楊景華 馬駿 王肖寧 石書亮 陸曉東

（1.中國鐵建電氣化局 北京 1001241；2.中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 300222；3.四川鴻景潤科技有限公司 四川成都 610081）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展及大數(shù)據(jù)云平臺技術(shù)的進步，高新技術(shù)在各個行業(yè)及領(lǐng)域得以滲透，在這一背景下，智能建筑應(yīng)運而生，其作為計算機技術(shù)與自動化技術(shù)聯(lián)合發(fā)展的產(chǎn)物，兼具舒適性、安全性與美學功能等多重優(yōu)勢，成為建筑行業(yè)發(fā)展的潮流趨勢，同時，智能建筑對通風系統(tǒng)也提出了更高的要求［1］。傳統(tǒng)建筑風、水系統(tǒng)相對獨立，兩個系統(tǒng)需要工作人員手動調(diào)節(jié)，無法實現(xiàn)隨溫度變化實時調(diào)整，運營管理主要依賴管理員的經(jīng)驗。風水聯(lián)動控制平臺下，更換了溫濕度傳感器、變頻器、智能電表，能夠提高用戶舒適度，不僅如此，風水聯(lián)動功能還大大降低能耗［2］。作為建筑能耗的重要組成部分，中央空調(diào)系統(tǒng)能耗高，大部分根據(jù)建筑的最大負荷實施設(shè)計，當處于滿負荷狀態(tài)下，會降低時間頻數(shù)，引起不必要的資源浪費。因此，構(gòu)建智能建筑風水聯(lián)動與SYS 優(yōu)化控制尤為重要，這不僅是智能建筑發(fā)展的內(nèi)在需求，同時也是實現(xiàn)節(jié)能、減排的有效路徑。

1 智能建筑風水聯(lián)動與SYS 優(yōu)化控制平臺設(shè)計原則與原理

1.1 設(shè)計原則

作為一種新型自動噴霧降塵裝置，風水聯(lián)動具有高效、低能耗等特點，噴霧距離遠、用水量少，傳感器接收相關(guān)信號后，主控箱能夠通過對電路氣閥的控制為出水口供壓風，將水電磁閥打開，實現(xiàn)風水同時噴射，達到滅塵效果。SYS控制系統(tǒng)通常由空調(diào)系統(tǒng)中的風系統(tǒng)與水系統(tǒng)組成，通過對任意參數(shù)的改變，均能夠使得系統(tǒng)設(shè)備的能效發(fā)生變化，表現(xiàn)為能耗降低或能耗上升［3］。為響應(yīng)智能建筑的發(fā)展號召，滿足節(jié)能、環(huán)保的要求，在風水聯(lián)動與SYS優(yōu)化控制平臺設(shè)計時，應(yīng)符合如下原則。

（1）實用性與先進性。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)符合智能建筑設(shè)計原則，體現(xiàn)先進性的同時，發(fā)揮其實用價值，兼具功能性與經(jīng)濟性。

（2）標準化與結(jié)構(gòu)化。系統(tǒng)設(shè)計要與國家相關(guān)標準相符，并結(jié)合功能需求，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化設(shè)計，體現(xiàn)技術(shù)特點。

（3）集成性與可擴展性。在進行系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，與原有的建筑控制系統(tǒng)接入，將監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆邢到y(tǒng)，實現(xiàn)原有控制系統(tǒng)的設(shè)備自動啟停與調(diào)節(jié)。

（4）系統(tǒng)自我保護功能。設(shè)計的系統(tǒng)能夠完成自動切換、自動啟停，在設(shè)備發(fā)生故障時，可以自動停止，并將備用設(shè)備投入使用。為冷凍水系統(tǒng)配備低溫、低壓保護功能，為電源提供過電壓、過電流及短路保護等。

（5）系統(tǒng)節(jié)能特性。系統(tǒng)的運行應(yīng)滿足無人化操作，具備一定的靈活性，用戶能夠結(jié)合實際對參數(shù)作出相應(yīng)的調(diào)整，可對設(shè)備運行狀況進行相應(yīng)的控制。通過節(jié)能運行算法，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)，進行參數(shù)預(yù)設(shè)、自動化修正，使得設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)。

