楼宇自动化系统的技术与发展
低压电器(2012No.15)·讲座
·
楼宇自动化系统的技术与发展
程大章,沈晔
(同济大学,上海200092)
摘
要:根据楼宇自动化系统(BAS)应用的环境、功能、技术及其价值,提出建筑
能源管理系统(BEMS)对于我国新建筑的建设和既有建筑的节能改造具有重要作用。BAS不仅是绿色建筑和低碳建筑的技术支撑,也是智慧城市的基础系统,智能电网的重要末端装备。
关键词:楼宇自动化系统;建筑物设施管理系统;建筑能源管理系统中图分类号:TP273
文献标志码:A
5531(2012)15-0066-06文章编号:1001-程大章(1951—),男,教授,研究方向为智能城市与智能建筑。
TechnologyandDevelopmentofBuildingAutomationSystem
CHENGDazhang,SHENYe
(TongjiUniversity,Shanghai200092,China)
Abstract:Accordingtotheapplicationenvironmentofbuildingautomationsystem,thefeatures,technologyandvalueofBAS,thisarticleproposedthatbuildingenergymanagementsystem(BEMS)hasanimportantrolefortheconstructionofnewbuildingsandenergysavingrenovationofexistingbuildingsinChina.BASnotonlyisthetechnicalsupportforgreenbuildingandlowcarbonbuilding,butalsoistheunderlyingsystemofsmartcity,theimportantendequipmentofsmart-grid.
Keywords:buildingautomationsystem(BAS);buildingfacilitymanagementsystem;buildingenergymanagementsystem(BEMS)
0引言
内消耗了全球资源的40%、全球能源总量的
40%,建筑垃圾也占全球垃圾总量的40%。为节约能源和资源,提高使用效率,缓解能源资源短缺的矛盾,保护和改善环境,各国政府与工程界都进行了不懈的研究和实践,提出了绿色建筑的理念。绿色建筑强调人与自然的和谐,避免建筑物对生态环境和历史文化环境的破坏,资源可循环利用,室内环境舒适,符合我国政府可持续发展的基本因而受到了各级政府、工程界与房地产业的国策,
高度重视。绿色建筑在建筑的全寿命期内,最大限度地保护环境、节约资源(节能、节水、节地、节材)和减少污染,为人们提供健康、适用和高效地使用空间,最终实现与自然共生的建筑物。为了实现绿色建筑的建设目标,在工程中涉及的建筑设备、资源利用、管理信息、生态等课题需要用智能控制与信息管理来解决。
(1)绿色建筑工程需要广泛采集环境(大
楼宇自动化系统(BuildingAutomationSystem,BAS)是现代建筑的重要设施。由于它能对建筑设备和环境进行全面的检测、控制与管理,节省能耗,提高建筑物物业管理的服务质量和工作效率,因此在智能建筑、绿色建筑和低碳建筑中具有举足轻重的作用,成为智慧城市的基础系统
同时也是智能电网的重要末端装备。之一,
1BAS应用的环境
BAS得到广泛应用的原因,需要从社会的大
环境中来考量。进入21世纪,全球城市化进程加快、经济快速增长,但是人口急骤增加、资源萎缩、环境恶化,使人类面临着严峻挑战。建筑物在建造和使用过程中不仅消耗大量的能源和资源,而
据研究数据反映,建筑物在生命期且破坏了环境,
沈
晔(1964—),男,教授,研究方向为自动控制。
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·讲座·低压电器(2012No.15)
