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现代有机建筑中的楼宇自控应用分析

发布时间:2022-01-09 14:27

所谓的有机建筑是指适应环境的自然建筑,是其基地环境的产物,建筑的形成、构成及其与之有关的任何问题的解决,都根据其内在因素来思考,力求与环境融为一体,甚至成为环境的一部分。它属于现代建筑运动中的一个派别,其代表人物是美国的著名建筑师F.L.莱特。

目前,随着现代化建筑技术、控制技术、计算机技术以及通信技术等的迅猛发展,产生了一个新的学科领域,即智能建筑技术。当前,对这项技术的研究越来越广泛和深入,其应用也越来越广。其中楼宇自控系统是建筑智能化系统的关键部分,本文将结合已有研究对现代有机建筑中的楼宇自控应用进行分析。

1 有关楼宇自控系统的概述

所谓的楼宇自控系统也称为楼宇自动化系统(BAS),是通过中央的计算机系统网络对楼宇内的变配电、换热站、中央冷冻站、空调机组、电梯、照明、变排风机组、安防系统等机电设备和区域进行分散控制和集中检测、管理的综合性监控系统。能够对楼宇内的设备进行自动监视、自动操作及自动调节,以适应楼宇内部环境的不断变化,当这些设备出现问题时能自动报警,并且能记录设备变化的趋势,对设备的操作和维修提供极大的便利,从而能提高管理水平,极大地节约了能源和人工成本。总得来说,楼宇自控系统的优势有以下几点。

1.1 节约水、电能耗

楼宇自控系统利用计算机系统对楼宇内的给排水系统等设备进行集中监测和控制,对楼内的用水进行统一管理和调配,合理地提高水资源的利用率及循环使用率,减少市政的供水量以及污水排放量,从而有效地达到节约水资源消耗的目的。

同样地,楼宇自控系统对楼宇内的机电设备也是通过计算机系统进行监视和管理,对大楼内的设备用电情况进行统一调配,从而尽量实现建筑用电负荷的最小化,最大限度地减少电能消耗,以避免不必要的电能浪费。通常情况下,建筑采用楼宇自控系统可以减少15%~20%的电能消耗。

1.2 节省人工成本

因为楼宇自控系统对楼宇内的设备采用计算机系统进行集中控制,因此,使用时可以减少大量的设备操作人员和维护人员,并因为自控系统能对设备变化趋势进行记录,出现问题时自动报警,从而能够及时发现并处理设备出现的问题。如果建筑物没有采用楼宇自控系统,则设备的运行、维护以及保养都需要通过人工操作来完成,这就要求配备大量的人员。因此,建筑物采用楼宇自控系统,上述工作均可由预先设计的程序来自动完成,可以减少大约65%的设备操作和维护人员,大量地减少了人员配备,不仅减少了人工成本,还可以避免由于人员众多而引起的一系列管理问题。

1.3 延长设备的使用年限

建筑物采用楼宇自控系统后,各项设备的运行情况都处在计算机系统的完全监控之下,楼宇自控系统不但能提供设备运行趋势的完整变化记录,还能定期打印设备的保养、维护等的通知单,提醒维护人员对设备进行及时保养,从而可以有效延长各项设备的使用寿命,降低运行费用。

1.4 有效保证建筑及人员安全

建筑物采用楼宇自控系统除了上面的优点之外,还因其将建筑物内的安防系统和停车管理系统等进行统一管理,并同消防报警系统进行联网,不但有效提高了建筑物的管理水平及管理效率,减少了各个环节、部门之间的协调,还有效保证了建筑及建筑物内人员的安全。

2 现代有机建筑中楼宇自控系统的系统架构

现代有机建筑中的楼宇自控系统的结构形式主要分为集散式和现场总线式这两种。所谓的集散式即DCS(Distributed Control System),它是通过两层网络对三个层级的设备进行控制的一种结构形式,具有集中管理、分散控制的特征,这种结构形式应用较为普及。系统中央管理工作站是集散式控制结构的核心,它主要包括中央管理工作站、网络总线、现场控制器(包括人机交互平台和控制处理中心)、传感器、变送器以及电动执行机构等多个部分。

