（交通运输工程专业论文）智能化民用建设集中空调系统的工艺设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第日页 本文提出的智能化民用建筑集中空调系统的工艺设计方法，理论结合实 际，符合当前城市建设的需要，可操作性强，在智能建筑的设计方面有着广 泛的应用前景。 关键词智能建筑;楼宇自 动化;集中空调系统;自 动控制系统;空调 设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第! 日页 a b s t r a c t w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f s o c i e t y a n d a d v a n c e m e n t o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y , t h e i n t e l l i g e n t b u i l d i n g i s i n c r e a s i n g l y p o p u l a r i n r e c e n t y e a r s . t h e a u t o m a t i c c o n t r o l o f c e n t r a l a i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e m ( c a s ) i s o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t p a r t s o f i n t e l l i g e n t b u i l d i n g s . h o w e v e r , a i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e m d e s i g n a n d e l e c t r i c s y s t e m d e s i g n a r e t w o t h o r o u g h l y i n d e p e n d e n t t a s k s r e s u l t e d f r o m o u r c u r r e n t d e s i g n n o r m s . b u t i n f a c t , t h e d e s i g n o f a u t o m a t i c c o n t r o l o f a c a s i s a m u l t i - d i s c i p l i n e e n g i n e e r i n g i n v o l v i n g a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m , e l e c t r i c s y s t e m a n d a u t o m a t i c c o n t r o l s y s t e m . i t i s u r g e n t t o f i n d o u t a n e w w a y t o d e s i g n t h e a u t o m a t i c c o n t r o l o f c a s i n o u r d e s i g n f i e l d s . t h e a u t h o r , i n h e r e y e s o f a n a i r - c o n d i t i o n i n g d e s i g n e r , m a d e a d e e p r e s e a r c h o n t h e p r o c e s s d e s i g n o f c a s i n i n t e l l i g e n t c i v i l b u i l d i n g s b y a d v a n c e d t e c h n o l o g y e m p l o y e d , t h e o u t b r e a k o f l i m i t a t i o n s a m o n g m u l t i - d i s c i p l i n e s , t r a d i t i o n a l c o n c e p t s o f a i r - c o n d i t i o n i n g d e s i g n c o m b i n e d w i t h h e r m a n y y e a r s d e s i g n e x p e r i e n c e s . t h e p u r p o s e o f t h i s t h e s i s i s t o r e a c h a n e w a i r - c o n d i t i o n i n g d e s i g n m e t h o d g e a r e d t o t h e i n t e l i g e n t t i m e . m a i n r e s e a r c