智能建筑中暖通空調(diào)和照明系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與策略

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摘要：以美國(guó)一大學(xué)建筑物性能測(cè)試中心的智能工作區(qū)間為例，說(shuō)明了暖通空調(diào)和照明系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，以及應(yīng)用設(shè)備和軟件流程圖，介紹了智能建筑的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略。

　　關(guān)鍵詞：智能建筑；照明系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

　　1、概述

　　美國(guó)卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)建筑系建筑物性能測(cè)試中心（Center for Performance and Diagnostics， Department of Architecture，Carnegie Mellon University）所籌建的智能工作區(qū)間（Intelligent Workplace，簡(jiǎn)稱(chēng)IW）是一個(gè)受美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)支持，由國(guó)際財(cái)團(tuán)ABSIC（Advanced Building Systems Integration Consortium）投資興建的。ABSIC由學(xué)校、公司以及政府部門(mén)共同組建。美國(guó)政府部門(mén)包括國(guó)防部、能源部、環(huán)境保護(hù)署、服務(wù)總局和國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)，公司中有AMP Incorporated，Johnson Controls， Siemens Energy and Automation Inc， Siemens AG等著名的大公司，學(xué)校即為卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)建筑系的建筑物性能測(cè)試中心。IW是美國(guó)第一所有關(guān)建筑物性能測(cè)試的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，集研究、發(fā)展和商業(yè)應(yīng)用于一身。實(shí)驗(yàn)中心的目的是提高建筑物內(nèi)部的工作環(huán)境質(zhì)量和節(jié)約能源。對(duì)建筑物的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試和模擬，以期提高建筑物內(nèi)辦公人員（以辦公室為實(shí)驗(yàn)對(duì)象）對(duì)環(huán)境7個(gè)方面的要求：新鮮空氣，適宜的溫度，適當(dāng)?shù)墓饩€(xiàn)，既有室外的景致又要有相對(duì)的隔離，獨(dú)立和安靜的工作空間，具有多媒體功能的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)，符合人體工程學(xué)的家具與環(huán)境。根據(jù)估算，僅在節(jié)約能源方面采用了一系列新技術(shù)以后，可使建筑物的節(jié)能達(dá)到75%（以美國(guó)現(xiàn)在使用能源的普遍情況為標(biāo)準(zhǔn)）。所以，卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)（CMU）建筑系在參照了日本、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)和北美的各項(xiàng)研究成果后，重新設(shè)計(jì)而建成的這個(gè)新型研究中心必將會(huì)推動(dòng)建筑界以及智能建筑學(xué)科的發(fā)展。

　　智能建筑中HVAC和照明系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，是智能建筑的重要組成部分。此系統(tǒng)的工作性能，直接關(guān)系到提高工作環(huán)境的舒適度而提高工作人員的工作效率，也是關(guān)系到節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)的重要手段。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)工作區(qū)間的內(nèi)部條件和外部條件，適時(shí)或按計(jì)劃自動(dòng)控制室內(nèi)溫度、濕度、工作區(qū)間的亮度等。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是體現(xiàn)“智能”諸因素中最重要的因素之一。一個(gè)在建筑中使用的設(shè)備被稱(chēng)為“有智能”或“是一個(gè)智能單元”，或一座建筑物被稱(chēng)為智能建筑，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用是必要條件。所以，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用與控制策略是評(píng)價(jià)智能建筑的重要的因素之一。

　　本文以美國(guó)卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)建筑物性能測(cè)試中心的智能工作區(qū)間的HVAC和照明系統(tǒng)的控制系統(tǒng)為例，說(shuō)明智能建筑控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略。

　　2、智能建筑集成系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

　　2.1主要設(shè)備

　　2.1.1蒸發(fā)式冷卻空調(diào)系統(tǒng)此系統(tǒng)的3階段供冷啟動(dòng)順序?yàn)椋簾徂D(zhuǎn)輪啟動(dòng)，蒸發(fā)冷卻器啟動(dòng)，備用冷卻盤(pán)管啟動(dòng)；其兩階段供熱啟動(dòng)順序?yàn)椋簾徂D(zhuǎn)輪運(yùn)行進(jìn)行熱回收，利用熱水盤(pán)管加熱處理空氣。此空調(diào)系統(tǒng)主要任務(wù)是保證室內(nèi)空氣的清新，提供室內(nèi)的基本溫度保證。

