（检测技术与自动化装置专业论文）智能建筑环境系统仿真关键技术研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 随着国民经济的发展，我国建筑能耗已占全国总能耗的3 0 左右，资源节约已经提 升到基本国策的高度。公共建筑每平方米的年耗电量是普通居民住宅的1 0 - - 一2 0 倍，虽然 目前9 0 的大型公共建筑安装有建筑设备自动化系统，对各种能耗设备进行检测和控制， 但大多数正在运行的楼宇自控系统不能达到预定的控制节能要求，造成了投资与能源的 大量浪费。如果实现对控制系统的优化，至少可达到1 5 2 0 的节能效果。 本选题主要是依据“基于智能控制理论的b a s 系统模型对智能建筑环境系统仿真 的关键技术进行研究，利用虚拟仪器技术，结合l a b v i e w 软件的功能，搭建起室内环境 参数智能化检测系统平台，实现对建筑物内部环境( 温度和湿度) 的软硬件结合的系统 检测和仿真。该系统平台旨在为建筑节能提供有效的测试手段，并为实现控制系统的优 化做前期准备。 文中首先阐述了虚拟仪器技术的概念、虚拟仪器系统的基本构成及其特点，并简 要概述了l a b v i e w 的发展历程以及今后虚拟仪器的发展方向。在室内环境数掘采集部 分，主要选用n i 公司的软硬件设备搭建系统平台，并使用b t h s 温湿度变送器、 p c i 6 2 51 数据采集板卡等进行数据采集，然后在l a b v i e w 环境下进行数据处理并以图 形化形式实现直观的实时显示，并建立了温度和湿度报警系统，搭建了一个完整的软 硬件结合的温、湿度数据采集与智能化检测系统平台。随后通过将p c d a q 测量系统 的软件整体移植到p x i 测量系统，得到的实验数据基本一致，从而验证了虚拟仪器的 灵活性。在此基础上分析了测试系统的数据管理方法以及在l a b v i e w 环境下访问数据 库的几种方式，目前本系统采集的数据主要以电子表格文件形式保存管理，便于用户 以后的查询和使用。最后探讨了远程虚拟仪器的实现，其中主要介绍了l a b v i e w 中的 d a t a s o c k e t 节点和远程面板技术在系统中的应用，并利用远程面板技术实现了该系统 的远程监控功能。 该系统平台主要包括了温湿度传感器系统、信号与数据处理、环境模拟显示、数据 的存储管理以及网络化监控。同时，系统平台具有开放性、兼容性和不断更新等特点， 故系统有良好的扩展性能，最终可将其扩展为一个综合性通用技术平台。 关键词：智能建筑，虚拟仪器，l a b v i e w ，环境仿真，节能检测，远程监控 山东建筑大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g yo fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g e n v i r o n m e n ts y s t e ms i m u l a t i o n r e n l i q u a n ( d e t e c t i n g t e c h n o l o g y a n d a u t o m a t i z a t i o n e q u i p m e n t ) d i r e c t e db yz h a n gy o n 西i a n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fc o n s t r u c t i o n a c c o u n t sf o r3 0p e r c e n ti nt h en a t i o n a lt o t a le n e r g yc o n s u l u p t i o l l t h ec o n s e r v a t i o no f n a t u r a l l e s o 嘲h a sb e e ne l e v a t e dt ot h eh e i g h to ft h eb a s i cn a t i o n a lp o l i c y a n d , t h ep o w e r 0 0 1 强m p t i o no fp u b l i c b u i l d i n g sp e rs q u a r em e t e rp e ry e a ri s 1 0 2 0t i m e sa sm u c ha s o r d i n a r i l yr e s i d e n th o m i n g a tp r e s e n t , 9 0 0 , 6l a r g e - s c a l ep u b l i cb u i l d i n g sh a v eb e e ni n s t a l l e d b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e mf o rd e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gv a r i o u so b j e c t s b u tt h em a j 耐t y o f b a s 咖n o ta c h i e v et h ee x p e c