h e s a r e a s f o l l o w i n g 二 d e f i c i e n c i e s l y i n g i n g e n e r a l c a s a r e a n a l y z e d a t l a r g e a n d t h e d r a w b a c k o f d e s i g n o f a u t o m a t i c c o n t r o l s y s t e m n o t b e l o n g i n g t o t h e d e s i g n p h a s e a s w e l l .t h e d i f f i c u l t i e s t o b e c o n f r o n t e d i n c u r r e n t d e s i g n n o r m a r e p o i n t e d o u t . t h e n e c e s s i t y o f t h e d e s i g n o f a u t o m a t i c c o n t r o l s y s t e m o f c a s i n i n t e l l i g e n t c i v i b u i i d i n g s i s d i s c u s s e d . a n e w c o n c e p t i s p u t f o r w a r d c r e a t i v e l y w h i c h i s t o m a k e t h e d e s i g n o f a u t o m a t i c c o n t r o l a s p a r t o f t h e s y s t e m d e s i g n a t t h e b e g i n n i n g o f t h e d e s i g n p h a s e b e y o n d t h e d i s c i p l i n e l i m i t a t i o n s . 西南交通大学硕士研究生学位论文第i v 页 t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t o n i n t e l l i g e n t b u i l d i n g ( i b ) a n d b u i l d i n g s a u t o m a t i o n s y s t e m ( b a s ) a t h o m e a n d a b o a r d a r e i n t r o d u c e d . t h e r e l a t i o n s a m o n g i b , b a s a n d t h e a u t o m a t i c c o n t r o l s y s t e m o f c a s a r e i l l u m i n a t e d . c o m p a r i s o n s a r e m a d e b e t w e e n g e n e r i c c a b l i n g s y s t e m ( g c s ) a n d t h e c a s t o e x p l a i n w h y c a s a n d g c s a r e s e p a r a t e l y a p p l i e d . a n c o m p r e h e n s i v e a n a l y s i s i s p r e s e n t e d i n c l u d i n g t h e p r o c e s s d e s i g n o f a i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e m w i t h a u t o - c o n t r o l s y s t e m s , t h e d e t e r m i n a t i o n o f c o n t r o l f u n c t i o n s , t h e e n e r g y - s a v i n g p r o b l e m , t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f u s u a l a u t o m a t i c c o n t r o l e q u i p m e n t a n d p a r t s a n d s e l e c t i o n o f t h e m , a n d a l l t h e n e e d e d d e s i g n c o n d i t i o n s c o n c e r n i n g a u t o m a t i c c o n t r o l s y s t e m d e l i v e r e d t o t h e a u t o m a t i c c o n t r o l c o m p a n y b y t h e a