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文档简介

摘要 智能化建筑综合了电子计算机、信息通信方面最先进的技术,实现楼宇综合管 理自动化、通信及办公自动化,使建筑物内的电力、照明、空调、防灾、防盗、电 梯等高效地运行。其中,空调系统的最优监控则是智能化大厦自动化管理及节能功 能的基本要求。 h v a c 是能耗大户,对热( 冷) 量的使用进行合理收费势在必行,空调使用者支 付的费用直接和使用量相关,将极大地促进用户自觉地采取节能措施,这样h v a c 系统的能耗将大大降低。但是,目前b a s 应用在国内并不乐观,b a s 产品主要是以国 外品牌为主,在工程应用上存在很多问题,智能建筑设备集成系统工程大部分由计算 机、自控专业的人士完成,再加上与水、暖、电等设计师沟通不良,造成业主花了 大笔投资,b a 设备节能效果并没有达到期望值。在b a 工程设计与实施项目中,暖 通空调专业工程师的直接参与将是必然的,本研究课题是暖通空调专业人员对b a 研究与探讨的一次尝试,鉴于目前的b a s 应用情况,只有相关专业工程师的直接参 与,才能真正做好b a s 应用与发展。 本文结合智能建筑h v a c 监控工程实例,针对物业管理工作的特点,讨论并吸 取了国内外先进的控制与计量技术,在h v a c 监控制的基础上开发中央空调计费软 件,提出更先进的设计理念,开发设计的h v a c 监控与计量系统实现了监控与计量 有机地结合,对h v a c 设备进行高效地节能管理,同时也可以扩充功能,对用户的 水电,煤气,生活用热水等进行数据采集、运算和分析处理,真正意义上地实现了 物业管理的信息化、科学化、合理化、高效化;为业主节省9 2 7 3 万元的初投资。 关键词:智能建筑中央空调监控计量 a b s t r a c t t h ei n t e l l i g e n c eb u i l d i n gs y n t h e s i z e dt h eb e s tt e c h n i q u e s o fc o m p u t e ra n d i n f o r m a t i o nc o r r e s p o n d e n c e ,a u t o m a t i z a t i o no fs y n t h e s i z i n gm a n a g e m e n ta n do f i n f o r m a t i o nc o r r e s p o n d e n c ea n dw o r k i n gf o r t h eb u i l d i n g ,m a k ee l e c t r i c p o w e r , i l l u m i n a t e ,a i rc o n d i t i o n ,d i s a s t e rp r e v e n t i o n ,g u a r da g a i n s tt h e f t ,e l e v a t o re r e c i r c u l a t e e f f i c i e n t l yi nt h eb u i l d i n g ,a m o n gt h e m ,a i rc o n d i t i o ns y s t e mo fs u p e r i o rs u p e r v i s i n g a n di n t e l l i g e n tc o n t r o l l i n ga r et h eb a s i cr e q u e s to ft h ei n t e n t i o nf o rt h ei n t e l l i g e n c e b u i l d i n g s a u t o m a t i o nm a n a g e m e n ta n de c o n o m i z i n go ne n e r g y t h eh v a ci st h eb i gc o n s u m e ro f t h eb u i l d i n g ,i ti sn e c e s s a r yt oc a l c u l a t eh o t ( c o l d ) e n e r g yt oe v e r ya i r l ( :o n d i t i o n i n gc u s t o m e r s ,a i rc o n d i t i o nu s e r s p a y i n gi s d i r e c tr e l a t e d w i t hh i sh o wm u c hi su s a g e ,t h i sw i l lp r o m o t et h ec u s t o m e r ss e l f - m o v i n g l ya d o p tt o e c o n o m i z i n gm e a s u r eo ne n e r g yh v a c ,s ot h ec o n s u m i n go ft h es y s t e mo fh v a c w i l ll o w e rg r e a t l y h o w e v e r ,t h ec u r r e n