t e do b j e c t i v e r e s u l t i n gi nl a r g e l yw a s t e so f i n v e s t m e n ta n d e n e r g y t h er e a l i z a t i o nt ot h ec o n t r o ls y s t e m so p t i m i z a t i o nc a nr e a c h1 5p e r c e n tt o2 0 p e r c e n te n e r g ys a v i n ga tl e a s t t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e so nt h ek e yt e c h n o l o g yo fi n t e l l i g e n tb u i l d i n gd e t e c t i o n a n ds i m u l a t i o no fi n d o o re n v i r o n m e n td e p e n d i n go n m o d e lr e s e a r c ho nb a s b a s e d i n t e l l i g e n c ec o n t r o lt h e o r i e s t h ep l a t f o r m i ss e tu pf o ri n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ts y s t e mo f t h ei n d o o re n v i r o n m e n tp a r a m e t e r sb yu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n ta n dl a b v i e w t h i ss y s t e m p l a t f o r mr e a l i z e st os y s t e mm e a s u r e m e n ta n ds i m u l a t i o no ft h eb u i l d i n g i n t e r n a ls p a c e e n v i r o n m e n t ( t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y ) t h i ss y s t e ma i m s a tp r o v i d i n gt h ev a l i dt e s t m e t h o df o rt h ec o t x s t r u c te n e r g y - s a v i n ge x a m i n a t i o n , a n dm a k i n gp r e p a r a t i o nf o rr e a l i z i n g o p t i m i z a t i o no f c o n t r o ls y s t e m f i r s t , t h i sp a p e ri n l m d u c e st h ec o n c e p ta n dt h ef u t u r ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no fv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , t h eb a s i cc o n s t i t u t i o na n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fv i r t u a li n s t r u m e n t s y s t e m , a n dab r i e fo v e r v i e wf o rt h ed e v e l o p m e n to fl a b v i e w i nt h ed a t aa c q u i s i t i o np a r t o f t h ei n d o o re n v i r o n m e n tp a r a m e t e r s ，t h i ss y s t e mp l a t f o r mi sb u l kb yu s i l l gn ic o r p o r a t i o n s o f t w a r ea n dh a r d w a r ee q u i p m e n t t h ed a t aa r ea c q u i r e db yu s i n gb t h st e m p e r a t u r ea n d i i 山东建筑大学硕士学位论文 h u m i d i t ys e n s o rs y s t e ma n dd a t aa c q u i s i t i o nb o a r dc a r dp c i - 6 2 5 1 ，t h e np r o c e s s e di nt h e l a b v l e wa n dd i s p l a y e dg r a p h i c