樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)節(jié)能控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要： 對(duì)建筑電氣系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，可增強(qiáng)樓宇的自動(dòng)化水平，確保不同機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)樓宇的節(jié)能降耗。因此，對(duì)樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)節(jié)能控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其由被控對(duì)象、檢測(cè)部件、調(diào)控模塊以及執(zhí)行模塊組成。節(jié)能控制器通過檢測(cè)部件監(jiān)測(cè)樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)的被控參數(shù)，采用調(diào)控模塊分析監(jiān)測(cè)值和設(shè)定值的差值，并向執(zhí)行模塊發(fā)出節(jié)能控制命令，對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，確保其符合節(jié)能要求。分析節(jié)能控制器對(duì)樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)中的變配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及電梯系統(tǒng)，進(jìn)行節(jié)能管理的具體過程。給出節(jié)能控制器軟件的主程序以及終端服務(wù)子程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用所設(shè)計(jì)節(jié)能控制器下的大廈電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)22%的節(jié)能效果，并且具有較高的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

關(guān)鍵詞： 樓宇設(shè)備； 電氣系統(tǒng)； 節(jié)能； 控制器

中圖分類號(hào)： TN965?34； TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）18?0153?04

Abstract： The energy saving optimization for building electrical systems can enhance the automation level of the building， ensure the stable operation of the various electromechanical equipments， and implement the building energy saving. The energy saving controller of the building electrical systems was optimally designed. The controller is composed of the controlled objects， detecting components， control module and execution module. The energy saving controller monitors the controlled parameters of the building equipment electrical systems by means of the detecting components. The control module is used to analyze the difference value between monitored value and set value， and send the energy saving control command to the execution module， so as to control the controlled parameters and ensure the parameters to satisfy the requirement of energy saving. The specific energy?saving management processes of this energy saving controller for distribution system， illuminating system and elevator system in building equipment electrical system are analyzed. The main program and terminal service subprogram of the energy?saving controller software are given. The experimental results show that the building electrical system using this energy saving controller can save 22% energy， and has high economic effect of energy saving.

Keywords： building equipment； electrical system； energy saving； controller

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程的速度也逐漸增加。建筑能耗問題逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)問題，建筑樓宇電氣設(shè)備的能耗在總體樓宇的能耗占據(jù)70%以上的比例[1?3]。因此，對(duì)建筑電氣系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，可增強(qiáng)樓宇的自動(dòng)化水平，確保不同機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)總體樓宇的節(jié)能降耗目標(biāo)[4?6]。

文獻(xiàn)[7]給出了樓宇自動(dòng)化智能管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和完善樓宇電機(jī)設(shè)備能量變換效率，確保機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗，但是該種方法對(duì)電機(jī)設(shè)備的質(zhì)量要求較高，具有一定局限性。文獻(xiàn)[8]通過“冰蓄冷”空調(diào)系統(tǒng)電氣節(jié)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)的節(jié)能控制，但是該技術(shù)需要耗費(fèi)大量的財(cái)力和物力，不易推廣使用。文獻(xiàn)[9]分析了基于冷、熱電聯(lián)產(chǎn)電氣節(jié)能方法，通過系統(tǒng)供配電大電網(wǎng)與高層樓宇建筑分布式小型 BCHP 相融合的建筑電氣供電模式，實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)的節(jié)能控制。其是一種低成本、低能耗的樓宇節(jié)能方法，但是該方法的自主控制效果較差。文獻(xiàn)[10]提出了通過建筑電氣輸配電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)的節(jié)能控制，但是該方法存在控制效率低的問題。

為了增加樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)可用能量，對(duì)樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)節(jié)能控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)的節(jié)能控制器包括被控對(duì)象、檢測(cè)部件、調(diào)控模塊以及執(zhí)行模塊。給出了節(jié)能控制器對(duì)樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)中的變配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及電梯系統(tǒng)，進(jìn)行節(jié)能管理的具體實(shí)現(xiàn)。

1 樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)節(jié)能控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)組成

隨著人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量需求的逐漸增強(qiáng)，樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)需要考慮樓宇的人性化服務(wù)功能需求，電氣系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

分析圖1可得，樓宇電氣系統(tǒng)包括變配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)節(jié)能管理是總體樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的基礎(chǔ)，是樓宇節(jié)能控制的重要部分。

1.2 樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)節(jié)能控制器原理

樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)節(jié)能控制器主要針對(duì)不同的樓宇電氣系統(tǒng)子系統(tǒng)的能量使用情況進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)總體樓宇電氣系統(tǒng)的節(jié)能減排目標(biāo)。

樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)的節(jié)能控制器包括被控對(duì)象、檢測(cè)儀器、調(diào)控模塊以及執(zhí)行模塊。控制器通過檢測(cè)部件對(duì)樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過調(diào)控模塊分析監(jiān)測(cè)值和設(shè)定值的差值，再向執(zhí)行模塊發(fā)出節(jié)能控制命令，對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，確保其符合節(jié)能要求。節(jié)能控制器的原理如圖2所示。

