Intro to DDC and

Building Automation Controls

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0935-970-603 施正偉

來源：千家智客

建築能源消耗佔全球能源消耗的40％，面對日益加劇的能源緊缺，建築節能無疑是主要解決途徑。

歐美先進國家在 2000 年以後，已陸續提出發展近零能耗建築的路線，目的就是有效、大幅度的減少能源消耗。(近)零能耗建築在滿足超低能耗指標的同時，兼顧室內環境的健康和舒適。

因此，從建築節能，建築室內環境舒適度的角度出發，近零能耗建築是建築節能發展的里程碑，是建築節能發展的最高的形式，是未來建築的發展方向。

近零能耗建築採用高性能建築維護結構、無熱橋設計等被動式技術，結合高效熱回收新風系統，和可再生能源等主動式節能技術的應用，以達到實現舒適的室內環境，並與自然和諧共生的目的。

樓宇自控系統(BAS)技術，是為建築的運行管理服務的，完備優質的建築運行管理，又是為更好展現建築特點和優勢服務的，同時直接關係到建築運行績效。

BAS 是建築的智慧化、節能化的重要體現。近零能耗建築在好的建築維護結構、高效的建築設備基礎上，更加需要 BAS 發揮其對資源合理配置，對系統優化運行的能力，從而更快、更好實現建築的近零能耗。

基於 BAS 對整個建築運行管理的重要的作用，BAS 應結合近零能耗建築的特點進行設計和配置，更好發揮近零能耗建築特色，最大程度實現建築節能。結合近零能耗建築的特點，BAS 設計和實現時，應重點體現：

(1)系統運行要實現建築的能耗要求；

(2)強調室內環境參數的監測和控制。

【項目介紹】

對岸中國建築科學研究院CABR近零能耗示範樓，是中美清潔能源合作一期研究成果的示範，是中美清潔能源聯合研究中心在中國寒冷氣候區的唯一示範工程，並由兩國相關部委正式授牌確認，對建築能耗提出了非常高的要求。

該建築兼顧先進技術示範、實驗、研究等多重目的，是集辦公、實驗和科研功能於一體的綜合性辦公建築。

建築整合了世界先進的建築節能和綠色建築技術，並以實際能耗數據為評價，開展中國近零能耗建築相關的研究工作。示範建築地上4層，建築面積 4025㎡，於 2014 年 6 月投入使用。

該近零能耗示範樓，採用兩套基本能源系統，配備部分負荷蓄能系統；引進 20 多項先進技術和產品，採用多個廠家不同品牌設備；兩套照明系統，監控點達 2000 多個，建立了能源管理平台，並且設立了獨立的氣象站系統。

該示範樓要求實現快速、準確的對每個監測點數據的即時讀取和儲存及分析，要求透過對數據的監測、統計、分析，實現各機電設備及其設備之間的自動、優化運行，完成整個系統的優化運行，在保證室內環境舒適度的情況下，最終實現(近)零能耗。

1、BAS子系統介紹

CABR 示範樓 BAS 整合了包括暖通空調系統、照明系統、氣象站、能源管理系統，和典型房間在內的五個子系統。從系統整合的角度出發，首先簡要介紹各個子系統的構成和接口特點。

（1）暖通空調系統

CABR 示範樓是中美清潔能源項目示範工程，兼具辦公和科研示範的功能，能源系統由太陽能集熱，和地源熱泵兩套基本系統組成，並配備蓄冷和蓄熱系統，較一般辦公建築複雜。

冷熱源系統包括 4 台冷熱源主機，一套中溫和高溫串聯太陽能集熱系統，冷凍、冷卻、蓄冷和集熱水泵 14 台。末端包含 VRV 室內機、3 台水環熱泵主機，風機盤管和輻射系統。

輸配管網上配置近 200 個溫度、濕度、壓力、流量感測器和近 30 個開關及調節電動閥門。4 台冷機、14 台水泵和感測器、閥門等設備，集中分布於示範樓一層的冷熱源站機房內。太陽能集熱系統位於樓頂，安裝感測器監測各集熱器出人口溫度、流量和壓力等參數。