气、水体、气象等)、生态(植物、动物等)、建筑物(结构、地基、建材等)、设备(能源、空调、水处理、供电、固体废弃物处理等)、社会(安全、服务、管理、行政等)等领域的信息,为人类社会活动和生活提供准确可靠的信息,为绿色建筑的控制、管理与决策创造良好的环境。
(2)建筑物的控制包括:从太阳能、风能、地热能应用到区域热电冷三联供系统等的控制;利用峰谷电价差的冰蓄冷系统的控制;采用最优控制技术充分利用自然能量来采光、通风,进行照明控制与室内通风空调控制,实现低能耗建筑,若辅以可再生能源则成为零能耗建筑;可以随环境温湿度、照度而自动调节的智能呼吸墙;应用变度、
频调速装置对所有泵类设备的最佳能量控制;自动收集雨水、处理污废水,提供循环使用的水处理
设备控制系统。
(3)绿色建筑的管理涉及环境、生态、能源、资源、建筑物、设备、社会、安全、通信网络等,需要信息共享协调相互关系,在一个统一的平台上,实现绿色目标的综合管理。
(4)绿色建筑生命期的建设、运行管理与更新改造有大量的事务需要决策,并付诸执行。绿色建筑实现信息、控制、管理与决策的技术支持就是BAS,它在节能与减排,提高物业管理水平和服务质量,起着不可或缺的作用。
2广义BAS
广义BAS,即办公自动化系统(OAS),楼宇自
其组动化系统(BAS)和通信自动化系统(CAS),成概念图如图1所示
。
图1广义BAS组成概念图
在实际工程中,由于行业管理、安全可靠性需
求以及控制需求的不同,广义BAS中各系统的控电力供制方式和施工管理要求各不相同。通常,应和管理系统、照明控制管理系统及环境控制与管理系统是由各系统承包商利用DDC控制器或PLC控制器来进行监控和管理,这部分就构成“狭义BAS”。火灾自动报警和消防联动控制系
所采用的产统由具有消防资质的单位进行建设,
品需要经消防部门认定合格,完成的工程由消防
局进行统一检验和测试。安保监视和控制系统的建设单位、应用产品及工程质量由公安部门进行
检验和测试。交通运输监控系统中的电梯认定、
运行监控系统由电梯生产厂商提供;交通运输监控系统中的停车场监控子系统与车船运行管理子
系统以及广播控制与管理系统一般由相应厂商独
立构建、自成系统。以上各子系统虽然独立建设,但它们之间可通过接口协议互相开放和交换数据,完成各种联动功能。
3BAS的功能与技术
本文论及的狭义BAS又称建筑设备监控系
它是在综合运用自动控制、计算统或BA系统,
机、通信、传感器等技术的基础上,实现建筑物设
备和实施的有效控制与管理,保证建筑设施的节高效、可靠、安全运行,满足广大使用者的能、需求。
现代建筑物在规模和功能上都与过去的土木
—67—
低压电器(2012No.15)工程不可同日而语,建筑面积超过8万m2
的建筑
物随处可见。高度超过200m,
建筑面积在20万m2以上的超大型建筑物也不再为世人所惊叹。不仅如此,建筑物功能的多样化往往要求一栋建筑物内满足办公、酒店、商场、公寓、娱乐等使用功能,各类使用者对建筑物所提供的服务要求不断提升,使得建筑设备的建设和管理日趋复杂。为了满足各种使用功能和众多的服务要求,建筑物中设置了照明设备、空调设备、冷热源设备、通风设备、污水处理设备、给排水设备、变配电设备、应急供电设备、电梯及自动扶梯等建筑设备。这些设备数量庞大,分布区域广,控制工艺不
一,
联动关系复杂,给建筑设备的运行操作与管理维护带来极大困难。如变风量空调系统(VAV)的控制,任何一个变风量末端风量的调整都会改变送风总管的静压,从而影响其他末端的送风量,因此需要通过风机的电机变频调速与末端的阀门开度的调节进行必要的联动,以维持各个末端的送风量平衡;而总送风量的变化又使送风温度产生变化,因此热交换部分的水阀也需进行联动。这样的控制在变风量末端较多时已变得相当复杂,更不用说送风量、水流量变化后对水泵、冷热源等造成的影响。又如冷源系统的控制,任何一