而现场总线式即FCS(Fidlebus Control System),是指将有机建筑中的现场受控设备的仪器、仪表、现场总线及控制计算机这三部分组成的一种现场总线控制的结构形式,现场总线控制技术是它的核心,其特点为实时、便捷、稳定、价格低廉等等,能弥补集散式的不足。当前主流的楼宇自控系统大部分采用这种结构形式。

3 现代有机建筑中的设备监控

根据现代有机建筑的特点,与传统的监控范围相结合,现代有机建筑中楼宇自控系统的监控内容应包括电气系统、空调与通风系统、给排水系统等的监控,具体情况有以下几点。

3.1 电气系统监控

3.1.1 变配电系统的监控

楼宇自控系统中对变配电系统的监控内容主要有:

1)对变配电系统运行时的参数进行实时监测;

2)对变配电系统的相关设备进行实时监测,若发现异常自动发出警报,并显示发生异常的位置及参数;

3)对楼内的所有用电设备的用电量进行统计,进行电费的计算和管理,并通过对用电量的时间与区域分布进行分析绘制楼内的用电负荷曲线图;

4)建立管理电气设备检修与保养记录的设备档案。根据变配电系统的监控内容可以得知其应监测的参数如下:进线的开关状态、电压、电流、功率因素、跳闸报警;主要出现的电流、电量、电压、功率因素;母联开关的状态及故障信号;柴油发电机的电流、电压、开关状态、运行状态、故障报警等等。

3.1.2 照明系统的监控

照明监控系统监控的主要内容有公共区域的照明、室外的泛光照明,监控各个照明回路的运行状态等等,系统每天按照预先的时间程序进行照明系统的开关控制,但对建筑内部的房间以及办公室等的照明不作监控。

3.1.3 电梯系统的监控

由于电梯系统大多是由电梯厂家设计的独立的控制系统,因此楼宇自控系统对于电梯系统只进行监视不作任何控制,电梯系统须通过标准接口和网关将有关电梯的运行状态、故障警报、开列历史记录以及维护和保养清单等内容传至楼宇自控系统。

3.2 空调与通风系统的监控

3.2.1 空调冷热源系统的监控

对空调系统的监控包括空调冷源系统监控和空调热源系统监控。空调冷源系统监控应根据其所监测到的参数计算整栋建筑物的空调负荷,以此对空调冷冻机组进行群控,其监控的主要内容有:对冷水机组的进水口和出水口的冷冻水温度进行检测;对集水器和分水器的供水温度进行测量;对冷冻水的供回水流量和温度进行检测;对分水器和集水器的压力压差进行测量等。

空调热源系统监控的主要内容有:监控板式换热器及水泵状态的运行状态和故障报警;对集水器进出口的热水温度进行测量;控制热水循环泵的交替运行;对水流开关状态的监控;对测量参数的实时显示并转换成动态图像等。

3.2.2 空调新风系统监控

楼宇自控系统对本系统的监控内容有:对空调新风和传感器各项参数的监控;对过滤网两侧压差的监测、对送风机的运行状态及故障进行监测;对送风机启停开关进行控制;对新风门的开度进行控制;对循环水管道冷/热水阀门开度进行调节;对送风风速进行检测等等。

3.3 送排风系统监控

本系统监控内容主要有:对送排风系统的手动/自动状态、运行状态以及故障报警等的监测;对送排风机的开关控制;对送排风机的风速的监测;对测量参数进行动态实时显示并转化为动态图像。

