智能大楼楼宇环境管理中的基本自动控制系统

张筠莉 杨祯山 范锦生 编译

　　1 引言
　　基于一个完整的智能大厦系统组成,智能大厦与非智能大厦的区别在于:完备的通讯与计算机网络设施;自动化的物业安防系统;节能设备和控制装置(包括电源装置);弹性(或柔性)工作区和各种环境控制系统。其技术一般认为由建筑自动化技术与信息技术两大部分组成,由此从管理上可分为设备管理和通信管理两大部分。本文在此前提下重点介绍智能大厦楼宇管理中的基本自动控制系统的三个组成部分,(1)能源管理和控制系统;(2)建筑安防系统;(3)生命支持系统。
　　2 能源管理和控制系统(EMCS)
　　一般认为,能源和建筑物运作的成本是可控的,而成本在智能建筑中亦可简化处理。提高资产负债,增强市场优势在今天这样一个高度竞争的建筑市场上,是至关重要的。能源成本占据了整个运作费用的大部分(比总费用的1/3还多)。优化的能源管理模式,为智能建筑系统运作过程节省运行费用、降低能耗指标提供了一个最直接的方法。智能建筑设施的机械/电力系统的有效性和可靠性,决定了为其用户提供舒适的条件和生产支持的成本和能力。随着能源和劳动力成本的上升,最优化系统的选择、设计和架构的重要性也随着增加。因此,能源管理在智能建筑中有着不可忽视的越来越重要的作用。
　　2.1 EMCS是怎样工作的
　　EMCS需要用计算机编写一个便于操作且详尽明了的管理与控制程序,以便于在一个特殊的条件下使"局域环路"控制得到最大限度的使用。因此,它能比单独使用控制系统节省更多的能量。局域环路,是指那些与单独采暖,通风和空调(HVAC)系统联接成关系相近的控制。
　　HVAC本身在配置大量自动办公设备的智能建筑中,是一个非常重要的要考虑的内容。因此设计可扩展的HVAC(Heating Ventilating&Air Conditioning)系统是很重要的。随着办公室达到每人一个电脑终端的占有率,每一个终端也将能有1~1.2个附加设备。这些外加设备是打印机、复印机、分布式处理单元Mistr1buting processing units)等等。这些终端产生的热量,是坐着工作的人所产生热量的1~1.5倍。这样一个人员和终端的比例意味着智能建筑中人员空间配置的占有率至少应是常规建筑占有率配置的两倍。
　　今天办公室内部分割设计要求在方法上既要有开放的空间,又要有封闭的空间。因此,大量安装在不同位置上的HAVC系统应按照上述规则实行分区控制,以防止空间被锁住或开放在计划选择之外,这种灵活性是非常重要的。同样,在设计当中尽可能考虑到在某一个位置电气硬件可能的集成,这样有利于针对不同的要求,对某些局部的制冷量进行增强、调节。但如果设备布置在区域空间,那么所有的制冷设备都必须同步进行调节。而EMCS系统则能对不同的情况进行必要的温度变化。
　　能源管理控制系统可以象一个时钟那么简单,也可以象配有精心设计的监测和控制硬件及软件的计算机系统那么复杂。智能建筑就是用后者计算机系统来管理能源。这种计算机系统当然还可以包括其它功能,例如:维护时间表管理、火灾及烟雾控制、安全防护系统及与此相关联的数据报告系统。
　　2.2 EMCS的基本功能
　　能源管理和控制系统制造商所提供的在众多的功能中,最重要的是:
监测功能;编程功能;控制功能;图象功能;警报功能;记录功能。
　　2.2.1 监测功能
　　智能建筑中需要监控的内容包括:
　　全部的温度;锅炉的运转;泵的状态参数;水仓(深井)泵的水位;关键部位的温度(计算机房所需要的温度)。
　　最优化的操作监测包括:
　　室外空气的质量;外部和内部地域的温度;电力需求;水的初始温度和流量。
　　2.2.2 编程功能
　　设备可以按预先设定的程序自动的开启或关闭。关键问题是具备确定什么时间停止以及要停多长时间,并且不影响智能建筑租户的使用或建筑设备的运转。总之EMCS要具备足够的传感器和完善的功能程序,例如开启系统时间的最优化功能,就可以提供这种时间循环和负荷需要控制。
　　2.2.3 控制功能
　 对于EMCS的实用性来说,局部环路的直接控制或调节至关重要。根据正常参数以外的扰动或干扰所产生的波动进行的调节可使系统回到最优化的效率状态。
　　扰动控制主要包括:
　　电机启停;局部环路控制器控制点的复位。
　　建筑自动化是建筑智能化的一个方面,提供供热、通风、空调等的集中控制,而在联合技术建筑系统公司在Denver的Tabor中心除了上述功能外,还可以监测和控制电梯、照明、火灾、安防以及电子办公室的服务。