i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e m t h e d e t a i l e d s t e p s a r e l i s t e d d e s i g n e r i n t h i s t h e s i s d e r i v e d f r o m a c o n c r e t e p r o j e c t i n s t a n c e a n d d a t a a n d c h a r t s a r e s u m m a r i z e d w h i c h a r e b e n e f i t t o f u t u r e w o r k . t h e r e a r e b o t h e l a b o r a t e t h e o r i e s a n d g o o d p r a c t i c a b i l i t y i n t h e t h e s i s , w h i c h w i i i p r e s e n t a n e w m i n d t o t h e d e s i g n o f a i r - c o n d i t i o n i n g a n d e l e c t r i c s y s t e m . t h e p r o c e s s d e s i g n o f c a s i n i b p r o p o s e d i n t h i s t h e s i s w i i i p r o v e i t s w i d e p r o s p e c t w i t h i t s c o n n e c t i o n o f t h e o r y a n d p r a c t i c e , m e e t i n g t h e n e e d o f i b a n d i t s g o o d r e a l i z a t i o n . k e y w o r d : i n t e l l i g e n t b u i l d i n g ( i b ) ; b u i l d i n g a u t o m a t i c s y s t e m s ( b a s ) c e n t r a l a i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e m s ( c a s ) ; a u t o m a t i c c o n t r o l s y s t e m ; a i r - c o n d i t i o n i n g d e s i g n 一一一一一 wx d 进q f m 这燮1i it 3 第1 章绪 论 1 . 1问题的提出 空气调节系统顾名思义应是可以调节的系统，系统的供冷 ( 热)量、新 风量等应能随着气候、方位、人员数量、设备发热量及使用功能等因素的变 化而变化，并应能满足被空调区域在不同时期的不同设计要求。对民用建筑 空调系统的要求，其核心是满足使用功能 ( 舒适性要求和卫生标准，即对温 度、湿度、新风量、噪声等的要求)的前提下力求提高投资效益和降低能耗 水平。 集中空调系统的自 动控制是智能建筑中的重要组成部分，空调系统创造 的人工环境为人们提供了健康、舒适的生活环境和高效的工作环境，即由空 调系统对被空调区域的空气进行适当的热湿处理和卫生处理，使其温度、湿 度、风速和空气品质达到一定的要求。 随着近年来空调系统在楼宇中的广泛应用，空调系统能耗大的特性及其 负荷的非均衡性，必将对我国的能源供应产生强大的冲击，因消耗能源而带 来的局部环境恶化，导致全球环境破坏的问题也会越来越严重。因此，我们 在致力于 创造舒适健康室内 环境的同时，应力争实现能源和室内 环境的最优 化控制，以最少的能源消耗达到最佳的空调效果，从而降低空调系统的运行 费用，保护好我们赖以生存的大环境。为此，我们在设计智能建筑集中空调 系统的时候，应使空调装置和空调系统与楼宇自 动化紧密结合起来，为业主 提供良好的空调自 动控制和管理手段。 以前，由于我们国家的经济水平相对较低，人们对民用建筑舒适性空调 的要求并不高，常常满足于夏季有冷气，冬季有暖气，加之对自 动控制技术 的认识不够，很多工程采用手动控制，空气调节系统并没有名副其实地调节 起来，空调系统不得不按最不利条件 ( 最大冷量和最大热量)设计，系统的 供冷 ( 热)量不能随着需要进行调节，系统向各被空调房间供给的冷 ( 热) 量也是不可调的。 这样一来虽然一次投资比较小， 但是空气调节的质量不高， 能量浪费很大，运行费用非常昂贵。 实际运行中，空调房间的负荷始终都是变化的，而且最大负荷出现的时 间很短，绝大部分时间房间负荷都小于最大负荷值，最大负荷出现的小时数 一 般不会超过总小时数的 1 0 % , 9 0 % 时间是在部分负荷 卜 运行，即系统大部分 mrz型登g 全 liff 5 * 学 位 论 文第 2 页 时间应该在部分负荷下运行。而按最不利条件设计的不可调节的手动控制系 统总是向系统提供最大冷量或最大热量，形成空调房间长期过冷或过热，满 足不了舒适性要求，并造成能量的大量浪费。