tb a sa p p l i e si nt h ed o m e s t i ca r en o to p t i m i s t i c ,i nt h ep r o d u c t o fb a sf i e l d ,t h ea b r o a db r a n dh a sb e i n go c c u p i e dt h ep r e d o m i n a n tp o s i t i o n ,e x i s t i n ga l o to f p r o b l e m si na p p l y i n gp r o c e s s e s i n t e l l i g e n c eb u i l d i n gt h ee q u i p m e n t s i n t e g r a t i o ni sa c c o m p l i s h e db yt h ec o m p u t e r o ra u t o m a t i z a t i o np r o f e s s i o n a l s ,a n dc o m m u n i c a t i o nw i t hw a t e r ,h v a c ,e l e c t r i c i t ye t c d e s i g n e ri sn o tg o o d ,r e s u l ti nb i gi n v e s t m e n t ,l i t t l e rrr e t u r n i n g ,a b o u tt h ew o r k i n go f b a e n g i n e e r i n gd e s i g n ,h v a ce n g i n e e r sp a r t i c i p a t ei nd i r e c t l ya n d i tw i l lb ei n e v i t a b l e , t h i ss t u d yi sat r yt oah v a cp r o f e s s i o n a la ts t u d y i n gt h eb a ,o w i n gt oc u r r e n tb a s a p p l i c a t i o nc o n d i t i o n ,o n l yt ol e tt h er e l a t e dp r o f e s s i o n a lt h ee n g i n e e r sp a r t i c i p a t i n gi n d i r e c t l y ,t h eb a sa p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t w i l lb er e a l l yw o r kw e l l t h i st h e s i sc o m b i n e sw i t ht h ee x a m p l eo fe n g i n e e r i n ga b o u tt h eh v a cs u p e r v i s i n g o f t h ei n t e l l i g e n c eb u i l d i n g ,i na l l u s i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ei n d u s t r ym a n a g e m e n t w o r k ,t oi n t e g r a t ew i t ht h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l a d v a n c e dt e c h n i q u e sa b o u t s u p e r v i s i n g a n dc o n t r o l ,t od e v e l o ps o f t w a r et oc a l c u l a t ea tt h ef o u n d a t i o no ft h e s u p e r v i s i n ga n dc o n t r o l f o rc e n t r a la i rc o n d i t i o ns y s t e m ,t or i n gf o r w a r dt h em o r e 南昌大学硕士学位论文智能建筑中央空调监测计量与控制 a d v a n c e dd e s i g np r i n c i p l e ,t h ed e v e l o p e dt h ed e s i g ns u p e r v i s ea n dc o n t r o lw i t hc a l c u l a t e f o rh v a cr e a l i z e st h es u p e r v i s i n ga n dc o n t r o l l i n gw i t hc a l c u l a t et oo r g a n i c a l l y c o m b i n e d ,p r o c e e d i n gt h eh v a ce q u i p m e n t st or u ne c o n o