演播廳樓宇控制系統模式改造及應用

張 宇

（作者單位：四川廣播電視臺）

演播廳樓宇控制系統模式改造及應用

張 宇

（作者單位：四川廣播電視臺）

四川廣播電視臺針對演播廳樓宇控制系統的新控制模型和控制模式改造項目適用于四川廣播電視臺廣電中心是具有集節目拍攝、節目制作、節目播出于一體的智能化功能型大樓，擁有眾多演播廳，直播間等節目制作空間。并具有空間大，舒適性要求高、燈光、布景等工藝設備眾多以及不同規模、不同類型的節目燈光及舞美效果設計差異大，工藝設備負載變化大、節目制作不同階段人員負荷變化較大、設備擺放位置不確定等特點。項目運用自動控制學理論和數學理論，從數學控制模型入手，科學分析模型構成和影響因素，找到影響控制的實質性因素，并提出新的控制模型和新的控制模式，針對性改善由于樓宇控制系統原設計與實際運行環境多變特點不能完全匹配的狀態，其表現為系統控制不精確、控制延時、舒適度不理想；溫度范圍變化大容易形成冷凝水損壞工藝和布景設備；控制過程不穩定，能耗過大，執行設備更換頻繁等。運用新的控制模式，結合本地天氣特點，利用BAS系統各DDC之間良好的通訊功能和中央電腦強大的計算功能，在確保被控區域舒適性的前提下，改造樓宇控制系統采用春秋季節控制模式和預冷控制模式盡可能利用自然供冷，減少機械制冷的時間；實現空氣處理機組的多工況分區運行，有效挖掘樓宇控制系統節能性能。為電視臺創造了良好的社會效益和經濟效益。

新的控制模型；新的控制模式；節能性能

四川廣播電視臺廣電中心建成于2011年，四川廣播電視臺廣電中心是具有集節目拍攝、節目制作、節目播出于一體的智能化功能型大樓，它具有更專業、多功能性的特點。整個項目采用西門子的樓宇控制系統平臺對空調系統、新風系統、給排水系統等進行統一的協調集中控制和管理。有別于其他商業型建筑、辦公型建筑，四川廣播電視臺廣電中心的樓宇控制系統在控制規模、控制方式上有很大的差異性和特點，特別是演播廳，直播間有著特殊的需求更是其它建筑沒有的新特性。整個四川廣播電視臺廣電中心有1500m2、400m2、250m2、100m2各類規模演播廳共計13間，電視新聞直播間4間，電臺直播間12間。針對演播廳、直播間等具有空間大，舒適性要求高、燈光、布景等工藝設備眾多以及不同規模、不同類型的節目燈光及舞美效果設計差異大，工藝設備負載變化大、節目制作不同階段人員負荷變化較大、設備擺放位置不確定等特點。運用自動控制學理論和數學理論，從數學控制模型入手，科學分析模型構成和影響因素，找到影響控制的實質性因素，并提出新的控制模型和新的控制模式，針對性改善由于樓宇控制系統原設計與實際運行環境多變特點不能完全匹配的狀態，其表現為系統控制不精確、控制延時、舒適度不理想；溫度范圍變化大容易形成冷凝水損壞工藝和布景設備；控制過程不穩定，能耗過大，執行設備更換頻繁等。實現四川廣播電視臺大型演播廳、直播間環境的舒適度提升、提供工藝設備安全使用環境、節約大量能源。演播廳樓宇控制系統運行安全、穩定、可靠，在提供安全、舒適、節能的建筑環境上發揮了巨大的作用，為四川廣播電視臺創造了良好的社會效益和經濟效益。

1 系統簡介

樓宇自控系統（Building Automation System）主要包括空調新風機組、送排風機、集水坑與排水泵、電梯、變配電、照明等。在整個樓宇范圍內，通過整套樓宇自動控制系統及其內置最優化控制程序和預設時間程序，對所有機電設備進行集中管理和監控。在滿足控制要求的前提下，實現全面節能，用控制器的控制功能代替日常運行維護的工作，大大減少日常的工作量，減少由于維護人員的工作失誤而造成的設備失控或設備損壞。

2 系統拓撲圖

系統拓撲圖，如圖1所示。

圖1 系統拓撲圖

3 演播廳特點及演播廳空調系統負荷特性分析

大型演播廳空調系統負荷主要由工藝負荷、新風負荷、人員負荷構成，項目1500 m2大型演播廳負荷比例如圖2所示，工藝負荷占比高達73%，是演播廳負荷的主要負荷。

圖2 1500m2大型演播廳負荷比例

3.1 工藝設備負荷

由于節目制作特殊工藝需要，通常需要設置大量舞臺效果燈具、LED顯示大屏等，這些設備的耗電功率大部分都轉化為熱量。不同的規模、不同類型的節目燈光及舞美效果設計差異非常大，導致工藝設備發熱量相差較大，據臺近兩年對演播廳運行數據統計，發現大型節目演播廳工藝設備最大發熱量可達400W/m2，小型節目工藝設備發熱量僅為100 W/m2左右。