另一方面，在实际工作中，系 统新风量一般按规范规定的每人所需新风量及房间的人数来确定。民用建筑 特别是公共建筑中人流量变化非常大，房间甚至整栋建筑的使用功能都有可 能改变，新风量是个变化范围非常大的变量，手动控制系统依据确定的人员 数量计算出的固定新风量不能满足新风量的变化要求，人流量小于设计值时 新风量过大，新风负荷过大，造成处理新风可观的能量白白地浪费;人流量 大于设计值时新风量过小，室内空气质量差，满足不了卫生要求，可能引起 “ 病建筑综合症” ( s i c k b u i l d i n g s y n d r o m e ) 和“ 建筑相关疾病” ( b u i l d i n g r e l a t e d i l l n e s s ) ; 此外，固定新风系统中，过渡季节室外新鲜空气宝贵的 天然冷量或热量也得不到充分利用。 空调系统在为人们带来舒适的人工环境的同时，因其能耗太大导致局部 环境恶化而遭到节能和环保人士的非议，昂贵的运行费用亦使用户难堪其重 负。将自 动控制技术用于集中空气调节系统，可以改进空调系统的性能，系 统的供冷 ( 热) 量、新风量等可根据实际需要经济合理地分配到各空调房间， 系统中对冷热量、新风量需求不同及运行时间不同的各个房间之间可以实现 能量调配。在满足使用要求的前提下，系统总的需冷量和需热量得以降低， 与传统空调系统相比，系统中投资最大、耗能量最大、运行费用最高的冷热 源设备的装机容量降低、配置成本减少，从而减少初投资、节能环保、节省 运行费用。自 动控制技术还能改善劳动条件， 提高劳动生产率和加强系统管 理 。 1 . 2国内、外发展概况与发展趋势 发达国家在经历了能源危机后， 非常重视节能增效， 楼宇自 动化技术( 主 要监控供热、 通风及空调系统、给排水系统、照明、电 梯、变配电、安全、 消防，以及计量管理等)的节能节资优势促进了楼宇自 动化技术的应用与发 展;发达国家劳动力资源比较紧张，人工费用很高，应用楼宇自 动化技术可 大大减少运行管理人员，节省劳动力。楼宁自 动化技术在国外已经有几十年 历史了，应用非常广泛，经过几十年的发展，设备生产厂家很多，而且己具 有相当大的规模和先进的技术。我国起步比较晚，八十年代后期楼宇自 动化 技术才在北京、 海等大城市开始应用，当时从设计、施工到设备供应全是 一里壑 鱼兰迎全塑些塾 选主一一一 由国外公司提供。近年来，国外著名的自动控制设备厂商在国内积极开拓市 场的同时，我国自己设计、施工的楼宇自 动化工程也在逐渐增多。 1 . 3国内空调自 动控制设计现状 虽然集中空调系统的自 动控制已经逐步被人们接受，但是实现起来有很 大的困难，这不仅与业主对其的认识和投资状况有关，与设计人员对空调自 动控制的熟悉程度也有一定关系。空调自 控是暖通空调和自 动控制两个专业 的边缘学科，自 控专业人员不熟悉空调，而不熟悉自 控的暖通空调专业人员 因设计周期短已习惯于按最不利条件作静态 ( 极端)设计，两个专业设计人 员都很难提准甚至根本提不出工况转换的边界条件及其相应的控制程序。虽 然国内拥有很好的空调和电气科研设计人员队伍，国外著名的自 控控制设备 厂商已经进入国内开拓市场， 但是在实际工程运作中，因国外的自 控设备较 多地考虑产品的通用性，对空调工艺的考虑相对较少，这就需要设计人员协 同配合，根据空调系统的需求与电气及自 控设计人员共同选择控制方案与产 品。此外还存在着对空调工艺不熟甚至不懂的自 控公司，仅仅根据空调专业 人员提供的常规空调系统的工艺设计图纸进行自 控设计及系统集成，其结果 很可能是该设控制点的地方没设，不该设的地方设了，或者是因心中没谱担 心控制点少了 满足不了要求，加之控制点和系统作得越大，自 控公司的合同 额越高利润越大，因而采取设大包围圈的办法，过多地布线设点，造成控制 系统无谓地加大和浪费，增加了系统的一次投资和不可靠程度。 另一方面，因空调设计人员没有针对工程项目本身提出工况转换的边界 条件及其相应的控制程序， 空调自 控系统的软件编制没有依据，自 控公司只 好采用通用软件，结果空调自 控系统往往运行不起来，更谈不上是节能优化 的集中空调自 控系统了.如果暖通空调专业人员懂自 控，针对不同性质的每 个建筑物自身的集中空调系统，都能够提出相对合理的_ _ 况转换边界条件和 控制要求甚至控制方案，就可以大大减少上述不合理状况，为业主把好质量 关。 综上所述，将自 动控制用于集中空调系统已势在必行，这对从事空调设 计工作的我们提出了更新知识结构的要求，空调设计人员不仅应该具备暖通 空调方面的知识，还应掌握跨学科的自 动控制方面的知识，并且应能在工程 设计中正确熟练地加以 应用。 深入研究空调自 动控制的有关内容及设计方法， 不仅仅对空调控制系统的设计有帮助，了解了空调控制设计缤密的思维方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 及对空调系统的动态研究方法，将会使我们对常规空调系统的 认识有很大的 提高，有助于我们提高设计水平，更好地为城市建设服务，为用户服务，因 此，它是必要的而且是非常紧迫的。 1 . 4本论文的研究内容和方法 本文首先对智能建筑、楼宇自 动化系统和集中空调自动控制系统做了简 要介绍，然后探讨了常用的空调自动控制设备和元件的性能、适用场合以及 在空调系统中的安装位置。