系統末端形式多樣，一層和四層分別採用，有獨立網管的水冷多聯 VRV 系統和水環熱泵機組，及分布式安裝於各層吊頂上方，或各層空調機房的新風機組，和溶液式除濕機組。

二層和三層採用輻射供冷供暖系統，和獨立的溫濕度控制系統，末端風機盤管及輻射系統，均採用分布於各個房間內的溫控器進行控制。

（2）照明系統

CABR 示範樓照明包含 Lutron 和 Philips 兩個照明系統。照明系統整合參數，主要包括每層各個房間的燈具消耗電量、房間燈具開啓信號、照度信號，人員佔空狀態等。Lutron 和 Philips 系統可提供 OPC 和 BACnet 兩種接口方式整合。

（3）氣象站

氣象站透過數據採集儀，獲取前端感測器信號，並經由採集儀的兩個 RS232 介面，與外部設備進行資訊交互。兩個 232 介面分別採用標準 Mod bus 協議和設備私有協議。

目前氣象站可即時採集和發佈的測量參數，包括室外溫度、濕度、PM2.5、太陽輻照度、風速、風向、大氣壓。

（4）能源管理系統

能源管理系統是一個獨立的系統，實現對示範樓內各項用能的計量，主要包括整個示範樓的電、水和熱能耗，透過數據採集網管和交換機，實現本系統自身資訊的收集和監控。

（5）典型房間

近零能耗建築強調，在保證室內環境品質的條件下，實現建築節能。因此在樓內選取了不同末端形式、不同方位、不同功用的10個典型房間，進行熱濕環境重點監控。

每個典型房間設置了各類室內環境參數的傳感器，包括 CO 感測器、照度感測器、溫濕度感測器等，同時設置監控點對不同末端形式新風的送風，和回風溫度濕度進行了測量。典型房間根據功用監控點介於 10～20 之間。

2、BAS 子系統整合特點分析

冷熱源系統冷機設備，除了吸收式冷機外，其它設備或者為標準 Modbus 協議，或同時具有 BACnet 協議。水泵設備為標準 Modbus 協議。主機和水泵，集中位於一樓的冷熱源站內。冷熱源站管網設置，多達200多個監測點，溫度、濕度、壓力、流量等監測信號完備，相關閥門全部採用電動閥門，整個冷熱源站實現自動運行完全可行。

末端空調系統為獨立的個體主機設備，管轄區域相對獨立，相互關聯度小。多數設備採用類比量，和數位量資訊參與整合，少數設備採用網管設備整合。

綜上可得冷熱源系統的突出特點：(1)主要設備多採用網管方式，且通訊協議標準，接口方式至少一種；(2)主要設備和監測點位多，且集中；(3)系統非常複雜，管路，閥門切換實現難度較大；(4)末端設備相對獨立。

冷熱源站是系統整合的核心之一，整合過程中數據的採集、儲存、系統邏輯、功能的實現較一般 BAS 系統複雜，因此該系統的整合，對 BAS 的系統構架和控制器的選擇，提出了較高的要求。

照明系統為獨立的第三方系統，Lutron 和 Philips 都有兩種接口方式可實現整合；氣象站採集儀有兩種協議輸出方式；能源管理平台為獨立的第三方系統，它能夠提供 OPC 方式、ODBC 方式其它系統整合資訊交互，對於這些子系統來講，選用哪種方式整合，需要綜合考慮接口整合難度、整合費用、參數獲取量、數據傳輸速度和穩定性等因素。

總而言之，該示範樓的 5 個子系統，設備種類較多，接口形式多樣，將多種不同產品，多種接口方式設備，整合到一個 BAS 平台，是本 BAS 整合的特點也是難點之一；示範樓 2000 多個監控點，且每個點位要求即時監視和控制，歷史數據儲存和下載等功能，對控制器配備，網路通訊速率，準確性，整個 BAS 系統架構，都提出了非常高的要求。

更重要的一點，實現整個複雜系統的自動運行和優化控制，也是 BAS 的重要挑戰。

3、BAS 系統整合難點分析

(1)示範樓能源系統不單一，兩種冷熱源形式如何使用，兩種能源形式下各相關閥門如何切換，兩種能源系統和蓄冷蓄熱系統，如何關聯等問題，造成該冷熱源系統的整合，和自動控制難度，高於一般 BAS 的冷熱源站系統。