　　2.2.4 图象功能
　　包括对空气处理系统、泵循环处理系统、建筑轮廓、烟分区、火警分区、区域规划和图形描述的彩色图象监视,对于多数监控型系统是适用的。标准的可探访的图象演示(Graphics Displays)不但帮助使用者了解系统,而且对训练新的操作者也特别有价值。
　　2.2.5 警报功能
　　网络的关键控制点应该和警报系统联系起来。大多数监控系统可以为每一个关键控制点方便地设置高限和低限警报界限,如果被测报警值超过了预先设定的警戒线,操作人员就会被告知确认现场情况。这个功能通常包括火灾、烟雾和安防系统的报警。
　　2.2.6 记录功能
　　能够打印出系统相关变量数据和警报的持续记录是越来越多的EMCS的一个重要特征。打印机能按程序设定打印出在特定的时间的特定的变量值、警报发生的时间以及能记录警报状态恢复正常的时间或者以上的任何变化。如果一个适当的预防性的程序加载到系统的工作指令中,保持维护工作的命令和报告同样能被打印出来。长远的看,历史性数据及其分析对于提高系统运转效能是极为有用的。
　　2.3 EMCS的经济效益
　　EMCS的功能是通过分析建筑使用和环境需要的所有相互作用的因素来改善或提高现有的或新系统运行效率。EMCS在保证适宜的建筑环境控制的同时保存了能量,节省了能源。因此说,EMCS首要的好处是降低能源成本。EMCS能够通过很多方法,例如通过提供更高的安全性和更好的维护与保养特性来实现降低成本低运作: 节省能源----不断地控制设施,使之达到最佳化,达到系统的最高效率; 节省劳力----通过单一系统加强控制,劳动力的生产效率得到提高; 减少维修----通过定期自动保养可以减少建筑设施故障和过度的耗损。
　　EMCS还可以调节整个建筑系统使其达到更高效,更精确的运作。例如:加热和空气调整系统有许多用来采集环境参数变化的(例如建筑的日照数据)传感器,根据所采集的参数依据程序进行自动调节。由安装在每一个地板监测器上的传感器和计算机调整空气流速和温度。这种自动调节对每人一个办公终端的比率是非常重要的。这些好处体现在经济学和功效(或人类工程)学上,劳动力和维修成本可以大大减少。当然,智能建筑设施的故障和过度耗损也可以通过定期自动保养而减少。
　　3 智能建筑安防系统
　　同能量管理系统一样,智能建筑自动安防系统在传统的设计中已经使用相当一段时间了。它们在智能建筑中的新颖性不仅在于它们的内含,而且在于它们自动化的程度以及它们与其它建筑系统的相互联系的程度(这一点将另文详述)。对智能建筑自动安防系统可描述如下:安防系统通过监测与之相连的安防传感器可提供三种形式的保护:
　　(1)周边保护;(2)区域保护;(3)物体保护。
　　这些设施的设置使得被授权人得以通过受控制的建筑或限制区域的入口。这些人可以通过使用磁卡阅读器、卡式钥匙或其它身份鉴别设备被确认。系统可基于这一点开启适当的门,允许人们进出被限制的区域。
　　对于"非法侵入",系统不仅可以提供打印报告和可视的侵入显示,而且可启动整个建筑的彩色图象监视器系统的监控程序。这样的功能仅在市场上最复杂的高档次的安防系统之中才能见得到,而且需要大量的连线来支持必要的感应器设置。而在现代智能建筑当中,这种系统的安装变得非常简单。
　　4 网络的生命支持系统
　　生命支持系统一旦配置完成开始使用,它必须保证良好的运作。当这一系统与建筑信息网络捆绑在一起时,它必须提供能量和环境条件以保证建筑信息系统的连续不断的工作。尽管PBXs和计算机是由硅和钢制成的,但是它们也需要生命支持系统和高度精密的物理环境,来保证它们正常的功能。例如,一旦电源、终断,并导致PBX瘫痪,公司会在商务活动中损失成千上万的美元。智能建筑的开发商应绝对保证其用户和设备需要的信息系统环境的安全。尽管原始投资会很大,但是和单独的计算机灾难相比,它就显得微不足道了。网络生命支持系统包括:
　　(1)连续电源供给;(2)电源、调节器;(3)空气调节。
　　4.1 连续电源供给
　　UPS的设计目的是用来在出现市政电力故障时,向信息网络和空气调节器的各部提供紧急的电力支持的。在停电的瞬间,UPS电池自动向计算机系统提供电源。这些电池的使用时间一般为2～8小时,这足以用来保存计算机中的数据、关闭系统或确认备用的柴油发电机无机械故障地提供电力。