台制冷机组的启动都需要依次开启各水阀、冷却塔等设备,待所有设备就绪后制冷机组才能启动,
任何一个阀门、设备的故障都将导致制冷机组启动失败,
此时后备机组应立即投入运行。迅速无差错地完成众多分散设备的协调和控制也并非易事。另外,节能控制的复杂计算、精密空调的准确控制以及供配电系统的实时性也都超出人工操作能力范围,楼宇设备的自动控制是现代建筑物设备控制的必然趋势。3.1BAS的发展历史
建筑设备监控系统是自动控制技术应用的一个分支,它的发展随着自动控制技术的进步与完善而日趋成熟。自动控制系统发展的几个阶段可以从相应的控制设备硬件发展来体现:20世纪50年代以前的基地式气动仪表控制系统、60年代
的电动单元组合仪表控制系统、
70年代的集中式数字控制系统以及80年代后的集散式控制系统
(DistributeControlSystem,DCS)。
真正的BAS是在DCS诞生后才出现的事物。—68—
·讲座·
20世纪80年代初,首次将DELTA-1000型集散
控制系统应用于建筑物设备的控制与管理,建筑物设备开始从单机独立控制走向多组设备联动群
控,同时控制功能向现场分散,管理功能由计算机工作站集中实现。从20世纪80年代到90年代,BAS与DCS同步发展,得到日益广泛的应用。但BAS作为一种低成本的DCS,在设备性能、冗余措施、抗干扰能力以及编程模块的通用性方面都与工业控制有较大的差别,更加注重设备的性价比,编程模块更具有建筑设备工艺的针对性。
20世纪90年代,随着现场控制总线(FieldbusControlSystem,FCS)技术在工业控制领域应用的日趋成熟,
通过公开化、标准化的通信协议打破了传统DCS的专用封闭网络,为不同厂商产品的互联提供可能;同时现场智能设备将控
制功能下放到现场,从而实现真正的全分布式控制结构。FCS逐渐应用于BAS。无论是ASHRAE的BACnet通信协议还是LonWorks技术的应用,都是追求开放的通信接口和高速、可靠的信息传输,及时地获得更多的信息,以对建筑设备进行全面的监控与管理。同时,数据库技术、多媒体技术等的发展也使BAS的数据处理分析功能日益增强,人机界面更加友好,从而为建筑物设备提供更为强大的控制与管理平台。
经过近一个世纪的发展,
BAS从最初的单一设备控制发展到今天的集综合优化控制、在线故障诊断、全局信息管理和总体运行协调等的集散控制方式,已将信息、控制、管理、决策有机地融合在一起。但是随着工业以太网、WEB等技术的广泛应用以及人们对节能管理、数据分析挖掘等高端需求的深化,BAS仍然处在一个不断完善和发展的过程中。3.2
BAS的功能
(1)设备控制自动化。设备控制自动化以实现各种设备的优化控制为目标。
①变配电设备及应急发电设备:高低压柜主开关动作状态监视及故障报警;变压器与配电柜运行状态及参数自动检测;主要设备供电控制;停电复电自动控制;应急电源供电控制。②照明设备:各楼层门厅与走道照明定时开关控制;楼梯照明定时开关控制;泛光照明灯定时开关控制;停车场照明定时开关控制;航空障碍
·讲座·灯点灯状态显示及故障警报;事故应急照明控制;照明设备的状态检测。
③空调通风设备:空调机组状态检测与运行参数测量;空调机组的最佳启/停时间控制;空调机组预定程序控制与温湿度控制;室内/外空气
温、湿度、CO、CO2等参数测量;新风机组启/停时间控制;新风机组预定程序控制与温湿度控制;新
风机组状态检测与运行参数测量;送排风机组的状态检测和控制。
④给排水设备:给排水系统的状态检测;用水量、排水量测量;污水池、集水井水位检测及异常警报;地下、中间层屋顶水箱水位检测;公共饮
水过滤、
杀菌设备控制、给水水质监测;给排水泵的状态控制;卫生、
污水处理设备运转监测、控制。⑤交通设备:电梯自动扶梯运行状态监测;停电及紧急状况处理;语音报告服务系统。
⑥停车库:出入口开/闭控制;出入口状态监视;停车库车位状态的监视;停车库的送排风设备控制。
