空调系统智能建筑空调及其自动控制系统

智能建筑的概念从发达国家传入我国已有大约十年的时间，近几年来，国内在这方面有了蓬勃的发展，一大批具有智能化的建筑也开始出现。由于智能建筑的概念涵盖面广，因此至今对这一概念没有一个明确的定义或界定。总结国内这方面的建设及研究情况，可以看出：实际上我们所提到的智能建筑，只是在某些领域具备一定智能化的建筑，其智能化的程度也是深浅不一，但都自称为“智能建筑”。由于智能化本身的是随人们的认识和而不断发展和延伸的，因此笔者认为就目前而言，把智能建筑称为智能化建筑也许更为合适一些。 　　智能化建筑从功能上看，应具有在某种程度上提供给使用都各种优良舒适的内部环境、安全保障、与外界的信息交流、节省各种能源费用等基本功能。因此，当每一个基本功能和系统都设置较为完善时，再加上计算机或电子技术等的后备支持，也就可能产生出一个具备一定智能化的建筑来。笔者从事建筑空调，在这里以具体工程为例来谈谈有关智能化建筑中与空调设计相关的一些情况。 　　建筑物的空调通风系统，主要目的是为建筑内部提供一个满足使用要求的舒适性环境，其具体的舒适性参数包括温度、湿度、空气的清新度等，属于人工环境的范畴，因此从广义上来说也可视为建筑智能化的一部分。但要达到上述环境参数的要求，则控制上必须由先进的电子技术来支持才能完成。 　　下面以“北京世界金融中心”工程为例来介绍。 　　1、 工程简介 　　“北京世界金融中心”是由中国人民保险信托投资公司投资的一幢高级办公工综合楼，地点位于北京市朝阳区朝外大街的繁华商业区内。工程总建筑面积116000M2，总高度165M（至金属塔尖顶），地下三层，地上三十二层。各层所设置的房间及其用途如下： 　　地下3层：汽车库、冷冻机房、水处理间、水池及水泵房等； 　　地下2层：汽车库、变配电室、热交换间、职工卫生间及空调机房等； 　　地下1层：汽车库、自行车库、发电机房、职工餐厅及其厨房、四季门厅、超级市场等； 　　1～3层：门厅大堂、四季厅、自动扶梯厅、零售商场等； 　　4层：门厅大堂、四季厅、自动扶梯厅、游泳池、中西餐厅及其厨房等； 　　5层：门厅大堂、四季厅、自动扶梯厅、保龄球室、健身娱乐室等； 　　6～15层：办公室； 　　16层：消防避难层； 　　17～27层：办公室； 　　28～30层：办公室及机电用房； 　　31、32层：多功能厅。 　　2、 空调通风设计 　　针对本工程的特点，空调通风系统设计立足于以下几个基本原则。 　　2.1 保证各房间的空气参数要求 　　主要房间设计参数如下： 　　夏季：办公室： 最小新风量30CMH/P； 　　餐厅、商场： 最小新风量15CMH/P； 　　大厅： 最小新风量15CMH/P； 　　冬季：办公室： 　　商场： 　　餐厅： 　　大厅： 　　在决定上述参数的过程中，考虑到了人员的生活习惯和实际的使用要求。比如：商场冬季温度取值较低，主要是考虑到国内购物者大多在冬季进商场时穿衣较多； 　　大厅标准低于其它房间则是为了给进出人员提供一个环境空气的过渡区域以消除人进出时的不舒适感（甚至发生感冒等）。 　　2.2 节省能源 　　节能是智能化建筑的一个重要特征，也是当前和今后相当长一段时间内国家的方针政策要求。在本工程空调通风设计中，节能设计主要考虑以下计点： 　　2.2.1 合理的加强外围护结构的热工性能 　　节能首先应从基本能耗着手，加强外围护结构的热工性能是降低基础能耗的主要手段。本工程对主要外围护结构的热工要求如下： 　　采光窗采用双层中空热反射玻璃，夏季传热系数不大于3.3W/M2.； 　　墙体夏季传热系数不大于0.5W/M； 　　屋面夏季传热系数不大于0.58W/M； 　　2.2.2 合理的设置空调系统 　　2.2.2.1 根据对本工程各空调末端设备的特性及水系统特性分析，其系统非线性度在0.3~0.35左右，因此，水系统采用变频控制二次泵变水量系统。