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3S MARKET

2020年1月10日 星期五

 Intro to DDC and 

Building Automation Controls




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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