(2)子系統設備，或子系統本身有多於一種接口方式參與整合，採用不同介面方式會帶來不同結果，諸如系統整合實現難易、整合實現後參數個數、數據傳輸速率、參數關聯控制難易等。

4、BAS 整合平台選擇

BAS 整合平台選擇注意事項如下。透過以上對各子系統監控點、子系統整合介面方式的分析，樓控整合平台需要滿足一般 BAS 整合要求外，還應該滿足：

(1)平台數據整合速率、傳輸速率較高；

(2)對於複雜的系統，編程環境相對簡單，編程難度較小；

(3)平台箱容性強，能夠實現 BACnet、Modbus、OPC、ODBC 等方式的整合；

(4)自身應具有優化的控制模式或策略。基於以上分析和對市場 BAS 產品調研，CABR 近零能耗示範樓最終選擇西門子 APOGEE 系統 insight 平台進行整合。

5、BAS 系統構架

通常 BAS 系統為三層結構，即管理層、自控層和現場層。管理層上的主要設備是監控電腦，可提供方便易用的圖形介面，來管理和控制樓宇，同時也可以對系統數據，進行進一步的分析，作為調整運行管理策略的依據。

自控層是整個樓宇控制系統的核心，自動控制的功能是依賴自控層上的 DDC 實現的，DDC 可獨立工作，DDC 之間可進行無主從的對話，並不依賴監控電腦。

現場層是自控層的補充，在點數不足或特殊應用等情況下，以點模組或專用設備，來完善控制系統。現場層的設備，一般是依賴自控層設備，才能完成自動化控制。

CABR 示範樓項目，對控制的品質要求很高，因此在構架上採用以兩層架構為主(重要設備均有自控層 DDC 直接控制)，以三層架構，兼顧整合便利性為輔的組網方式。

管理層通訊協議，採用 BACnet/IP 及 TCP/IP協議，方便對 DDC 的監控及與其它系統的整合；自控層採用 BACnet/IP，高速的網路有利於 DDC 性能的發揮，同時也可無縫整合標準 BACnet 設備；現場層根據所整合的設備的需求不同，採用 BACnetMS/TP 或 MODBUS 協議。

　　管理層、控制層和現場層的邏輯結構如圖1所示。　　

6、控制器選型

系統在設計和 DDC 選型上，應有如下基本考慮。在保證系統控制、優化功能和獨立性的前提下，減少 DDC 的數量，減少投資。

同時為以後設備增多，監控點位增多，保留 DDC 的點位餘量；應考慮設備監控的獨立性，盡量避免一個設備的監控由多個 DDC 共同完成；設計者要充分考慮 DDC 的安裝位置，避免距離過遠的設備共用一個 DDC。

示範樓 BAS 選型，在遵循以上控制器選型原則外，還應兼顧各子系統的特點，保證最終的 BAS 系統的穩定，反應迅速，使用簡單。

冷熱源站設備介面，多為不同協議的控制閘道器，應優先選用，能夠同時實現多種介面方式的控制器。冷熱源站管網上感測器、閥門等輸入輸出信號位置非常集中，且全部為AUAO/DI/DO點，應優先選用可擴展點位的控制器。

考慮到設備監控的獨立性，和新風機組監測的點位個數，每個新風機組建議採用獨立的，且點數滿足要求的控制器進行控制。典型房間點位集中於每個房間內，類似於新風機組，點位相對獨立，可獨立控制，因此也建議每個典型房間，採用獨立的控制器進行控制。

氣象站採用串口整合，Lutron 系統可透過 BACnet/IP 實現整合，因此這兩個子系統選取，可透過總線進行整合的控制器。CABR 示範樓樓控數據點非常多，因此要求控制器能夠容納，較多數量的數據點位，最好可以實現數據的短期儲存。

結語

透過建築科學研究院 CABR 近零能耗示範建築，詳細分析了在近零能耗建築中，BAS 系統設計的關注點和適應性。

文章首先詳細描述了該近零能耗建築，包括暖通空調、智慧照明、氣象站、能源管理平台，和典型房間在內的 5 個子系統的系統特點，分析了各子系統整合 BAS 的特點和難點，在此基礎上，闡述了 BAS 平台的選擇，系統架構的搭建。

最後針對各子系統特點，和數據傳輸要求，詳細闡述了各子系統控制器的選型和配置。238171122

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