与一次泵系统相比，在同样控制合理时，全年可节约空调系统总能耗的5~8%左右。 　　2.2.2.2 根据办公室的使用特点，采用变风量空调系统，与定风量系统相比，可大量节约能源。 　　2.2.2.3 合理的划分空调内、外区，并且内区和外区各自采用独立环路水系统，可防止冷、热的相互抵消，提高能源的有效利用率。 　　2.2.2.4 合理的采用天然冷源（新风直接冷却），减少冷水机组的运行时间。 　　2.2.2.5 设置合理而有效的空调自动控制系统，保证前述各种系统的节能运行，同时它也是保证空调通风舒适性的一个关键因素。 　　2.3 充分考虑空调通风系统运行管理的方便性和可维护性。 　　2.4 安全保障 　　设置合理的防火及防排烟系统，并考虑空调自动控制系统与消防报警系统之间的联系问题。 　　除上述之外，尽量节省投资、方便施工等也是设计中具体涉及到的一毓主要问题。 　　3、 空调自动控制系统 　　本工程空调自动控制系统采用DDC系统。 　　3.1 防火 　　3.1.1 防火阀与通风机的联锁 　　根据《高规》的规定，当防火阀熔断关闭时，其对应的通风空调系统应关闭，风机应停止运行。这一要求是比较简单的，本设计中由DDC控制系统来实现。 　　由于同一风系统中可能带有多个防火阀，为了减少DDC系统的DI点及减少编程控制的复杂性，设计中把同一风系统中的多个防火阀信号进行并联后送入DDC系统之中，这样任何一个防火阀动作后都能使对应的风机迅速停止。 　　3.1.2 与消防中心的联系 　　由于消防控制系统与本楼的DDC系统相互独立，目前在北京还不允许这两个系统联网的情况下，DDC系统的信号无法送入消防控制系统之中。因此，本设计要求DDC系统采用双微机方式，其中一台设于消防控制中心，以利火灾时消防中心能够及时切断有关的空调通风设备并采取其它相应措施，也能使空调通风系统的火灾信号能在消防中心及时报警。但消防中心的管理人员除可对正常运行的空调通风设备在火灾时进行强制切除并控制排风兼排烟风机外，不能进行其它与消防无关的空调通风设备的控制（如修改设定值或修改控制软件等等）。 　　3.2 水系统控制 　　这里所提到的水系统特指空调冷源系统，所包括的设备有冷水机组、冷却泵、初级及次级泵、冷却塔等，由于热源为独立设置和管理，其控制不在本系统中。 　　水系统控制如图1所示。 　　3.2.1 水系统初起动 　　3.2.1.1 当室外气温TW时，需要起动一台内区次级泵。起动方式为：控制系统根据所测定的室外温度而发出信号，远距离键盘起动或就地人工起动。 　　3.2.1.2 内区次级泵起动后，延迟5~10S，关闭内区热水回水阀V1及供水阀V3（通过阀位信号确认），然后打开内区冷水回水阀V2及供水阀V4，通过水流开关确认此次级泵的运行状态是否正常。 　　3.2.1.3 根据内区分、集水缸的压差P1控制内区次级泵的转速。 　　3.2.1.4 根据内区供、回水T1、T2及流量F1，计算内区空调系统的耗冷量，当耗冷量达到75RT时，发出起动一台冷水机组及相应系统的指令。 　　3.2.1.5 外区由供热水转向供冷水的条件是：F2测量值为零。或根据系统管理要求由人工进行转换。 　　3.2.1.6 外区进行上述工况转换时，起动外区次级泵，之后延时5~10S，关闭外区热水供水阀V5及热水回水阀V7，打开外区冷水供水阀V6及旁通阀V9（这时冷水回水阀V8仍然关闭），通过水流开关确认外区次级泵的运行状态。 　　3.2.1.7 监测外区回水T4，当T4=16~18时（此温度可由管理人员在实际运行后再设定），打开外区冷水回水阀V8，关闭旁通阀V9。 　　