m i z i n g l ya n dr e a l i z i n gt h e m a n a g e m e n te f f i c i e n t l y ,a l s o c a l l e n l a r g i n gt h ef u n c t i o n :t o c o l l e c ta n dc a l c u l a t e e l e c t r i c ,d r i n k i n gw a t e r ,c o a lg a s ,e t c ,t oa n a l y z e sa n dh a n d l et h e s ed a t a t h er e a l r e a l i z e dt h ei n d u s t r ym a n a g e m e n tt oi n f o r m a t i o n ,s c i e n c e ,r a t i o n a l i z a t i o n ,e f f i c i e n c y ,w e h a v es a v e do 9 2 7 3m i l l i o ny u a ni n i t i a li n v e s t m e n tf o rt h eo w n e r t h ek e yw o r d s :i n t e l l i g e n c eb u i l d i n gc e n t r a la i rc o n d i t i o n i n g s u p e r v i s ea n d c o n t r 0 1 c a l c u l a t e 独割性声甓 本人声明聪呈交的学位论文是本人狸导师指导下谶行的研究王作及取得憋 掰突藏采。糕我掰舞,豫了文孛饕溪麓爨棘注龚致落骢缝方努,论文孛不毽含冀 他入西经发表躐撰写过酌研究成采,也不包含为获褥盘虽塞鲎域其他教育枫 构的学位或谶濑丽使用过的材孝季。与我阑工馋的鬻漆对本研究掰徽的任何贯献 蝗已在论文中佟了臻确的说鹤劳裹示落懑。 学位论文作者签名:琢磊互躲字墨期; 沙年f 月f 譬e t 学位论文版税使焉授权书 奉擎霞论文霞者完全了簿蠢蓦太警畜美稼餐、镬爱学霞谂交懿鬟定, 霄极傈嚣并秘黼家有关都门绒税稳送交论文的复印件和磁盘,允许毫仓文被查阅秽 惜澜。零入授牧南昌大学w 以搀学位论文的全部或粼分内容编入谢关数据库进 行捡豢,可以暴露影印、缕鼯或l 薯接等笈臻手段保存、汇编学位论交。 辍塞熬擎蠖论文奁薅鬻器逶鬻零菠攘零 学位论文作者熬寓:拖薪益 貉字碍期:州痞年f 弼? 多目 学位论文作者毕嫩后去向: 王露单霞; 遄讯地址: 导师签名;美水哆 签字困瀚;矽前辈6 月i j 嗣 瞧落; 邮编: 南昌大学硕士学位论文智能建筑中央空调监测计量与控制 第一章绪论 1 1 课题背景与b a s 介绍 目前日益流行的智能建筑( i n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ) 是建筑技术与计算机信息技术 相结合的产物,是信息社会的需要,也是未来建筑发展的方向,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,大批公共设备工程师将从事智能建筑设计与 研发工作。 智能化建筑从功能上看,应具有在某种程度上提供给使用者各种优良舒适的内 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。 智能化建筑作为人类生存的桥梁,如何改善生存环境、降低能源消耗、提高居 住质量是2 1 世纪建筑设计所面临的首要任务。 9 0 年代工业化国家在电脑与自动控制技术日臻完善的条件下,大力推进建筑 智能化,对建筑物的节能进行综合管理并获得了显著的效果。越来越多的国家开始 执行全面的节能政策,把建筑物的节能上升为重要的战略举措。智能大厦或智能建 筑物( i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 是楼宇自动化系统( b a s :b u i l d i n gm a n a g e m e n t a u t o m a t i o ns y s t e m ) 、通信自动化系统( c a s :c o m m u n i c a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ) 和办 公自动化系统( o a s :o f f i c ea u t o m a t i o ns y s t e m ) - - 者的有机结合,b a s 是智能建筑中 最基本和最重要的组成部分;b a s 是利用计算机及其网络技术、自动控制技术和 通信技术构建的高度自动化的综合管理和控制系统,将大楼内部各种设备连接到一 个控制网络上,通过网络对其进行综合的控制,这些设备包括空调、照明设备、电 梯、消防设备、安防设备等等。它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。 智能建筑也是信息时代的必然产物,当今世界科学技术发展的主要标志是4 c 技术( 即c o m p u t e r 计算机技术、c o n t r o l 控制技术、c o m m u n i c a t i o n 通信技术、c r t 图形显示技术) 。