5.2 楼宇智能自控系统应用设计

楼宇智能自控系统应具备三个基本功能：就地独立控制、系统集中监控、楼宇信息管理。

智能自控系统主要构成硬件：楼宇自控工作站、高速局域网Ethernet、模块化智能控制器、网络终端和信息显示屏。

设备供应商提供的应用软件有：能量管理控制、节假日运行时间编程、系统运行参数预设和修改、设备循环启/停程序、供电恢复启动程序、用电量限定/负载循环、用户图形化编程、设备报警管理、系统动态趋势分析、数据库下传/上载功能、多级密码保护、设备状态改变报告、报警信息报告、监控点历史记录和查询、系统运行摘要（各类报告清单）等。

5.2.1 五星级宾馆空调监控系统

空调系统采用中央集中监控与现场分散控制相结合的方式。大部分设备的运行由中央监控系统进行集中监视与控制。

1.宾馆空调系统的监控特性

五星级宾馆客人的体感舒适度要求是相当严格的。比如，客人稍微感觉干燥不适，说明空气中的湿度不够；客人在游泳池感觉到冷，而在餐厅里感觉到热，说明宾馆内各部位的温度没有达到期望值，也不符合五星级的标准要求，等等。因此，五星级宾馆的舒适度要求比商务办公大楼高得多。空调系统的机电设备监控是否有效和能否节能是衡量宾馆智能化系统的一项重要指标。

2.宾馆空调系统监控设计

（1）冷冻机-冷却水系统监控。宾馆的冷源系统由冷冻机组、冷冻水泵、冷却塔、冷却水泵、膨胀水箱、压差旁通等组成。中央监控系统监视各设备的工作状态，由冷冻机房内的DDC现场控制器实现以下控制：

1）按内部预先编写的时间程序或通过管理中心操作员起动冷冻机组及对各相关设备（冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、电动蝶阀）进行联锁控制。

2）根据供/回水温差与回水流量的乘积决定起动冷冻机组的台数。

3）通过装于冷冻机房内的现场DDC控制器及现场检测传感器，检测冷冻水系统供/回水总管的压差，控制相对应的旁通阀的开度，以维持合适的压差，保证空调系统的正常工作。

4）根据冷却水供/回水温差，调节冷却水旁通阀，以改变冷却水供水温度，保证冷冻机起动。

5）冬季时，采用板式热交换器来节省能源。开启板式热交换器隔离阀，并根据板式热交换器的供水温度调节进水阀门的开度，达到控制要求。

（2）热水系统监控。宾馆的热水系统一般由燃油锅炉、锅炉给水泵、汽-水热交换器、热水泵等组成，由中央监控系统监视各设备的工作状态，并由DDC现场控制器实现以下控制：

1）根据供/回水温差和回水流量的乘积决定热交换器使用的台数。

2）根据热交换器的供水温度，调节蒸汽阀的开度。

3）通过燃料油箱的油位联锁，控制液压泵启/停。

（3）新风机系统监控。宾馆使用四管制冷/热水盘管系统，新风机组由中央监控系统监视各设备的工作状态，通过装于新风机房内的现场DDC控制器及现场检测传感器，实现以下控制：

1）按内部预先编写的时间程序或通过管理中心操作员起动风机后，控制程序投入工作。

2）风机起动时，同时开启新风风闸；如果收到防冻报警信号，需同时关闭新风风闸。

3）根据送风温度与设定值的偏差，用比例积分控制来调节冷水和热水回水电动二通阀的开度。

4）根据新风温度及新风湿度，计算室外空气的焓量来控制新风、回风、排风阀的开度，并通过定风量控制使新风量恒定注意：焓代表物质的热容量（Heat capacity），单位为kJ/kg。

（4）送、排风机系统监控。送、排风机监控分为两类，一类属于消防用风机，该类风机的启停控制由消防报警控制系统来完成。另一类属于普通风机，该类风机的启停控制可由管理人员手动控制，或由区域控制器（DDC）按预先设定的时间程序自动控制。这两类风机的工作状态均反馈给中央监控系统。

（5）风机盘管监控。根据室温双位调节阀（冬/夏季节转换），通过现场手动或在中央控制室的三速开关调节风量、设定室温，以控制风机盘管内电动机的启停及控制冷水与热水回水电动二通阀的开度。

3.冷冻站集控方案

本方案采用3台离心式冷水机组进行制冷。冷冻站系统除3台离心式冷水机组外，还包括冷却塔3台，冷热水集水、分水器各1台，冷冻水循环泵5台，冷却水循环泵3台，补水泵2台。图5-7是冷冻站系统的集控方案。