3.2.1.8 在关闭V5及V7的同时，外区1~5层的各采暖支路的电动水阀应随之关闭。 　　3.2.2 联锁控制 　　冷水机组应与对应的冷却水泵、初级冷冻水泵及冷却塔等进行电气联锁。 　　在计算机系统发出机组起动指令后，应按下述顺序起动： 　　（1） 起动冷却水泵及初级冷冻水泵，冷却塔风机控制供电； 　　（2） 延时5S后，打开冷却塔进水管上的电动蝶阀，根据其反馈信号确认蝶阀是否正常开启； 　　（3） 根据水流开关信号确认水泵的运行状态； 　　（4） 根据冷却塔回水温度T5决定是否起动冷却塔风机及起动的风机数量，每台冷却塔的三台风机应逐台起动，每台风机带起停反馈信号； 　　（5） 当所有外部条件及参数（如水流量、冷却水温等）均达到冷水机组的要求后才能发出冷水机组的起动指令； 　　（6） 冷水系统起动时，应优先起动运行小时数较少的设备和系统。 　　冷水系统的停机过程与上述相反。 　　3.2.3 次级泵控制 　　3.2.3.1 根据内、外区各自的供、回水压差控制次级泵转速，当一台次级泵达到全转速时，如果压差继续增加，则起动第二台次级泵。 　　3.2.3.2 内、外区控制压差均为200KPA，次值可由管理人员进行再设定。 　　3.2.4 冷水机组台数控制 　　3.2.4.1 通过温感器及流量计分别计算内、外区耗冷量，并在计算机内进行求和而得系统耗冷量。 　　3.2.4.2 在顺序起动过程中，总冷量达到75RT时，起动一台冷水机组；总冷量达到750RT时，起动第二台冷水机组；总冷量达到1500RT时，起动第三台冷水机组；总冷量达到2250RT时，起动第四台冷水机组。 　　3.2.4.3 在顺序停车过程中，总冷量低于2025RT时，停止一台冷水机组；总冷量低于1350RT时，停止第二台冷水机组；总冷量达到675RT时，停止第三台冷水机组；总冷量低于70RT时，停止最后一台冷水机组。 　　3.2.5 冷却塔风机的台数控制 　　根据冷却回水温度控制冷却塔风机的运行台数。 　　3.2.6 监测热水系统的供、加水温度和压差。 　　3.2.7 监测膨胀水箱水位，在高、低水位限制时报警。同时，此高低水位信号应送至热交换站用于控制热水补水泵的起停。 　　3.2.8 设置手动/自动转换开关和冬/夏转换开关。 　　3.2.9 监视旁通管AB内的水流方向，在冷水机组运行的状态，水流反向（从B点流向A点）时报警。 　　3.3 空调机组控制 　　本楼设有各种空调机组100多台，由于使用性质不同，其功能也不一致，因此在控制上也存在较大的差别。这里取四种主要的有代表性的机组来介绍。 　　3.3.1 双速新风机组控制 　　双速新风机组的使用要求是：在夏季与风机盘管同时运行，对房间进行供冷，风机低速运行保证最小新风量；在过度季，为充分利用室外空气，采用风机高速运行，减少中央系统冷量，同时，为防止房间正压过大而运行排风机；在冬季，则风机生新转为低速，开始供热。 　　3.3.1.1 室外温度TW 18.5JF ，送风温度T1控制冷水电动阀，T1=18.5 ，风机低速运行。 　　3.3.1.2 18.5 TW12时，风机高速运行，典型房间温度T2控制热水电动阀，T2=25； 　　3.3.1.3 TW12时，转为冬季工况，送风温度T1控制冷水电动阀，T2=20，风机低速运行。 　　3.3.1.4 典型房间相对湿度控制加湿器，冬季设定值40%。 　　3.3.1.5 送风机高速运行时，与对应的排风机联锁起停；送风机低速运行时，排风机停止运行。送风机起动后（不论高、低速），均应打开新风电动阀（双位控制）。 　　3.3.1.6 冬季运行盘管防冻保护。 　　3.3.1.7 防火阀状态监视，动作报警。 　　