a l l y t h ed a t ac a r lb ev i e w e dr e a l - t i m e t h i sp a p e ra l s o e s t a b l i s h e st h et e m p e r a t u r ea n dt h eh u m i d i t ya l a r ms y s t e m t h u s ，t h et e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yd a t aa c q u i s i t i o na n di n t e l l i g e n td e t e e f i o ns y s t e mp l a t f o r mo ft h eh a l d w a l ea n d s o f t w a r ec o m b i n a t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e d b yt r a n s p l a n t i n gt h ep c - d a qm e a s u r e m e n t s y s t e ms o f t w a r et ot h ep x im e 邪a r e m e n ts y s t e m , t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa r eb a s i c a l l y c o n s i s t e n t , t h u se o n f n - m i n gt h ef l e x i b i l i t yo fv i r t u a li n s t n t m e n t s t h e nt h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ed a t am a n a g e m e n tm e t h o da n ds e v e r a lm e t h o d so fa c c e s s i n gd a t a b a s e t h et e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t yd a t aa 聆s a v e db yt h ee l e c t r o n i cf o r md o c u m e n tf o re a s yi n q i l i r ya n du s e f i l l a l l y , w ed i s c u s st h er e a l i z a t i o no fl o n g d i s t a n c e v i r t u a li n s m a n e n t , w h i c hm a i n l y i n t r o d u c e sd a t a s o c k e tn o d e sa n dr e m o t ep a n e l st e c h n o l o g yi nl a b v i e w t h el o n g - d i s t a n c e m o n i t o r i n gh a sb e e nr e a l i z e db yu s i n gr a n o t ep a n e lt e c h n o l o g y i ns u m m a r y , t h i ss y s t e mp l a t f o r mm a i n l yi n c l u d e st h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o r s y s t e m s ，s i g n a la n dd a t ap r o c e s s i n g ，e n v i r o n m e n t a ls i m u l a t i o n , d a t as t o r a g em a r m g e m e n la n d n e t w o r km o n i t o r i n g t h i ss y s t e mp l a t f o r mh a sd e wc h a r a c t e r i s t i c s , s u c ha so p e n n e s s ， c o m p a t i b i l i t y , l 臼l e w sa n ds oo n t h e r e f o r e , t h i ss y s t e mp l a t f o r mh a sag o o de m e n s i b l e p e r f o r m a n c e i tc a nb ee x p a n d e dt oac o m p r e h e n s i v eg e n e r a lt e c h n o l o g yp l a t f o r me v e n t u a l l y k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，v i r t u a li n s t r u m e n t s ，l a b v i e w , s i m u l a t i o no f e n v i r o n m e n t ，d e t e c t i o no f e n e r g ys a v i n g ，l o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n g 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名：丝皇坌日期竺? 