智能建筑中暖通空调和照明系统控制策略

    1　概述
    美国卡内基-梅隆大学建筑系建筑物性能测试中心(Center for Performance and Diagnostics, Department of Architecture, Carnegie Mellon University)所筹建的智能工作区间(Intelligent Workplace，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(Advanced Building Systems Integration Consortium)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AMP Incorporated, Johnson Controls, Siemens Energy and Automation Inc, Siemens AG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
    空气处理系统
    空气处理单元-1(AHU1)
    空气处理单元-3(AHU3)
    埋管式辐射墙板
    埋管式辐射墙板控制系统
    埋管式辐射墙板1-26(分组)
    个人工作环境系统
    个人工作环境系统控制系统
    个人工作环境1-30(分组)
    系统接口
    温度/空气品质控制系统与照明控制系统接口(两个公司产品)
    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。
    T 温度　H 湿度　Ts　PEM温度传感器检测值 Hs　PEM湿度传感器检测值　TL　温度期望值　TD　蒸发 冷却式空调系统出口温度　TM　埋管式辐射墙板温度检测值　PEM　个人工作环境日光反射板、空气速度和温度控制流程图

    4　总结
    温度控制系统、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，分别为现场工作级、网络控制级和程序员操作级。由程序员操作级的控制系统总工作站协调和控制整个控制系统。

    如果没有计算机控制系统来管理和维护上述的功能，建筑或建筑群是不能称为智能建筑的，虽然智能单元能够自动完成一些功能，但全部工作需要计算机集成控制系统来协调。所以，用工作站协调来自于不同生产厂家的子控制系统是必要的。