3.3.1.8 过滤器状态监视，高压差报警，设定压差125PA。 　　3.3.1.9 风机状态监视，故障报警。 　　3.3.1.10 设置手动/自动转换及冬/夏转换开关。 　　3.3.2 焓值控制空调机组（图3） 　　3.3.2.1 回风温度控制两通电动阀，冬、夏切换。TS=24，TD=22。 　　3.3.2.2 冬季回风相对湿度控制加湿器， 。 　　3.3.2.3 室外焓值IW大于室内焓值IN（IW IN）时，新风阀MD1为最小开度，回风阀MD2全开，排风阀MD3全关，回风机停止运行。 　　3.3.2.4 IW IN且盘管供冷水（夏季工况）时，MD1及MD3全开，MD2全关，排风机开始运行，回风温度控制冷水阀。 　　3.3.2.5 当冷水阀全关后，如果回风温度继续下降，则回风温度由控制冷水阀改为控制MD1、MD2和MD3的开度，调节新、回风混合比。 　　3.3.2.6 当MD1为最小开度、MD2全开及MD3全关时，若回风温度继续下降，则盘管改为供热水的冬季工况（此点应与水系统的转换结合进行），由回风温度控制电动热水阀。 　　3.3.2.7 送、回风机及风阀联锁。 　　3.3.2.8 冬季运行盘管防冻保护。 　　3.3.2.9 防火阀状态监视，动作报警。 　　3.3.2.10 风机状态监视，故障报警。 　　3.3.2.11 过滤器状态监视，高压差报警，设定压差125PA。 　　3.3.2.12 设置手动/自动转换及冬/夏转换开关。 　　3.3.3 外区VAV机组控制（图4） 　　3.3.3.1 系统设置最小送风量LMIN限制。 　　3.3.3.2 各VAV BOX独立控制各区域温度，DDC控制器对各VAV BOX的风量LI进行累计求和：L=。 　　3.3.3.3根据系统送风压力控制风机转速。压力设定值应以风系统高度完成后的实测值为准，不得随意设定。 　　3.3.3.4根据各VAV BOX风量的累计求和值L与系统设计送风量LS（见设备表）的比值L/LS，控制回风电动风阀的开度，保持新风量LX不变。此点应根据回风电动风阀的特性来编写控制软件。 　　3.3.3.5当L LS时，送风温度T1控制冷水电动阀。 　　3.3.3.6各系统中，VAV BOX最小风量比的设定值为LMIN/LS。 　　3.3.3.7当L=LS时，VAV BOX最小开度运行，冷水电动阀由送风温度控制改为由回风温度或典型房间温度T2控制，T2=24。 　　3.3.3.8冬季运行方式与上述相似。 　　3.3.3.9送风机应与新风阀联锁，新风阀为双位控制。 　　3.3.3.10冬季回风相对温度控制加湿器。 　　3.3.3.11冬季运行盘管防冻保护。 　　3.3.3.12防火阀状态监视，动作报警。 　　3.3.3.13风机状态监视，故障报警。 　　3.3.3.14过滤器状态监视，高压差报警，设定压差152PA。 　　3.3.3.15设置手动/自动转换及冬/夏转换开关。 　　3.3.4内区VAV机组控制（图5） 　　3.3.4.1系统设置最小送风量LMIN限制。 　　3.3.4.2各VAV BOX独立控制各区域温度，DDC控制器对各VAV BOX的风量LI进行累计求和：L=LI。 　　3.3.4.3根据系统送风压力控制风机转速。压力设定值应以风系统调试完成后的实测值为准，不得随意设定。 　　3.3.4.4根据各VAV BOX风量的累计求和值L与系统设计送风量LS（见设备表）的比值L/LS，控制回风电动风阀的开度，保持新风量LX不变。此点应根据回风电动风阀的特性来编写控制软件。 　　3.3.4.5当LLS时，送风温度T1控制冷水电动阀。 　　3.3.4.6各系统中，VAV BOX最小风量比的设定值为LMIN/LS。 　　