智能建筑中暖通空調和照明系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)與策略

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摘要：以美國一大學建筑物性能測試中心的智能工作區(qū)間為例，說明了暖通空調和照明系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)，以及應用設備和軟件流程圖，介紹了智能建筑的控制系統(tǒng)結構和控制策略。

　　關鍵詞：智能建筑；照明系統(tǒng)；計算機控制系統(tǒng)

　　1、概述

　　美國卡內基-梅隆大學建筑系建筑物性能測試中心（Center for Performance and Diagnostics， Department of Architecture，Carnegie Mellon University）所籌建的智能工作區(qū)間（Intelligent Workplace，簡稱IW）是一個受美國國家科學基金委員會支持，由國際財團ABSIC（Advanced Building Systems Integration Consortium）投資興建的。ABSIC由學校、公司以及政府部門共同組建。美國政府部門包括國防部、能源部、環(huán)境保護署、服務總局和國家科學基金委員會，公司中有AMP Incorporated，Johnson Controls， Siemens Energy and Automation Inc， Siemens AG等著名的大公司，學校即為卡內基-梅隆大學建筑系的建筑物性能測試中心。IW是美國第一所有關建筑物性能測試的重點實驗室，集研究、發(fā)展和商業(yè)應用于一身。實驗中心的目的是提高建筑物內部的工作環(huán)境質量和節(jié)約能源。對建筑物的各項性能指標進行測試和模擬，以期提高建筑物內辦公人員（以辦公室為實驗對象）對環(huán)境7個方面的要求：新鮮空氣，適宜的溫度，適當?shù)墓饩€，既有室外的景致又要有相對的隔離，獨立和安靜的工作空間，具有多媒體功能的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)，符合人體工程學的家具與環(huán)境。根據(jù)估算，僅在節(jié)約能源方面采用了一系列新技術以后，可使建筑物的節(jié)能達到75%（以美國現(xiàn)在使用能源的普遍情況為標準）。所以，卡內基-梅隆大學（CMU）建筑系在參照了日本、德國、法國、英國和北美的各項研究成果后，重新設計而建成的這個新型研究中心必將會推動建筑界以及智能建筑學科的發(fā)展。

　　智能建筑中HVAC和照明系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)，是智能建筑的重要組成部分。此系統(tǒng)的工作性能，直接關系到提高工作環(huán)境的舒適度而提高工作人員的工作效率，也是關系到節(jié)約能源和環(huán)境保護的重要手段。計算機控制系統(tǒng)根據(jù)工作區(qū)間的內部條件和外部條件，適時或按計劃自動控制室內溫度、濕度、工作區(qū)間的亮度等。計算機控制系統(tǒng)是體現(xiàn)“智能”諸因素中最重要的因素之一。一個在建筑中使用的設備被稱為“有智能”或“是一個智能單元”，或一座建筑物被稱為智能建筑，計算機控制系統(tǒng)的應用是必要條件。所以，計算機控制系統(tǒng)的應用與控制策略是評價智能建筑的重要的因素之一。

　　本文以美國卡內基-梅隆大學建筑物性能測試中心的智能工作區(qū)間的HVAC和照明系統(tǒng)的控制系統(tǒng)為例，說明智能建筑控制系統(tǒng)結構和控制策略。

　　2、智能建筑集成系統(tǒng)中的計算機控制系統(tǒng)

　　2.1主要設備

　　2.1.1蒸發(fā)式冷卻空調系統(tǒng)此系統(tǒng)的3階段供冷啟動順序為：熱轉輪啟動，蒸發(fā)冷卻器啟動，備用冷卻盤管啟動；其兩階段供熱啟動順序為：熱轉輪運行進行熱回收，利用熱水盤管加熱處理空氣。此空調系統(tǒng)主要任務是保證室內空氣的清新，提供室內的基本溫度保證。

　　2.1.2埋管式輻射墻板墻架上和空氣中的溫度傳感器提供水流閥門的控制信號。它是在室內基本溫度點基礎上，對溫度進行再調整的設備。

　　2.1.3屋頂通風裝置室外溫度、濕度、風力、降雨量，室內溫度、濕度，提供此開關控制信號。它是室內溫度、濕度調整的輔助設備，也是節(jié)約能源的重要手段。其動力是日光反射板上的太陽能電池。

　　2.1.4日光反射板陽光和溫度都是照明系統(tǒng)和溫度系統(tǒng)的信號源，光線反射板受控于這兩個系統(tǒng)。既能遮光，也能將室外光線反射到室內。

　　2.1.5照明系統(tǒng)由房間使用狀況檢測、日光、陽光反射、室內光照度等檢測信號，用開關、遙控器或計算機程序控制此系統(tǒng)。

　　2.1.6個人工作環(huán)境系統(tǒng)在個人工作環(huán)境系統(tǒng)中，溫度、濕度、房間使用狀況檢測、空氣流速、空氣品質等數(shù)據(jù)均為控制因素。每人工作環(huán)境系統(tǒng)的溫度、濕度的期望值，房間使用狀況檢測數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)中的傳感器或由人工給定，由通訊系統(tǒng)傳送給上一級（網(wǎng)絡工作級）和系統(tǒng)工作站，由網(wǎng)絡工作級和系統(tǒng)工作站的計算機控制系統(tǒng)控制此個人工作環(huán)境系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)。

　　2.1.7控制系統(tǒng)和主配電盤它是控制、電源和通訊系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡。