乡! i ：誓 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文 保密论文在解密后遵守此声明 学位论文作者签名：鱼圭全日期兰! ! 墨：兰：! 茎 导师签 名：巡 日期亟盈：墨! ， 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 智能建筑是建筑业的一个新的发展领域。高效、节能是建筑智能化设计的重点， 智能建筑系统仿真则是智能建筑工程设计和系统检测验收的重要手段。 目前我国建筑耗能己超过全国能源消费总量的1 4 ，全国每年竣工建筑面积约2 0 亿平方米，其中公共建筑约有4 亿平方米。在公共建筑中，大约5 0 6 0 能源消耗 于空调制冷与采暖系统，2 0 3 0 用于照明，能耗巨大，能源利用效率低，建筑节能 成为一个亟待解决的重要问题。 公共建筑节能设计标准( g b 5 0 1 8 9 2 0 0 5 ) 提出的节能要求是：在保证相同的室 内环境参数条件下，全年采暖、通风、空气调节和照明的总能耗应减少5 0 “1 。目前， 公共建筑中普遍采用楼宇自动化控制系统实现对采暖、空调、通风，照明等机电设备 的控制。系统主要由传感器、控制器、执行机构、中央监控软件和网络构成，以改善 室内环境为主要目标，完成设备运行管理和环境目标优化控制嘲。在国际市场上，美国 霍尼韦尔公司( h o n e y w e l l ) 、江森自控有限公司( j o h n s o nc o n t r o l s ) 、德国西门子楼 字科技( s i e 眦e n s ) 等主导了楼宇自动化控制系统的国际发展主流。在国内则有清华 紫光智能建筑设备自动化管理系统，海湾h w - b a 5 0 0 0 楼宇自控系统等。但大多数正在 运行的楼宇自控系统不能达到预定的控制和节能目标要求，造成了投资与能源的大量 浪费，这主要有以下原因： 1 、在建筑物中，由于环境的多变性、复杂性等因素，经常造成对控制对象的不确 定描述，而现有的控制系统对现场信息的采集与分析处理能力不足，缺少必要的推理 决策功能，不能应对和处理复杂多变的建筑环境并实施有效控制。 2 、在节能控制方面，建筑设备自动化系统( b a s ) 的能耗与它的工作环境相关，与 环境变量存在一定的函数关系。国外产品虽然装备有相应节能控制策略软件，但由于 在应用环境、能源管理模式等方面，国内外实际情况相差较大，使其在实际应用方面 收效甚微。另外，国外产品的核心技术与控制系统软件源代码不公开，国内工程应用 难以针对工程实际进行深层次技术开发，造成系统功能与性能下降。国内部分产品虽 己针对具体设备的控制算法和局部控制策略进行了部分研发，但目前还缺乏在国家标 准规范整体指导下的节能控制体系，也难以达到优化控制、节能降耗的实际效果。 对此，国家颁布实施了一些相关的建筑节能政策、设计规范、节能标准以及验收 山东建筑大学硕士学位论文 规范，关于建筑节能的政策标准体系也日趋完善，对建筑节能起了很大的推动作用， 但是当前我国尚缺乏有效的建筑节能控制技术、建筑节能检测方法及评价体系来保证 楼宇自控系统达到预定的控制和节能目标要求，并对系统做出量化的评价结果，在实 际工程中应用效果差距较大。因此，建筑节能检测与控制技术成为重要的前沿研究课 题。 在此将主要尝试利用虚拟仪器技术开展对智能建筑环境和设备系统仿真研究，研 制基于建筑节能的智能化系统检测及控制技术，开发具有自主知识产权的测控系统， 并对现有楼宇自动化控制系统进行重构。这将是实现公共建筑节能控制的重要途径。 其中，本选题是智能建筑系统仿真研究的一部分，智能建筑系统仿真在基础研究 方面已经取得了部分成果。1 。智能建筑系统仿真分为设备系统仿真和环境系统仿真。在 这个概念下，智能建筑的空间环境、智能建筑中的设备以及由这些设备组成的各子系 统被定义为广义的“系统”。 本课题将主要依据“基于智能控制理论的b a s 系统模型”脚对智能建筑环境系统 仿真的关键技术进行探索研究，旨在为建筑节能提供有效的测试手段。同时，为研制 新型的节能型的建筑智能化控制系统做前期准备，主要是用于提升控制系统对现场信 号的检测与处理能力。 智能建筑环境控制参数主要有温度、湿度、空气清新度、气流等，其中室内温度 和空气湿度是对舒适度影响最大的两个因素。b a 系统的室内温湿度测试系统主要是用 于中央空调系统控制的，难以整体准确反映室内温湿度现状及变化规律，对室内环境 温湿度的检测也具有一定的局限性，另一方面，现有的温湿度测控系统具有编程复杂 的特点，实现图形化人机界面也具有一定难度，测得的数据不能实时的反馈给现场的 控制系统，即不能使各系统实现最优控制。