　　2.1.2埋管式輻射墻板墻架上和空氣中的溫度傳感器提供水流閥門(mén)的控制信號(hào)。它是在室內(nèi)基本溫度點(diǎn)基礎(chǔ)上，對(duì)溫度進(jìn)行再調(diào)整的設(shè)備。

　　2.1.3屋頂通風(fēng)裝置室外溫度、濕度、風(fēng)力、降雨量，室內(nèi)溫度、濕度，提供此開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。它是室內(nèi)溫度、濕度調(diào)整的輔助設(shè)備，也是節(jié)約能源的重要手段。其動(dòng)力是日光反射板上的太陽(yáng)能電池。

　　2.1.4日光反射板陽(yáng)光和溫度都是照明系統(tǒng)和溫度系統(tǒng)的信號(hào)源，光線(xiàn)反射板受控于這兩個(gè)系統(tǒng)。既能遮光，也能將室外光線(xiàn)反射到室內(nèi)。

　　2.1.5照明系統(tǒng)由房間使用狀況檢測(cè)、日光、陽(yáng)光反射、室內(nèi)光照度等檢測(cè)信號(hào)，用開(kāi)關(guān)、遙控器或計(jì)算機(jī)程序控制此系統(tǒng)。

　　2.1.6個(gè)人工作環(huán)境系統(tǒng)在個(gè)人工作環(huán)境系統(tǒng)中，溫度、濕度、房間使用狀況檢測(cè)、空氣流速、空氣品質(zhì)等數(shù)據(jù)均為控制因素。每人工作環(huán)境系統(tǒng)的溫度、濕度的期望值，房間使用狀況檢測(cè)數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)中的傳感器或由人工給定，由通訊系統(tǒng)傳送給上一級(jí)（網(wǎng)絡(luò)工作級(jí)）和系統(tǒng)工作站，由網(wǎng)絡(luò)工作級(jí)和系統(tǒng)工作站的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制此個(gè)人工作環(huán)境系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)。

　　2.1.7控制系統(tǒng)和主配電盤(pán)它是控制、電源和通訊系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

　　2.2控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)分為兩大控制部分：

　　2.2.1溫度和空氣品質(zhì)控制系統(tǒng)溫度和空氣品質(zhì)控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)包括蒸發(fā)式冷卻空調(diào)系統(tǒng)、埋管式輻射墻板、個(gè)人工作環(huán)境系統(tǒng)、可開(kāi)啟窗戶(hù)、屋頂通風(fēng)裝置等。本系統(tǒng)的傳感器包括室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、室外溫度、室外濕度、冷熱水流數(shù)據(jù)、房間使用狀況、空氣品質(zhì)（CO₂）數(shù)據(jù)、露點(diǎn)溫度，以及室外風(fēng)力等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是熱轉(zhuǎn)輪、蒸發(fā)冷卻器、水流閥門(mén)、空氣處理器、加熱盤(pán)管、冷卻盤(pán)管、氣流混合調(diào)節(jié)器、水壓調(diào)節(jié)器、屋頂通風(fēng)裝置等。

　　2.2.2照明控制系統(tǒng)照明控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)包括環(huán)境燈、周邊燈、工作燈、室內(nèi)遮光設(shè)備、日光反射板等。燈光控制系統(tǒng)的傳感器包括室外日光檢測(cè)器（最大照度）、室內(nèi)照度檢測(cè)器、房間使用狀況等。執(zhí)行器是控制日光反射板的電機(jī)，控制天窗、可開(kāi)啟窗戶(hù)、門(mén)遮陽(yáng)設(shè)備的電機(jī)，數(shù)字式日光燈整流器，數(shù)字式相位燈光調(diào)節(jié)器，數(shù)字轉(zhuǎn)換器等。

　　溫度和空氣品質(zhì)這兩個(gè)控制系統(tǒng)和照明控制系統(tǒng)是互相干擾的。譬如，為了節(jié)約能源和得到舒適的工作環(huán)境，冬天和夏天對(duì)日光的需要是不同的。

　　2.3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總控制工作站熱冷水系統(tǒng)熱水系統(tǒng)冷水系統(tǒng)空氣處理系統(tǒng)空氣處理單元-1（AHU1）

