建筑设备节能控制工程的研究

　　摘要：建筑节能是缓解我国能源紧缺矛盾、减轻环境污染和实现可持续发展战略目标的关键一环。而对建筑设备进行有效的监视控制可以大大降低建筑能耗。为此，本论文从控制工程的角度对建筑设备的节能问题进行了研究。建筑设备监控系统为建筑设备的节能控制提供了很好的平台。本文以东方艺术中心改造为工程背景，对建筑设备监控系统进行研究。工作主要侧重于用户操作界面与各子系统的监控功能。本文的研究重点在建筑设备的节能控制方法上。在深入研究模糊控制理论与模糊控制器的设计后，提出把模糊控制跟PID控制相结合以使控制效果更加
完美，从而满足空调节能的需求。论文以东方艺术中心的空调系统为工程对象，在深入研究二次回风空调机组的特点基础上，提出了一套完整的控制策略。包括根据室外温湿度条件确定工况分区，设计不同的节能控制模式如保温模式、演出模式等。并针对夏季工况的演出模式设计二次回风阀和冷水阀的模糊控制器，提出协调控制二次回风阀和冷水阀，以在保证舒适度的基础上最大限度地利用二次回风来达到节能的效果。最后，以MATLAB为软件平台，设计了冷水阀模糊控制系统并对其进行仿真，从而验证所设计的控制算法效果。为发挥BA系统软件的监控功能与
MATLAB实现复杂控制算法的优势，提出在中央监控站上通过OPC技术实现两者之间数据交换，为模糊控制的实现提供了解决方案。
　　
　　关键词：建筑设备，节能，BA系统，二次回风，模糊控制，OPC
　　
　　1．1课题的提出
　　在目前世界能源紧张的情况下，各国科学研究人员都十分重视解决能源危机的研裂11。研究工作涉及到很多学科，但其内容大体可以分为两个方面：其一是新能源的研究，诸如太阳能、海洋能、风能、地热能、化学能、核能等等。从长远讲，这类研究无疑是很有意义的，但研究周期长、投资大，目前一般尚未取得主导性的经济技术效果；其二是节能研究，其核心是合理使用能源，使现有能源发挥最大的经济技术效果。从我国目前情况来看，节能研究更具有现实意义。它包括两方面的内容：其一是研究系统工作在平衡状态时的节能；其二是研究系统在过渡状态时的节能。前者主要与工艺流程、设备改造、能源合理调度和余热利用等方面有关，后者则是通过寻找最佳控制规律，使系统在动态过程中能耗最小BJ。节能又可分为狭义节能和广义节能。狭义节能理解为直接减少能耗。广义节能理解为花费最少的原材料、资金、能量、劳力等而得到最大的收益，即是指提高经济效益。节能研究，当然着重于狭义节能。但如果所提出的一项节能措施，要花费较大的人力、物力、财力，那么就得算一算是否符合经济效果，因为这项措施虽然在所研究的系统中收到了减少能耗的效果，却花费了大量需要能源加工出来的原材料和设备，总的算来就未必达到节能效果。而节能控制，主要是寻找系统的节能控制规律，按照这个规律控制，就可以达到节能目的，可以在原有系统中调整一下参数或改变控制方法，一般并不需要额外附加什么设备和工艺改造，就可以收到效剁31。因此，从经济效益来看，节能控制是一项颇有意义的课题。
　　建筑能耗在社会总能耗中占有很大的比重。据2004年统计，西方的发达国家建筑能耗占总能耗的30％'--'40％，而中国的建筑能耗占总能耗的27．6％。中央空凋是建筑物的能耗大户，在高档公共建筑全年的能耗中大约占50％60％，照明消耗的电量约占20％'-'25％左右，其他办公和动力设备消耗的电量约占15％'-'20％左右pJ。因而建筑设备节能对全社会总的节能至关重要。而从上面的分析，控制对节能有着重要的意义。为此，结合东方艺术中心设备改造工程，本文针对建筑设备的节能控制问题进行了研究。
　　1．2课题的研究目的及意义
　　在目前能源短缺的情况下，自动控制系统必须重视控制中的能耗减少。建筑设备自动控制系统亦是如此。本课题试图通过对上海东方艺术中心建筑设备节能控制工程的研究，为该类公共建筑提供较优的能源供应方案和控制策略，优化提高管理水平达到节约能源和人工成本，实现物业管理的自动化。
　　1．3课题的研究现状
　　1．3．1能源管理系统与节能控制
　　现阶段智能建筑的能源管理依然停留在采集能耗数据及其历史数据对比的初级水平，未能采取切实有效的措施达到系统地节能与降低能源费用的应用目标。为此，基于智能建筑采用了建筑设备监控系统，通过建立智能建筑能源管理系统平台，优化对智能建筑能耗的监控管理，达到降低能源费用与提高智能建筑应用效益有着重要意义。能源管理系统的一个显著的优点就是它可以通过数据分析与控制策略设计，找到各个设备的理想能耗状态，合理确定设备运行状态设定值，自动调整设备的运行方式，控制设备的启停时间，达到有效减低建筑物系统的能耗的目的。这在我国当今能源紧缺的背景下显得尤为重要。智能建筑综合能源监控管理与目标优化解决方案的整体网络架构。EM包括安全模块、数据呈现模块、事务处理模块、数据连接与转换模块，数据库以及包括专家系统、能量分析及能源控制策略的应用模块。利用集成化的能源控制管理平台，通过简单的Web浏览器实现有效的能源分析，并通过超限报警设置，即时确认能源异常使用状况及其修正措施，最大限度地确保能源的有效使用。
　　1．3．2建筑设备监控系统与节能控制
