智能建筑中暖通空調和照明系統的計算機控制系統與策略
發布時間：2010-01-14 共1頁
摘要：以美國一學建筑物性能測試中心的智能工作區間為例，說明了暖通空調和照明系統的計算機控制系統，以及應用設備和軟件流程圖，介紹了智能建筑的控制系統結構和控制策略。
關鍵詞：智能建筑；照明系統；計算機控制系統
1、概述
美國卡內基-梅隆學建筑系建筑物性能測試中心（Center for Performance and Diagnostics， Department of Architecture，Carnegie Mellon University）所籌建的智能工作區間（Intelligent Workplace，簡稱IW）是一個受美國國家科學基金委員會支持，由國際財團ABSIC（Advanced Building Systems Integration Consortium）投資興建的。ABSIC由學校、公司以及政府部門共同組建。美國政府部門包括國防部、能源部、環境保護署、服務總局和國家科學基金委員會，公司中有AMP Incorporated，Johnson Controls， Siemens Energy and Automation Inc， Siemens AG等著名的公司，學校即為卡內基-梅隆學建筑系的建筑物性能測試中心。IW是美國第一所有關建筑物性能測試的重點實驗室，集研究、發展和商業應用于一身。實驗中心的目的是提高建筑物內部的工作環境質量和節約能源。對建筑物的各項性能指標進行測試和模擬，以期提高建筑物內辦公人員（以辦公室為實驗對象）對環境7個方面的要求：新鮮空氣，適宜的溫度，適當的光線，既有室外的景致又要有相對的隔離，獨立和安靜的工作空間，具有多媒體功能的計算機網絡系統以及電源系統，符合人體工程學的家具與環境。根據估算，僅在節約能源方面采用了一系列新技術以后，可使建筑物的節能達到75%（以美國現在使用能源的普遍情況為標準）。所以，卡內基-梅隆學（CMU）建筑系在參照了日本、德國、法國、英國和北美的各項研究成果后，重新設計而建成的這個新型研究中心必將會推動建筑界以及智能建筑學科的發展。
智能建筑中HVAC和照明系統的計算機控制系統，是智能建筑的重要組成部分。此系統的工作性能，直接關系到提高工作環境的舒適度而提高工作人員的工作效率，也是關系到節約能源和環境保護的重要手段。計算機控制系統根據工作區間的內部條件和外部條件，適時或按計劃自動控制室內溫度、濕度、工作區間的亮度等。計算機控制系統是體現“智能”諸因素中最重要的因素之一。一個在建筑中使用的設備被稱為“有智能”或“是一個智能單元”，或一座建筑物被稱為智能建筑，計算機控制系統的應用是必要條件。所以，計算機控制系統的應用與控制策略是評價智能建筑的重要的因素之一。
本文以美國卡內基-梅隆學建筑物性能測試中心的智能工作區間的HVAC和照明系統的控制系統為例，說明智能建筑控制系統結構和控制策略。
2、智能建筑集成系統中的計算機控制系統
2.1主要設備
2.1.1蒸發式冷卻空調系統此系統的3階段供冷啟動順序為：熱轉輪啟動，蒸發冷卻器啟動，備用冷卻盤管啟動；其兩階段供熱啟動順序為：熱轉輪運行進行熱回收，利用熱水盤管加熱處理空氣。此空調系統主要任務是保證室內空氣的清新，提供室內的基本溫度保證。
2.1.2埋管式輻射墻板墻架上和空氣中的溫度傳感器提供水流閥門的控制信號。它是在室內基本溫度點基礎上，對溫度進行再調整的設備。
2.1.3屋頂通風裝置室外溫度、濕度、風力、降雨量，室內溫度、濕度，提供此開關控制信號。它是室內溫度、濕度調整的輔助設備，也是節約能源的重要手段。其動力是日光反射板上的太陽能電池。
2.1.4日光反射板陽光和溫度都是照明系統和溫度系統的信號源，光線反射板受控于這兩個系統。既能遮光，也能將室外光線反射到室內。