图5-7 冷冻站系统的集控方案

（1）冷冻站系统的控制功能。根据事先排定的工作程序表，定时启/停冷冻水泵、冷却水塔等。然后根据冷冻水供、回水温度和供水流量的测量值，自动计算所需冷负荷量，调节冷水机组运行台数。

1）负荷计算。系统根据测量的冷冻水的供回水温度和冷冻水的供水流量，通过服务区域负荷量的计算结果，并以此判断需增加或减少冷水机组的运行台数。

2）顺序启停。系统依据总运行时间来判断增加或减少冷水机组的运行台数。

3）压差旁通。为避免水系统压力过大，采用压差旁通补偿，对集、分水器间的旁通阀进行PID（比例积分）调节，从而保证系统的安全与稳定。

4）故障判断。为保证系统高效和安全运行，当系统检测到任何正在运行的设备发生故障时，系统会自动将与其串联的其他设备停止，并按运行次序起动后备设备。

5）意外掉电。当控制系统发生意外掉电时，系统将还原，并按次序自动重新起动。

（2）控制方法。冷水机组、冷却水循环泵、冷冻水循环泵、冷却塔、自动补水泵、电动蝶阀等设备的控制方法如下。

1）根据事先排定的工作及节假日时间表，定时启停冷水机组及相关设备。完成冷却水循环泵、冷却水塔风机、冷冻水循环泵、电动蝶阀、冷水机组的联锁起动顺序及冷水机组、电动蝶阀、冷水循环泵、冷却水循环泵、冷却塔风机的联锁停机顺序。

起动顺序：开启对应冷却水、冷冻水管路阀门；延迟2～3min后起动冷却塔风机、冷却水泵、冷冻水泵；延迟3～4min后起动制冷主机。

停止顺序：切断主机电源；延迟2～3min后关闭冷却塔风机、冷却水泵、冷冻水泵；关闭对应的冷却水、冷冻水管路阀门。

2）测量冷却水的供、回水温度，以冷却水供水温度及冷水机的开启台数来控制冷却塔风机启停的数量。维持冷却水供水温度，使冷冻机能在高效率下运行。

3）监测冷水总供回水温度及回水流量，由冷水总供水流量和供回水温差，计算实际负荷，自动启停冷水机、冷冻水循环泵、冷却水循环泵及相对应的电动蝶阀。

4）根据膨胀水箱的液位，自动启停自动补水泵。

5）监测冷水总供、回水压力差，调节旁通阀门开度，保证末端水流控制能在压差稳定的情况下正常运行。在冷水机系统停止时，旁通阀自动全关。

6）监测各水泵、冷水机、冷却塔风机的运行状态、手/自动状态、故障报警，并记录运行时间。

7）水泵保护控制：在每台水泵的出水端管道上安装水流开关，水泵起动后，检测水流状态，如果发生故障则自动停机；水泵运行时如果发生故障，备用泵自动投入运行。

8）中央站彩色动态图形显示、记录各种参数、状态、报警，记录累计运行时间及其他的历史数据等。图5-8是空调机组DDC控制的动态图形显示。

图5-8 空调机组DDC控制的动态图形显示

9）冷水机组联锁控制。

①起动顺序：开冷却塔蝶阀、风机，开冷冻水泵，开冷水机组。

②停止顺序：停冷水机组，关冷冻水泵，关冷冻水蝶阀，关冷却水泵。

③冬季时根据供水管的流量及集水器、分水器的温差，计算热负荷，对热水组进行群控。

④冷冻水差压控制：根据冷冻水供、回水压差，自动调节旁通阀，维持供、回水压差恒定。

⑤冷却水温控制：根据冷却水温度，自动控制冷却塔风机的起动台数。

⑥水泵保护控制：水泵起动后，压差感应开关检测水压状态，如果发生故障则自动停机。

冷冻泵起动后，水流开关监测水流状态，若无水流则不能起动冷机。

（3）冷冻站的管理功能。

1）图形显示。监视内容采用动态彩色图形显示和易于管理的数据显示，用户能通过高分辨率的彩色图像界面，观看系统状态和设备信息。

2）事件管理。系统为用户提供许多系统报警信息，包括温度高低限报警、水压差低限报警、机组状态监控报警等，并根据报警的级别和类别设置将这些事件和消息发送到打印机或其他应用管理服务器中。

3）趋势分析。

①用户可以利用趋势分析工具，进行系统运行性能的详细分析。

②冷冻水和冷却水总管的供、回水温度。

③冷冻水流量。

④建筑物负荷及供、回水压差。

⑤供、回水压差设定值。

⑥旁通阀开度。

⑦每台冷冻机的电流百分比。

⑧每台冷冻机的冷冻水出水/回水温度。

⑨冷冻水的出水温度设定。

4）汇总报告。任何模拟量或者脉冲信号都可以被中央控制盘进行累计，作为能源消耗的汇总报告。包括特殊事件的发生次数和设备累计运行时间，并将这些数据提供给维护及服务程序，使用户更容易预测系统可能存在的问题。