将4 c 技术综合应用于建筑物之中,在建筑物内建立一个计算机综 合网络,使建筑物智能化。4 c 技术仅仅是智能建筑的结构化和系统化。建筑物智 能化程度随科学技术的发展而逐步提高。 南昌大学硕士学位论文一智能建筑中央空调监测计量与控制 1 2b a s 的应用形式 上个世纪七八十年代,伴随着计算机可靠性提高,价格大幅下降,出现了由多 个计算机递阶构成的集中、分散相结合的分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ,简称d c s ) 。d c s 是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管 理和分散控制的一种综合控制系统。它的测量变送仪表一般是模拟仪表,因此它属 于一种模拟数字混合控制系统,这种系统较以前的各种控制系统有了较大的进步。 d c s 在工业自动化控制领域获得了广泛的应用,也开始应用到楼字自动化控制领 域,但是d c s 存在如下一些缺点: ( 1 ) 安装费用高。采用一台仪表、一对传输线的接线方式,导致接线庞杂、工 程周期长、安装费用高、维护困难; ( 2 ) 可靠性差。模拟信号传输精度低,而且抗干扰性差; ( 3 ) 系统封闭。各厂家的产品自成系统,系统封闭、不开放,难以实现产品的 互换与互操作以及组成更大范围的网络系统。 上个世纪9 0 年代以来,随着控制技术、计算机技术、通信技术的发展,出现了 基于现场总线的控制系统( f c s ) ,f c s 克服了d c s 的缺点,它是一种全数字化的、 全分散的、全开放、可互操作和开放式互连的新一代控制系统。目前,现场总线技 术已经成为自动化技术中的一个热点,备受国内外自动化设备制造商与用户的关 注。f c s 极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量,使其系 统检测和控制单元的分布更趋合理。与传统肋o c s ( 分布式控制系统) 相比,f c s 具 有可靠性高、可维护性好、成本低、实时性好、实现了控制管理一体化的结构体系 等优点。现场总线的出现,为工业自动化带来了一场深层次的革命,从而开创了工 业自动控制的新纪元,被誉为自动化领域的计算机局域网。鉴于f c s 的许多优点, 控制专家们纷纷预言“f c s 将取代d c s 成为2 1 世纪控制系统的主流。”现在,f c s 已 经被应用到楼宇自动化控制领域川。 1 2 1 楼宇自动化领域的几种现场总线3 】 由于诱人的市场商机和不同的应用领域的存在,世界一些大公司或公司联盟纷 纷提出自己的现场总线协议标准。据不完全统计,目前国际上有4 0 种宣称为开放型 的现场总线标准。这些协议根据国际标准化组织o s o ) 的计算机网络开放式互连系 南昌大学硕士学位论文一智能建筑中央空调监测计量与控制 统的o s i 参考模型来制定的。大多数现场总线只是用其中的一、二和七层协议。于 是现场总线呈现杂乱纷呈的局面。在这些现场总线中不乏优异的现场总线,女, c a n 、 m o d b u s 、p r o f i b u s 、l o n w o r k s 、b a c n e t 、d e v i c e n e t 等等。其中l o n w o r k s 、b a c n e t 、 c a n 、e i b 等现场总线在楼宇自动化领域获得了较广泛的应用。尽管基于现场总线 的f c s 克服了d c s 的许多缺点,但还是有一些不如人意的地方,最明显的缺点: 多种现场总线并存而互不兼容,导致f c s 的可互操作性只能在同一种现场总线系统 中实现。后面将对f c s 的缺点做进一步说明。 ( 1 ) l o n w o r k s 美 w c h e l o m 公司1 9 9 1 年推出t e o n ( l o c a lo p e r r a t i o n g n e t w o r k s ) 技术,又称 l o n w o r k s 技术。它得到了众多计算机厂家、系统集成商、仪器仪表以及软件公司的 大力支持,已经在楼宇自动化、工业自动化、电力系统供配、消防监控、停车场管 理等领域获得广泛应用。具体地说l o n w o r k s 具有以下优点: 网络结构灵活、组网方便。它支持多种网络拓扑形式,包括总线型、星型、 树型、自由拓扑型等,这样可适应复杂的现场环境,方便现场布线; 支持多种传输介质。包括双绞线、同轴电缆、电力线、光纤、无线射频等; 两种传输速率:7 8 b p s 和1 2 5 m b p s ,最大传输距离由网络拓扑形式和传输介质决定, 一般可从5 0 0 m 至f 2 7 0 0 m 。可接人的节点最多为3 2 3 8 5 个; 完善的开发工具。提供完善的系统开发环境,采用开放的n e u r o n c 语言, 它是a n s i c 语言的扩展; 无主的网络系统。l o n w o r k s 网络中各节点的地位相同,网络管理可设在任 一节点处,并可安装多个网络管理器; 开发l o n w o r k s 网络节点的时间较短,也易于维护。l o n w o r k s 采用的l o n t m k 协议固化在e c h e l o n 公司的n e u r o n 芯片中,这样可以节省开发l o n w o r k s 网络节点的 时间,也方便维护。