利用虚拟仪器技术和l a b v i e w 图形化编程 语言，可以方便地实现室内环境温湿度的测量，并且数据表现形式灵活，可以使其图 形化实时显示，用户可以直观的观察建筑物内空间温湿度变化的趋势图，测得的数据 可以实时的反馈给现场的控制系统，使各系统都运行在一个比较理想的状态。 因此，在本课题中将主要利用虚拟仪器技术，以l a b v i e w 软件开发环境为平台， 研究智能建筑室内环境参数( 温度和湿度) 信号的获取、处理、表示方法以及数据存 储管理和网络化监控等关键技术，完成实现上述功能的基本软件测试平台和实验室装 置。该系统平台主要包括了温湿度传感器系统、信号与数据处理、环境模拟显示以及 数据的存储管理，并最终实现网络化虚拟仪器。 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 我国建筑能耗的状况 冬夏持续时间长是我国气候的一个重要特点，也是造成我国建筑能耗复杂多样的 主要原因之一。此外，我国房屋建筑面积数量巨大，近几年每年新建各类建筑1 6 - - 2 0 亿m 2 ，截止到2 0 0 4 年底，全国房屋总面积已超过4 0 0 亿m 2 ，由于气候复杂、既有建 筑数量巨大和新建建筑增长迅速等，建筑能耗在终端用能中所占的比重很大，不过由 于统计和计算方法的不同，在具体数值上有一定的差异。建设部的统计数据h 3 为：截止 到2 0 0 3 年，建筑能耗已占到全国能源消耗总量的2 7 8 。 根据2 0 0 4 年北京市各类建筑的能耗调查数据喳1 ，包括建筑材料、建筑物建造和建 筑物使用过程，北京市建筑用能已占到全市总能耗的3 3 2 。按照这种结合能耗抽样调 查测试结果和统计年鉴的面积数据对全国建筑总能耗进行估算阳3 ：目前我国城镇民用建 筑电耗为我国总发电量的2 2 2 4 ，北方地区城镇采暖消耗的燃煤为我国非发电用 煤量的1 5 1 8 ，建筑消耗的能源为全国商品能源的2 1 - - 2 4 。 由于多年来我国的能源特别是建筑物能源消耗统计一直是能源统计工作的薄弱环 节，甚至有些统计年鉴的数据也不一致，缺乏统一的数据体系支持建筑能源消费的分 析工作，因此很难给出建筑能耗的精确数据。尽管如此，建筑能耗已和工业能耗、交 通能耗形成“三族鼎立之势，则是社会公认的事实。 按照我国全面建设小康社会的经济发展战略部署，建设部提出了小康社会的住房 标准：到2 0 2 0 年实现“户均一套房、人均一间房、功能配套、设备齐全 。按此标准 预测口1 出入均住宅建筑面积约3 5 1 2 ，到2 0 2 0 年我国人口约1 4 7 亿，城市化水平将达 到5 5 7 8 ，则城镇住宅面积将达到2 8 7 亿m 2 ，并在绝对量上超过农村住宅，成为住宅 建筑主体。对公共建筑采用作为表征服务业活动水平的指标之一的服务业总的建筑使 用面积来进行预测1 ，公共建筑的总面积将为1 1 5 亿m ? 。 2 0 0 7 年，建设部颁布了关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理工 作的实施意见( 建科 2 0 0 7 1 2 4 5 号) 和国家机关办公建筑和大型公共建筑能源审计 导则。国家机关办公建筑和大型公共建筑高耗能的问题已日益突出，据统计，国家机 关办公建筑和大型公共建筑年耗电量约占全国城镇总耗电量的2 2 ，每平方米年耗电 量是普通居民住宅的1 0 2 0 倍，是欧洲、日本等发达国家同类建筑的1 5 2 倍。目前， 尽管9 0 的大型公共建筑都安装有建筑设备自动化系统，对各种用能对象进行检测和 控制，但大多数正在运行的楼宇自控系统不能达到预定的控制和节能目标。如果实现 对控制系统的优化，至少可达到1 5 2 0 的节能效果。因此，做好国家机关办公建筑和 山东建筑大学硕士学位论文 大型公共建筑的节能管理工作，对实现“十一五”建筑节能规划目标具有重要意义。 按照上述文件的要求，国家将逐步建立国家机关办公建筑和大型公共建筑节能监 管体系，包括搭建建筑能耗实时监测平台、进行建筑能耗统计、建筑能源审计和建筑 能效公示等，其中建筑能耗实时动态监测系统是节能监管体系的基础平台。主要用来 促进既有高耗能国家机关办公建筑和大型公共建筑节能运行和改造，争取“十一五” 末，国家机关办公建筑和大型公共建筑总能耗下降2 0 ，节约1 1 0 0 1 5 0 0 万吨标准煤。 b a 系统的能耗与它的工作环境相关，与环境变量存在一定的函数关系。据“美国 国家标准局”统计资料表明，如果在夏季将设定值温度下调l ，将增加9 的能耗； 如果在冬季将设定值温度上调l + 将增加1 2 的能耗。由此可见，实现对建筑物内温 度和湿度的准确测量是空调系统节能运行的重要前提。因此，本课题开展的对建筑物 室内空间环境参数 温度和湿度) 的数据采集与检测技术系统平台的研究符合国家的 相关政策，可以作为节能监管体系的一部分，故对该系统平台的研究是十分必要的， 也是非常紧迫的。 此外，国际能源署、中国工程院、国家发改委能源研究所及清华大学等多个研究 机构均对我国未来能源需求进行预测研“”，结果表明虽然基准年和预测方法有所不同， 但基本的结论都认为在2 0 2 0 年需求总量将超过3 0 亿吨标准煤。发达国家的建筑能耗 在社会总能耗中的比例基本都在3 0 以上。随着我国人民生活水平的提高和产业结构 的调整，建筑能耗比重会进一步向发达国家的水平靠拢。按照目前能源总需求量的预 铡数据，假如到2 0 2 0 年建筑能耗达到总能耗的3 0 ，将消耗1 0 亿吨标准煤。 