就空调控制系统中的空调工 _ 艺部分，针对暖通空 调专业设计人员在设计空调自 动控制系统时所遇到的问题及其解决方式做了 深入的研究。 在智能建筑的设计中，空调工程师最棘手的问题是有自 控手段的空调系 统的工艺设计及与电气专业的设计配合问题，特别是对于已习惯于按最不利 条 件 作静态 设 计且 不 熟 悉自 控的 设 计 人员， 这是 一 个巫 待 解 决 的问 题。 本文作者根据设计实践，在对智能化民用建筑空调自 控系统设计时空调 工艺的特点、系统所需的控制功能和节能运行的全面分析的基础上，针对当 前空调自 控设计中存在的困难和问题，提出了从空调工艺角度应加以考虑的 因素、空调自 动控制系统的控制功能的确定原则和有自 控手段的民 用建筑空 调系统的节能运行方案，以 及空调设计人员与电 气专业 ( 或自 控公司)设计 配合的方法及必要的自 控条件和空调自 控设计时空调工艺设计人员应注意的 几个问题等方面入手，结合作者多年的时间经验，提出了一套对实际工作有 指导意义、快速、方便、实用的空调自 动控制系统优化设计方法和一些数据 图表。最后，结合工作实践，以本市某一智能化高层民用建筑的空调工艺设 计对作者提出的设计方法进行了验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章智能建筑与楼宇自动化 2 . 1智能建筑 建筑业是古老而又现代的产业，历经工业革命时代和信息革命时代，工 业革命使建筑变得越来越高大，然而， “ 摩天大楼”改变的只是“ 无感觉的躯 体护 ; 现代建筑一改传统建筑只重视建筑面积轻视使用功能和舒适性要求的弊 病，不但建筑规模增大、功能复杂、耗能量大，还要求其技术经济性能良 好、 效率高、健康舒适、有利于环境保护和节约能源。在这种情况下，迫切要求 建筑物是一个有知有觉的智能化的有机整体。借助于信息技术，传统的建筑 理念逐渐发展成为会 “ 思考和有自 我意识”的 “ 智能建筑 ( 工 n t e l l i g e n t b u i l d i n g ) 。智能建筑是建筑技术与计算机信息技术完美结合的产物，是信 息社会与经济国际化的需要， 是国家信息基础设施的节点， 也是未来建筑发展 的方向，世界各国均把智能建筑列为2 1 世纪可持续发展的对象u u 在我国，随着社会的发展和科学技术的进步，人们的生活水平有了很大 提高， 工作和居住环境有了较大的改善。 智能建筑虽然在9 0 年代才起步， 但 发展迅猛，近年来，己建成了堪称世界级的智能大厦，如不久前落成的上海 金茂大厦为世界第三高的智能建筑。 智能建筑主要山以 下三大系统组成: ( 1 ) 楼宇自 动化系 统 ( b u i l d i n g a u t o m a t i o n s y s t e m , b a s) ( 2 ) 通信自 动化系统 ( c o m m u n i c a t i o n a u t o m a t i o n s y s t e m , c a s ) ( 3 ) 办公自 动化系统 ( o f f i c e a u t o m a t i o n s y s t e m , o a s ) 其中，楼宇自 动化是智能建筑中最基本和最重要的部分。 2 . 2楼宇自动化 2 . 2 . 1楼宇自 动化系统综述 高层及超高层建筑，不但要对电脑、电梯、照明、防雷、防烟排烟、水 位控制、停车场自 动化、电梯升降等进行管理，集中空调系统亦要求能进行 自 动控制，空调机组、风机、水泵、电动阀门、各种敏感元件等设备及元器 件大量进入建筑物，能源需求量非常大，控制及管理非常复杂，传统的手动 及常规仪表控制系统和管理手段己 经远远不能满足要求，不借助于楼宇自 动 化 ( b a )以上管理和控制根本无法进行，能源消耗量亦不能得到合理的控制， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 技术经济综合性能良 好、健康舒适、有利于环保和节能的高效建筑就更无从 谈起。 一般说来， 楼宇自动化系统 ( b a s )提供对建筑物的各种设备进行集中检 测和遥控，同时收集、记录、保存及管理各系统中的重要讯息及数据，并且 具备节能管理及报警处理的能力。设置楼宇自 动化系统的目的是确保建筑物 内的舒适和安全的办公环境，同时实现高效节能的要求。楼宇自 动化系统从 功能上可以分为下面几个部分: ( 1 ) 物业管理:可提供设备运行管理和楼宇经营管理， 包括大楼内各种 空间服务设施的预约、使用分配、调度及费用管理。 ( 2 )节能控制:包括空调、供配电、照明、给排水等系统的控制管理。 ( 3 ) 安全防范: 包括消防报警系统、 防盗保安系统、 出入管理系统等122 1 2 . 2 . 2楼宇自 动化系统的主要监控对象及分级 2 . 2 . 2 . 1主要的 监控对象 楼宇自 动化系统主要的监控对象一般是供热、 通 风及空调系统、给排水系统、照明、电梯、变配电、安全、消防以及计量管 理等，这些子系统应该得到充分的集成，做到信息共享，统一管理以及各子 系统的一体化协调运作，使系统安全、节能、高效运作，有利于设备的集中 管理，便于维护和保养。例如，当消防系统检测出火警信号时，就要联锁控 制电梯、空调、供配电、给排水等各子系统，或者是保安系统发现警情时， 要联控电梯、照明、停车场系统等7 1 2 . 