　　控制系統(tǒng)的輸入、輸出量控制系統(tǒng)的輸入、輸出量的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的硬件控制系統(tǒng)的硬件工作狀況監(jiān)測(cè)安全監(jiān)視和檢查系統(tǒng)門(mén)衛(wèi)磁卡檢查系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)備打印機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備3　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制策略總控制工作站的控制策略必須根據(jù)各種條件，用控制算法去協(xié)調(diào)上述設(shè)備的工作?，F(xiàn)假定工作程序和環(huán)境為：按照當(dāng)天的室外氣象參數(shù)，蒸發(fā)式冷卻空調(diào)系統(tǒng)已根據(jù)時(shí)間或遙控命令，在工作人員到來(lái)之前開(kāi)始工作，提供基本室內(nèi)溫度和其它條件，當(dāng)個(gè)人工作環(huán)境的房間使用狀況檢測(cè)傳感器檢測(cè)到有人工作，提供啟動(dòng)信號(hào)給上級(jí)計(jì)算機(jī)，控制系統(tǒng)按照人的給定期望值，調(diào)整此個(gè)人工作環(huán)境的環(huán)境參數(shù)。

　　　4、總結(jié)

　　溫度控制系統(tǒng)、空氣品質(zhì)控制系統(tǒng)和照明控制系統(tǒng)的某些控制目標(biāo)是相關(guān)的，被控制目標(biāo)和設(shè)備之間存在互相干擾。且智能建筑集成系統(tǒng)的各個(gè)部分是由一些不同廠家生產(chǎn)的，這些產(chǎn)品中存在很多不同標(biāo)準(zhǔn)，像數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn)、硬件接口、軟件接口、控制算法等。由于信息流和被控目標(biāo)的不確定性和復(fù)雜性，使得控制系統(tǒng)非常復(fù)雜。如夏天的陽(yáng)光提供工作臺(tái)的光線(xiàn)亮度，但又帶來(lái)多余的熱量。減少陽(yáng)光的照射又可能使工作環(huán)境照度不夠。故怎樣發(fā)揮每一設(shè)備的工作能力，又可控制工作環(huán)境溫度、濕度、空氣新鮮度，工作環(huán)境的照度、噪聲、背景音樂(lè)，與外界（世界和本系統(tǒng)之間）的通訊暢通，各種辦公設(shè)備的使用方便程度，等等，且能像轎車(chē)內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)一樣，所有指標(biāo)都能在本人的工作區(qū)間內(nèi)作自我調(diào)整，創(chuàng)造最佳工作環(huán)境。亦能滿(mǎn)足保護(hù)環(huán)境、減少污染、節(jié)約能源的大目標(biāo)。這些就是控制系統(tǒng)的基本任務(wù)。

　　無(wú)論是溫度控制系統(tǒng)、空氣品質(zhì)控制系統(tǒng)還是照明控制系統(tǒng)的控制過(guò)程都沒(méi)有現(xiàn)成的模型可以精確地描述，慢過(guò)程、超時(shí)延遲和非線(xiàn)性使得控制器使用不需要數(shù)學(xué)模型的算法，如模糊控制、預(yù)測(cè)控制等。溫度控制系統(tǒng)、空氣品質(zhì)控制系統(tǒng)就是一個(gè)超延時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)，再加上這兩個(gè)控制系統(tǒng)與照明控制系統(tǒng)分別采用兩個(gè)公司的產(chǎn)品，所以，控制系統(tǒng)總工作站采用PID和模糊控制方法，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為三級(jí)，分別為現(xiàn)場(chǎng)工作級(jí)、網(wǎng)絡(luò)控制級(jí)和程序員操作級(jí)。由程序員操作級(jí)的控制系統(tǒng)總工作站協(xié)調(diào)和控制整個(gè)控制系統(tǒng)。

　　如果沒(méi)有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)管理和維護(hù)上述的功能，建筑或建筑群是不能稱(chēng)為智能建筑的，雖然智能單元能夠自動(dòng)完成一些功能，但全部工作需要計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)。所以，用工作站協(xié)調(diào)來(lái)自于不同生產(chǎn)廠家的子控制系統(tǒng)是必要的。