按照目前的能源消费模式，我国常规能源资源的供应将不能满足未来能源增长的 需求，因此我国己将资源节约提升到基本国策的高度，建筑节能成为一个亟待解决的 重大问题。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内建筑节能的研究成果及不足 1 国内建筑节能的研究成果如下： 关于建筑节能的政策标准体系日趋完善 近期涉及建筑节能的主要政策标准及规范有建设部颁布的已于2 0 0 1 年1 0 月1 日 开始实旅的夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准、2 0 0 5 年1 0 月1 日开始实施的公 共建筑节能设计标准、2 0 0 6 年1 月1 日开始实施的可再生能源法、2 0 0 7 年7 月1 日开始实施的智能建筑设计标准、2 0 0 7 年l o 月1 日开始实施的建筑节能工程施 山东建筑大学硕士学位论文 工质量验收规范、2 0 0 7 年1 0 月2 3 日颁布了关于加强国家机关办公建筑和大型公共 建筑节能管理工作的实施意见、2 0 0 8 年1 月1 日开始实施的民用建筑能耗数据采集 标准。 国家颁布实施的有关建筑节能政策、设计规范、节能标准以及验收规范，对建筑 节能起到了很大的推动作用，但是目前没有完善的配套的技术措施，在实际推行应用 还有相当的差距。 部分新产品新技术得以推广应用 由于住宅数量远远大于公共建筑，故多年来非常重视对影响住宅能耗的围护结构 的节能技术，一些新型墙体材料和供热技术被广泛使用，它们也确实推动了我国的建 筑节能，但作为建筑尤其是公共建筑能源消耗重要部分的设备系统( 如建筑设备系统) 的节能工作进展相对缓慢。 2 国内已有研究的不足 目前，国内对公共建筑节能问题的认识尚处在初级阶段，由于住宅数量上占较 大比重，因此我国多年来建筑节能的重点主要是围绕提高维护结构的保温隔热性能开 展的。但由于不同种类的建筑存在用能特点的差异，针对住宅的技术产品并不完全适 用于公共建筑。 建筑能耗数据采集技术体系尚不完善，国内尚未形成一套成熟的建筑能耗数据 采集、处理与分析方法。目前公共建筑的能耗数据主要是从建筑的楼栋能耗计量总表 中采集；如果不能从楼栋能耗计量总表获得能耗数据的，应采取逐户调查的方法，采 集建筑中各用户的能耗数据，同时采集建筑的公用能耗数据，累计各用户能耗数据和 公用能耗数据，获得样本建筑的能耗数据。该数据采集方法具有一定的可行性，但其 工作量大，效率低，容易出错。因此，目前尚缺乏一个完善的建筑能耗监测与数据采 集综合性通用技术平台。 另外，实现建筑节能的管理手段和约束机制不健全。建筑节能是一个系统工程， 相关的政府管理部门众多，在一定程度上导致有些问题多头管理、有些问题无人管理， 建筑节能中的政府错位现象严重。建筑节能要求产品质量、工程质量和管理质量都要 提高，必然带来一定的成本和人力的增加，但节约的效果往往是长效的。“节约没好处、 浪费没关系是当前建筑节能的一个窘迫状况。 1 3 2 国外发达国家建筑节能的研究成果及不足n 叼 1 国外建筑节能的研究成果如下： 山东建筑大学硕士学位论文 能耗数据调查统计工作开展较好，因为欧美发达国家都有专门的机构和研究团 体对本国的建筑能耗进行调查； 提出了适合自己国家经济发展和气候特点的节能标准，并出台了具有本国特色 的节能、绿色建筑评估体系： 美国和日本开发了针对建筑物运行管理的能耗评测分析工具，主要是结合实际 的能耗数据、业主和运行人员提供的信息、客户舒适性和投诉情况、现场测试数据等 对建筑物能耗水平进行评估并分析节能潜力，给出合理的改进措施和预期的节能效果。 2 国外研究的不足如下： 缺少专门针对大型公共建筑的节能标准； 对设计方案不能给出量化的评价结果： 能耗数据库仅有总量分析，缺少对具体案例的研究； 现场测试和诊断工作开展较少； 能耗评价工具不能给出具体的节能指导建议。 1 4 建筑节能意义 我国城乡既有建筑总面积约4 0 0 亿平方米，这些建筑在使用过程中，其采暖、空 调、通风、照明等方面消耗的能量已占全国总能耗的3 0 左右，大量调查数据表明大 型公共建筑单位建筑面积能耗大约是普通居住建筑的l o 倍左右。全国每年新建公共建 筑3 亿平方米，如果按每平方米建筑面积节能5 0 左右，1 平方米公共建筑每年节约 3 0 公斤标准煤，每年节能就达9 0 0 万吨。 目前，全国公共建筑面积大约为4 5 亿平方米左右，其中采用中央空调的大型商厦、 办公楼、宾馆为5 亿到6 亿平方米。如果按节能5 0 的标准进行改造，总的节能潜力 约为1 3 5 亿吨标准煤。随着城镇化的发展，预计到2 0 2 0 年将新增建筑面积约3 0 0 亿平 方米。如果城镇建筑全部达到节能标准，到2 0 2 0 年每年就可节省3 3 5 亿吨标准煤、减 少8 0 0 0 万千瓦时空调高峰负荷，相当于每年节省电力建设投资约1 万亿元。 1 5 本人的工作 本人的工作主要如下： 1 分析研究国家相关的节能设计规范、标准以及相关节能文件的要求； 2 研究节能检测数据采集平台结构。搭建硬件测试试验平台； 研究并选择美国n i 公司的p c i - 6 2 5 1 和p x i 6 2 8 9 数据采集板卡，对其进行安装和 调试，选取合适的传感器系统，并搭建起室内环境参数( 主要是温度和湿度) 数据采 山东建筑大学硕士学位论文 集与检测的硬件平台。 