2.1.5照明系統由房間使用狀況檢測、日光、陽光反射、室內光照度等檢測信號，用開關、遙控器或計算機程序控制此系統。
2.1.6個人工作環境系統在個人工作環境系統中，溫度、濕度、房間使用狀況檢測、空氣流速、空氣品質等數據均為控制因素。每人工作環境系統的溫度、濕度的期望值，房間使用狀況檢測數據，由系統中的傳感器或由人工給定，由通訊系統傳送給上一級（網絡工作級）和系統工作站，由網絡工作級和系統工作站的計算機控制系統控制此個人工作環境系統的系統參數。
2.1.7控制系統和主配電盤它是控制、電源和通訊系統的神經網絡。
2.2控制系統控制系統分為兩控制部分：
2.2.1溫度和空氣品質控制系統溫度和空氣品質控制系統的控制目標包括蒸發式冷卻空調系統、埋管式輻射墻板、個人工作環境系統、可開啟窗戶、屋頂通風裝置等。本系統的傳感器包括室內溫度、室內濕度、室外溫度、室外濕度、冷熱水流數據、房間使用狀況、空氣品質（CO2）數據、露點溫度，以及室外風力等。執行機構是熱轉輪、蒸發冷卻器、水流閥門、空氣處理器、加熱盤管、冷卻盤管、氣流混合調節器、水壓調節器、屋頂通風裝置等。
2.2.2照明控制系統照明控制系統的控制目標包括環境燈、周邊燈、工作燈、室內遮光設備、日光反射板等。燈光控制系統的傳感器包括室外日光檢測器（最照度）、室內照度檢測器、房間使用狀況等。執行器是控制日光反射板的電機，控制天窗、可開啟窗戶、門遮陽設備的電機，數字式日光燈整流器，數字式相位燈光調節器，數字轉換器等。
溫度和空氣品質這兩個控制系統和照明控制系統是互相干擾的。譬如，為了節約能源和得到舒適的工作環境，冬天和夏天對日光的需要是不同的。
2.3控制系統結構總控制工作站熱冷水系統熱水系統冷水系統空氣處理系統空氣處理單元-1（AHU1）
控制系統的輸入、輸出量控制系統的輸入、輸出量的監測控制系統的硬件控制系統的硬件工作狀況監測安全監視和檢查系統門衛磁卡檢查系統系統設備打印機網絡設備3 計算機控制系統的控制策略總控制工作站的控制策略必須根據各種條件，用控制算法去協調上述設備的工作。現假定工作程序和環境為：按照當天的室外氣象參數，蒸發式冷卻空調系統已根據時間或遙控命令，在工作人員到來之前開始工作，提供基本室內溫度和其它條件，當個人工作環境的房間使用狀況檢測傳感器檢測到有人工作，提供啟動信號給上級計算機，控制系統按照人的給定期望值，調整此個人工作環境的環境參數。
4、總結
溫度控制系統、空氣品質控制系統和照明控制系統的某些控制目標是相關的，被控制目標和設備之間存在互相干擾。且智能建筑集成系統的各個部分是由一些不同廠家生產的，這些產品中存在很多不同標準，像數據傳輸總線、硬件接口、軟件接口、控制算法等。由于信息流和被控目標的不確定性和復雜性，使得控制系統非常復雜。如夏天的陽光提供工作臺的光線亮度，但又帶來多余的熱量。減少陽光的照射又可能使工作環境照度不夠。故怎樣發揮每一設備的工作能力，又可控制工作環境溫度、濕度、空氣新鮮度，工作環境的照度、噪聲、背景音樂，與外界（世界和本系統之間）的通訊暢通，各種辦公設備的使用方便程度，等等，且能像轎車內的空調系統一樣，所有指標都能在本人的工作區間內作自我調整，創造最佳工作環境。亦能滿足保護環境、減少污染、節約能源的目標。這些就是控制系統的基本任務。
無論是溫度控制系統、空氣品質控制系統還是照明控制系統的控制過程都沒有現成的模型可以精確地描述，慢過程、超時延遲和非線性使得控制器使用不需要數學模型的算法，如模糊控制、預測控制等。溫度控制系統、空氣品質控制系統就是一個超延時反應系統，再加上這兩個控制系統與照明控制系統分別采用兩個公司的產品，所以，控制系統總工作站采用PID和模糊控制方法，控制系統網絡拓撲結構分為三級，分別為現場工作級、網絡控制級和程序員操作級。由程序員操作級的控制系統總工作站協調和控制整個控制系統。