3.4 给排水系统监控

本系统监控内容主要有:监测系统水流状态;监测潜污泵、中水泵、生活水泵等的运行状态、故障报警及手动/自动状态,并控制其启停;对集水坑的高、低和报警液位进行监测;监测水泵的运行时间;监测屋顶水箱、生活水池和水箱、中水水箱以及消防水池的高、中、低水位;泵故障时自动投切备用泵等等。

3.5 监测建筑表面的温度

其监控的内容主要是保温墙体的内表面和外表面的温度、种植屋面的内表面和外表面的温度、非种植屋面的内表面和外表面的温度、节能窗玻璃的内表面和外表面的温度、节能窗窗框的内表面和外表面的温度等等。

4 现代有机建筑的楼宇自控系统的节能控制方案

因为不同建筑物的室内外环境及设备的使用情况有所不同,所以楼宇自控系统的控制策略应从节能以及舒适的角度出发,根据楼宇内机电设备之间存在的内在联系,实现对整个楼宇系统的连锁控制。并应根据从各个计量系统取得的能耗数据进行分析和处理,以此来制定设备维护计划,优化系统控制的参数,从而实现在机电设备正常及稳定运行的前提下,实现最大可能地节省能源,从而降低其运行及维护的成本。

4.1 提高建筑物室内温度和湿度控制的精度

没有采用楼宇自控系统的建筑,往往会出现夏季建筑物室内温度过低,冬季室内温度过高的现象,这不仅造成对能源的浪费,对于人体的健康也是非常不利的。而采用楼宇自控系统的建筑可以按照预先的设定对室内的温度和湿度进行自动调节,还能根据室外温度及湿度的实时变化和四季变幻等来改变其室内的温度及湿度的设定。进而满足人们对室内温度及湿度的需求,更充分地发挥空调应有的功能。空调系统温度和湿度控制的精度越高,人体的舒适性就越好,更重要的是还能节省能源消耗,一举多得。

4.2 新风量控制

我国地处北半球的中纬度地区,大部分地区夏季高温多雨,冬季寒冷而干燥,春季和秋季短促,因此,应在适当条件下大量使用新风,以实现既不牺牲舒适性还能节省能源消耗的目的。

建筑物内每人都应有一定的新风量才能满足卫生要求,然而,新风量获取过多会增加能源消耗。因此应在满足室内卫生要求的基础上控制新风量,其节能效果很是显著,具体措施有以下几种:

1)根据室内允许的二氧化碳的浓度来确定新风量。就是根据室内或者回风中二氧化碳的浓度,对新风量进行自动调节,从而确保室内空气的新鲜度;

2)通过在房间安装压力传感器,据此来控制房间的正压(一般为50~100 kPa),防止外界环境中的空气进入室内,保持房间的洁净度,保持系统运行的经济性。

4.3 春季和秋季过渡控制模式

这种模式以室外的日平均气温或气候状况作为判断依据来进行人工切换。这个时候,冷冻站和换热站的运行已经停止,是通过将外部空气和室内空气进行混合来对室内的温度进行调节,以此来达到节约能源消耗的目的。比如,秋季过渡控制模式就是采用夜间吹扫的方式,将室外的凉爽空气带入房间以净化室内空气,并且散发房间余热。

5 结束语

楼宇自控系统是现代有机建筑的重要组成部分,它的设计涉及建筑设计、工程技术、计算机技术、管理等多个领域的专业知识,且各个方面都是独立的知识结构体系。楼宇自控系统在现代有机建筑的应用,不仅能对建筑物中的各种机电设备进行实时监控,提高控制的精度,还能降低人工成本和能源消耗,确保建筑物的安全运转,为人们营造一个安全、舒适、高效及节能的环境。

目前,国内有关现代有机建筑的研究较少,通过有机建筑标识认证的项目寥寥无几,其市场发展的潜力大。在当前社会大力提倡低碳环保和节能减排的大背景下,楼宇自控系统在现代有机建筑中的应用将越大越广,其发展前景不容小觑。

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