5）时间计划。允许用户定义设备的运行日期和时间（除节假日等特定日期外），可以按照星期进行周期性设置。

6）安全设置。通过要求输入用户名和密码来鉴别有效的授权用户。可以按分类级别来制定用户授权的监控范围。用户操作设定可分为仅浏览、可操作、可修改等超过10种级别；时间表则划定了该用户的有效访问时段。

5.2.2 换热站系统的监控

1）监测各热交换器二次水的出水温度，依据出水温度自动调整PID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。

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。

3）中央站彩色动态图形显示、打印、记录各种参数、状态、报警，记录累计运行时间及其他历史数据等，如图5-9所示。

图5-9 换热站控制彩色动态图形显示

5.2.3 新风机组的监控

新风机组的监控设备包括：热交换器、冷凝泵等。

1）按时间程序自动启/停送风机，具有任意周期的实时时间控制功能。

2）监测送风机的运行状态、手/自动状态、故障报警、累计运行时间。

3）防冻保护：在冬季，当温度过低时，开启热水阀，关新风门、停风机、报警提示。

4）由风压差开关测量空气过滤器两侧压差，超过设定值时报警。

5）风机、风门、冷水阀状态联锁程序。

①起动顺序：开冷水阀、开风阀、启风机、调冷水阀。

②停机顺序：停风机、关风阀、关水阀。

6）测量新风温度和送风温度，并根据送风温度用PID（比例积分微分）调节二通水阀的开度，维持送风温度为设定值；测量新风温度和回风温度，并根据回风温度用PID调节二通水阀的开度，维持回风温度为设定值。

7）中央站彩色图形显示，记录各种参数、状态、报警，记录累计运行时间及其历史数据等；图5-10为新风机组彩色动态监控图形。

图5-10 新风机组彩色动态监控图形

5.2.4 送排风系统的监控

送排风系统主要用于排除室内影响身体健康的有害气体。有些区域的排风系统与排烟系统合用风管，平时排风口打开，火灾发生时排风口关闭，排烟口打开。送风机平时低速运转，火灾发生时由低速转高速。监控设备为送/排风机。监控功能如下：

1）监测各风机的运行状态、手/自动状态。

2）在自动状态下按时间程序自动启/停送/排风机。

3）监测送/排风机的故障信号，发生故障时报警，并累计运行时间。

4）中央站彩色图形显示，记录各种参数、状态、报警，记录累计运行时间及其历史数据等。

5.2.5 变风量空调系统

1.变风量系统的特点

（1）变风量空调系统的定义。变风量（Variable Air Volume，VAV）空调系统是通过调节送风量和送风温度来控制某一空调区域温度的一种空调系统。该系统通过变风量末端装置调节送入房间的风量，并相应调节空调机（AHU）的风量来适应空调区域的风量需求。

变风量空调系统可根据空调负荷的变化及室内要求的参数，自动调节送风机的转速和空调送风量，以满足室内人员的舒适要求，最大限度地节省能源。

变风量空调系统与定风量空调系统和风机盘管系统相比，具有节能、舒适、安全和方便的优点，已得到越来越多的采用。

（2）变风量空调系统的特点。

1）可根据负荷的变化或个人的舒适要求自动调节工作环境的温、湿度，实现局部区域（房间）的独立控制，完全消除再加热方式或双风道方式的冷热混合损失。

2）自动调节各个空调区域的送入能量，空调器的总装机容量可减少10%～30%左右。

3）室内无过热、过冷现象，由此可减少15%～30%左右的空调负荷。

4）部分负荷运转时可大量减少送风动力，根据理论模拟计算，全年平均空调负荷率为60%时，变风量空调系统（变静压法控制）可节约风机动力78%。

5）可适应采用全热交换器的热回收空调系统及全新风空调系统。

6）可避免凝结水对吊顶等装饰的影响，并方便二次装饰分割。

2.变风量系统的分类

根据VAV调节原理，变风量末端可以分为节流型、风机动力型（Fan Powered）、双风道型、旁通型和诱导型五种基本类型。

（1）节流型。最基本的变风量末端是节流型变风量末端，所有变风量末端的“心脏”就是一个节流阀，加上对该阀的控制和调节元件以及必要的面板框架就构成了一个节流型变风量末端。其他如风机动力型、双风道型、旁通型等都是在节流型的基础上变化发展起来的。