建筑设备监控系统(BAS，Building Automation System)又称为建筑设备自动化系统，简称BA系统。它是在综合运用自动控{嘲、计算机、通信、传感器等技术的基础上，实现建筑物设备和实旌的有效控制与管理，保证建筑设施的节能、高效、可靠、安全运行，满足广大使用者的需求ll≈。BA系统一般具有三个层次。最下层是现场控制器(DDC．Direct Digital Controller)。每台现场控制器监控一台或数台设备，对设备或对象的参数实行自动检测、自动保护、自动故障报警和自动调节控制。它通过传感器检测得到的信号，根据内部已写入的控制程序进行直接数字控制。中间层为系统监督控制器，负责对某一类设备于系统的监督控制，管理该子系统内的所有现场控制器。它接受系统内各现场控制器传送的信息．按照事先设定的程序或管理人员的指令对各设备的控制管理，并将子系统的信息上传到中央管理级计算机。最上层为中央管理系统，是整个BA系统在建筑中起着非常重要的作用，除满足对各种建筑设备进行分散控制与集中管理外，更重要的作用应该是有效地利用先进的控制技术和系统集成的优势节约能源，使系统产生更大的效益Ilq。在传统建筑中，均没有设置建筑设各监控系统，楼’}内普遍存在着这样一个现象：一些办公室内由于人为的因素，温度设定过低，使得空调系统在不停地超负荷运转，哪怕办公室内没有一个人；而一到晚上，物管人员面对一些办公室内的“长明灯”只能望灯兴叹；公共场所的照明只能齐亮齐灭。所有这些均在造成大量的能源浪费。而现代的智能建筑中一般都采用BA系统对各种建筑设备进行监视控制，这为建筑设备的节能控制提供了很好的平台。
　　1．3．3控制算法与节能控制
节能控制是从系统的角度，考虑到设备的协调工作以及相互之间的约束关系，从而达到节能的效果。控制算法的选择和优化，对建筑的设备的节能控制起着基础性的作用。合理优化的控制可以保证系统设备运行在最佳状态，为节能提供必要的保障。优化控制的实现至少可以实现15％"-'20％的节能效果.在控制算法方面，照明系统、给排水系统和电梯系统等建筑设备，一般的时
序逻辑控制即可满足要求。但对于空调机组，冷水机组和VAV(Variable AirVolume)空调系统等建筑设备，则需要PID控制的以及更高一级的控制算法(如模糊控制)。下面简要分析一下PID控制与模糊控制。
　　1)PID控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例(P)、积分(I)、微分(D)计算出控制量进行控制的。比例(P)控制可以加快系统的响应速度，减小系统稳态误差，提高控制精度；积分(I)控制可以从根本上消除系统的稳态误差；微分(D)控制可以使系统超调量减少，增加稳定性。在工业生产过程自动控制领域获得了广泛地应用，具有较好的控制效果。然而，PID控制一般都要求系统的参数固定、非线性小并可以建立精确的数学模型。对无法建立精确数学模型的非线性系统来说，PID的控制效果很不理想。
　　2)模糊控制。模糊控制是基于丰富操作经验总结出来的、用于自然语言表述控制策略或通过大量实际操作数据归纳总结出的控制规则，用计算机予以实现的自动控制。它与传统控制的最大不同在于不需要知道控制对象的数学模型，这对于传统PID控制无法实现自动化的复杂系统进行自动控制非常有利。通过操作经验设计的模糊规则，可以对复杂被控对象进行有效的控制，经过实际调试后其鲁棒性和适应性都很容易达到要求。在目前应用的中央空调系统中，控制方式基本上采用多回路的PID控制。但因中央空调是一个干扰大、高度非线性的复杂系统，而且各个单回路之间的耦合强烈，所以PID控制往往在动态特性上满足不了性能要求，通常只是针对单个参数或工况设备的控制，这就造成空调系统运行过程中节能效果不佳。需要采用新的控制技术和方法，通过引入模糊控制技术实现空调系统的节能控制可以较好地解决这个问题。
　　然而，没有一种单一的控制是完美的。虽然模糊控制具有能适应被控对象非线性和时变性的优点，而且鲁棒性较好。但是它的稳态控制精度较差，控制欠细腻，难以达到较高的控制精度，尤其是在平衡点附近。同时，它也缺少积分控制作用，不宜消除系统的静态误差。为了弥补这些缺陷，本文在建筑设备(二次回风空调机组)的控制算法中，把模糊控制跟PID控制相结合，充分发挥它们各自的优点以使控制效果更加完美，从而满足空调节能的需求。
　　1．4本论文的研究内容
　　本论文的研究主要内容是上海东方艺术中心的建筑设备的节能控制。首先，本课题结合上海东方艺术中心智能化系统改造工程，详细介绍BA系统(EBI系统)，该系统是将大楼内的建筑设备管理与控制子系统(暖通空调系统、冷热源系统、给排水系统、供配电系统和照明系统等)进行分散控制、集中监视管理，实现一体化控制、监测和管理。监控系统为建筑节能提供了很多
手段。课题研究的重点放在建筑设备(二次回风空调机组)的控制策略上。结合东方艺术中心大空间建筑的实际情况，在明确工程环境、控制原理与控制工艺的基础上，运用模糊控制的方法控N-次回风阀与冷水阀。最后用MATLAB验证了模糊控制的良好控制效果，并提出通过OPC技术实现BA系统软件和MATLAB两者之间的数据交换，为模糊控制的实现提供了可行的途径。具体章节排如下：第1章引言；第2章建筑设备监控平台；第3章模糊控制技术；第4章二次回风空调机组模糊控制技术的研究；第5章二次回风空调机组模糊控制的MALAB实现；第6章结论与展望。