3 室内环境参数( 温度和湿度) 数据采集软件平台设计； 利用l a b v i e w 实现室内环境参数( 温度和湿度) 的数据采集，并进行数据处理、 图形化实时显示以及数据的存储管理，搭建起室内环境参数数据采集与检测的软件平 台，并使该平台具有良好的开放性、兼容性，便于以后系统平台的扩展。 4 利用l a b v i e w 实现远程虚拟仪器。 在l a b v i e w 软件环境中，利用远程面板( r e m o t ep a n e l ) 技术来实现温、湿度环 境检测系统的远程网络监控功能。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章虚拟仪器技术 f 1 2 0 世纪9 0 年代以来，在现代计算机技术的推动下，以虚拟仪器技术为标志的通用 化、智能化和网络化测量仪器和测试系统技术得到了迅猛发展，测量仪器和数据采集系 统的设计方法和实现技术也随之产生了深刻的变化。 2 1 虚拟仪器与l a b v i e w 所谓虚拟仪器( v m u r di n s t r u m e n t 。简称v i ) 技术，就是在以通用计算机为核心的硬 件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、其测试功能由测试软件实现的一种计算机 仪器系统。其实质上就是充分利用计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能，其四大优 势在于：性能高、扩展性强、开发时间少以及出色的集成。 虚拟仪器技术综合利用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工 程方法，代表了测量仪器与自动测试系统未来的发展方向。“软件就是仪器”反映了虚拟 仪器技术的本质特征“”。 以图形化软件编程方法和集成开发环境为标志的虚拟仪器开发环境是虚拟仪器技术 的重要研究内容，也是虚拟仪器技术应用和发展的技术基础。美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s m u n e n t s ，简称n i 公司) 开发的创新软件产品l a b v i e w 是目前最为成功，应用最为广 泛的虚拟仪器软件开发环境之一，其全称是实验室虚拟仪器工作平台( l a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) ，是一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形化编程 语言) 的测试系统软件开发平台。实际上，虚拟仪器的概念最初就是由n i 公司在1 9 8 6 年 推出l a b v i e w 时提出的“”。 l a b v i e w 的概念雏形来源于特鲁查德和柯德斯凯两人于2 0 世纪7 0 年代末期在灿u ( a p p l i e dr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 完成的一个大型测试系统。该系统主要用于测试美国海 军的声纳探测器，研究人员也可用该系统开展水生学实验研究。这套测试系统的应用非 常灵活，因为它为各个层次用户提供了不同的交互接口。但该测试系统也有两个缺点： 一是超过1 8 人年的开发费用；二是用户必须理解菜单上复杂的命令缩语。 通过几年的时间，柯德斯凯把从该测试系统得到的启示发展到测试系统软件由多层 虚拟仪器( v i ) 构成的新概念。一个v i 可以有更底层的多个v i 构成，底层v i 代表了最基 本的软件功能计算与输入输出( i o ) 操作。柯德斯凯特别重视多层软件的互联和 嵌套，创造性地提出了各层v i 都有相同结构形式的思想。所有层次一致性的结构和接 口模型极大的简化了软件结构，是对结构化软件设计思想的一个新发展。虚拟仪器模型 山东建筑大学硕士学位论文 的另一个主要特征是每一个v i 都有一个用户接口组件，即与实际仪器面板相对应的软面 板，也称v i 的前面板。v i 模型的前面板接口是整个软件模型不可分割的一部分，用户通 过打开前面板，就可以在系统的任何层次上与v i 交互，使得在开发过程中逐步调试软 件模块和定位编程错误更为方便。 随着计算机技术的发展，图形化操作系统的出现为l a b v i e w 的实现奠定了技术基 础。柯德斯凯比较了几种框图编程的优劣之后，采用数据流图作为编程工具，数据流图 长期以来一直被认为是顶层软件设计的有效工具。于1 9 8 6 年1 0 月正式发布了l a b v i e w l o 版，经过几年的发展，l a b v i e w 作为一个完整的图形化软件开发环境得到了工业界和学 术界的认可。 虚拟仪器概念是l a b v i e w 的精髓，也是g 语言区别于其它高级语言最显著的特征。 2 2 虚拟仪器的构成与分类 虚拟仪器是以计算机为基础，配以相应测试功能的硬件作为信号输入输出接口完成 信号的采集、测量信号分析处理与调节，从而完成各种测试功能的一种计算机化仪器系 统。在此应当指出，“虚拟 的真正含义并不在“虚 ，而是指软件的主体地位。虚拟仪 器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。 