2 . 2 . 2楼宇自动化系统的分级楼宇自 动化系统根据所控制的设备的多少 构成不同的等级。例如，美国安德沃 ( a n d o v e r )的分级标准为: 第一级别: 楼宇自 动化系统将对大楼内的所有设备进行监控，监视所有的设备运行 参数，自 动控制所有设备，使大楼成为真正集中控制与管理的建筑物。 但由于种种原因，需要减少控制设备。第二级别的控制系统应包括: ( i )空调系统 ( 2 )电气系统 ( 3 ) 给、排水系统 ( 4 )火灾报警系统 ( 5 )消防系统 ( 6 )保安系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第三级别的控制系统应包括: ( 1 )空调系统 ( 2 )电气系统、 ( 3 ) 给、 排水系统 ( 4 )保安系统 接下来可以考虑拿掉给、排水系统和保安系统，只监控空调系统和电气 系统，因为大楼内大部分设备和用电量都是用在空调系统，而对电气系统有 一定的监视，才可有效地管理和控制空调系统的用电模式 1_ i 目 前我国许多省市己 经有了自己的智能建筑分级标准，这无疑将极大地 推动智能建筑的健康发展并对智能建筑设计施工的规范化、 标准化起到良好 的作用。四川省 建筑智能化系统工程设计标准中建筑设备自 动化系统一 章，根据不同建筑物的要求，对设备自 动化系统采用三级标准，即一级为高 标准型、二级为中 档型、三级为一般型 川 。 2 . 2 . 3楼宇自 动化系统的发展历程 2 . 2 . 3 . 1常规仪表控制系统早期的楼宇自 动化系统是常规仪表控制系统， 它包括电 ( 气)动控制器件、继电器、开关、执行器等设备，布线方式采取 控制盘与现场设备间逐点布线方式，通常系统的功能有限且配置不灵活，从 而难以实现复杂控制以及设备的运行管理和故障诊断，使系统设备的增加、 移动和改变均要付出较大的代价。 2 . 2 . 3 . 2 d d c直接数字控制计算机技术和大规模集成电路技术的发展导致 了d d c( 直接数字控制) 技术的普遍应用， 计算机控制系统与常规仪表控制系 统相比，大大简化了 控制系统的硬件设计，提高了系统的可靠性，其最大的 特点是可以使用一台控制器进行多参数检测，多回路控制，可实现复杂控制 以及设备的运行管理和故障诊断。但基于 d d c的控制系统的软件往往非常复 杂，并且控制器与传感器、执行机构及现场设备的布线仍然沿袭旧式的布线 方式。 为 d d c控制系统提供设备的厂商们各自 利用自己专有的技术生产其专有 的设备，这样 一 类设备构成的系统是封闭的，各厂家的设备缺乏兼容性，没 有统一的互操作规约，因而难以实现与楼宇自 动化系统的连接与集成。如果 一定要将两个或多个互不兼容的系统互连并实现互操作，唯一的解决办法是 采用网关，但是网关只在有限程度上实现了互操作，两个由网关互连起来的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 控制网络并不能实现完全的数据共享，并且当一个系统的配置发生变化时， 网关的配置也要做相应的修改。 由于受到楼宇设备的多样化、技术的复杂性和市场竞争以及业主的意愿 等各方面因素的影响，也为了达到最优的组合和最好的性能价格比，往往需 要不同的厂家的产品组成一个楼宇自 动化控制系统。因此，我们选择的楼宇 自 动化系统要有良 好的开放性和互操作性，控制网络最好是具备开放性和互 操作性的，允许不同厂家的产品很容易地连接到同一系统中协调运作。 2 . 2 . 3 . 3 开放式楼宇自 控系统中的l o n w o r k s 技术 在智能建筑中，智能建筑 网络系统是“ 通信网络” 、 “ 办公自 动化网络” 和 “ 建筑设备自 动化控制网络” 的总称，是智能建筑的基础。智能建筑网络系统犹如智能建筑的神经系统， 是用于采集、传输智能建筑内外有关信息的通道。 现代楼宇自 动化系统是采用计算机及其网络技术、自 动控制技术和通信 技术组成的高度自 动化的综合管理系统。为了摒弃常规仪表控制系统和 d d c 直接数字控制系统的弊端，要求现场设备可以被多个系统共享，可以选择来 自 不同厂商的具有可互操作性的设备来组成系统，这样一来系统不依赖于某 一厂家，对系统的升级换代及维护管理有很大的益处。 早在数年前，美国暖通空调工程师协会 ( a s h r a e ) 就在为h v a c( 暖通空 调) 系统着手 制定控制网 络互连国际 标准，即b a c n e t ( b u i l d i n g a u t o m a t i o n a n d c o n t r o l n e t w o r k ) , b a c n e t定义t在各种不同 l a n坏境下网络工作站 之间的通信规程。由于它利用以太网实现b a c n e t 协议， 所以其传输性能较传 统的控制网络有较大的提高。 虽然b a c n e t 的初衷是为开放式控制网络寻求标 准，但由于不同厂商仍以不同的方法来实现设备的功能，从而使得来自 不同 厂商的b a c n e t 设备仍然缺乏互操作性。 所以， b a c n e t 适宜在工作站级的管理 信息域应用，用来构成标准的大厦内部局域网，而开放式 b a s中的现场设备 通讯功能， 目前看来主流的方向是采用国际最流行的 l o n w o r k s 现场总线技术 来完成。 