高层建筑电气自动化节能技术概述

　　第 2 章 高层建筑电气自动化节能技术概述

　　2.1 构成高层建筑电气自动化节能技术体系。

　　第一章分析了国内建筑行业电气系统节能的现状，本章将着重研究建筑高层建筑电气自动化节能技术的基本思想和实现目标，以求更加深入的研究我过的高层建筑电气设备节能。

　　2.1.1 高层建筑电气系统基本构成。

　　随着社会发展水平的不断提高，人类在逐渐的突破自然的限制，建筑物的层数不断的增高。随着人们对于建筑物本身要求的增多，建筑物内部各项设施的要求也随之增高。特别是对建筑物内的电气设备而言，目前在高层建筑中。

　　高层建筑的电气控制系统是相当复杂的，如何能使各个系统安全、智能、有序、节能的运行，是我们研究的重点所在。

　　优秀的设计与智能化的监控、管理，能使人类的生活环境发生巨大的改变。

　　同时会对人类的生活方式产生重大的影响。

　　2.1.2 高层建筑电气系统能耗组成。

　　去年，我国住房和城乡建设部颁布了《建筑设计防火规范》，在这个规范中对什么是高层建筑做出了明确的说明：居民住宅楼房高于 27 米的，或者公共建筑物高于 24 米的，都被视为高层建筑。由此可见，未来高层楼宇建筑将成为主要建筑类型。高层楼宇在为人们带来方便的同时，也给各种电气设备系统的运行提出了较高的要求。为了配合高层楼宇内各种电气设备的顺利运行，需要一个强大的控制系统作为协调机制中枢。

　　随着科学技术水平的不断提高，在高层建筑物内实现对复杂电气设备的控制已不再具有任何的挑战，特别是对建筑物内电气节能方面的研究已十分成熟。进入二十一世纪以后，能源匮乏问题越来越突出，而城市高层楼宇的能源消耗却日益加剧，因此要从多个方面对进行建筑电气节能控制。

　　高层楼宇能源消耗，主要集中在各类电机设备运行过程中产生。因此，高层楼宇的建筑电气节能要根据不同电机设备的运行情况进行调整。利用自动化控制技术既要满足建筑物日常需求，也要符合不浪费能源的要求。

　　如今，对电气设备节能的研究主要集中在对设备数据的处理以及对设备的控制上。

　　电能是办公综合体消耗的主要能源，常用的高层楼宇建筑物电气控制系统主要通过对全楼宇的照明、低压配电系统、空调、办公设备等对象的监控，达到节能效果。通过对大量文献资料的分析，列举出办公楼和酒店的电能消耗分布。

　　其主要能耗是建筑物内部，各类机电设备系统电能消耗的总和。我们可以发现在高层建筑中，耗电量最多的依次是空调（43.9%）、照明（25%）、给排水（17%）、电梯（9%）。而且空调和照明的耗电量就占到总耗电量的 70%左右，当然对于不同功能性的建筑物其能耗的占比是有所不同的，但是基本保持一致。

　　2.1.3 高层建筑电气系统节能控制管理目标体系。

　　（1）建筑电气设备研究的重点。

　　在经过大量的研究调查以后，对系统运行复杂性、执行任务的准确性和节能的经济性等多方面综合考虑，要想建筑物设备节能达到明显效果，势必要通过将先进的控制装置部署在建筑物的电气设备上，对大型空调、照明、电梯等电能主要消耗设备进行综合控制，既达到减少电能损失的目的，同时又实现对设备的自动化管理。为了提高整个建筑物的节能综合效率，需要通过智能优化方法合理配置电能的控制，并选择合适的电机设备，从系统运行状态入手不断调整设备的电能利用率。一方面要兼顾设备设计功耗下的使用效果，另一方面还要针对电气设备中各机电系统的相互配合效率，通过充分调动整个建筑物的综合运行配合功能，实现建筑物电气控制的智能化发展，在保证系统工作稳定、准确的同时，提高系统的运行效率 .