同其它现场总线一样,l o n w o r k s 也有自身的缺点。首先,l o n w o r k s 的实时性、处理大量数据的能力有些欠缺:其次,由于l o n w o r k s 依赖于 e c h e l o n 公司的n e u r o n 芯片,所以它的完全开放性也受到一些质疑。尽管l o n w o r k s 存在些不足,但是l o n w o r k s 的f c s 还在楼宇自动化领域获得了广泛的应用。世 界上有2 万多家o e m 厂商生产l o n w o r k s 相关产品,其中种类己达3 5 0 0 多种。目前 世界上己安装有5 0 0 多万个l o n w o r k s 节点,l o n t m k 协议也被接纳为欧洲 南昌大学硕士学位论文一智能建筑中央空调监测计量与控制 c e n t c 2 4 7 、c e nt c 2 0 5 的一部分。自1 9 9 6 年以来,l o n w o r k s 也开始在国内获得大 量的应用。在建设部的支持下,国内一些研究所和企业开始陆续开发出基于 l o n w o r k s 的楼宇自动化控制系统,并在一些新建智能大厦和建设部智能化小区试 点工程中得到应用。 ( 2 ) b a c n e t b a c n e t 是作为世界上第一个楼宇自动控制网络的数据通信协议。它代表了智 能建筑发展的主流趋势。b a c n e t 不是软件或硬件,也不是固件,严格地说,b a c n e t 并不是现场总线,而是一种网络协议,即通信规则。为不同商家产品的系统之间进 行信息交流提供平台和支持。b a c n e t 详细阐述了系统组成单元相互分享数据实现 的途径、使用的通信介质、可以使用的功能以及信息如何翻译的全部规则。b a c n e t 采用了e t h e m e t 、a r c n e t 、m s t p 、p t p 、l o n t a l k 五种网络技术进行通信。可根 据系统通信和通信速度选择不同的网络技术。相对其它现场总线,b a c n e t 标准最 大的优点是可以与e t h e m e t 、l o n w o r k s 等网络进行无缝集成。不过b a c n e t 主要为解 决不同厂家的楼宇自控系统相互问的通讯问题设计,并不太适用于智能传感器、执 行器等末端设备。b a c n e t 标准已在全球得到了广泛的应用,全球生产和经营楼宇 设各和楼宇自控设备的主要厂商均支持b a c n e t 标准。b a c n e t 在不到1 0 年的时间内 就从一个行业学会标准迅速成为楼宇自控领域中唯一的i s o 标准。虽然我国是 w t o 和i s o 成员国,但是b a c n e t 在我国建筑领域中的应用范围还是相对较小,而且 在工程中采用的b a c n e t 产品和技术也基本上全部是从国外引进的,还没有真正意 义上的国产化b a c n e t 相关产品。 7 ( 3 ) c a n c a n 总线最初是德国b o s c h 公司为汽车监控控制系统设计提出的,现在它已经 成为一种国际标准,在电力、石化、空调、建筑等行业均有应用。c a n 具有以下优 点: 采用8 字节的短帧传送,故传输时间短、抗干扰性强; 具有多种错误校验方式,形成强大的差错控制能力。而且在严重错误的情 况下,节点会自动离线,避免影响总线上其它节点: 采用无损坏的仲裁技术: c a n 芯片不但价格低而且供应商多。 南昌大学硕士学位论文一智能建筑中央空调监测计量与控制 c a n 缺点是:c a n 总线上最多可挂接1 1 0 个节点,这不完全能满足整个智能 建筑的需要。不过可以通过利用中继器进行扩展,相对其它一些现场总线,c a n 总 线技术比较简单,c a n 相关产品的开发费用也远远低于其它现场总线技术产品的开 发费用。因此,很早国内就有一些企业推出了基于c a n 总线的楼宇自控的相关产 品。如狮岛、索龙集团开发出t s 2 0 0 0 楼宇自控系统。 ( 4 ) e i b e i b 是欧洲安装总线( e u r o p e a n i n s t a l l a t i o n b u s ) 的缩写。它在1 9 9 0 年被提出, 经过十多年的发展,成为欧洲最有影响的建筑智能化现场总线标准,在欧洲得到了 近3 0 0 家厂商的支持。1 9 9 9 年e i b 被引进中国的智能化建筑领域,并在上海同济大 学建立了e i b 认证技术培训中心。在短短的几年里,国内的会展中心、博物馆、办 公大楼、别墅等场所的灯光、窗帘、空调等控制和安防系统方面获得了广泛应用, 如厦门国际会展中心、大连国贸中心、浙江人民大会堂等。国内的e i b 项目基本上 被a b b 公司和s i m e n s 公司所垄断。 1 2 2 以太网开始进入楼宇自控领域 以太网发展至今已有2 0 年历程,作为局域网组网的主要技术,以其简单、价廉、 高带宽、维护方便以及不断发展等优点一直在局域网领域中牢牢占据着统治地位。 近年来,咀太网技术获得了快速地发展。交换型和全双功以太网的出现,克服了传 统以太网的共享公共传输媒体和半双工传输的弱点,实现了站点独占传输媒体并同 时收发数据,也减少了网络上的数据碰撞。