智能建筑中暖通空调和照明系统的计算机控制系统与策略

1、智能建筑中暖通空调和照明系统的计算机控制系统与策略 摘要：以美国一大学建筑物性能测试中心的智能工作区间为例，说明了暖通空 调和照明系统的计算机控制系统，以及应用设备和软件流程图，介绍了智能建筑的 控制系统结构和控制策略。 关键词：智能建筑；照明系统；计算机控制系统 1、概述 I 一一一一*/ 美国卡内基-梅隆大学建筑系建筑物性能测试中心 （Cen terforPerforma ncea ndDiag no sties， Departme ntofArchitecture ， CarnegieMello nUn iversity ）所筹建的智能工作区间（In tellige ntWorkplac

2、e，简 称IW）是一个受美国国家科学基金委员会支持，由国际财团ABSIC （Adva ncedBuildi ngSystemsl ntegratio nCo nsortium）投资兴建的。ABSIC 由学校、 公司以及政府部门共同组建。美国政府部门包括国防部、能源部、环境保护署、服 务总局和国家科学基金委员会，公司中有AMPIncorporated，JohnsonControls ， SiemensEnergyandAutomationine，SiemensAG等著名的大公司，学校即为卡内基 - 梅隆大学建筑系的建筑物性能测试中心。IW是美国第一所有关建筑物性能测试的重 点实验室，集研究、发展

3、和商业应用于一身。实验中心的目的是提高建筑物内部的 工作环境质量和节约能源。对建筑物的各项性能指标进行测试和模拟，以期提高建 筑物内办公人员（以办公室为实验对象）对环境7个方面的要求：新鲜空气，适宜 的温度，适当的光线，既有室外的景致又要有相对的隔离，独立和安静的工作空间， 具有多媒体功能的计算机网络系统以及电源系统，符合人体工程学的家具与环境。 根据估算，仅在节约能源方面采用了一系列新技术以后，可使建筑物的节能达到75% （以美国现在使用能源的普遍情况为标准）。所以，卡内基-梅隆大学（CMU建筑系 文章来源网络，仅供个人学习参考 在参照了日本、德国、法国、英国和北美的各项研究成果后，重新设计

4、而建成的这 个新型研究中心必将会推动建筑界以及智能建筑学科的发展。 智能建筑中HVAC和照明系统的计算机控制系统，是智能建筑的重要组成部 分。此系统的工作性能，直接关系到提高工作环境的舒适度而提高工作人员的工作 效率，也是关系到节约能源和环境保护的重要手段。计算机控制系统根据工作区间 的内部条件和外部条件，适时或按计划自动控制室内温度、湿度、工作区间的亮度 等。计算机控制系统是体现“智能”诸因素中最重要的因素之一。一个在建筑中使 用的设备被称为“有智能”或“是一个智能单元”，或一座建筑物被称为智能建筑， 计算机控制系统的应用是必要条件。所以，计算机控制系统的应用与控制策略是评 价智能建筑的重要

5、的因素之一。 本文以美国卡内基-梅隆大学建筑物性能测试中心的智能工作区间的HVAC 和照明系统的控制系统为例，说明智能建筑控制系统结构和控制策略。 2、智能建筑集成系统中的计算机控制系统 2.1主要设备 2.1.1蒸发式冷却空调系统此系统的 3阶段供冷启动顺序为：热转轮启动， 蒸发冷却器启动，备用冷却盘管启动；其两阶段供热启动顺序为：热转轮运行进行 热回收，利用热水盘管加热处理空气。此空调系统主要任务是保证室内空气的清新， 提供室内的基本温度保证。 2.1.2埋管式辐射墙板墙架上和空气中的温度传感器提供水流阀门的控制 信号。它是在室内基本温度点基础上，对温度进行再调整的设备。 2.1.3屋顶通

6、风装置室外温度、湿度、风力、降雨量，室内温度、湿度，提 供此开关控制信号。它是室内温度、湿度调整的辅助设备，也是节约能源的重要手 段。其动力是日光反射板上的太阳能电池。 2.1.4日光反射板阳光和温度都是照明系统和温度系统的信号源，光线反射 板受控于这两个系统。既能遮光，也能将室外光线反射到室内。 2.1.5照明系统由房间使用状况检测、日光、阳光反射、室内光照度等检测 信号，用开关、遥控器或计算机程序控制此系统。 2.1.6个人工作环境系统在个人工作环境系统中，温度、湿度、房间使用状 况检测、空气流速、空气品质等数据均为控制因素。每人工作环境系统的温度、湿 度的期望值，房间使用状况检测数据，由