在節目錄制過程中由于燈光效果的不斷變化，燈光發熱量并不穩定，如圖一某檔節目制作過程中燈光電流變化曲線，發熱量變化率約為50%。LED顯示屏由于一般在節目錄制過程中均需要一直開啟，所以LED大屏發熱量相對穩定，如圖3所示。隨著技術的發展，LED冷光源得到大量的使用，目前燈光的發熱量已大幅降低，如本檔節目制作過程中，燈光負荷約為LED大屏負荷的40%。

圖3 某節目舞臺燈光電流變化曲線；某節目舞美LED屏電流變化曲線

3.2 圍護結構負荷

演播廳通常置于建筑內區，周圍布置與之配套的導控室、候播廳、化妝間、更衣室附屬房間，加之建筑內墻200～300 mm厚的聲學裝修材料使隔墻的傳熱系數大大降低。因此大型演播廳圍護結構的耗熱量基本可以忽略。

3.3 人員負荷

1500 m2演播廳可容納觀眾及工作人員500人，節目制作的不同階段變化較大，如彩排、預錄時僅有少量演員及工作人員，正式錄制時的人員基本達到滿負荷。

3.4 新風負荷

由于人員密集，建筑對噪聲要求嚴苛，通常演播廳氣密性要求很高，為滿足人員衛生要求，需要大量的新風，這也使得新風負荷較大。

4 目標任務

（1）針對演播廳具有空間大，舒適性要求高、燈光、布景等工藝設備眾多以及不同規模、不同類型的節目燈光及舞美效果設計差異大，工藝設備負載變化大、節目制作不同階段人員負荷變化較大、設備擺放位置不確定等特點，運用自動控制學理論和數學理論，從數學控制模型入手，科學分析模型構成和影響因素，提出新的控制模型，針對性改善由于樓宇控制系統原設計與實際運行環境多變特點不能完全匹配的狀態，其表現為系統控制不精確、控制延時、舒適度不理想；溫度范圍變化大容易形成冷凝水損壞工藝和布景設備；控制過程不穩定，能耗過大，執行設備更換頻繁等。

（2）針對四川天氣等特有情況，對演播廳運用新的控制方法，達到節約能源的目的。

5 原有控制模型、實際情況、問題分析、創建新控制模型及運用

四川廣播電視臺演播廳樓宇控制系統對空調采用經典的PID控制算法，系統通過溫度傳感器測出室內溫度變化，并將溫度變化轉變成相應的電信號輸送給溫度控制器，溫度控制器將接受到的信號與給定值進行比較得出偏差，并根據偏差的大小和方向按照預定的調節規律轉換成控制信號控制電動二通閥，決定其開啟或關閉，控制水流量，對室溫進行調節。室溫自動控制系統框圖如圖4所示。

圖4 室溫自動控制系統框圖

PID控制算法如下：

圖5 理想的自動控制系統曲線圖

5.1 問題分析

四川廣播電視臺樓宇系統設計建設之初，承建商對樓宇控制系統設計施工，沒有考慮到四川廣播電視臺廣電中心作為工藝性質大廈的特點，更沒有考慮到演播廳，直播間具有的獨特性能和需求。導致樓宇控制系統在演播廳空間大，舒適性要求高、燈光、布景等工藝設備眾多以及不同規模、不同類型的節目燈光及舞美效果設計差異大，工藝設備負載變化大、節目制作不同階段人員負荷變化較大、設備擺放位置不確定等特點下運行達不到預期效果。據美國國家標準局統計資料表明，如果在夏季將設定值溫度下調 1℃，將增加 9%的能耗，如果在冬季將設定值溫度上調 1℃，將增加12%的能耗。因此將室內溫濕度控制在設定值精度范圍內是空調節能的有效措施。歐美等國對室內溫濕度控制精度要求為：溫度為±1.5℃，濕度為±5% 的變化范圍。空調系統溫度控制精度越高，不但舒適性越好，同時節能效果也越明顯。經過專業工程師對四川廣播電視臺演播廳實際情況多次數據采集和分析，問題如下、