以太网的标准不断更新和扩展,目前的 以太网不仅在物理层( 包括拓扑结构、传输速率、传输媒体) ,并且在数据链路层与 原来的传统以太网标准有了很大的进步,以太网标准系列已扩展成2 0 余个。现在以 太网不但由局域网向着接入网和城域网领域发展,同时开始进入工业控制和楼宇自 控领域。新发布的i e e e 8 0 2 3 a f 标准开始对以太网供电做出了规定,它消除了以太 网技术进入现场控制领域的一个严重障碍。目前,3 c o m 、华为、d l i n k 等公司开 始提供符合i e e e 8 0 2 3 a f 标准的交换机产品。另外,一些现场总线的协会或组织也 开始提出基于其现场总线的开放式以太网标准,即工业以太网标准,如o d v a ( 开 放d e v i c e n e t 供货商协会) 年d c i ( c o n t o l n e t 国际组织) 发布的e t h e r n e t i p 标准、p p ( 现 场总线基金会) 发布的h s e ( h i g h s p e e d e t h e m e t ,高速以太网) 、p r o f i b u s 际组织发布 的p r o f i n e t 。支持这些工业以太网标准的交换机、网卡等产品也开始出现,立i l m o x a 南昌大学硕士学位论文一智能建筑中央空调监测计量与控制 公司的e d s 一5 0 8 系列工业以太网交换机( 支持e t h e r n e t i p ) 、北京航天华辉自动化技 术有限公司的a n y b u s s1 0 l o o m ( 支持e t h e m e t i p 和m o d b u s t c p ) 等。美国 v d c ( v e n t u r e d e v e l o p m e m c o r p ) 调查报告指出,e t l l e m e t 在工业控制领域中的应用将 越来越广泛,市场占有率将从2 0 0 0 年的1 l 增加到2 0 0 5 年的2 3 。伴随着以太网 技术在工业控制领域的成功应用,以太网技术也必将越来越多地渗透到楼宇自控领 域。目前,以太网多用于基于现场总线的楼宇自控网络集成到智能建筑中的信息网, 在一些新开发的楼宇自控系统中,以太网直接进入了控制层,女n :i l 京楼宇自动化中 心开发的基于以太网的e n c 2 0 0 1 1 p 智能建筑测控系统。e n c 2 0 0 l l p 控制系统的 结构。一般的空调、照明等系统通过e n c 参量控制模块集成到以太网上;带有r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口的系统通过网关转换模块集成到以太网上;i p 电话以及l p 摄像机直接 连接到以太网上。 1 2 3 在楼宇自控网络中采用基于现场总线的f c s 的优点 可靠性、实时性好。现场总线为工业控制设计的,有屏蔽、接地与防爆等措 施,同时其实时性也比采用c s m a c d 的以太网的时实性好; 用户的投资成本低。现在,开放的现场总线技术已经比较成熟,有很多公司 提供的相关产品可供选择。其缺点是:实现现场总线无缝接人以太网复杂,当多种 现场总线共存在一个系统中时,集成起来更复杂,系统的扩展性差。 在楼宇自控网络中采用以太网的优点是:实现了从管理层( 信息网) 到现场设备 控制层( 控制网) 的“一网到底”,即实现人们期望的通信协议的兼容和统一;这样系 统扩展起来也比较方便;与智能建筑中其它系统( 信息网通信自动化系统和办公自 动化系统1 集成起来更加容易。其缺点是:首先,1 9 前开发基于以太网的控制系统 产品的难度较大,开发费用和成本相对还是较高,用户可以选择的厂商也很有限, 垄断利润较高,研发成本还没有被消化,这些都导致产品价格过高。 其次,以太网的实时性、可靠性等方面还有待进一步完善。 1 3b a s 在我国的应用方向与展望 就目前而言,不管是应用在楼宇自控网络中的基于现场总线的f c s 还是以太 网,都有其优点和缺点。随着时间的推移和技术的进步,它们也必将会被进一步完 善。据统计,我国目前有从事楼宇自动化业务的企业3 0 0 0 家以上,产品供应商约3 0 0 0 南昌大学硕士学位论文一智能建筑中央空调监测计量与控制 家。另外,随着我国经济的快速发展和人们生活水平的不断提高,建筑和社区的数 字化建设正在兴起,f c s 和以太网都必将在楼宇自控领域中获得更广泛的应用, 在今后相当长的时间内,两者在竞争的同时也将继续并存。 1 4b a s 发挥的重要作用和努力方向 强化物业管理方面 作为现代化建筑在硬件上的突破并不是代表其本质的唯一方面,如何提升物业 管理的水准是每个使用者面临的重要问题,而工程在投入使用后,在内部管理机制 上的改革将通过楼宇自控系统的应用而达到节约人力、强化内部管理,减少传统内 部管理所带来的不必要的人为消耗。 节约人力 由于主要设备幽计算机监控,工程人员可以通过电脑很快获得各区域的温度、 湿度情报,了解设备的运行状况,及时确定维修保养措施,并且直接对设备进行启 停控制,大大提高了控制精度。 减低机器磨损程度,延长设备使用寿命 由于电脑对各种设备运行时间及启停进行设定并控制,使操作者可以合理运 行,避免某一台设备长期超负荷运作,因而延长设备的平均使用寿命。及时发出报 警信号,避免意外事故发生。 