　　UPS的成本构成,除了初投资和持续维持的成本外,主要是由电池储存和相关的维护费用。因为从电池中散发的气体是有毒的,柴油发电机用燃料也是易挥发的,因此,安全地存放电池和柴油机这一现实问题必需提出来以引起人们高度重视。发电机和储存的油箱必须配置在一个安全保险的地方。比如设计成远离人群密集地方或城市高层建筑的地下室中的隔离结构。因为只有维护人员才需要接近UPS,所以从各方面来说选择不便多数人进入的地方是适合的。同时应做好标识,以警示其它人员不要接近UPS测试开关,这个开关至少应该一周测试一次以保证能正常运行。
　　4.2 电源调节器
　　电源调节器是U凹的起博器它能不断调整能量流动,保持电压在设定水平的3%～4%的范围内波动。这样的调节是很严格的,因为市区电力系统的波动范围经常是在5%～7％。在仲夏,空调对市区电力造成严重破坏时,甚至会发生更大的波动。这一点很重要,因为电压波动会给交换机和计算机带来损耗和破坏,会引起数据流的紊乱,甚至会导致数据的失真。
　　交流电路的干扰(中断)比衰减(电路的电压减少)、脉冲(短时间的电压超负荷)和冲击电流都较少发生,这些衰减脉冲或冲击电流实际上在长期的运转过程中产生的破坏比电力故障产生的还要大。它们会使数据被删除,还可能烧毁不成熟设备,这对于依靠洁净数据流的商业企业来说是一个潜在的巨大消耗。
　　因此,智能建筑首先需要有电源调节。大多数UPS系统不能解决瞬变高压问题。电源调节器可以保护硬件且普遍置于计算机房内,在这里操作者可以经常使用机器的监视功能和自检特性。对于机械系统来说,电源不必由操作者来控制,但在技术上应该捆绑在UPS系统中。
　　5 空气调节
　　计算机对气温和湿度的变化就如同升降一样敏感,计算机对温度、准空气调节的能力,原因有三:
　　5.1 计算机环境的设置需求
　　计算机需要在±20的温度范围内进行运转,一个相对湿度变化在5%以内(一般来说,大约是华氏720,5%的相对湿度)。许多标准的空气调节系统的环境不能保持在这些参数内;
　　5.2 标准空气调系统的局限性
　　一般建筑的标准空气调节系统是受季节(5月1日~10月1日)和日常(上午8点~下午6点)控制的。而计算机每年整天24小时运转,不断地产生热量,需要恒定的自动制冷。
　　5.3 对供电系统的设置需求
　　既然由同样的易于停电的城市电力系统驱动空气调节器来冷却计算机,那么,公司就应考虑把空气调节系统也接入UPS系统中以备后患。
　　类似于UPS系统,空气调节压缩机可以放到计算机房的外面,只有维修人员需要接近它们。由于空气调节是一个不断地运转的机械系统,它必须偶尔停下来检修一下,而计算机系统又不能容忍缺少空气调节,所以必须配置备用的空气调节装置。
　　计算机应放到建筑的内部,远离外面的窗户,这样空气调节系统就不必去对付因为夏天的太阳光穿过窗户或照射房顶而产生的热量了。这意味着人们可以把最不喜欢的空间做成穹顶,以适应这些敏感的机器。
　　用于空气调节的空气通常分布在容纳计算机线路的升高的地面下,设备管理人员需要检查所有新的和改动的线路规划,以确保(电缆)线路不会在升高的地面下的12或18英寸的空间中的阻塞气流。
　　发展中的网络、交换机和与他们相连的计算机需要或多或少的特殊环境,先进的计算机需要一个超级冷却的(super-cooled)环境,远远要超过普通的空气调节系统，如果客户希望跟上变化的工作环境,他们需要展望一下未来并为随之而来的技术性问题做好充分准备，保护设备的一种方法就是选择一个含有在线电力管理系统的智能建筑。这些不但能保护智能建筑信息而且对个人自动化办公室信息资料的保护也至关重要。
　　6 结束语
　　智能大厦的自动化管理是实现智能大厦智能化功能配置的关键所在，而对此的理解也往往因人而异,建筑师侧重于高效节能以及及使用空间的弹性设置;智能大厦的物业管理者则更重视管理的高效及设备的精确自动化控制;而使用者往往对真正的人体功效学环境有更高的要求,包括:个人工作区的温度、湿度、音响、新鲜空气的比率设定以及安防系统的精度等。这些都是靠系统的设备管理自动化来实现的。因此,智能大厦的开发商和智能大厦设备的供应商,实现商业目标的关键是去了解顾客需要什么样的工作与生活环境并愿意为之付费。IBM、DEC、Honeywell等公司把顾客的需求看作是信息处理机遇的合理延伸,而不断的推出新的解决方案。
　　　　　　　　　　

摘自《电气智能建筑》

返回>>>