楼控原理及暖通空调自动控制初步设计

智能建筑5A概念简介

楼控系统是一种建筑管理和控制系统，它将变配电、照明、电梯、空调、暖气、给排水、消防、保安等众多分散设备在建筑或建筑群中的操作、安全状况、能源使用情况以及节能管理等情况进行集中监控、管理和分散控制，称为楼宇自控系统(BAS)。

监控范围和BAS系统参数的内容：

空调机：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，冷冻泵，冷却泵，冷却塔，热交换器，热水一次泵，热泵机组；

电源系统：照明控制，高低压信号测量，备用发电机；

电梯：安全门锁，巡逻等。

BAS系统能够产生的实际效果：

室温、湿度恒定，室内空气品质优良，灯光照明合理；

实施最优能耗控制方案，实现节能降耗和能源管理自动化。

达到设备自动化操作，提高工作效率，减轻劳动强度。

使大楼内的所有设备都能在最佳条件下工作，同时方便设备的保养和维修；

方便楼内管理人员操作设备，监控设备的运行情况，提高楼内管理的整体水平；

管理好，就能延长大楼的设备寿命，延长设备更换周期，节约大楼的设备费用；

设备故障及各种报警信号的及时发出，使损失降到最低限度，便于操作人员在最短时间内处理故障。

BAS子系统：

1.HVAC系统的自动监控

HVAC系统是智能建筑中创造舒适高效的工作和生活环境不可或缺的重要环节，HVAC系统的设备耗电量占整个大楼总耗电量的50%-60%，监测点数占整个大楼监测点数的50%以上，BAS系统为大楼内的HVAC设备(如冷却塔、冷水机组、空气处理机、新风机组等)提供了最优控制，从而达到降低能耗的目的。

2.给排水系统应进行自动监测

给水系统是任何建筑物中不可或缺的重要部件。该系统主要是监测和控制给排水系统的状态和参数，确保系统运行参数满足建筑物的供排水和供排水安全要求。

3.变配电系统采用自动监控

变电所是建筑的主要能源供应系统，变电所中的电力设备必须能够正常运行，保证建筑供电可靠性。承担供电管理及设备节能运行。

4.照明系统

灯具的能耗占建筑能耗的20%-30%,BAS系统一方面是为了保证建筑各个区域的光照，视觉环境对灯具的控制，另一方面是为了对照明设备的节能控制。

5.电梯控制系统

BAS系统对建筑内的多台电梯进行集中控制与管理，并与消防系统协同执行联动程序。

BAS系统的组成

中控室(DataCenter)：主要包括中央处理系统(计算机和接口设备等)、外设(监控终端和打印机等)以及不间断电源。

传感器和执行器调整机构：传感器是指安装在各个监测现场的各种敏感元件、变送器、接触和控制开关，用于检测现场设备的各种参数(如温度、湿度、压差、液位等)，如铂电阻式温度检测器、复合湿度检测器、管道静压变送器、差压变送器等。

整个控制系统以现场控制器为核心，采用直接数字控制器(DDC)，具有AI,AO,DI,DO四种输入输出接口。它可以方便、灵活地与现场的传感器、执行机构直接连接，实现对各种物理量的测量，以及对被控系统的调节和控制。

AI-模拟量输入接口，可用来检测仪表的输入，例如温度、压力等，通常是0-10V(0-5V)或4-20毫安的直流信号。

AO-模拟量输出接口，适用于控制阀、执行机构等，如电动阀、三通阀、气门执行机构等，不需要外部电源，输出0-10V直流信号。

DI-数字量输入接口，即闭合和断开触点、液位开关和限位开关，通常用于检测设备状态，报警接点，脉冲计数等。

DO-数字量输出接口，用来控制风扇、水泵等的运行，也可以用来作为一个输出信号加减动作的执行器。

数据传输线路：是连接系统各部分的纽带，各监测点至分站控制器的资料传送线路以点状方式相连(放射式)，资料中心与分站之间以总线型或环形网络结构进行组网，分站直接用一回路双芯导线连接总线即可实现分站与分站、中心站之间的通讯。