强化内部管理,提高工作效率 由于所有出现的故障及数据更改,计算机均有不可删除的记录,因此对内部管 理工作的监督、岗位检查、维护内容及费用控制具有传统管理不可及的功能。 节约能源的作用 作为大厦内主要机电设备( 如空调、冷热源、水泵、照明等) ,其能耗占全部 能耗的大部分,它直接关系到整个大厦的总经济性,反过来,也正是由于楼字自控 系统的应用,使得在节能降耗的方法及效果上,日趋完善和提高。 表1 几个城市的公共建筑中空调能耗的比较 调查的空调平均装机实测能耗实测单位面积空空调能实测年均一次能 城市 建筑数 冷量( w m 2 1 建筑数 调能耗( w m 2 ) 耗比例 耗( g j ( m 2 - a ) ) 上海2 0 0 1 2 7 91 2 733 5 18 北京 1 1 251 06 3l4 74 1 9 5 武汉 2 01 1 569 9 65 4 2 9 l3 3 南昌大学硕士学位论文一智能建筑中央空调监测计量与控制 从以上数据,反映了h v a c ( 暖通空凋) 占据整个建筑的能源大户,几个城市 的建筑空调系统普遍存在制冷机组选型偏大,这与建筑空调负荷设计有关,而建筑 空调设计的冗余现象是极其普遍的。空调设计中的冗余大致出于二个原因:一种是 静态设计带来的合理冗余。设计师按照当地气象资料的极端气温条件来确定各台空 调的负荷峰值,然后再根据全部峰值之和来确定最大需求值和供能设备。显然,在 实际运行中肯定不会始终处于极端气象条件下。这就产生了设计的冗余。另外,运 行过程中各空间的最大负荷并不是产生在同一时间段,在时间上有一定的参差,这 又形成了供能的冗余。这二种设计冗余应该说是不可避免的,或者说是合理的设计 冗余。还有另一种人为的冗余则是完全不合理的。由于至今对空调系统的设计和认 识缺乏足够的实践,虽然早就在1 9 8 6 年就颁布有民用建筑节能设计标准( 采暖 居住建筑部分) ,但是在实际设计中大多沿用经验设计,只考虑“冬天热得上去, 夏天冷得下来”。在计算出来的能量负荷上不仅没有乘咀小于1 的“同时使用系数”, 反而乘上了总负荷的倍数仅按估计的“保险系数”。此外,节能设汁标准对运行管理 部门还没有足够的约束力,这种不合理的冗余自然造成了空调能源的极大浪费,因 此,在空调节能方面除了诸如提高制冷机效率、回收排风中的能量、杜绝管道泄漏、 采用保温材料等等措施以外,更需要依靠智能化系统来弥补合理冗余与不合理冗余 带来的不足,彻底解决“大马拉小车”问题。 实现楼宇设备自动化得到节能是我们努力的一方面,如果能对中央空调实行有 效的计量,进行合理的管理与公平的计费,让用户形成良好的消费观念,并且将计 费系统纳入b a s 中,将进一步提高智能楼字的节能潜力。据有关部门调查统计, 深圳的办公楼绝大部分使用中央空调,按使用面积分摊空调费的方式收费不利于调 动其节能的积极性。些单位边开空调边丌窗户,造成能耗的巨大浪费。”而实施 计量收费,直接将“计费装置”装至每个楼层甚至每个房间,用多少交多少,对节能 和节约大有好处。 1 5 建筑能耗大户( h v a c ) 之中央空调计费的认识、应用与现状分析 我国庞大房屋建筑规模,能源高消耗是其伴随的主要特征,长期以来的冷热量 按面积收费的体制,抑制了节能的实现,甚至造成某些空调系统常年运行,敞开窗 户使用空调,房间温度设置永远采用最低限等情况,造成能源浪费,并使制冷设备 长期负荷运行,设备故障率增高。 南昌大学硕士学位论文一智能建筑中央空调监测计量与控制 随着经济的不断发展,人们对办公和居住环境的要求也不断提高。近几年,物 业管理这种新型的综合管理概念也被越来越多的用户所接受并引入实际运用。由于 要对每个用户的能耗( 水、电、中央空调、煤气等) 进行独立核算,其中水、电等 的计量手段已相当成熟,而中央空调由于没有一种准确、成熟的计量方法,所以中 央空调的合理计算已成为物业管理的当务之急。国外热计量经验表明,实行冷( 热) 量计费,能节能2 0 - 3 0 。按照我们节能法的要求,生活用能必须计量,按用量向 用户收费,由用户自行调节使用,采用分户计费后,用户自觉遵守节能措施,使得 b a s 系统中的各种调节手段开始发挥作用,更进一步发挥节能的潜力。 据悉,由深圳市建设局制定的深圳市建筑节能管理条例( 草案) 提出,今 后新建的建筑拟强制执行节能标准,现有不节能建筑拟逐步改造。草案提出首先将 集中供冷的公共建筑装上“冷表”,实施用冷计量收费制度。 目前b a s 产品和建筑设备计量产品多样,在国内市场中,还是以国外品牌为 主流,当然价格不菲,很多大开发商和业主为了节省初投资,对建筑设备只是个别 的控制,没有实现集成,在楼字设备管理上人力投入多,但没有达到真正节能的目 的。 因此,这几年国内部分公司也先后研发出自己的楼宇自控和空调计量产品,而 且对中央空调的v w v ( 变流量技术) 也有一定的研究,但还是起步阶段,产品性能大 多没有国外品牌的成熟。因此,在开发应用过程中,设计单位或集成商应能够根据 实际,自己开发,控制价格,又能达到控制节能要求,逐步发展自己的产品。 本章是对b a s 的简述和我国对建筑设备节能的重视,h v a c 的监控与计量作 为b a s 的重要组成部分,节能空间很大;我的研究项目就是基于这种目的:根据工 程实际,选择合适的h v a c 系统,利用现有的硬件设备,自己开发出适用性价比 高的楼宇控制系统和中央空调计费系统,这是暖通专业学生进入b a s 应用与开发 实践的一次尝试,也是一个挑战,随着越来越多的专业人士真正介入b a s ,b a s 将在国内发挥更大的经济效益,由于时间和精力的限制,这里只涉及到某种中央空 调系统与热水系统的监控与计量。 