⑦冷热源设备:冷冻机、热泵、锅炉、热交换器等的运行状态监视与参数检测;冷冻机、热泵、锅炉、热交换器的启/停与台数控制;冷冻机房设备、锅炉房设备的自动联锁控制;冷冻水、热水的温度、
压力控制;能量计量。(2)安全自动化。安全自动化是指对建筑物的安全设施的监控,以增强建筑物内人群生活与工作的安全感。
①消防系统:火灾时监控供配电系统及空调系统的联动、电梯、防排烟、疏散避难引导和紧急广播。
②安防系统:对出入口、主要通道、电梯和停车场设施进行监视;与各区域的防盗报警设备联动控制照明设备。
③防灾系统:煤气及有害气体泄漏的检测;漏电的检测;漏水的检测;地震监测;避难时的自动诱导系统控制。
(3)能源管理自动化。在保证用户舒适性的原则下,对设备的运行状态进行调整与控制,以节省能源消耗。能源管理自动化是通过优化设备运行工艺,加强操作与管理来实现能源节省。这与消极节能方法(如忽视舒适性效果而调整空调机组设定温度,影响照明光源的寿命的频繁开关操
低压电器(2012No.15)
作等)是截然不同的。能源管理有以下功能:能
耗统计、
契约用电控制、电力系统的功率因数改善、
照明设备的自动控制(按照度、时间和人流等控制)、空调系统节能方式运行控制、自动冲洗设备的节水方式运行控制。
(4)设施管理自动化。通过对设备运行状态的监测,自动管理建筑物内设备系统,使其正常、安全运行。设施管理自动化有以下功能:水、电、煤气等能源计量和收费管理;设备运转状态记录及维护、检修的计划预告;定期通知设备维护及开列设备保养工作单;设备的档案管理;会议室、停车位等公共场所使用的预约申请、管理;有关资料、
文件的管理。3.3BAS的结构
狭义BAS采用集散式的计算机控制系统,一般具有两个层次:下层是现场控制器,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自动实行检测、保护、故障报警和调节控制,它通过传感器检测得到的信号,进行直接数字控制;上层是中央管理计算机,负责对某一类设备子系统的监督控制,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。中央管理计算机是整个BAS的核心,对整个系统实施组织、协调、监督、管理、控制的任务。
BAS结构图如图2所示
。
图2BAS结构图
BAS具有以下功能:
(1)数据采集。收集各子系统的运行状态信息,以数据文件形式存储。(2)显示运行参数和状态。显示各子系统的流程图形,用数字、曲线、直方图、饼图及颜色等各种形式显示系统运行参数和运行状态,如有超限
—69—
低压电器(2012No.15)数据与异常状态则立即报警。
(3)历史数据管理。将一定时期内的运行数据存储起来。
(4)运行记录报表。按照用户要求的格式打印各项参数的日报表或月报表。
(5)远动控制功能。中央管理工作站操作人员利用中心计算机实时远动操控每台设备。系统设置分级密码和使用权限,以防止误操作和人为破坏。
(6)控制指导。中央管理工作站根据系统实时运行数据和历史数据,给出统一调度控制命令,对子系统进行控制指导。
(7)能源统计和计量功能。
(8)定时功能。设备运行的时间表、启/停时间可由管理人员输入,也可由计算机通过模拟计算得出最佳运行时间表。楼宇自动化系统把所有的建筑设备和设施有效地管理起来。
BAS通过以上的功能实现建筑设备和设施的节能、高效、可靠、安全的运行,从而保证智能化大楼的正常运转。
4
BAS的价值
4.1
建筑设备的能耗分析
建筑物的能源消耗是巨大的,据发达国家统
计,建筑物的能耗达整个国家能耗总量的37%。建筑物的各类设备能耗比例如图3所示。BAS采
用最优设备投运台数控制、
最优启/停控制、焓值控制、工作面照度自动控制、公共区域分区照明控
制、供水系统压力控制、温度自适应设定控制等有效的节能运行措施后,可以使建筑物减少20%左右的能耗。无论是对发达国家还是对发展中的我国来说,都具有十分重要的经济与环境保护的意义。因此,有效地发挥BAS的功能来降低能耗保护环境是可持续发展战略的重要实施环节。降低能耗实际上就是减少了建筑物的运行成本,这对于物业管理机构来说更是极其重要的事情。通常9万m2综合楼每月的电费约100万元人民币,如通过BAS采取节能控制措施实现节能10%,那么全年仅电费支出可节省120万元。4.2