樓宇設(shè)備電氣節(jié)能控制采用PID調(diào)控功能，對(duì)被調(diào)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。運(yùn)行模塊包括運(yùn)行機(jī)構(gòu)以及調(diào)控機(jī)構(gòu)構(gòu)獲取調(diào)控模塊傳遞出的調(diào)控命令。采用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的風(fēng)門驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)節(jié)能控制。調(diào)控機(jī)構(gòu)采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋的軸向或轉(zhuǎn)角位移的驅(qū)動(dòng)，對(duì)工藝介質(zhì)流量進(jìn)行調(diào)控，完成電氣系統(tǒng)被調(diào)量的自主調(diào)控。樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)節(jié)能控制器，通過傳感器采集電氣系統(tǒng)中的溫濕度、空調(diào)循環(huán)水壓力等物理量，并將這些物理量變換成電量信號(hào)反饋到控制模塊中，控制模塊對(duì)比輸入檢測(cè)信號(hào)設(shè)置值，輸出節(jié)能調(diào)控信號(hào)，對(duì)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行模塊進(jìn)行偏差調(diào)控，實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)能量的有效控制，完成節(jié)能減排的目標(biāo)。

1.3 采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控模塊DDC的設(shè)計(jì)

樓宇設(shè)備電氣節(jié)能控制器通過計(jì)算機(jī)管理現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控模塊DDC。DDC 控制模塊采用溫濕度傳感器、空調(diào)循環(huán)水壓力變送器等不同類型的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部件，獲取樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)。DDC控制模塊對(duì)采集的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量信號(hào)同設(shè)置的節(jié)能目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比分析，依據(jù)獲取的對(duì)比偏差明確節(jié)能調(diào)控信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)依據(jù)該信號(hào)對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制目標(biāo)。DDC控制模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 節(jié)能控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 變配電系統(tǒng)節(jié)能管理模塊設(shè)計(jì)

變配電系統(tǒng)節(jié)能管理原理如圖4所示。

從圖4中可以看出樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)節(jié)能控制器對(duì)變配電系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容為：

（1） 對(duì)配電系統(tǒng)運(yùn)行情況下的計(jì)量進(jìn)行調(diào)控，對(duì)故障原因進(jìn)行判別以及處理故障，并對(duì)配電系統(tǒng)的進(jìn)線電壓、電流以及變壓器溫度等參數(shù)進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)。

（2） 及時(shí)檢測(cè)配電系統(tǒng)的電氣設(shè)備的低壓母線、低壓出線以及變壓器進(jìn)線的開關(guān)分合閘的情況，若檢測(cè)到故障，則產(chǎn)生警報(bào)信號(hào)，程序故障位置以及電壓、電流等參數(shù)值。

（3） 匯總并運(yùn)算樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)中的排水、電梯、空調(diào)以及照明燈設(shè)備的電能耗費(fèi)值，為總體系統(tǒng)的節(jié)能控制提供支持。

2.2 照明系統(tǒng)節(jié)能管理模塊設(shè)計(jì)

樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)節(jié)能控制器，對(duì)樓宇建筑中的房屋以及辦公室照明部分不予管理，僅對(duì)建筑物外表照明以及走廊、樓梯照明進(jìn)行節(jié)能管理。照明系統(tǒng)節(jié)能管理的內(nèi)容為：

（1） 樓宇節(jié)能控制器以節(jié)假日、工作日以及白天和夜晚不同時(shí)間間隔設(shè)計(jì)用電管理程序，調(diào)控樓宇走廊以及樓梯照明開關(guān)的關(guān)閉，對(duì)照明回路的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。白天工作日時(shí)，按照光照狀態(tài)設(shè)置樓宇內(nèi)運(yùn)行燈具的數(shù)目；夜晚結(jié)束工作日后，僅保留樓宇內(nèi)走廊以及樓梯等必要照明設(shè)備，節(jié)約能源的消耗。

（2） 依據(jù)建筑外表材料特征以及燈具特征，獲取建筑外表投光燈的最佳亮度，產(chǎn)生照明節(jié)能管理方案，按照該管理方案，設(shè)計(jì)建筑外表照明節(jié)能管理程序，并采用該程序?qū)ν豆鉄暨M(jìn)行調(diào)控，同時(shí)監(jiān)控投光燈的回路開關(guān)情況。

照明投光燈結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，其通過海格 TXA 系列開關(guān)驅(qū)動(dòng)器同被控區(qū)域照明回路相連，通過Tebis 總線電纜與計(jì)算機(jī)相連，完成建筑外表照明的節(jié)能控制，并采用RS 485通信電纜同樓宇節(jié)能控制器連接，完成建筑外表照明節(jié)能管理同總體樓宇節(jié)能控制管理間信息的有效溝通，如圖6所示。

2.3 電梯系統(tǒng)節(jié)能管理模塊設(shè)計(jì)