（1）由于演播廳工藝設備和布景設備安裝位置多變，會把演播廳觀眾，演員等實際感受的區域和安裝在墻面的房間溫濕度傳感器進行空間分割，使得傳感器采集的溫濕度參數的準確性和及時性受到不同程度影響。這樣原有控制模型中控制參數不能準確和及時反應演播廳真實的溫濕度。在演播廳內需要制冷時，通常會造成傳感器采集的溫度高于實際問題，使得樓宇控制系統誤認為制冷未達到效果而進一步制冷，造成演播廳溫度過低。引起冷凝水形成損壞工藝和布景設備。而當溫度需要回升時往往實際溫度恢復得又比采集溫度快，使得樓控系統誤認為溫度還未到制冷的設定值而不啟動空調制冷，使得實際溫度過高。實際這種現象增加了整個控制模型調節的干擾因素、延遲了系統的調節時間、影響了系統調節超調量和穩態誤差以及靜態誤差，綜而影響了整個控制模型的穩定特征和性能，甚至嚴重的會造成系統控制根本無法穩定，溫濕度參數一直隨時間曲線等幅度震蕩或發散震蕩（如圖6所示），這樣會造成演播廳溫度變化范圍過大、舒適度差，并伴隨能源的大量浪費。

（2）由于演播廳空間大，燈光、布景等工藝設備眾多，在不同規模、不同類型的節目燈光及舞美效果設計差異大，工藝設備負載變化大，大大增加控制的難度和不可控性，原有控制模型針對性不強，不能及時針對工藝設備負載變化而調整控制。

（3）節目制作不同階段人員負荷變化較大、設備擺放位置不確定，大大增加控制的難度和不可控性。原有控制模型不能及時針對現場人員負荷參數變化而調整控制。

圖6 不穩定的控制曲線圖

5.2 改進方案

根據原有控制模型與實際情況產生的不匹配，而造成整個模型控制不穩定或者控制指標不理想。專業技術人員根據實際需求，針對性的創建新控制模型。

新控制模型引入兩組新輸入變量參與整個控制模型的全程控制過程，兩組變量參數分別為風機送風管道和回風管道溫濕度變量參數。

回風管道溫濕度參數的引入。引入回風管道溫濕度參數主要目的是為了解決原有控制模型中房間溫濕度參數不能準確和及時的反應現場真實情況，在引入回風管道溫濕度參數后，新控制模型通過新參數和原有參數進行程序運算得到更能反映現場真實情況的新參考變量并及時進行PID控制。這樣做提高了控制模型中返回值的精確性和及時性，使得控制模型表現出的控制曲線在超調量、穩態誤差、靜態誤差和調節時間等控制指標上都得優化。

（1）整個控制過程減小了超調量和穩態誤差，實際反映出演播廳溫濕度動態變化范圍縮小，觀眾舒適度提升，系統機械制冷時間減少，能耗下降。

（2）整個控制過程減小了調節時間，實際反映出演播廳溫濕度動態變化時間縮短，觀眾舒適度提升，系統機械制冷時間減少，能耗下降。

（3）整個控制過程減小了靜態誤差，實際反映出演播廳溫濕度實際穩定溫濕度和設定溫濕度誤差小，觀眾舒適度提升，系統機械制冷時間減少，能耗下降。

（4）綜上情況，整個系統控制更加易于穩定。

送風風管道溫濕度參數的引入。引入送風管道溫濕度參數主要目的是為了進一步減小原有控制模型中超調量過大，穩態誤差大，調節時間短等影響控制過程指標的情況。在引入送風管道溫濕度參數后，新控制模型通過新參數在程序運算中設定控制模型的被控參量變化范圍，進一步控制整個控制過程的穩態誤差、調節時間。這樣使得控制模型表現出更好的控制曲線和更好的穩定性。

（1）整個控制過程被控參量變化范圍，進一步限制穩態誤差，實際反映出演播廳溫濕度動態變化范圍縮小，觀眾舒適度提升，系統機械制冷時間減少，能耗下降。

（2）整個控制過程進一步減小了調節時間，實際反映出演播廳溫濕度動態變化時間縮短，觀眾舒適度提升，系統機械制冷時間減少，能耗下降。

（3）整個系統控制更加易于穩定，減少出現發散曲線等不穩定控制形態。

綜上所述，新控制模型改善了演播廳樓宇控制系統的整體效果，使得演播廳溫濕度控制更加迅速、精確，大大提升演播廳舒適度，并減少控制的機械制冷時間，降低大量能耗。另一方面新的控制模型，增加了控制變量，增強了樓宇控制系統的可控性，減少由于溫濕度過快變化而造成的冷凝水形成損壞工藝設備問題。第三方面，新的控制模型，大量減少系統設備機械運動次數和行程，將使系統設備使用壽命大大延長，節約費用開支。