通讯控制协议

在楼控系统中，基本上采用了分布式控制模式和分布式控制模式，并通过一定的控制网络来实现，这就要求控制设备和建筑物设备必须遵守一定的通信协议。

现在国际上使用得比较多的是BACnet和LonTalk。

1.BACnet是在楼宇自动控制领域(ISO16484-5)中唯一的国际标准与任何制造商无关，它不需要专用芯片，并且有许多制造商的支持。具有完善的数据表及交换方式。按照标准生产的产品有严格的性能分级和完整的描述。具有良好的互操作能力，有利于系统的扩展与集成。

2.LonTalk协议：用于LonWorks技术的通信协议《LonTalk协议》遵循了由国际标准化组织(ISO)定义的开放系统互联参考模型(OSI)定义的全部七层服务。

该系统支持双绞线、电力线、光纤、同轴电缆等多种通信介质。使用了Neuron芯片，提供了LonBuilder和Nodebuilder的开发工具平台。平面对象设计方法，网络结构灵活，如星形、环线和总线等。

3.BACnet和LonTalk公司两种协议都是相互渗透、交叉而成的开放式协议。在建筑设备控制系统中，Lanwork协议是实施控制域为传感器和执行器之间联网、控制现场传感器和执行器之间互操作的网络标准。BACnet协议是为信息管理领域方面实现不同系统的互连而制定的标准。与LanTalk相比，BACnet具有更强的大数据量通信能力，并能够运行高级复杂算法，以及更强的过程处理组织处理能力。

BAS系统的设计

BAS系统的设计具有很大的灵活性，应根据建筑物的总体功能要求和物业管理模式的控制水平，根据不同区域、不同被控系统的特点，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：

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)和投资情况，确定BAS的规模，确定需要监测的设备种类、数量、分布和标准；明确各个子系统的结构、功能和技术要求；子系统间关联方式的确定；识别BAS系统中各个子系统和大楼其他部分的接口；按照各个专业的控制要求和控制内容，确定并绘制设备监控系统的原理图；监视点(AI,AO,DI,DO)数量的统计，分布情况，并列出清单；依据监测点的数量和分布情况，确定监测点的布点位置，统计出整个建筑物对监测点的需求数量、种类和分布情况；为现场设备选择传感器和制动器；明确大厦监控系统网络和中心站设备选型；实施布线。

BAS设计方法流程图

主控机DDC的设置原理和接线方式

DDC的设置，应主要考虑系统管理方式，安装调试与维修方便与经济，一般按机电系统平面布置进行划分，如布置在：冷冻站、换热器站、空调站、新风站等控制参数较集中的地方，也可按要求布置在弱电竖井中，一般挂墙明装；每个DDC的输入输出接口数量和种类应符合设备的控制要求，并保持10%-15%的余量；

BAS中央控制室的要求

在BAS中控室位置，应尽可能靠近控制负荷中心，注意远离电磁干扰源如变电室等，并注意防潮、防震。可与消防中心、保安监控中心等合用组成楼宇控制中心，此时位置应符合消防中心的要求。