如果沒有計算機控制系統來管理和維護上述的功能，建筑或建筑群是不能稱為智能建筑的，雖然智能單元能夠自動完成一些功能，但全部工作需要計算機集成控制系統來協調。所以，用工作站協調來自于不同生產廠家的子控制系統是必要的。
關鍵詞：智能建筑；照明系統；計算機控制系統
1、概述
美國卡內基-梅隆學建筑系建筑物性能測試中心（Center for Performance and Diagnostics， Department of Architecture，Carnegie Mellon University）所籌建的智能工作區間（Intelligent Workplace，簡稱IW）是一個受美國國家科學基金委員會支持，由國際財團ABSIC（Advanced Building Systems Integration Consortium）投資興建的。ABSIC由學校、公司以及政府部門共同組建。美國政府部門包括國防部、能源部、環境保護署、服務總局和國家科學基金委員會，公司中有AMP Incorporated，Johnson Controls， Siemens Energy and Automation Inc， Siemens AG等著名的公司，學校即為卡內基-梅隆學建筑系的建筑物性能測試中心。IW是美國第一所有關建筑物性能測試的重點實驗室，集研究、發展和商業應用于一身。實驗中心的目的是提高建筑物內部的工作環境質量和節約能源。對建筑物的各項性能指標進行測試和模擬，以期提高建筑物內辦公人員（以辦公室為實驗對象）對環境7個方面的要求：新鮮空氣，適宜的溫度，適當的光線，既有室外的景致又要有相對的隔離，獨立和安靜的工作空間，具有多媒體功能的計算機網絡系統以及電源系統，符合人體工程學的家具與環境。根據估算，僅在節約能源方面采用了一系列新技術以后，可使建筑物的節能達到75%（以美國現在使用能源的普遍情況為標準）。所以，卡內基-梅隆學（CMU）建筑系在參照了日本、德國、法國、英國和北美的各項研究成果后，重新設計而建成的這個新型研究中心必將會推動建筑界以及智能建筑學科的發展。
智能建筑中HVAC和照明系統的計算機控制系統，是智能建筑的重要組成部分。此系統的工作性能，直接關系到提高工作環境的舒適度而提高工作人員的工作效率，也是關系到節約能源和環境保護的重要手段。計算機控制系統根據工作區間的內部條件和外部條件，適時或按計劃自動控制室內溫度、濕度、工作區間的亮度等。計算機控制系統是體現“智能”諸因素中最重要的因素之一。一個在建筑中使用的設備被稱為“有智能”或“是一個智能單元”，或一座建筑物被稱為智能建筑，計算機控制系統的應用是必要條件。所以，計算機控制系統的應用與控制策略是評價智能建筑的重要的因素之一。
本文以美國卡內基-梅隆學建筑物性能測試中心的智能工作區間的HVAC和照明系統的控制系統為例，說明智能建筑控制系統結構和控制策略。
2、智能建筑集成系統中的計算機控制系統
2.1主要設備
2.1.1蒸發式冷卻空調系統此系統的3階段供冷啟動順序為：熱轉輪啟動，蒸發冷卻器啟動，備用冷卻盤管啟動；其兩階段供熱啟動順序為：熱轉輪運行進行熱回收，利用熱水盤管加熱處理空氣。此空調系統主要任務是保證室內空氣的清新，提供室內的基本溫度保證。
2.1.2埋管式輻射墻板墻架上和空氣中的溫度傳感器提供水流閥門的控制信號。它是在室內基本溫度點基礎上，對溫度進行再調整的設備。
2.1.3屋頂通風裝置室外溫度、濕度、風力、降雨量，室內溫度、濕度，提供此開關控制信號。它是室內溫度、濕度調整的輔助設備，也是節約能源的重要手段。其動力是日光反射板上的太陽能電池。
2.1.4日光反射板陽光和溫度都是照明系統和溫度系統的信號源，光線反射板受控于這兩個系統。既能遮光，也能將室外光線反射到室內。
2.1.5照明系統由房間使用狀況檢測、日光、陽光反射、室內光照度等檢測信號，用開關、遙控器或計算機程序控制此系統。