　　（2）对建筑物电气进行节能控制的目的。

　　采用创新的设计理念，实现对建筑物内的全部电气设备的综合管理和控制。实现基于节能目标的设备运行效率优化方法，实现对各种耗电设备的高效节能控制。

　　1）空调系统节能。

　　通过上图我们可以发现，不管建筑物是做何种用途，空调系统的耗电都是建筑物的主要设备，所占的比例都在 40%-60%,空调系统的运行几乎是全天候的，为的是保证高层楼宇内部的舒适性。

　　2）照明系统节能。

　　对于办公楼及酒店设备能耗的描述，可以看出，照明系统的节能对于整个建筑物节能工作的重要性。通常建筑节能控制也是在照明系统方面的研究较多，这主要与照明系统的灵活控制性有关，同时，城市峰谷电价的差异性、环境变化对照明的影响等等问题，都为照明节能带来了新的课题。例如：根据用户动态需求自动调节照明功率等。对大型建筑物节能也提供了很多更具有灵活性和多样性的解决方案。

　　3）电梯，供水和排水系统。

　　电梯、供水和排水系统的运行都需要电机为其提供动力支持。所以电梯、给排水系统的能耗都是来自于电动机工作时的电能损失，控制模式单一且容易实现。只要使得电动机维持在平衡的输入和输出状态即可。只有找出使系统系统达到最优的运行条件的参数，就能降低能耗，实现节能。

　　（3）建筑电气节能控制的长期目标。

　　电气节能控制是长期的，并存在于整个高层建筑的使用周期的。而且电气节能控制会在不同的建筑中都有体现。同时也会涉及到不同的参与者，比如说设计者、建设者、房主、物业管理等。

　　1）经济目标。

　　和普通建筑相比，高层建筑对建筑成本的需求有所提高。为了体现出高层建筑物功能的全面性，就要设置相应的设备，设备多了，能耗自然就大。能耗的增加不但使开发商投资增加，还使得购买者望而却步。特别是在能源极度短缺的今天，极大的限制了高层建筑的发展。所以，只有当高层建筑真正实现了电气设备的节能，使得高层建筑的运行成本维持在较低的水平，才能使高层建筑物的功能发挥出来，真正的提高人们的生活舒适性和工作效率。同时也能为国家节约能源。

　　2）技术目标。

　　高层建筑电气节能技术会涉及到很多的专业，比如说计算机专业、数学专业、材料专业、化工专业、建筑专业等。对高层建筑电气设备节能技术的研究，不但能够推动本行业的发展，同时对其它行业也能产生很强的带动的作用，总之，是有利于社会的进步和发展的。

　　2.1.4 高层建筑电气系统节能研究实施框架。

　　通过对高层建筑电气系统的基本构成和建筑电气系统能耗组成的详细分析之后，明确了高层建筑电气节能监控管理的目标体系后，下面将会对建筑电气系统节能研究实施步骤进行详细的阐述：

　　我们可以发现：在整个电气节能系统中，最基本的组成部分是功能不同的机电设备，例如：排污系统、空调控制系统等。

　　利用节能控制函数进行运算，制作控制模型，并采样分析，利用计算建立控制模型，得出一套明确的控制方式，设计图纸，再通过现场运行调试，最终对整个电气节能系统实现有效的管理控制[3].

　　2.2 节能技术原理。

　　电气设备节能的基本原理是利用传感器来搜集不同类型的电气设备的运行状态，同时将这些数据反馈给计算机，计算机将传感器所得到的相关数据进行运算分析，反馈到控制中心，再由控制中心对被控制的设备进行参数调节，从而影响设备的运行状态，再通过一系列的命令调节装置，使电气设备在规定的要求下运行并达到预定的效果。

　　通过对目前建筑设备自动化的研究发现，常规的系统基本都是采用相同的控制结构。这种结构由三部分组成，即总控制器、执行器以及网络传输通道。在网络通道方面，一般采用两级网或四级控制装置对整个建筑物的控制结构进行全面部署，以下，对于两级网与四级控制装置工作原理进行详细分析[4]:

　　（1）两级网。

　　在两级网中，通常使用建筑物内局域网作为初级网络，在此基础之上添加工业总线控制网络作为二级网络，但是在一般情况下，二级网络的的网速最高只能达到 25kbit/s,这相较于现代人对网络的需求网速缓慢。

　　（2）四级控制装置。

　　在整个四级控制体系中，总控制器作为控制装置的第一级，是整个四级控制装置运行的基础。它是由一系列计算机系统所构成，包括各类数据线、I/O 接口、打印机以及显示终端所组成。

　　位于第二级的是在一级网络的基础之上增加的多种主控制器，这一级网络的主要作用是协调一级主控制电脑与三级现场控制器之间的通讯和控制功能，为信号的传输提供渠道。

　　在第三级中，将采集过来的数据进行分析，选择，得出有效控制现场设备的方法。为了进一步对现场控制设备进行智能控制，提高实时控制的效率，需要在各级网络中设立各种智能控制接口，并在此基础之上处理采集、处理、控制等方面的信息，通过有线或无线通讯网络实现主控制器与上位机的通讯，然后对所收集的信号分析处理，进而对各种控制器进行控制。采用大量通用型的中间设备可以尽可能的保持设备之间的独立性，并在维护该同设备时实现最小范围的设备替换，保证当网络出现问题时可以及时的解决问题。

　　在第四级中，是在建筑物内搜集数据的传感器以及负责执行命令的执行器，它们通过通信设备对现场进行控制，在现在建筑施工的要求中大量采取了无线通讯的方式。

　　通过以上四层架构的部署，可以最大限度地保证各层次的独立性，利用总线的控制功能，将中央处理器与现场控制器的之间的协调进行统一，并对终端设备进行局部控制，在没有控制住自己发出命令的情况下，及时地采集错误信息，并将信息快速的反馈到中央处理器计算机中，形成现场控制器与终端控制器独立工作又相互配合的工作方式。

　　从上述四级控制装置的组成和控制原理可以看出，其主要功能如下：

　　（1）实现电气设备启动和停止的自动化管理。这种功能主要是采集到终端的实时信息，通过 I/O 模块设备及时的将各种设备的运行状态反馈到计算机屏幕或者是其他监控终端上。

　　（2）实现数据的检测、分析和记录的自动化管理。该功能主要是从时间连续角度对设备的运行状态进行监控，例如对配电设备的电压电流等因素进行统计，绘制相关的变化曲线，并可以根据设定的报警阈值及时向工作人员提醒设备的运行状态。

　　（3）实现对突发状况的监视和处理的自动化管理。此功能主要实现了对终端设备在高负荷运转情况下或意外情况下的快速响应处理，最大限度的保证系统设备运行安全。

　　（4）实现电气设备对外界条件的自我调节，使得设备维持在最优状态。

　　这种功能是在日常运转情况下使用最多的功能，它是根据预先设定的智能控制方法，结合实时监控的设备参数，动态的调整运行终端的各种运行状态，从而达到整个建筑物内的最佳运行状态，但是需要提前设置设备最优状态的参数。

　　（5）实现对所有电气设备的规范化管理。这种功能是整个建筑物电气设备自动化控制系统的最强大功能，他不仅考虑到单个系统或单个设备的运行状态，还要统一到考虑整个建筑物内所有系统的协调工作问题，例如配电系统、消防系统、给排水系统是否可以为了达到建筑物运行最佳效果而协调工作，当发生火灾时，能否及时的打开排水系统并断开供电系统，打开所有可以控制的大门供人员疏散使用等等一系列的功能，这就要求能够从宏观上实现对系统的管理控制。

　　（6）能源与设备管理。该功能主要面向对设备的日常维护，例如对水、电、燃气等方面的计费，利用自动化管理的方法实现对相关数据的统一收集与报送，协调系统的管理部门或者是物业部门，及时地形成报表供决策者参考。