的起停次数等)进行优化。

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二)热源系统监控原理

1.热泵系统制热工况监控原理：热泵机组对应的热源系统工作原理及监控内容与其在制冷状态下的工作原理和监控内容类似，只是热泵机组内部冷凝器和蒸发器的位置可以通过四通阀进行互换。

2.锅炉系统监控原理：锅炉系统设备包括锅炉机组、热交换器及热水循环3部分。

1)监视锅炉的运行状态、故障报警。

2)监视锅炉的烟道温度、锅炉压力。

3)监视补水箱的高低液位的报警信号。

4)锅炉的油耗或气耗的实时检测。

5)监视锅炉一次侧水泵运行状态、压差及旁通阀的开度。

6)锅炉一次水的供回水温度。

1)监测各热交换器二次水出水温度和回水温度，依据出水温度调节一次热水(或蒸汽)调节阀，保证出水温度稳定在设定值范围内，温度超限时报警；有条件的检测二次侧水流量，以估算冬天空调负荷。

2)监测热水循环泵的运行状态和故障信号，故障时报警，并累计运行时间。

冷水机组

利用压缩机、冷凝器、蒸发器等设备，人为控制制冷剂气液状态转换，并循环反复，制冷剂就将不断地冷却冷冻水，同时，将吸收的热量释放到冷却水循环中。

冷水机组监控内容

冷水机组启/停控制及状态监视。

冷水机组故障报警监视。

冷水机组的手/自动控制状态监视。

冷冻水出水/回水温度监视等。

冷冻水系统：

建筑物空调冷源系统的冷冻水循环，它将从各楼层空气处理设备循环回来的高温冷冻水送至冷水机组制冷，然后再供给各空气处理设备。此回路的监控内容主要包括冷冻水泵的监控、冷冻水供/回水各项参数的监测及旁通水阀的控制。

空调机、新风机、盘管冷媒为冷冻水。

冷冻水系统监控内容：

冷冻水泵的启/停及状态监视。

冷冻水泵故障报警监视。

冷冻水泵的手/自动控制状态监视等。

冷冻水供/回水温度监测。

冷冻水供/回水总管压力监测。

冷冻水循环流量监测等。

冷却水循环：

建筑物空调冷源系统的冷却水循环，它的主要任务是将冷水机组从冷冻水循环中吸取的热量释放到室外。此回路的监控内容主要包括冷却塔的监控、冷却水泵的监控及冷却水进、回水各项参数的监测。

冷却水监控内容：

冷却塔风机启/停控制及状态监视。

冷却塔风机故障报警监视。

冷却塔风机的手/自动控制状态监视等。

冷却水泵的启/停及状态监视。

冷却水泵故障报警监视。

冷却水泵的手/自动控制状态监视等。

设备间联动及冷水机组的群控

冷水机组是整个建筑物空调冷源系统的核心设备，冷冻水循环、冷却水循环都是根据冷水机组的运行状态进行相应控制的。

启动冷水机时，启动冷却塔、冷却水循环系统、冷冻水循环系统的启动，当确定冷冻水、冷却水循环系统均已启动后方可启动冷水机组。

停止冷水机组时，停止的顺序与启动顺序正好相反，停止冷水机组、停止冷冻水循环系统、停止冷却水循环系统，最后是冷却塔。

建筑物空调系统的主要热源设备包括热泵机组和锅炉系统两种。

水冷式热泵机组在制冷工况下的工作原理与冷水机组完全相同。

风冷式热泵机组的控制更加简单，没有冷却水循环系统，由风冷式热泵机组的室外机承担水冷式热泵机组冷却水循环的功能。

空调DDC系统的监控设计

(一)空调DDC系统的定义及组成

DDC系统是BAS的技术形式。DDC是英文DIRECT DIGITAL CONTROL的缩写，译为“直接数字控制”。

空调DDC系统，即利用控制技术和通讯技术，将空调系统中各种信号（温度、压力、流量、状态等），通过输入装置输入DDC，经相应程序运算处理，将处理后的信号输出，进而控制相应的执行机构。如图所示。

