樓宇自動化在高校節能管理系統中的應用

李壯壯，李思翰，楊名亞，甄 玉

（華北水利水電大學，河南鄭州 450040）

0 引言

在現代智能建筑中，樓宇自動化系統的構成不單涉及到樓宇自動化設計的內容，還需要充分考慮智能建筑中其他系統的構成，如小區的安保系統，停車位及建筑消防系統等。樓宇自動化系統設計的內容包括：冷凍機設備的控制和監視、空調調節機組的控制和監視、以及通風和排風系統的控制和監視等相關設備的監視，本文通過華北水利水電大學圖書館在樓宇自動化管理系統中的應用進行調查和分析。

1 華北水利水電大學圖書館樓宇控制系統節能改造項目

1.1 系統改造前情況

學校電子自動化專業的學生進行過詳細調研，每當夏季來臨時，大學圖書館的用電量每天都在12 000 kW·h 左右，其中空調系統就占60%以上。由于現階段空調系統全部由人工操作，即手動控制，無法根據室內溫度的變化隨時調節水閥的溫度大小以及控制空調主風機的啟動和停止，進而導致圖書館自習室內的室溫通常保持在24 ℃以上，體感溫度偏低，同時會感覺到室內溫度分布很不均勻，空氣處理品質低。到了冬季，室內的溫度能維持在26 ℃左右，自習區中的二氧化碳濃度平均為3000×10-6，比國家標準高出了1000×10-6。此外，圖書館早在幾年前建設期間就建有樓宇自動控制系統，但是一直沒有投入使用，目前發現一些設備存在控制器老化、版本陳舊過期的問題。

1.2 改造后的狀況

系統經過改造后，不僅修復了圖書館原有的樓宇控制系統，還對控制系統增加了溫濕度測定，二氧化碳濃度傳感器和網絡的傳感器，對原有系統的不足之處進行完善和改進。改造之后的系統能夠顯著提高工作人員的工作效率，同時可以實現精確檢測室內空氣具體參數以及進行自動設備運行的狀態分析，及時調整風機的啟動開關，運用優化策略確保節能環保，從一定程度來說室內空氣基本可以達到綠色品質的要求。

其次，從高校建筑物照明節能系統上來看，傳統建筑中能源消耗最大的是照明系統，而照明系統的能量消耗由光源決定，傳統燈泡能量消耗較大。隨著制造業的發展，LED 節能燈的出現以及廣泛應用，相比與傳統的電燈來說能夠實現一定的節能效果，甚至有些LED 可以減少80%的電能。近年來，人們對于節能減排理念認識逐漸深刻，對光源的節能效果提高重視，樓宇自動控制能夠實現將節能燈代替傳統燈泡。目前對于燈光節能可以通過以下幾種方法實現：在建筑物，公共區域由手控燈變為自動控制燈，通過定時設計，對于分電燈使用時間進行確定，當用戶進入照明區域時，會根據聲音和感應自動進行燈光開啟，滿足設定時間后關閉通過自動控制，能夠從一定程度上利用燈光，便于學生出行時，有效節省了燈光，這種方法是對燈源開關方式的轉變，不需要投入大量的人力，物力，已經在很多建筑中廣泛應用。其次，可以將燈光與室外光進行結合，在室外光能夠滿足日常需求時，不需要額外進行燈光作業，由于室外燈光會受到天氣，建筑物，季節等因素的影響，無法直接對燈光時間、亮度進行設定，需要智能燈光系統對不同區域燈光進行調整，智能燈光系統可以根據照明需求進行回路設計，并在此基礎上，選擇合適的燈具，安裝燈光傳感器，能夠將燈光信號傳送到樓宇控制系統中，通過系統的信號接收，確定目前照明區域的光源作業情況。根據實際需求和標準對燈光進行控制，有效避免不合理使用燈光，減少不必要的能源消耗。樓宇自控燈光節能主要用于一些規模較大的建筑物中，目前在大規模建筑物中采用的是自控和手控相結合的照明系統，通過中央控制對自控與手控光源實現集中控制，相比傳統的定時或者手動設定來說，能夠對光源作業時間、亮度進行控制和監測，這種處理方式對電網從沖擊電壓和浪涌電壓可以實現有效調節，也能夠從一定程度上保護燈具，使燈具避免受到熱沖擊損害，進而延長燈具的使用壽命，并且可極大程度上節省人力、物力和財力。

1.3 節能改造的目的及意義

對樓宇自控系統在空調系統中的節能，不僅包括新風系統控制，同時還可以對相關設備實現有效管理和節能。根據不同季節空調系統的運行情況，樓宇控制系統可以對空調運行進行人性化管理，如冬天可在高溫度，大風量方式運行，而夏天則可以通過較低溫度，大風量運行。在春秋兩季時，對于室內溫度要求不是特別明顯，基本可以滿足空氣更換，采取間歇式的運行模式，根據系統間歇啟停特點和對設備工作時間的累計，通過這種方式提醒管理人員對設備進行定期的檢修，可見這種人性化的自動控制，不僅能夠滿足不同季節空調系統運行需求，同時還可以大大減少能源消耗，并對設備也起到一定的保護作用。