建筑物生命期成本分析
建筑物的寿命周期中运营成本如图4所示,约占LCC总费用的85%以上
。—70—
·讲座·
图3
建筑设备能耗比例图
图4
寿命周期成本中各项费用的比例
节能控制还有效地减少设备的运行时间,降低设备的磨损,延长了设备的寿命,其间接减少设备维护与更新费用的作用也是巨大的。建筑物寿
命期中,
LCC的主要部分是能源费用与维修更新费用,
显然应用BAS的经济效益是十分明显的。因此,维持设备的功能,确保设备的高效率、尽量减少设备的故障,是发挥设备投资效益的重要环节。而BAS则为现代化的物业设施管理提供了平台与基础。
4.3建筑能源管理系统
BAS的功能不断拓展,其名称也随之变化,从BAS到建筑物集成管理系统(BuildingManagementSystem,BMS)和建筑物设施管理系统(BuildingFacilityManagementSystem,FMS)。近年来,更以建筑能源管理系统(BuildingEnergyManagementSystem,BEMS)表明楼宇自动化系统步入了高度综合的水平。BEMS汇集了楼宇自动化系统的设备自控、设施管理和能源监测功能;通过能耗数据分析、能效数据分析、系统运行诊断、高效控制策略、节能评估核证和能耗预算预测,进行建筑能耗信息管理、设备能效检测管理、建筑能效需求管理、建立建筑能耗基准、节能服务量化管
·讲座·低压电器(2012No.15)
理和节能改造量化管理;自动形成基础报表、成本
环境报表、预警报表、气候分析报告、负荷曲报表、
用户定制报表和节能信息发布;并实行设线报表、
备台账管理、设备维保管理、备品备件管理、设备更新管理制定能源采购计划和改善性能测试及验证。
进了BAS与设备的国产化,技术先进成熟、质量
使用简单方便、价格合理的中国产品正稳定可靠、
全面带动了我国电子设备制造行业在走向市场,
的快速发展。
我们今天的建设理念应跨越建筑物本体,而追求人类生存目标的优化,是一个大系统多目标优化的典型案例,这一过程需要信息、控制、管理与决策,智能化与信息化是不可缺少的技术手段。建设部仇保兴副部长在《中国的能源战略与绿色
:“以智能化推进绿色建建筑前景》一文中提出筑,节约能源,降低资源消耗和浪费,减少污染,是
建筑智能化发展的方向和目的,也是绿色建筑发”由于绿色建筑在我国刚刚起步,展的必由之路。
其中大量的课题有待人们去探索与解决。BAS在智能与绿色建筑的发展过程中,将起到更重要的作用。
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5结语
BAS从初期的单一设备的自动控制,发展到今天的综合优化控制、在线设备故障诊断、全局信息管理和总体运行状态协调等高层次的集中管理
分散控制方式,面向建筑物设备的BAS已经将信控制、管理、决策有机地融合在一起了。如果息、
我们需要从建要按现代方式进行建筑管理的话,
筑物生命期成本的角度来规划设计BAS。
BAS在我国具有巨大的发展空间。全国现
2
有建筑总面积400多亿m,到2020年还将新增
2
建筑面积约300亿m,这些建筑的建设要求虽然
并不全为绿色建筑,但需是节能的建筑。无论是新建筑的建设还是既有建筑的节能改造,都是需BAS的投资占总要BAS。如果按照保守的估计,投资的2%,那么智能建筑行业每年的工程量是巨大的。
随着我国智能与绿色建筑建设的普及,行业对BAS的技术有了深入的理解与掌握,同时也推
檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿(上接第11页)
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