在BAS中央控制室的室内设备配置上，应符合下列要求：

1.控制台前应留大于3米的作业距离，控制台与墙壁布置时台后应留大于1米的检修距离，注意避免阳光直射；

2.当控制台横向布置总长度大于7米时，两端应分别留有足够的安装和观察区域；

3.当BAS系统单独安装了不间断电源，并且采用集中供电方式时，应考虑到放置电源设备的区域和位置；

4.应适当考虑员工值班、修理和休息所需的面积。

BAS中央控制室的其他要求：

1.控制室内宜采用抗静电活动地面；

2.控制室内长度大于7m时，宜设两个出口外开门，出口宽度不小于1m；

3.控制室的土建及装修等要求见有关电脑室设计标准。

BAS系统的供电要求：

1.应由变配电所引出的专用回路向中心控制室供电，供电回路应采用安全电源供电；

2.中心运行站供电应安装不间断电源(UPS)装置，该装置的容量应包括系统内用电设备总数，并考虑预计扩大容量，UPS的供电时间不少于20分钟；

3.DDC的电源宜采用中央控制室集中供电方式，向各DDC采用放射式供电，如采用就地供电，可采用就近保安电源供电；

BAS系统接地要求：

通常采用建筑物的整体接地方式，要求建筑物的整体接地电阻不大于1Ω，如BAS系统单独设接地极极，应采用点式接地，要求接地电阻不大于4Ω，且与建筑物防雷接地系统的接地极距离不小于20m；

在BAS系统设计中所用到的仪表范围选择、调节阀计算方法等，请参阅相关的自动仪表设计手册；现场仪表的安装方法参见有关自动化仪表的标准安装图集和设备制造商的安装说明书。

冷、热设备监测系统

（一）冷源系统监测原理

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为简单(无冷却水循环系统，其室外机承担水冷式热泵机组冷却水循环功能，其室外机由热泵机组自带控制器控制)。

2.冷冻水循环：建筑空调冷源系统的冷冻水循环见图左下角，该系统将各楼层空气处理设备循环回来的高温冷冻水送到冷水机组冷却，然后供各空气处理设备使用。

3.冷却水循环：建筑空调冷源系统的冷却水循环见图的右半部分，主要工作是把冷却水机组从冷冻水循环中吸收的热量释放到室外。

4.设备间的联动和冷水机组的群控：冷水机组是整个建筑空调冷源系统的核心设备，冷水循环是根据冷水机组的运行状态对其进行相应控制的。

5.冷冻水回路二次水泵变频的控制方案：前面已经提到，为了平衡冷冻水回路采用定流量水泵时，负荷侧变流与冷水机组侧定流之间的矛盾，防止低负荷(负荷侧盘管水阀同时关小)水泵对管路和泵本身造成的冲击，应在冷冻水供回水总管上加装旁通回路，通过旁通阀开度控制平衡水管压力。

6.冰存冷系统：冰存冷的基本思想是在白天高峰时段融冰供冷，在夜间低谷电价时段制冰蓄冷。

冷水机控制：

1)冷水机组启动/停止控制和状态监测。

2)冷水机组故障报警监控。

3)冷水机组手动/自动控制状态监测。

4)冷冻水出水/回水温度监测等

冷却塔控制：

1)冷却塔风机起停控制和状态监控。

2)冷却塔风机故障时的报警监控。

3)冷却塔风扇的手动/自动控制状态监测等

4)冷却泵的启动/停止和状态监测。

5)冷却泵故障报警监控。

6)手/自动控制状态监测冷却泵等。

冷热水机组控制：

首先，当需要增加一个冷水机组启动时，需要确定哪个冷水机组启动，同样，需要停止一个冷水机组时，也是如此。

第二，当需要启动或停止某一冷水机组时，首先要确定应增加或停止哪几台冷冻泵、冷却泵和冷却塔的数量。

1)制冷机组优先控制策略：当空调负荷小于制冷机组容量时，仅在制冷机组上运行，只有当空调负荷大于制冷机组容量时，才用蓄冷装置补充不足的部分。

2)蓄冰优先供冷控制策略：当空调负荷低于蓄冰设备的最大融冰释冷量时，首先由融冰承担负荷，当空调负荷大于融冰释冷量时，再将机组补充投运。

3)固定比例供冷控制策略：这一控制策略是指冰蓄冷设备和制冷机组按固定比例输出冷量，以满足建筑物空调负荷的需要。

4)优化控制策略：该控制策略是根据动态预测负荷，在一种约束条件(包括最大冷负荷约束、一次蓄冰设备最大蓄冷量约束、一次融冰速度约束等)下，对多个控制目标(包括日运行费用、空调负荷、一次蓄冰设备剩余蓄冷量、制冷机组动次数等)进行优化。