2 2 1 虚拟仪器的通用仪器硬件平台 虚拟仪器的通用仪器硬件平台由计算机及i o 接口设备组成。i o 接口设备主要完成 输入信号的采集、放大、模数转换及数模转换和信号输出控制等。不同的总线有着相 应的i o 接口硬件设备。按总线分类，虚拟仪器系统的构成方式n 2 1 如图2 1 所示。 一1p c - d a q 板r 测 _ 一g p i b 仪器l 控 计 对 算 象 - l 串口仪器 卜 机 - 一v 模块l 一叫p 梗块r 图2 1 虚拟仪器系统的构成方式 山东建筑大学硕士学位论文 p c d a q 系统 p c d a q 系统是以数据采集板、信号调理电路以及计算机为仪器硬件平台组成的 插卡式虚拟仪器系统。采用p c i 或i s a 计算机本身的总线，故将d a q 插入计算机的空 槽中即可。 g p i b 系统 g p i b 系统是以g p i b 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试 系统。 串口系统 串口系统是以s e r i a l 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试 系统。 p x i 系统 p x i 系统是以p x i 标准总线仪器模块与计算机( p 控制主机) 为仪器硬件平台组 成的虚拟仪器测试系统。 上述所有虚拟仪器系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机或p x i 控制 主机结合，其中p c - d a q 测量系统是构成的最基本的方式，也是最廉价的方式。在 本课题中采用的是p c d a q 测量系统和p y d 测量系统两种方式，但主要以p c d a q 测 量系统开发为主。 2 2 2 虚拟仪器的应用软件 开发虚拟仪器必须要有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具有如下两 类： 文本式编程语言：如v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ，l a b w m d o w s c v i 等； 图形化编程语言：如l a b v i e w ，h pv e e 等。 这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良 好的开发环境。 虚拟仪器的软件包括两大部分，即应用程序和f o 接口仪器驱动程序。 1 ) 应用程序包含两方面的程序： 实现虚拟面板功能的前面板软件程序； 定义测试功能的流程图软件程序。 2 ) f o 接口仪器驱动程序 这类程序主要用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。 山东建筑大学硕士学位论文 虚拟仪器的核心就是灵活的软件，l a b v i e w 是最好的虚拟仪器软件平台之一。 l a b v i e w 有一个良好的图形化开发环境，用于信号采集、测量分析和数据显示，无需 传统开发工具的复杂性就给予了编程语言的灵活性。l a b v i e w 为用户提供了一个简单 易用的程序开发环境，在l a b v i e w 中执行程序的顺序是由块之间的数据流决定的，而 不是传统文本语言的按命令行次序连续执行的方式。此外，l a b v i e w 提供的一些性能 可以让用户实现与各种硬件产品和其它软件产品的连接，在实际系统应用中可方便的 扩展成一个综合性的通用软件平台。故在本系统中，使用l a b v i e w 软件作为开发虚拟 仪器的平台。 2 2 3 基于l a b v i e w 的典型虚拟仪器系统实例 采用l a b v i e w 软件开发平台设计的基于p c d a q 的虚拟仪器测量系统的结构如 图2 2 所示。 设虚拟仪器前面板 备 应用程序一蝗信勰卜信 数驱 被 亍 据动l 小v i e w 子梗板 测 - - q 章蝗佶廊卜 调 采程 对理 象电 集序l 曲v i e w 开发平台 卡 一 其它倍感器 - _ 路 遁用计算机 图2 2 基于p c - d a q 的虚拟仪器测量系统的结构 其中图2 2 所示的典型虚拟仪器测量系统工作流程如下： 传感器测量外界信号，将其转换为电量信号； 信号调理电路将传感器输出的电量信号进行整形、转换、滤波处理后，转换为 标准信号： 数据采集卡采集经信号调理后的标准电压信号，并转换成计算机能处理的数字 信号； 通过设备驱动程序，数字信号进入计算机； 在l a b v i e w 软件开发平台下，调用信号处理子模板，编写仪器功能流程以及功 能算法等，设计虚拟仪器的前面板； 形成具有不同仪器功能的应用程序。 当前，计算机技术的发展日新月异，想让自己的测试系统设计跟上时代发展，不 断满足实际测试工作和测试用户的需求，惟有不断将新的虚拟现实与计算机仿真技术 山东建筑大学硕士学位论文 应用于测试系统，用仿真的面板给人以真实仪器的感觉，用丰富的曲线图像向测试人 员传递信息，并让测试系统具有开放性、兼容性和不断更新的可能。因此，利用虚拟 仪器技术组建测试测量系统不失为一种好的选择。 2 - 3 虚拟仪器的特点 虚拟仪器技术就是用户自定义的基于p c 技术的测试和测量解决方案。任何仪器基 本上都由三部分组成，即