l o n w o r k s 技术使各种不同的智能控制设备 ( 如控制器、智能传感器和执 行器等) 采用通用的通信协议l o n t a l k 协议进行信息交换， 通过标准的收 发器、编程及网络维护工具、协议分析仪、网络接口卡等来实现这一技术。 l o n w o r k s技术的核心体现在 n e u r o n ( 神经元) 芯片中，该芯片集成了实现 l o n t a l k协议所需的硬件及固件，这不但使系统集成商能够设计出符合 l o n t a l k协议的开放式网络，也使得开发商无需关心l o n t a l k协议的具体实 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 现过程就能设计制造出l o n w o r k s 技术产品。 l o n w o r k s 技术真正从系统级提供 了设计和实现开放式可互操作控制网络的完善手段。11h ) 12 3 1 (2 3 1 2 . 2 . 4现阶段我国的楼宇自动化系统 2 . 2 . 4 . 1我国楼宇自动化系统的分类就我国目前的技术发展水平及国家政 策来说，楼宇自 动化系统可归纳为: b a s建筑设备自 动化系统 b u i l d i n g a u t o m a t i o n s y s t e m f a s火灾自 动报警系统 f i r e a l a r m s y s t e m s a s安全自 动化系统 s e c u r i t y a u t o m a t i o n s y s t e m g c s综合布线系统g e n e r i c c a b l i n g s y s t e m b m s建筑设备管理系统 b u i l d i n g m a n a g e m e n t s y s t e m f a火灾自 动报警系统是消防系统，具有火灾自 动报警与消防联动控制功 能。根据国家及某些地区的政策要求，该系统应独立设置， 所以队火灾自 动 报警系统是一专用计算机系统。 s a安全自 动化系统常设有闭路电视监控系统、通道控制 ( 门禁)系统、 防盗报警系统、巡更系统等。 g c s 综合布线系统是在智能建筑中构筑信息通道的设施。 它采用光纤通信 电缆、铜芯通信电缆及同轴电缆，布置在建筑物的垂直管井与水平线槽内， 一直通到每一层面的 每个用户终端。 g c s 可以 各种速率 ( 9 6 0 b i t / s 6 3 0 m b / s ) 传送语音、数据、图像信息，称之为智能建筑的神经系统。 值得注意的是，在建筑物内采用了综合布线不等于实现了建筑智能化; 在建筑物内设置的信息插座越多不等于智能化水平越高; 系统集成 ( 一体化) 不等于集中控制。 b a 建筑设备自 动化系统通常在b a 系统管辖下的有空调、 给排水、 冷热源、 供配电、照明、电 梯、 停车库等设备月 。 2 . 2 . 4 . 2空调自动控制系统与综合布线系统的关系 综合布线系统传输的信 号必须是数字信号，其它信号必须经由另增相关的适配器转换为数字信号， 方可在综合布线系统传送。综合布线系统是一套标准、灵活、开放的系统， 适用于设备多变的场所， 叫 。空调系统相对固定的设备很多、 模拟量较多、技 术复杂;空调控制系统为低速传输系统， 其传输速率一般低于l m b / s ; 空调控 制系统的作用半径小，一般限于建筑物 ( 群)内，相对于综合布线系统微乎 其微;加之空调自 动控制系统与综合布线系统的工程施工、调试因种种原因 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 难以同步进行，甚至于因资金不到位空调自 动控制系统的实施滞后于综合布 线系统多年乃至于永久性空缺。如果将其纳入综合布线系统会造成很大的浪 费。所以，一般在工程设计时，将空调自 动控制系统分离出来，成为一个相 对独立的控制系统 。 一 一 一 一 4 a 至 暨 兰 题全 fir 究 生 学 位 论 文第 1 1 页 第3 章 民用建筑集中空调自 动控制系统 3 . 1民用建筑集中空调自动控制设计的必要性 现代化智能化民用建筑的特点是面积大、层次高、功能多，建筑物在不 同程度上都配备有建筑设备自 动化系统，它包括:集中空调系统的自 动控制 系统、电力及照明控制系统、给水排水控制系统，其中电力及照明系统和给 水排水系统的控制基本上是固定结构 ( 敏感元件和执行机构为一一对应关 系) 、位式控制，比较简单，容易实现。 集中空调的自 动控制系统在建筑设备自 动化系统中所占的份量最重、难 度最大。现代化建筑的集中空调系统是庞大而复杂的大系统，且有较高的空 调品质要求。 集中空调系统由冷热源、 空调机组、 水/ 风输运系统、 末端装置、 被空调房间等组成。首先，高品质的空调需求充分满足空调设计基准参 数或设定参数，要求空调系统在其运行过程中依据实际空调负荷的变化，实 时地改变运行参数及工况，同时空调系统中的各个环节必须相应地经常性地 调整，这时的空调系统是一个动态的系统。空调系统的控制系统为变结构系 统 ( 敏感元件与执行机构不是固定搭配) ， 变量繁多且为过程量， 工况转换的 边界条件及相应的控制程序复杂，控制对象的动作多为机械动作。