7、系统中的传感器或由人工给定，由通讯系 统传送给上一级（网络工作级）和系统工作站，由网络工作级和系统工作站的计算 机控制系统控制此个人工作环境系统的系统参数。 2.1.7控制系统和主配电盘它是控制、电源和通讯系统的神经网络。 2.2控制系统控制系统分为两大控制部分： 2.2.1温度和空气品质控制系统温度和空气品质控制系统的控制目标包括 蒸发式冷却空调系统、埋管式辐射墙板、个人工作环境系统、可开启窗户、屋顶通 风装置等。本系统的传感器包括室内温度、室内湿度、室外温度、室外湿度、冷热 水流数据、房间使用状况、空气品质| （ CO2数据、露点温度，以及室外风力等。执 行机构是热转轮、蒸发冷却器、水流阀

8、门、空气处理器、加热盘管、冷却盘管、气 流混合调节器、水压调节器、屋顶通风装置等。 2.2.2照明控制系统照明控制系统的控制目标包括环境灯、周边灯、工作灯、 室内遮光设备、日光反射板等。灯光控制系统的传感器包括室外日光检测器（最大 照度）、室内照度检测器、房间使用状况等。执行器是控制日光反射板的电机，控制 天窗、可开启窗户、门遮阳设备的电机，数字式日光灯整流器，数字式相位灯光调 节器，数字转换器等。 温度和空气品质这两个控制系统和照明控制系统是互相干扰的。譬如，为 了节约能源和得到舒适的工作环境，冬天和夏天对日光的需要是不同的。 2.3控制系统结构总控制工作站热冷水系统热水系统冷水系统空气处理

9、系 统空气处理单元-1 （ AHU1 控制系统的输入、输出量控制系统的输入、输出量的监测控制系统的硬件 控制系统的硬件工作状况监测安全监视和检查系统门卫磁卡检查系统系统设备打印 机网络设备3计算机控制系统的控制策略总控制工作站的控制策略必须根据各种 条件，用控制算法去协调上述设备的工作。现假定工作程序和环境为：按照当天的 室外气象参数，蒸发式冷却空调系统已根据时间或遥控命令，在工作人员到来之前 开始工作，提供基本室内温度和其它条件，当个人工作环境的房间使用状况检测传 感器检测到有人工作，提供启动信号给上级计算机，控制系统按照人的给定期望值, 调整此个人工作环境的环境参数。 4、总结 温度控制系

10、统、空气品质控制系统和照明控制系统的某些控制目标是相关 的，被控制目标和设备之间存在互相干扰。且智能建筑集成系统的各个部分是由一 些不同厂家生产的，这些产品中存在很多不同标准，像数据传输总线、硬件接口、 软件接口、控制算法等。由于信息流和被控目标的不确定性和复杂性，使得控制系 统非常复杂。如夏天的阳光提供工作台的光线亮度，但又带来多余的热量。减少阳 光的照射又可能使工作环境照度不够。故怎样发挥每一设备的工作能力，又可控制 工作环境温度、湿度、空气新鲜度，工作环境的照度、噪声、背景音乐，与外界（世 界和本系统之间）的通讯畅通，各种办公设备的使用方便程度，等等，且能像轿车 内的空调系统一样，所有指标都能在本人的工作区间内作自我调整，创造最佳工作 环境。亦能满足保护环境、减少污染、节约能源的大目标。这些就是控制系统的基 本任务。 无论是温度控制系统、空气品质控制系统还是照明控制系统的控制过程都 没有现成的模型可以精确地描述，慢过程、超时延迟和非线性使得控制器使用不需 要数学模型的算法，如模糊控制、预测控制等。温度控制系统、空气品质控制系统 就是一个超延时反应系统，再加上这两个控制系统与照明控制系统分别采用两个公 司的产品，所以，控制系统总工作站采用 PID和模糊控制方法，控制系统网络拓扑 结构分为三级，分别为现场工