9 南昌大学硕士学位论文一智能建筑中央空调监测计量与控制 第二章b a s 之h v a c 集中监控的网络结构简述 2 1h v a c 控制的网络结构 基于集散型系统( d c s ) 雕j 建筑设备自动化系统的典型结构是由中央站和分站组 成的分级分布式系统,具有管理层和自动化层的二层结构,由图1 所示: 现场总线控制技术把现场信息模拟量信号( 如4 2 0 m a ) 转变为全数字双向多 站的数字通信传输,使建筑物自动化系统的现场装置得以形成数字通信网络,这样, b a s 的网络便为三层结构,即管理层、自动化层、现场层。图2 所示。 图l 图2 在集散系统的基础上增加现场层,既保留了d c s 处理多变量、非线性、时变 性不确定系统等较高难度控制的能力,又采纳了现场总线控制技术的优点,节省了 大量现场电缆、端子和安装劳务,方便设计院施工设计,因为v o 设备的控制配置 由于现场总线布置的任意性而大大简化了。故采用现场总线控制技术,有利b a s 的管理和智能建筑的集成。 目前b a s 发展的技术趋势是现场总线技术( f c s ) 。美国e c h e l o n 公司于1 9 9 0 年1 2 月推出的l o n w o r k s 技术正是采用了f c s 技术,这是一种开放系统的通用总 线。它的技术核一t l , 是神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 和l o n t a l k 协议。但对于中小型的 监控系统,全面采用l o n w o r k s 技术,并不具有技术优势和完善的工程实现。部分 采用或支持现场总线技术的产品在目前大量的中小型系统中更具有应用性,以控制 网络而言,l o n t a l k 总线在理论上可以组成任意拓扑结构的网络。这种布线设计的 一管理层一自动化层一现场层一 南昌大学硕士学位论文一智能建筑中央空调监测计量与控制 随意性,如果运用不当,在工程实践中仍然是有技术风险的,并可能造成系统投资 的增加。所以,中小型工程推荐运用基于r s 4 8 5 总线的控制网络。该技术抗噪声 干扰性好,广泛应用于过程控制领域,技术成熟,实现成本也较低。 h v a c 智能监控与计量系统作为智能建筑系统公共能源管理系统的一个子系 统,具有监控点众多,布置分散,温湿度控制精度高、节能空间大、设各自带通讯 接口统一的特点,精选国外主流的自动化信息网络结构,过程控制层采用工业现场 总线网,以子系统( 空调制冷,热水,空压,制冰,数据单元) 等的控制单元p l c 或 d d c ( 直接数字控制器) 为主,采用如( s i e m e n s 的s 7 - - 3 0 0 和$ 7 - - 2 0 0 系列) p l c 或d d c 作为h v a c 的单元控制站,各分站通过现场总线通讯网络实现集中控制与 管理。 2 2 基于p l c 网络的监控与计量系统 p l c 系统是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计, 它采用了可编程序的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定 时、计数、和算术操作等面向用户的指令,并通过数字式或模拟式输入输出控制各 种机械的生产和运行过程。p l c 的工作可靠性较高,虽然目前h v a c 控制系统一 般是基于d d c 控制器的系统,但是由于现代柔性生产发展需要,利用p l c 做楼宇 自控已成为趋势,其具有以下特点: 采用通信网络技术将计算机与p l c 有机结合的p l c 网络,可以部分或全部 替代传统的基于微机的r t u ( j 远程终端装置t 功能。 采用现场总线和光纤通信技术保证了信息可靠、安全、快速地传输,建立工 作稳定可靠、性价比适中的通信网络是远程监控与计量的重要组成部分。现在的各 种通信模式中,光纤通信以其工作稳定、传输速率高、抗干扰能力强、低能耗、安 装方便、价格适中而受用户的青睐。远程监控与计量系统中,远程端与主控端的传 输可采用单环光纤网或双环光纤网,通过通信机或f t t 直接进行信息传输,方便 灵活地设定数据传送的开始、停止和间隔。此外,还可实现对同一子系统中的p l c 进行在线编程和监控,传输距离可达1 0 k m 。若为降低建网造价,采用同轴电缆, 其传输距离也可达到l k m 以上。 可以实现多级递阶控制和管理,对于分布在若干地点上的控制对象采用完全 集中式的监视和控制,从信息工程的角度上看,是不合理的。它需要建立庞大的信 南昌大学硕士学位论文一智能建筑中央空调监测计量与控制 息采集与监控系统,投资大,且一旦有故障,将殃及整个系统。采用分级递阶分布 式监控系统可以使硬件结构简化,互换性和通用性提高,维护方便,同时还缩短了 软件编程的周期,系统的检测、调试和故障处理亦更加简单。 增强抗干扰能力,使系统工作更加稳定可靠。p l c 从硬件到软件,从设计到 制造都考虑到抗干扰的问题,采用了各种措施切断

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