（二）热源系统监测原理

1.热泵系统制热工况监测原理：热泵机组相应热源系统的工作原理及其监测内容与制冷状态下相同，只是热泵机组内冷凝器和蒸发器的位置可通过四通阀互换。

2.锅炉系统监测原理：锅炉系统设备包括锅炉单元、换热器和热水循环三个部分。

1)对锅炉运行状态进行监控，故障报警。

2)对锅炉烟道温度、锅炉压力进行监控。

3)监控补水箱高低液位的报警信号。

4)锅炉油耗或气耗实时检测。

5)对锅炉一级泵运行状态、压差和旁通阀开度进行监控。

6)锅炉一级水温供回水。

（1）监测各换热器出水温度、回水温度，根据出水温度调节一次热水(或蒸汽)调节阀，确保出水温度稳定在设定值范围内，并报警；有条件地检查二次侧水流量，以估计冬季空调负荷。

（2）监测热水循环泵的运行状态及故障信号，当发生故障时报警，并记录故障时间。

冷水机组

通过使用压缩机、冷凝器、蒸发器等设备，人工控制制冷剂气液状态的变化，并反复循环，制冷剂就会不断地冷却冷冻水，同时，将所吸收的热量释放到冷却水循环中。

冷水机监控的内容

冷热水机组启动/停止控制和状态监控。

制冷设备故障报警监控。

手/自动控制冷水机组状态监控。

冷冻水出水/回水温度监测等

冷冻水系统：

建筑空调冷源系统的冷冻水循环，是将各楼层空气处理设备循环回的高温冷冻水送到冷水机组供冷，再供各空气处理设备使用。该回路的监控内容主要包括：冷冻泵的监控，冷冻水的供回水各参数的监控，和旁通水阀的控制。

空调，新风机，盘管冷媒为冷冻水。

冷冻水系统监测内容：

冻结泵的启动/停止和状态监控。

冻泵故障时的报警监控。

手/自动控制冷冻泵状态监控等。

冷冻水供应/回水温度监控

冷冻水供应和回流总管的压力监控。

冷冻水循环流量监测等

冷却水循环：

建筑空调冷源系统的冷却水循环，其主要任务是将冷却水机组从冷冻水循环中吸收的热量排出室外。该回路的监控内容主要包括对冷却塔、冷却水泵和冷却水进、回水各参数的监控。

水冷却监测内容：

冷却塔风机的启动/停止控制和状态监控。

冷却塔风机故障报警监控。

手动/自动控制冷却塔风机状态监控等。

冷却泵的启动/停止和状态监控。

制冷泵的故障报警监控。

手/自动控制状态监测冷却泵等。

设备联动和冷水机组群控

冷水机是整个建筑空调冷源系统的核心设备，冷冻水循环、冷却水循环是根据冷水机的运行状态来控制的。

起动冷却塔、冷却水循环系统、冷冻水循环系统时，要确定冷冻水、冷却水循环系统已经起动，才能启动冷却水循环系统。

停机时，停机顺序与开机顺序正好相反，停机时，停机顺序为停水，停水，冷却水循环，最后停机。

建筑空调系统的热源设备主要有两类：热泵机组和锅炉系统。

在制冷工况下，水冷式热泵机组的工作原理与冷水机组完全相同。

风冷式热泵机组的控制比较简单，没有冷却水循环系统，采用风冷式热泵机组的室外机能实现风冷式热泵机组的冷却水循环。

空调机DDC系统监控设计

（一）空调DDC系统的定义及其构成

DDC系统是BAS的技术形态。DDC是英文DIRECTDIGITALCONTROL的简称，翻译成“直接数字控制”。

空调机DDC系统是利用控制技术和通信技术，将空调机中的各种信号(温度、压力、流量、状态等)，通过输入装置输入到DDC中，经过相应的程序运算处理，输出经过处理的信号，从而控制相应的执行器。按图表显示。