6 演播廳節能運行模式

四川廣播電視臺專業工程師經過長期的數據跟蹤，并結合本地域的天氣特點，利用樓宇控制系統各DDC之間良好的通訊功能和中央電腦強大的計算功能，在確保被控區域舒適性的前提下，改造樓宇控制系統增加春秋季運行模式、預冷控制模式。這樣的運行模式盡可能利用自然供冷，減少機械制冷的時間，實現空氣處理機組的多工況分區運行，有效挖掘樓宇控制系統節能性能。空氣處理過程中，在春秋季節，溫度適宜的情況下可以在適宜的條件下避免冷熱量相互抵消，采用變新回風方法，最大限度利用新風。在不犧牲舒適的前提下，達到節能的目的。但在夏季和冬季需要冷量和熱量時，新風量取得過多，系統將增加新風耗能。根據資料顯示，設計工況（夏季室溫 26℃，相對濕度 60%，冬季室溫 22℃，相對濕度 55%）下，處理1kg室外新風量需冷量 6.5kWh，熱量12.7kWh，根據衛生要求，建筑內每人都必須保證有一定的新風量。故在滿足室內衛生要求的前提下，減少新風量，有著顯著的節能效果。

四川廣播電視臺樓宇具體控制運行模式

（1）空調機組控制模式。由于演播廳工藝負荷占比大，發熱多，即使在冬季也需要供冷。而由于不同類型節目負荷差異很大，負荷變化范圍大，樓宇控制系統利用各DDC之間良好的通訊功能和中央電腦強大的計算功能，在確保被控區域舒適性的前提下，宜采用新風冷卻，并根據負荷和現場舒適度需求及時調整相應的空調系統的輸入冷量，維持室內溫度在舒適范圍內。項目演播廳組合式空調控制方式如圖7所示。

圖7 演播廳空調系統BA控制圖

按運行模式分為夏季及春秋兩種模式。

①夏季運行模式：當室外空氣溫度高于于回風溫度時，樓宇控制系統通過控制模型自動打開混風閥，在保證新風需求的情況下，盡量減小新、排風閥開度，調節連接自備冷源的表冷器電動閥開度控制室內溫度，若電動調節閥保持全關，室內溫度仍然繼續下降，則自動調節送、回風風機頻率和新、排風閥開度，改變新、排風量，保持室內溫度在設定值，節約空調系統能耗的同時，提高空氣質量。②春秋運行模式：當室外空氣溫度低于回風溫度時，樓宇控制系統通過控制模型自動關閉混風閥，保持新、排風閥全開，調節連接自備冷源的表冷器電動閥開度控制室內溫度，若電動調節閥保持全關，室內溫度仍然繼續下降，則自動調節送、回風風機頻率，改變新、排風量，保持室內溫度在設定值，節約空調系統能耗的同時，提高空氣質量。

（2）新風量控制模式。演播廳空調設計工況下，人員密集，新風設計負荷占比較大。而實際使用時，根據節目制作的不同階段、節目規模，人員數量與設計狀態相差較大，若不及時調整必會造成大量的能源浪費。樓宇控制系統通過控制模型通過空氣質量傳感器采集二氧化碳濃度，在夏季運行模式下，根據實時監測室內二氧化碳含量，通過調整新、排風閥開度控制進入室內新風量，控制二氧化碳含量在設定范圍內，在保證房間空氣質量的同時節約了系統的運行能耗。

（3）預冷控制模式。由于節目制作時間通常較短，演播廳空間較為密閉，蓄熱性能較好，工藝設備熱量大，溫度上升很快，因此樓宇控制系統一般須提前半小時開啟空調新風進行預冷卻。

7 結語

四川廣播電視臺針對演播廳樓宇控制系統新控制模型和控制模式改造項目針對四川廣播電視臺廣電中心特點。充分利用現有設備和平臺，在控制模型和控制模式上做文章，帶來了良好經濟效益和社會效益。項目突破了傳統思路，大膽創新，運用自動控制學理論和數學理論，從數學控制模型入手，科學分析模型構成和影響因素，找到影響控制的實質性因素，建立和運用具有針對性的新控制模型。實現了樓宇控制系統精確控制、及時控制、提高環境舒適度；增強控制系統的可控性，避免冷凝水形成條件和工藝、布景設備損壞 ，提供了設備安全使用環境；同時延長執行設備使用壽命，同時也帶來了大量的能源節約。同時運用針對四川廣播電視臺大型演播廳具體情況新的控制模式。實現空氣處理機組的多工況分區運行，有效挖掘樓宇控制系統節能性能，節約大量的能源。

[1]劉偉.我國暖通空調節能技術研發分析[J].空調制冷信息,2011(9).

[2]潘云鋼.高層民用建筑空調設計[M]北京:中國建筑工業出版社,1999.