2.1.6個人工作環境系統在個人工作環境系統中，溫度、濕度、房間使用狀況檢測、空氣流速、空氣品質等數據均為控制因素。每人工作環境系統的溫度、濕度的期望值，房間使用狀況檢測數據，由系統中的傳感器或由人工給定，由通訊系統傳送給上一級（網絡工作級）和系統工作站，由網絡工作級和系統工作站的計算機控制系統控制此個人工作環境系統的系統參數。
2.1.7控制系統和主配電盤它是控制、電源和通訊系統的神經網絡。
2.2控制系統控制系統分為兩控制部分：
2.2.1溫度和空氣品質控制系統溫度和空氣品質控制系統的控制目標包括蒸發式冷卻空調系統、埋管式輻射墻板、個人工作環境系統、可開啟窗戶、屋頂通風裝置等。本系統的傳感器包括室內溫度、室內濕度、室外溫度、室外濕度、冷熱水流數據、房間使用狀況、空氣品質（CO2）數據、露點溫度，以及室外風力等。執行機構是熱轉輪、蒸發冷卻器、水流閥門、空氣處理器、加熱盤管、冷卻盤管、氣流混合調節器、水壓調節器、屋頂通風裝置等。
2.2.2照明控制系統照明控制系統的控制目標包括環境燈、周邊燈、工作燈、室內遮光設備、日光反射板等。燈光控制系統的傳感器包括室外日光檢測器（最照度）、室內照度檢測器、房間使用狀況等。執行器是控制日光反射板的電機，控制天窗、可開啟窗戶、門遮陽設備的電機，數字式日光燈整流器，數字式相位燈光調節器，數字轉換器等。
溫度和空氣品質這兩個控制系統和照明控制系統是互相干擾的。譬如，為了節約能源和得到舒適的工作環境，冬天和夏天對日光的需要是不同的。
2.3控制系統結構總控制工作站熱冷水系統熱水系統冷水系統空氣處理系統空氣處理單元-1（AHU1）
控制系統的輸入、輸出量控制系統的輸入、輸出量的監測控制系統的硬件控制系統的硬件工作狀況監測安全監視和檢查系統門衛磁卡檢查系統系統設備打印機網絡設備3 計算機控制系統的控制策略總控制工作站的控制策略必須根據各種條件，用控制算法去協調上述設備的工作。現假定工作程序和環境為：按照當天的室外氣象參數，蒸發式冷卻空調系統已根據時間或遙控命令，在工作人員到來之前開始工作，提供基本室內溫度和其它條件，當個人工作環境的房間使用狀況檢測傳感器檢測到有人工作，提供啟動信號給上級計算機，控制系統按照人的給定期望值，調整此個人工作環境的環境參數。
4、總結
溫度控制系統、空氣品質控制系統和照明控制系統的某些控制目標是相關的，被控制目標和設備之間存在互相干擾。且智能建筑集成系統的各個部分是由一些不同廠家生產的，這些產品中存在很多不同標準，像數據傳輸總線、硬件接口、軟件接口、控制算法等。由于信息流和被控目標的不確定性和復雜性，使得控制系統非常復雜。如夏天的陽光提供工作臺的光線亮度，但又帶來多余的熱量。減少陽光的照射又可能使工作環境照度不夠。故怎樣發揮每一設備的工作能力，又可控制工作環境溫度、濕度、空氣新鮮度，工作環境的照度、噪聲、背景音樂，與外界（世界和本系統之間）的通訊暢通，各種辦公設備的使用方便程度，等等，且能像轎車內的空調系統一樣，所有指標都能在本人的工作區間內作自我調整，創造最佳工作環境。亦能滿足保護環境、減少污染、節約能源的目標。這些就是控制系統的基本任務。
無論是溫度控制系統、空氣品質控制系統還是照明控制系統的控制過程都沒有現成的模型可以精確地描述，慢過程、超時延遲和非線性使得控制器使用不需要數學模型的算法，如模糊控制、預測控制等。溫度控制系統、空氣品質控制系統就是一個超延時反應系統，再加上這兩個控制系統與照明控制系統分別采用兩個公司的產品，所以，控制系統總工作站采用PID和模糊控制方法，控制系統網絡拓撲結構分為三級，分別為現場工作級、網絡控制級和程序員操作級。由程序員操作級的控制系統總工作站協調和控制整個控制系統。
如果沒有計算機控制系統來管理和維護上述的功能，建筑或建筑群是不能稱為智能建筑的，雖然智能單元能夠自動完成一些功能，但全部工作需要計算機集成控制系統來協調。所以，用工作站協調來自于不同生產廠家的子控制系統是必要的。