（6）運營管理的便捷性。應(yīng)設(shè)置可視化操作界面，將SYS 系統(tǒng)工藝流程予以清晰地顯示，并實時顯示各項工藝參數(shù)。設(shè)備參數(shù)調(diào)節(jié)應(yīng)便捷，直觀顯示參數(shù)控制與設(shè)置界面，管理人員可以根據(jù)系統(tǒng)運行環(huán)境作出相應(yīng)的調(diào)整。對系統(tǒng)能耗、主機效率及電耗等情況，可以通過曲線反映，歷史故障與維修記錄可以隨時進行查詢［4］。各個子系統(tǒng)之間建立起通信關(guān)系，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

1.2 設(shè)計原理

SYS 系統(tǒng)設(shè)備運行是一個相互耦合、密切聯(lián)系的過程，系統(tǒng)可以運用多種運行方式滿足同一冷負荷需求。風水聯(lián)動系統(tǒng)如圖1所示，而SYS 系統(tǒng)則能夠通過對風水聯(lián)動系統(tǒng)中任一控制參數(shù)的調(diào)整，對設(shè)備運行能效產(chǎn)生正面或負面的影響。

圖1 風水聯(lián)動系統(tǒng)

變流量系統(tǒng)在同一負荷下會受到冷機出水溫度的影響，隨著冷機溫度的升高，效率也會進一步提升，進而使得冷機能耗下降。但這一過程也會增加對冷凍水流量與末端空調(diào)風量的需求，進而對系統(tǒng)除濕負荷產(chǎn)生一定的負面影響，因此，對冷凍水溫度、流量、送風溫度等進行優(yōu)化處理尤為重要。要想降低冷機、水泵等的總體能耗，應(yīng)從整體出發(fā)，對中央空調(diào)系統(tǒng)進行升級與優(yōu)化，尋找最優(yōu)的能耗優(yōu)化組合，實現(xiàn)節(jié)能目標［5］。為實現(xiàn)對SYS 系統(tǒng)的全局優(yōu)化，需要構(gòu)建一個能耗模型，尋求最優(yōu)的多維節(jié)能控制系統(tǒng)，滿足工藝要求，發(fā)揮最大的節(jié)能效應(yīng)。

本方案優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)為基于系統(tǒng)行為的全局優(yōu)化控制，是以能耗模型為基礎(chǔ)的整個中央空調(diào)系統(tǒng)多維、主動尋優(yōu)的節(jié)能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)是建立在冷凍機房的每個設(shè)備及風系統(tǒng)整體性能特性的基礎(chǔ)上，通過多維尋優(yōu)的方法，尋找滿足工藝設(shè)計及冷量需求下整個冷凍機房及風系統(tǒng)的最佳能效點，從而實現(xiàn)最佳節(jié)能目標［6］。

2 智能建筑風水聯(lián)動與SYS 優(yōu)化控制平臺整體架構(gòu)

SYS 系統(tǒng)整體架構(gòu)包括系統(tǒng)監(jiān)控、過程控制與設(shè)備層三層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 風水聯(lián)動與SYS 優(yōu)化控制平臺系統(tǒng)架構(gòu)

（1）系統(tǒng)監(jiān)控層。為實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信，研究采用100M 的ETHERNET 網(wǎng)站，引入工業(yè)標準數(shù)據(jù)通路，使得圖形工作站建立起與系統(tǒng)的聯(lián)系，工作人員能夠?qū)υO(shè)備運行情況進行實時監(jiān)測，并對設(shè)定點作出相應(yīng)的改變，將信息存儲到任意位置。作為SYS 系統(tǒng)的核心部分，中央控制服務(wù)器硬件采用的是工業(yè)控制計算機，在計算機設(shè)備上安裝了節(jié)能軟件，可滿足各個設(shè)備模型系統(tǒng)工況的優(yōu)化，并向控制子站發(fā)送相關(guān)參數(shù)，保障各項功能與指令的順利執(zhí)行。

（2）過程控制層。各系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)建立高速通信，能夠采集現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，并對設(shè)備進行相應(yīng)的控制，即便出現(xiàn)突發(fā)狀況，也不會導(dǎo)致記憶丟失，避免錯誤操作。以太網(wǎng)將控制層與系統(tǒng)監(jiān)控平臺連接在一起，使得數(shù)據(jù)通信暢通無阻［7］。

（3）設(shè)備層。主控設(shè)備為PLC，在擴展模塊作用下，能夠采集現(xiàn)場設(shè)備的運行參數(shù)、運行狀態(tài)，掌握其通信功能等，保障獲得數(shù)據(jù)的準確性與實時性。完成數(shù)據(jù)采集后，能夠發(fā)送至中央控制站執(zhí)行優(yōu)化計算。