3.3.4.7当L=LS时，VAV BOX为最小开度运行，冷水电动阀由送风温度控制改为由回风温度或典型房间温度T2控制，T2=24。 　　3.3.4.8冬季运行方式与上述相似。 　　3.3.4.9送风机应与新风阀联锁，新风阀为双位控制。 　　3.3.4.10IWIN时，MD1为最小开度，MD2按上述要求控制，排风机停止运行。 　　3.3.4.11IWIN且盘管供冷水（夏季工况）时，MD1全开，MD2全关，排风机运行， T2控制冷水电动阀。 　　3.3.4.12当冷水电动阀全关而回风温度继续下降时，盘管转为供热水的冬季工况（此转换应与水系统协调进行），这时T2控制热水阀，风阀仍保持前述状态（MD1全开，MD2全关）。 　　3.3.4.13当冬季状态热水阀全开而回风温度继续下降或室外温度低于5时，MD1改为最小开度，MD2全开，排风机停止运行，T2控制热水电动阀。 　　3.3.4.14冬季回风相对湿度控制加湿器。 　　3.3.4.15冬季运行盘管防冻保护。 　　3.3.4.16防火阀状态监视，动作报警。 　　3.3.4.17风机状态监视，故障报警。 　　3.3.4.18过滤器状态监视，高压差报警，设定压差125PA。 　　3.3.4.19设置手动/自动转换及冬/夏转换开关。 　　4 总结 　　DDC系统属于楼宇自动化系统（BAS）的一种形式，其具有控制性能好、控制速率快、便于集中管理以及可控制除空调设备外的其它机电设备等优点，因此近年在我国许多智能化建筑中得到广泛的应用。在其整个系统构成中，空调通风系统是它的主要内容，也是其控制的重点和难点，我想这也就是暖通专业涉及智能化建筑的一个主要原因，从目前已使用的建筑来看，采用此系统的建筑在使用过程中表现出的情况并不相同，其中一些不尽人意的问题笔者认为有以下几个主要原因。 　　4.1专业配合 　　目前绝大多数民用建筑设计院对自动控制的涉及较少，当要求做空调自控时，大多数直接交给自控专业去完成，甚至很多空调设计未能提出其控制要求或自身对控制要求并不十分清楚，而自控专业不一定能充分理解空调专业的需求。即使一些空调设计人员提出了相应的控制要求，但由于专业配合不密切，也无法真正按需要进行控制。 　　4.2与甲方的配合 　　有相当多的工程，在业主确定BAS系统承包商的过程中，未与设计院进行过详细的交流和协商，许多技术文件未经设计人员认可就签定了合同，导致承包商所报系统及设备中的一些内容不能满足设计要求，引起技术上和费用上的纠纷，最后往往不了了之，结果是可想而知的。 　　4.3承包商原因 　　目前大多数BAS的承包商的内部人员大多以电气或计算机专业为主，真正完全懂得空调专业的为数极少，甚至一些著名的国外厂商在中国的分支机构也是如此，再加上与设计人员的配合不够，碰到问题大多采用常规的处理方法或凭经验甚至带一定的随意性，当然很难完全正常运转。 　　4.4空调设计人员因素 　　一些空调设计人员对自动控制缺乏基本了解，采用系统时只是简单的按别人的设计套用，没有认识到空调自动控制系统是本专业的基本系统之一而总认为是电气专业的事。这体现在设计中一是无法提出控制要求，二是无限制的加大空调设备，认为反正有自控去解决。而实际上，一切自动控制都是在工艺过程过程本身设计合理性的基础上进行的，自动控制的能力是有限而不是无边际的，过大的设备是无法精确控制的，其结果只能导致线性系统成为双位控制甚至产生振荡。因此，必须强调的是：空调自控只能是在合理的空调系统设计本身的基础上才能达到设计要求。 　　总之，一幢智能化建筑的空调自动控制系统需要空调设计、电气设计、系统承包商、建筑施工单位及甲方等各方面的人员共同协调、密切配合、精心设计、精心施工和计划、有知识的管理和使用，才能充分体现其优点和发挥应有的作用。