根據統計資料顯示，空調系統占建筑總能耗的60%左右，夏季時，只要將室內溫度下調1 ℃，那么能耗將會增加9%左右。然而在冬季，只要將室內溫度上調1 ℃，那么能耗將增加12%左右，因此提高室內的溫度、濕度的控制精確度能夠有效提升節能效果，由于人工控制空調的精準度較低，因此，對空調設備進行智能化監測對于高校節能來說十分重要。圖書館樓控系統在改造后能夠有效實現節能，相比之前所統計的夏季用電量數據來看，空調占據60%。然而經過改造之后，在基本能夠滿足舒適度的情況下，能夠減少20%左右的能量消耗，平均每天可以節省1000 kW·h 電。能夠提供教學實習平臺，對于學校自動化專業，物業專業的樓宇自動化控制課程來說，過去是以校外實習的方式展開的，而經過改造之后可以將圖書館樓控系統作為學生實習基地。在科研方面，樓宇自動控制往往涉及到了計算機、電子、自動化等專業知識，進行控制系統是建立在集成管理平臺和開放性的平臺上的，便于集成能源管理分析系統，以及對日后實現能源監控優化和二次開發。實施該項目之后能夠提供開放的數據接口，為高校科研提供實驗平臺，為學生提供適宜的學習環境。根據前期的調查結果發現，圖書館自習區二氧化碳超標，空氣質量不佳，導致學生學習效率較低。因此，經過改造之后，能夠將圖書館的空氣質量調升到國家標準的范圍之內，可以將圖書館經過改造之后的樓宇控制系統作為節能案例平臺，項目實施之前圖書館的建筑設備是由人為控制，由于空氣溫度屬于滯后系統，人工控制往往會存在超調的現象，導致夏季冷，冬季熱，電能消耗比較嚴重，而本課程可以將建設綠色校園，實現節能減排作為實踐教學目標。

2 高校樓宇自動控制系統的運行

2.1 樓宇自動化控制系統網絡結構分析

華北水利水電大學圖書館樓控系統經過改造之后，在組網方式上采用德國ICS-709 作為控制系統，以及將奧地利Linx100作為協議轉換器，將總線的Lontalk 協議轉換TCP/IP 協議，實現與上位機的通信功能，將控制網絡連接到校園網絡中，采用B/S服務器，將信息通過對比服務器進行網絡發布，用戶可以通過瀏覽器來訪問數據信息，后臺通過權限設置可實現遠程實時監控。

2.2 節能控制系統

圖形化的控制界面，包括新風機組自動啟動控制，風機盤管自動啟動控制，以及溫度控制，二氧化碳濃度控制，自然風控制等。該系統能夠實現控制，監控，管理的一體化功能，給后勤管理提供了高效的節能技術平臺。

2.3 節能優化具體措施

首先從風機盤管溫度控制上來看，風機盤管機組中的電機大多是單相電容調速電機，通過電機輸入電壓的調節，能夠將風量控制在不同的擋次，進而調節供冷量，考慮到給學生提供的舒適度問題，在該系統設置中，將風機盤管處于低擋位運行，只能實現基本的啟動和停止控制，改造之前風機盤管是屬于工作時間運行的，具體時間段為早上八點到晚上九點半，不間斷運行，而經過改造之后能夠實現節能控制運行。將室內的溫度控制在25 ℃左右，運行時間與之前保持一致，然而中間會停止運行6 h，相比之前來說能夠節省約44%的電能。因此，經過改造之后，風機盤管自動控制能夠將人工手動控制變為自動化啟停運行。其次從二氧化碳濃度控制上來看，經過系統測試，發現新風機組在降溫能力方面比較弱，依靠風機盤管來進行空氣制冷，當前設備能夠用于空氣質量的改善，在二氧化碳濃度控制上，經過檢測，發現二氧化碳濃度可以被控制在700×10-6范圍內，能夠獲得良好的空氣質量值。從自然采風運行控制上來看，自然采風運行控制室在制冷機處于停止運行的狀態下，能夠借助自然風來實現室內降溫和二氧化碳濃度控制的有效方法。該策略適合用于過渡期，這種方法能夠有效踐行低碳節能，綠色環保的理念，利用室外新風有效改善室內空氣質量。

對于高校來說，學生生活所采用的主要能源就是電能。因此，在樓宇自動控制系統中，其節能設計是針對用電量較多的照明、空調系統而言，隨著科學技術發展，以及計算機在建筑行業的運用，對于風能，太陽能的有效應用逐漸被重視起來，在樓宇控制系統中有效利用這些可再生的能源，并將能源進行收集將其轉化為電能，可以滿足日常用電需求，成為在節能運用上主要考慮的問題，而有效利用這些電能不僅能夠實現智能建筑節能減排，同時還可以緩解目前我國用電緊張的現狀，進一步推動我國電力行業的發展。

3 小結

改造高校樓宇控制系統，并從燈光，空調節能，二氧化碳濃度控制等角度出發，融入節能減排理念。但由于我國樓宇自動控制相比西方發達國家來說，在這一方面研究較晚，技術水平有限，且在實際運用中還會出現很多問題，比如管理監管力度不夠，無法滿足建筑行業需求。因此，要想真正實現樓宇自動控制系統與其他領域的有效融合，需要未來繼續投入大量的時間和精力進行相關研究。