樓宇電梯系統(tǒng)中存在廳外召喚和轎廂內(nèi)召喚兩種電梯召喚信號(hào)，兩種信號(hào)分別是乘客在電梯外以及電梯內(nèi)通過觸碰按鈕產(chǎn)生信號(hào)。樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)節(jié)能控制器依據(jù)樓宇電梯系統(tǒng)反饋的電梯召喚信號(hào)，采用電梯群控呼梯管理節(jié)能方法，對(duì)電梯耗能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)節(jié)能控制器，通過上位主機(jī)檢測(cè)監(jiān)控電梯廳外召喚信號(hào)，若存在信號(hào)指向脈沖，則進(jìn)行智能分析，令最優(yōu)響應(yīng)任務(wù)的電梯執(zhí)行任務(wù)，通過智能合理的電梯分配跳讀，確保總體電梯群處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，避免電能的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)電梯節(jié)能管理的目標(biāo)。電梯系統(tǒng)節(jié)能控制邏輯結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7中，乘客樓層、電梯狀態(tài)、電梯負(fù)荷量等調(diào)控變量數(shù)據(jù)通過A～J 接口輸入總體電梯系統(tǒng)節(jié)能管理模塊中，電梯系統(tǒng)節(jié)能管理模塊獲取呼梯信號(hào)后，產(chǎn)生最佳調(diào)度方案，將申請(qǐng)命令傳遞給指向電梯，完成電梯節(jié)能高效調(diào)度控制，提高電梯服務(wù)效率，避免能量的浪費(fèi)。

3 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)

樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)節(jié)能控制器的軟件決定了系統(tǒng)可達(dá)到的控制精度以及響應(yīng)效率等，采用C語(yǔ)言編寫系統(tǒng)的軟件程序。系統(tǒng)軟件由主程序以及終端服務(wù)子程序構(gòu)成，如圖8所示。主程序?qū)?jié)能控制器進(jìn)行系統(tǒng)配置，并對(duì)外設(shè)進(jìn)行初始化處理，等待中斷申請(qǐng)，并在合理的規(guī)范下對(duì)中斷進(jìn)行響應(yīng)。結(jié)束中斷運(yùn)行后返回主程序等待再次運(yùn)行。中斷程序由故障中斷服務(wù)程序和定時(shí)器中斷服務(wù)程序構(gòu)成，定時(shí)器中斷服務(wù)程序?qū)怯钤O(shè)備電氣系統(tǒng)的電壓、電流等控制參數(shù)進(jìn)行檢查。故障中斷服務(wù)程序?qū)怯钤O(shè)備電氣系統(tǒng)進(jìn)行安全監(jiān)控，如果樓宇電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障，中斷程序及時(shí)暫停事件管理器輸出信號(hào)，確保總體節(jié)能控制器進(jìn)入循環(huán)等待控制狀態(tài)，并產(chǎn)生報(bào)警信息，避免產(chǎn)生意外。

4 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)將本文設(shè)計(jì)的節(jié)能控制器對(duì)某大廈的能量進(jìn)行管理，對(duì)該大廈的電氣設(shè)備能量使用情況進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的節(jié)能控制器的性能優(yōu)劣。大廈設(shè)備電氣系統(tǒng)消耗的電能主要是空調(diào)消耗的能量，將實(shí)驗(yàn)大廈電氣系統(tǒng)的能耗總能量和空調(diào)消耗的總冷量當(dāng)成大廈電氣系統(tǒng)的節(jié)能指標(biāo)[Q]，其表達(dá)式為：

分析圖9可得，本文節(jié)能控制器下的樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)的耗電量更低，具有較高的節(jié)能效果，節(jié)能區(qū)間是 0～851 kW和1 306～2 148 kW兩個(gè)供熱量輸出區(qū)間。

實(shí)驗(yàn)對(duì)本文節(jié)能控制器和冷、熱電聯(lián)節(jié)能控制方法下，該大廈的節(jié)能經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

通過表1可以看出，本文節(jié)能控制器管理下的大廈單位供熱、供冷成本，比冷、熱電聯(lián)控制方法的成本優(yōu)惠，并且本文節(jié)能控制器下的大廈總計(jì)年節(jié)省供能費(fèi)用、年節(jié)約煤量和減排CO2量都較高。說明本文設(shè)計(jì)的樓宇設(shè)備電氣節(jié)能控制器為用戶帶來了實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié) 論

本文對(duì)樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)節(jié)能控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其包括被控對(duì)象、檢測(cè)部件、調(diào)控模塊以及執(zhí)行模塊。節(jié)能控制器通過檢測(cè)部件監(jiān)測(cè)樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)的被控參數(shù)，通過調(diào)控模塊分析監(jiān)測(cè)值和設(shè)定值的差值，并向執(zhí)行模塊發(fā)出節(jié)能控制命令，對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，確保其符合節(jié)能要求。分析了節(jié)能控制器對(duì)樓宇設(shè)備電氣系統(tǒng)中的變配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及電梯系統(tǒng)，進(jìn)行節(jié)能管理的具體過程。給出節(jié)能控制器軟件的主程序以及終端服務(wù)子程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，采用所設(shè)計(jì)節(jié)能控制器下的大廈電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)22%的節(jié)能效果，并且具有較高的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

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