(二)DDC系统信号种类

信号按其输出输入主要可分为分为数字量输入（DI）、数字量输出（DO）、模拟量输入（AI）和模拟量输出（AO）四种信号。

模拟量信号所对应的是一定量的电压或电流值，它与传感器输出信号的特性有关。

空调自控系统中常见的模拟量输入信号：温度、湿度、压力流量、压差等；模拟量输出信号：需控制的电动风阀及电动水阀。

数字量输入信号包括：风机、水泵、冷却塔风扇、电机的运行状态、过滤器淤塞状态报警、压差开关、液位开关、开关信号，防冻保护等。

数字量输出信号包括：电磁阀的控制、二位电动水阀的控制、水泵、风机、冷却塔等设备的启停控制。

(三)空调DDC监控系统的主要功能

空调DDC系统能实现楼宇中空调系统各种控制功能，同时具备各种管理功能。

（1）能量控制及管理功能。即根据建筑物实际冷、热负荷，对空调系统中的风系统和水系统进行控制，自动控制冷热设备运行状态及运行参数，使整个空调系统达到最佳节能状态。

（2）对空调系统及其冷、热源系统的相关参数进行调节控制及监测，对空调设备运行进行监测。

（3）空调设备如冷水机组、泵、风机等在规定时间的启停控制，以达到节能目的。

（4）自动累积空调设备的运行时间，维修期限报警，以便更换或维修相关设备，延长设备使用寿命，提高设备的运行质量。

（5）根据空调设备运行时间，自动切换工作及备用设备，保持设备良好的工作状态。

（6）对空调系统的能量消耗进行计量，记费。

（7）各种物业管理文本的自动生成、打印及查询。

(四)空调DDC系统的组成

1）日期时钟：提供时间基准。

2）程序存储器：存储各种应用程序，即用户为控制各种空调系统所编制的控制程序。

3）工作存储器：用来进行读写，随机存取和临时存取数据。

4）多路输入、输出控制器：多路输入控制器可将输入信号送入A/D转换器中，将模拟量转换成数字量，输入微处理器进行运算。运算结果输入D/A转换器，再经输出控制器至变送器及执行机构；也可以直接读取和输出开关量信号。

5）DDC控制系统的相关软件：包括操作软件及应用软件。

（五）空调DDC控制举例

空调DDC控制含空调风系统控制及空调水系统控制，下面分别举例加以说明：

新风机组的控制：

新风机组是一种没有回风装置的空调机组，其检测与控制同空调机组相同。

新风机组的节能控制通常以出风口温度或房间温度为调节参数。把出风口温度或房间温度传感器测量的温度送入DDC控制器与给定值比较，产生偏差，由DDC按PID规律调节表冷器回水调节阀开度以达到控制冷冻（加热）水量，使夏天房间温度保持在低于28度，冬天则高于16度。

检测点、控制点描述：

（1）检测点

数字量：新风机组运行状态、新风机组故障状态、新风机组手动/自动状态、过滤网堵塞报警和防冻报警。

模拟量：送风温度、送风湿度、新风温度、新风湿度和空气质量检测。

（2）控制点

数字量：新风机组开关控制。

模拟量：新风开度控制、冷冻/供热回水阀控制和加湿电动阀门控制。

新风机的工作状态是采用压差开关检测的，风机启动，风道内产生风压，送风机的送、回风口差压增大，差压开关闭合，表明新风机处于运行状态。新风机故障报警信号取至动力箱主电路的继电器的辅助触点。

连锁控制

新风机组启动顺序控制：

送风机启动—新风阀开启—回水调节阀开启—加湿阀开启。

新风机组停机顺序控制：

送风机停机—关加湿阀—关回水阀—新风阀全关。