3 智能建筑風水聯(lián)動與SYS 優(yōu)化控制平臺系統(tǒng)功能

我司自行研發(fā)的優(yōu)化控制模擬分析工具SYS，可根據(jù)輸入的中央空調(diào)系統(tǒng)情況（包括冷站及末端設(shè)備配置、負荷、設(shè)備性能模型、控制策略等），動態(tài)計算出中央空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗情況，其能夠進行不同負荷、不同工況、不同控制策略條件下中央空調(diào)系統(tǒng)的能效模擬計算，從而可模擬使用節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)前后的能耗情況，且可進行全年逐時能耗計算［8］。能耗模擬軟件中使用的優(yōu)化算法與現(xiàn)場服務(wù)器底層優(yōu)化引擎服務(wù)完全一致，其計算得到的能耗結(jié)果可完全反映現(xiàn)場實際情況。冷站冷機建模如圖3所示。

圖3 冷站冷機建模界面

3.1 實時監(jiān)測功能

該系統(tǒng)能夠?qū)κ彝鉁囟?、濕度進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)對冷凍機房、空調(diào)末端等系統(tǒng)設(shè)備及運行狀況的實時監(jiān)測。不僅如此，各項設(shè)備的運行狀態(tài)、流量、溫度等也能夠在系統(tǒng)上顯示，掌握冷凍機房及相關(guān)設(shè)備的能耗情況。

3.2 優(yōu)化控制功能

通過對冷站設(shè)備、風系統(tǒng)的優(yōu)化，SYS平臺能夠在滿足工藝設(shè)計的基礎(chǔ)上使得整個冷凍機房與風系統(tǒng)達到最佳的能效，將中央空調(diào)系統(tǒng)能耗降到最低［9］。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對冷機、冷凍水壓差、水泵臺等的變頻控制，優(yōu)化系統(tǒng)功能，實現(xiàn)節(jié)能目標。

3.3 優(yōu)化診斷功能

系統(tǒng)設(shè)備的參數(shù)均能夠通過優(yōu)化系統(tǒng)進行采集與監(jiān)控，在自主開發(fā)的設(shè)備模型支持下，能夠?qū)崟r對冷戰(zhàn)機房、空調(diào)末端等運行情況進行在線診斷，確保設(shè)備運行安全性與穩(wěn)定性，減少對設(shè)備的損耗，盡可能延長設(shè)備壽命。

3.4 報警與保護功能

當設(shè)備出現(xiàn)故障，系統(tǒng)能夠發(fā)出警報，及時被維護人員發(fā)現(xiàn)，積極采取措施，以維持設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。經(jīng)過優(yōu)化的系統(tǒng)對冷水機組、排熱量均進行了報警保護配置，系統(tǒng)能夠依據(jù)故障類型對故障進行分級，發(fā)出相應(yīng)的提示。

3.5 能效管理功能

SYS 系統(tǒng)還能夠?qū)υO(shè)備能耗實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等進行實時顯示。在數(shù)據(jù)庫支持下，用戶可以登錄平臺查詢歷史數(shù)據(jù)，對改進后的能耗數(shù)據(jù)與以往的數(shù)據(jù)進行對比，為參數(shù)設(shè)置及進一步優(yōu)化提供支持［10］。

4 系統(tǒng)驗證分析

作為智能建筑風水聯(lián)動與SYS優(yōu)化控制的核心驗收環(huán)節(jié)，節(jié)能測試能夠反映出系統(tǒng)的可行性。在進行節(jié)能測試時，將制冷器中央空調(diào)能耗作為依據(jù)，首先對該系統(tǒng)進行調(diào)試，結(jié)合室外氣溫，任意選擇制冷周期的一個氣溫進行評測，在同一溫度條件下，工頻運行與優(yōu)化模式運行各一天，對比兩者在相同運行時間內(nèi)的能耗情況，測試結(jié)果如表1所示。可以發(fā)現(xiàn)，與工頻運行相比，經(jīng)過優(yōu)化的控制平臺冷卻泵系統(tǒng)與中央空調(diào)總系統(tǒng)實際耗電量均較低。

表1 工頻運行與優(yōu)化控制平臺節(jié)能測試結(jié)果

5 結(jié)語

綜上所述，智能建筑風水聯(lián)動與SYS 優(yōu)化控制平臺通過節(jié)能改造能夠滿足節(jié)能需求，且保障設(shè)備可靠性，提升了中央空調(diào)系統(tǒng)、水泵系統(tǒng)等運行效率，使得整個系統(tǒng)處于最佳工況，節(jié)能效率高，有利于降低能耗，具有廣闊的發(fā)展空間。