　　2.2控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)分為兩大控制部分：

　　2.2.1溫度和空氣品質控制系統(tǒng)溫度和空氣品質控制系統(tǒng)的控制目標包括蒸發(fā)式冷卻空調系統(tǒng)、埋管式輻射墻板、個人工作環(huán)境系統(tǒng)、可開啟窗戶、屋頂通風裝置等。本系統(tǒng)的傳感器包括室內溫度、室內濕度、室外溫度、室外濕度、冷熱水流數(shù)據(jù)、房間使用狀況、空氣品質（CO₂）數(shù)據(jù)、露點溫度，以及室外風力等。執(zhí)行機構是熱轉輪、蒸發(fā)冷卻器、水流閥門、空氣處理器、加熱盤管、冷卻盤管、氣流混合調節(jié)器、水壓調節(jié)器、屋頂通風裝置等。

　　2.2.2照明控制系統(tǒng)照明控制系統(tǒng)的控制目標包括環(huán)境燈、周邊燈、工作燈、室內遮光設備、日光反射板等。燈光控制系統(tǒng)的傳感器包括室外日光檢測器（最大照度）、室內照度檢測器、房間使用狀況等。執(zhí)行器是控制日光反射板的電機，控制天窗、可開啟窗戶、門遮陽設備的電機，數(shù)字式日光燈整流器，數(shù)字式相位燈光調節(jié)器，數(shù)字轉換器等。

　　溫度和空氣品質這兩個控制系統(tǒng)和照明控制系統(tǒng)是互相干擾的。譬如，為了節(jié)約能源和得到舒適的工作環(huán)境，冬天和夏天對日光的需要是不同的。

　　2.3控制系統(tǒng)結構總控制工作站熱冷水系統(tǒng)熱水系統(tǒng)冷水系統(tǒng)空氣處理系統(tǒng)空氣處理單元-1（AHU1）

　　控制系統(tǒng)的輸入、輸出量控制系統(tǒng)的輸入、輸出量的監(jiān)測控制系統(tǒng)的硬件控制系統(tǒng)的硬件工作狀況監(jiān)測安全監(jiān)視和檢查系統(tǒng)門衛(wèi)磁卡檢查系統(tǒng)系統(tǒng)設備打印機網(wǎng)絡設備3　計算機控制系統(tǒng)的控制策略總控制工作站的控制策略必須根據(jù)各種條件，用控制算法去協(xié)調上述設備的工作?，F(xiàn)假定工作程序和環(huán)境為：按照當天的室外氣象參數(shù)，蒸發(fā)式冷卻空調系統(tǒng)已根據(jù)時間或遙控命令，在工作人員到來之前開始工作，提供基本室內溫度和其它條件，當個人工作環(huán)境的房間使用狀況檢測傳感器檢測到有人工作，提供啟動信號給上級計算機，控制系統(tǒng)按照人的給定期望值，調整此個人工作環(huán)境的環(huán)境參數(shù)。

　　　4、總結

　　溫度控制系統(tǒng)、空氣品質控制系統(tǒng)和照明控制系統(tǒng)的某些控制目標是相關的，被控制目標和設備之間存在互相干擾。且智能建筑集成系統(tǒng)的各個部分是由一些不同廠家生產的，這些產品中存在很多不同標準，像數(shù)據(jù)傳輸總線、硬件接口、軟件接口、控制算法等。由于信息流和被控目標的不確定性和復雜性，使得控制系統(tǒng)非常復雜。如夏天的陽光提供工作臺的光線亮度，但又帶來多余的熱量。減少陽光的照射又可能使工作環(huán)境照度不夠。故怎樣發(fā)揮每一設備的工作能力，又可控制工作環(huán)境溫度、濕度、空氣新鮮度，工作環(huán)境的照度、噪聲、背景音樂，與外界（世界和本系統(tǒng)之間）的通訊暢通，各種辦公設備的使用方便程度，等等，且能像轎車內的空調系統(tǒng)一樣，所有指標都能在本人的工作區(qū)間內作自我調整，創(chuàng)造最佳工作環(huán)境。亦能滿足保護環(huán)境、減少污染、節(jié)約能源的大目標。這些就是控制系統(tǒng)的基本任務。

　　無論是溫度控制系統(tǒng)、空氣品質控制系統(tǒng)還是照明控制系統(tǒng)的控制過程都沒有現(xiàn)成的模型可以精確地描述，慢過程、超時延遲和非線性使得控制器使用不需要數(shù)學模型的算法，如模糊控制、預測控制等。溫度控制系統(tǒng)、空氣品質控制系統(tǒng)就是一個超延時反應系統(tǒng)，再加上這兩個控制系統(tǒng)與照明控制系統(tǒng)分別采用兩個公司的產品，所以，控制系統(tǒng)總工作站采用PID和模糊控制方法，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構分為三級，分別為現(xiàn)場工作級、網(wǎng)絡控制級和程序員操作級。由程序員操作級的控制系統(tǒng)總工作站協(xié)調和控制整個控制系統(tǒng)。

　　如果沒有計算機控制系統(tǒng)來管理和維護上述的功能，建筑或建筑群是不能稱為智能建筑的，雖然智能單元能夠自動完成一些功能，但全部工作需要計算機集成控制系統(tǒng)來協(xié)調。所以，用工作站協(xié)調來自于不同生產廠家的子控制系統(tǒng)是必要的。