智能建筑中暖通空調(diào)和照明系統(tǒng)控制策略

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　　1、概述

　　美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)建筑系建筑物性能測試中心（Center for Performance and Diagnostics，Department of Architecture，Carnegie Mellon University）所籌建的智能工作區(qū)間（Intelligent Workplace，簡稱IW）是一個(gè)受美國國家科學(xué)基金委員會(huì)支持，由國際財(cái)團(tuán)ABSIC（Advanced Building Systems Integration Consortium）投資興建的。ABSIC由學(xué)校、公司以及政府部門共同組建。美國政府部門包括國防部、能源部、環(huán)境保護(hù)署、服務(wù)總局和國家科學(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試中心。IW是美國第一所有關(guān)建筑物性能測試的重點(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。對建筑物的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測試和模擬，以期提高建筑物內(nèi)辦公人員（以辦公室為實(shí)驗(yàn)對象）對環(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€，既有室外的景致又要有相對的隔離，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、法國、英國和北美的各項(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)備被稱為“有智能”或“是一個(gè)智能單元”，或一座建筑物被稱為智能建筑，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)用與控制策略是評價(jià)智能建筑的重要的因素之一。

　　本文以美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)建筑物性能測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的控制信號(hào)。它是在室內(nèi)基本溫度點(diǎn)基礎(chǔ)上，對溫度進(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能電池。

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

　　2.1.5照明系統(tǒng)由房間使用狀況檢測、日光、陽光反射、室內(nèi)光照度等檢測信號(hào)，用開關(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、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)、可開啟窗戶、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、空氣處理器、加熱盤管、冷卻盤管、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器（最大照度）、室內(nèi)照度檢測器、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、可開啟窗戶、門遮陽設(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）

　　空氣處理單元-3（AHU3）

　　埋管式輻射墻板埋管式輻射墻板控制系統(tǒng)埋管式輻射墻板1-26（分組）

　　個(gè)人工作環(huán)境系統(tǒng)個(gè)人工作環(huán)境系統(tǒng)控制系統(tǒng)個(gè)人工作環(huán)境1-30（分組）

　　系統(tǒng)接口溫度/空氣品質(zhì)控制系統(tǒng)與照明控制系統(tǒng)接口（兩個(gè)公司產(chǎn)品）

　　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)測控制系統(tǒng)的硬件控制系統(tǒng)的硬件工作狀況監(jiān)測安全監(jiān)視和檢查系統(tǒng)門衛(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。

　　現(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，在工作人員到來之前開始工作，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傳感器檢測到有人工作，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、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。如夏天的陽光提供工作臺(tái)的光線亮度，但又帶來多余的熱量。減少陽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，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)的控制過程都沒有現(xiàn)成的模型可以精確地描述，慢過程、超時(shí)延遲和非線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)。

　　如果沒有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來管理和維護(hù)上述的功能，建筑或建筑群是不能稱為智能建筑的，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)來協(xié)調(diào)。所以，用工作站協(xié)調(diào)來自于不同生產(chǎn)廠家的子控制系統(tǒng)是必要的。