（二）DDC系统的信号种类

按照输出的类型，信号可以分为四种类型：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)。

与模拟量信号相对应的是与传感器输出信号特性相关的一定量的电压或电流值。

在空调器自控系统中常见的模拟量输入信号有：温度、湿度、压力流量、压差等；输出信号有：需要控制的电动风阀和电动水阀。

数字式流量输入信号包括：风机、水泵、冷却塔风机、电机工作状态、滤网淤塞状态、报警、压差开关、液位开关、开关信号、防冻保护等。

数码量输出信号包括：电磁阀控制，二位电动水阀控制，水泵、风机、冷却塔等启动和停止控制。

（三）空调机DDC监控系统的主要功能

该空调DDC系统可实现建筑物内空调系统的多种控制功能，同时具有多种管理功能。

一是能量控制和管理职能。也就是说，在空调系统中，根据建筑的实际冷、热负荷，控制风系统和水系统，自动控制冷热设备的运行状态和参数，使整个空调系统达到最优节能状态。

二是对空调系统及其冷、热源系统的有关参数进行调节控制和监控，并对空调设备的运行情况进行监控。

三是空调设备，如冷水机组、水泵、风机等，在规定的起动和停止时间内进行控制，以达到节能的目的。

四是空调设备运行时间自动累计，维护期限报警，以便更换或维修有关设备，延长设备使用寿命，提高设备运行质量。

五是根据空调设备的运行时间，自动切换工作和备用设备，使设备处于良好的工作状态。

六是空调系统能耗的计量和计费方法。

七是物业管理各项文书之自动编制、打印及查询。

（四）空调DDC系统的构成

1.日期时钟：提供参考时间。

2.程序存储器：储存各种应用程序，也就是用户编写的控制程序来控制各种空调系统。

3.工作内存：用于读写、随机存取和临时存取数据。

4.多路输入输出控制器：多路输入控制器能把输入信号输入到A/D转换器，把模拟量转换成数字量，然后输入到微处理器进行处理。操作结果进入D/A转换器，再经输出控制器送到变送器和执行器；还可直接读取和输出开关的量信号。

5.DDC控制系统相关软件：包括运行软件和应用软件。

（五）举例说明空调DDC的控制

空调机的DDC控制包括空调机的风系统控制和空调机的水系统控制，下面分别举例说明：

新风机组的控制：

新风机为无回风装置的空调器，检测和控制同一台空调器。

新的风能机组节能控制通常以风口温度或室内温度作为调节参数。将风口温度或室内温度传感器测得的温度输入DDC控制器与给定值比较，并产生偏差，由DDC按PID规律调节冷表回水调节阀的开度，以控制冷冻(加热)水量，使室内夏季温度低于28度，冬季高于16度。

检测器、控制点说明：

A.探测点

数值：新风机组的运行状态，新风机组的故障状态，新风机组的手动/自动状态，过滤器堵塞报警及防冻报警。

模拟量：送风温度，送风湿度，新风温度，新风湿度及空气品质的测定。

B.管制点

数字式：新风机组的开关控制。

模拟量：新风开关控制，冷冻/加热回水阀控制，电动加湿阀门控制。

新机工作状态为压差开关检测，新机起动后风道内产生风压，送风机和回风压差增大，压差开关关闭，表明新机处于运行状态。新机故障报警信号取到电源箱主回路继电器辅助接触处。

连锁控制

新机组启动顺序控制：

进风机起动时，新风阀开启，回水调节阀开启，加湿阀门开启。

新机组停机顺序控制：

进气口关闭-关闭加湿阀门-关闭回水阀门-关闭新风阀门。