对于大型 的现代化建筑而言，空调系统的控制是非常复杂的控制过程，要求空调系统 的操作人员在掌握运行工艺的前提下，对空调系统进行经常性的调整，手动 及常规仪表控制系统实现非常困难，因而即使运行操作人员 有较高的业务素 质，且能承担繁重的工作量，面对大型空调系统，如果没有空调自 动控制系 统，人力的直接干预是难以实施的，必须采用空调自 控系统。 其次，大型空调系统及其较高的空调品质要求，使建筑能耗增加很多， 运行管理工作量增大。 资料表明， 空调系统的能耗占建筑总能耗的3 0 5 0 9 6 0 0 , 可见集中空调系统的节能潜力很大，采用空调自动控制能使空调系统多工况 运行，这样不仅能更好地满足设计和使用要求，能耗也会大大降低，从而取 得非常可观的节能节支和环保效果。 多年来，各国政府都在为经济可持续发展的目 的积极地推广节能降耗技 术，由于我国大多数建筑的使用标准与国外相比 相对较低，使得人们满足于 采用手动及常规仪表控制系统，无形中推迟了空调自 动控制系统的使用.新 的时代己经对空调系统的控制提出了更高的要求，空调系统的自 动控制作为 空调系统的一个重要组成部分，空调专业人员不应再象以往那样对自 控采取 一一 一一 一一 j邹 夔鱼 叁却 蛙塑 宝 生 学 位 论 文第 1 2 页 应付或回避的态度，而应该尽早熟悉并且应能在实际工作中正确合理地应用 空调系统自 控技术。 3 . 2空调自动控制系统 3 . 2 . 1概况 集中空调系统控制环节很多，一个集中空调系统需要几套甚至几十套空 气处理机组，它们共同使用一个冷源或热源，这些装置要求协调控制。空调 工程中人们面对的问题往往是庞大的控制系统和众多的检测参数，如果把整 个空调系统作为一个整体进行最优化控制，并采用一台大型计算机，可实现 整体最优化，做到节能及控制最佳效果，但这种方式实施困难。一 方面控制 机的规模巨大，不易安装制造;另一方面控制线路过多，距离较长，不仅影 响信号质量，而且增加系统成本，更重要的是集中控制系统一旦某个环节出 现故障，将影响整个系统工作，即所谓的危险集中。因为存在上述缺陷，空 调工程中一般采用集散系统即分布式控制系统:根据地理位置及相互关系将 控制系统拆分为若干个子系统， 在保证若干子系统最优情况下通过总体协调， 从而实现总体最优。 分布式微机监控系统的组成如图 3 - 1所示，主要山监督计算机、 c r t 操作站、高速数据通道、基本调节器、子系统和控制对象组成。 分布式空调微机自 控系统在控制系统结构上是分布式结构，如图3 - 2所 示。其构成为:中央控制室的中央管理站 ( 上位机) ，通过网络与设在监控现 场的现场控制机 ( 下位机)联系，完成对整个空调系统 ( 制冷机、冷却塔风 机、水泵、锅炉、热交换器、空调机组、风机盘管、水系统及风系统等)的 自 动控制。 图3 - 1 分布式微机监控系统组成图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 中央管理站 ( 微机 )中央通讯接口机 局部通 讯网络 现 场 控 制 机 ! 现 场 控 制 机 制冷机房锅炉房热交换站空调机组 图3 - 2 分布式微机监控系统图 空调机组 3 . 2 . 2中央管理站 中央管理站的硬件包括:微型计算机、打印机。 中央管理站是分布式微机控制系统的调度中心，它负责实现对全系统的 集中监督、管理与控制、运行方案指导、故障分析、必要时亦可实行手动与 遥控控制。 中央管理站的基本功能有: 中央管理站通过通讯网络采集现场控制机的测量控制参数，进行数据管 理，并在必要的时候改变现场控制机的设定参数，干预其控制过程。因空调 系统热惯性较大， 运行人员又要及时观察系统运行状况，一般可将数据采集 周期设为 1 5 分钟，存储周期为6 0 分钟。 中央管理站可监控各台空调设备的运行状况、修 各单元控制器的运行 参数、远程操作和监视现场的设备运转，又可以合理安排设备的运转时数， 以达到提高设备使用寿命的目的，还可以实现故障报警、运行记录、空调系 统的能耗及节能率统计等。空调自 控系统可以实施完善的监控功能，充分达 到节省人力、提高调节品质、节约能源、提高经济效益的目的。 3 . 2 . 3局部通讯网络 局部通讯网络由中央通讯接口机、现场通讯接口及与之相互连接的通讯 导线等组成。 中央通讯 接口 机的作用是将中央管理计算机发出的命令通过标准接口进 入接口机，再进行电平变换和光电隔离处理，将信息送到电流型通讯环中， 而每一个现场控制机所带的通讯接口 都串接于这个通讯 环路中。 现场通讯接口有接收、发送节点，将通讯环上信息传给现场控制机，或 将现场机的信息发送到通讯环上，此外，还有自 保护电路及掉电保护电路， 一- 一一一 鱼 z a t * g t *3f.r * li it 3 l 一 x 1 4 保证通讯接口机正常工作。 3 . 2 . 4现场控制机 现场控制机不但有常规仪表控制系统中调节器的作用，而且能够完成用 户预先设定的各种任务，直接面对被控对象，并提供相应的用户接口。它可 在网络的支持下运行，也可以独立运行。例如，用于空调系统，现场控制机 采集系统的运行状态参数，并对空气处理过程进行自 动控制，保证被调对象 的空气参数在一定范围内波动。 现场控制机主要包括: 主机:控制