（2）风机动力型（Fan powered）。风机动力型是在节流型变风量末端内置加压风机。根据加压风机与变风量阀的排列方式又分为串联风机型（Series fan terminals）和并联风机型（Parallel fan termina1s）两种产品。所谓串联风机型是指风机和变风量阀串联，一次风既通过变风量阀，又通过风机加压；并联风机型是指风机和变风量阀并联，一次风只通过变风量阀，而不需通过风机加压。

表5-5是并联型和串联型风机特性比较。

表5-5 并联型和串联型风机特性比较

（3）双风道型。一般由冷热两个变风量末端组合而成，因初期投资昂贵和控制较复杂而较少使用。

（4）旁通型。这是利用旁通风阀来改变房间送风量。因为有大量送风直接旁通返回空调设备，减小风机能耗不多，所以目前使用也不多。

（5）诱导型。诱导型VAVBox的原理是一次风（可以是低温送风）通过诱导室内回风后再送入房间。节约了末端风机的能耗，但空调和风机动力增加。这种方式在北欧广泛采用，特别是医院病房等要求较高的场合。

3.变风量系统的构成

（1）VAV装置。VAV空调系统的运行根据室内要求，依靠VAV装置控制送风量来提供空调能量。经DDC分析计算后发出变频风机控制信号，改变风机转速，节约送风动力。最常用的VAV装置原理如图5-11所示，主要由室内温度传感器、电动风阀、DDC控制板、风速传感器等部件构成。

风速传感器有多种型式，如采用超声波涡旋法、叶轮转子法、皮托管法、半导体法、磁体法、热线法等专利产品。

图5-12所示的VAV装置常常被称为FPB（Fan Powered Box）风机动力型末端，其特点是根据室内负荷由VAV装置调节一次送风量，同时与室内空气混合后经风机加压送入室内，以保持室内换气次数不变。该方式加设了风机系统，成本提高，可靠性、噪声等性能指标有所下降。

图5-11 VAV装置原理

图5-12 串联型风机动力式末端

（2）DDC控制器

DDC控制器的主要功能是根据系统中各VAV装置的动作状态或风管的静压值（设定点），分析计算系统的最佳控制量，控制变频器动作。各种VAV空调系统均设置独立式系统控制器。

（3）变频风机（空调机）。VAV空调系统常采用在送风机的输入电源线路上加装变频器的方法，根据DDC控制器的指令改变送风机的转速，满足空调系统需求的风量。

5.2.6 给水排水系统的监控

监控设备包括：给水排水泵、生活水池、污水池、集水坑。

1）监测生活水泵和污水泵的运行状态、手/自动状态、故障报警和累计运行时间。

2）实现就地控制和远程控制的转换。

3）监测生活水池液位：超限水位报警，防止溢流；超低液位报警。

4）根据生活水箱液位，启/停生活水泵，并进行超限报警。

5）根据污水池、集水坑液位，启/停污水泵，并对超高液位进行超限报警。

6）中央站彩色图形显示，记录各种参数、状态、报警，记录累计运行时间及历史数据等。

5.2.7 变配电系统的监控

楼宇控制系统对变配电系统只监视不控制，对变配电系统的高压、低压、变压器、发电机设备的相关运行参数的进行监测。图5-13是变配电系统的动态监测图，由供配电设备厂商预留连接供配电系统的监测接口，通过高级接口采集下列信号：

1）高压进线柜：三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电度。

2）所有高压开关的开关状态、故障跳闸状态。

3）变压器温度。

4）低压进线柜：三相电压、三相电流。

5）所有低压进出线开关的开关状态及故障跳闸状态。

6）低压配电回路电能计量。

图5-13 变配电系统动态监测显示图

7）测量柴油发电机三相电压、三相电流、频率及运行或故障信号。

8）监测变压器室、高/低压配电室、发电机房内温度。

9）要求厂家提供国际标准通信协议：MODBUS、OPC。

5.2.8 电梯系统的监控

楼宇自控系统对电梯系统实行只监不控的方式，电梯系统提供高级接口给楼宇自控系统集成，楼宇自控对电梯的运行状态、故障报警、电梯的上升/下降进行监视；对自动扶梯的运行状态、故障报警进行监视，并对电梯系统的运行时间进行累积记录。

5.2.9 照明系统的监控

监控设备包括：公共照明配电箱。

1）根据时间程序自动开/关各照明回路。

2）监控各回路的开关状态、故障报警、手/自动状态。

3）根据用户需要可任意修改程序，自定义节假日工作模式，降低大厦运行中的电能消耗。

4）中央站彩色图形显示，记录各种参数、状态、报警，记录累计运行时间及历史数据等。