楼宇设备电气系统节能控制器的优化设计
时间：2021-04-06 08:05:40 来源：达达文档网 本文已影响 人 
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摘 要： 对建筑电气系统进行节能优化，可增强楼宇的自动化水平，确保不同机电设备的稳定运行，实现楼宇的节能降耗。因此，对楼宇设备电气系统节能控制器进行优化设计，其由被控对象、检测部件、调控模块以及执行模块组成。节能控制器通过检测部件监测楼宇设备电气系统的被控参数，采用调控模块分析监测值和设定值的差值，并向执行模块发出节能控制命令，对被控参数进行调控，确保其符合节能要求。分析节能控制器对楼宇设备电气系统中的变配电系统、照明系统以及电梯系统，进行节能管理的具体过程。给出节能控制器软件的主程序以及终端服务子程序。实验结果表明，采用所设计节能控制器下的大厦电气系统实现22%的节能效果，并且具有较高的节能经济效应。
关键词： 楼宇设备； 电气系统； 节能； 控制器
中图分类号： TN965⁃34； TM76 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）18⁃0153⁃04
Abstract： The energy saving optimization for building electrical systems can enhance the automation level of the building， ensure the stable operation of the various electromechanical equipments， and implement the building energy saving. The energy saving controller of the building electrical systems was optimally designed. The controller is composed of the controlled objects， detecting components， control module and execution module. The energy saving controller monitors the controlled parameters of the building equipment electrical systems by means of the detecting components. The control module is used to analyze the difference value between monitored value and set value， and send the energy saving control command to the execution module， so as to control the controlled parameters and ensure the parameters to satisfy the requirement of energy saving. The specific energy⁃saving management processes of this energy saving controller for distribution system， illuminating system and elevator system in building equipment electrical system are analyzed. The main program and terminal service subprogram of the energy?saving controller software are given. The experimental results show that the building electrical system using this energy saving controller can save 22% energy， and has high economic effect of energy saving.
Keywords： building equipment； electrical system； energy saving； controller
0 引 言
随着经济的快速发展，城市化进程的速度也逐渐增加。建筑能耗问题逐渐成为人们关注的重点问题，建筑楼宇电气设备的能耗在总体楼宇的能耗占据70%以上的比例[1⁃3]。因此，对建筑电气系统进行节能优化，可增强楼宇的自动化水平，确保不同机电设备的稳定运行，实现总体楼宇的节能降耗目标[4⁃6]。
文献[7]给出了楼宇自动化智能管理系统，实时监测和完善楼宇电机设备能量变换效率，确保机电设备系统处于最佳运行状态，降低系统运行能耗，但是该种方法对电机设备的质量要求较高，具有一定局限性。文献[8]通过“冰蓄冷”空调系统电气节能技术，实现楼宇设备电气系统的节能控制，但是该技术需要耗费大量的财力和物力，不易推广使用。文献[9]分析了基于冷、热电联产电气节能方法，通过系统供配电大电网与高层楼宇建筑分布式小型 BCHP 相融合的建筑电气供电模式，实现电气系统的节能控制。其是一种低成本、低能耗的楼宇节能方法，但是该方法的自主控制效果较差。文献[10]提出了通过建筑电气输配电系统节能技术实现楼宇设备电气系统的节能控制，但是该方法存在控制效率低的问题。
为了增加楼宇设备电气系统可用能量，对楼宇设备电气系统节能控制器进行优化设计，楼宇设备电气系统的节能控制器包括被控对象、检测部件、调控模块以及执行模块。给出了节能控制器对楼宇设备电气系统中的变配电系统、照明系统以及电梯系统，进行节能管理的具体实现。
1 楼宇设备电气系统节能控制器的优化设计
1.1 楼宇设备电气系统组成
随着人们对室内环境质量需求的逐渐增强，楼宇设备电气系统需要考虑楼宇的人性化服务功能需求，电气系统的组成结构如图1所示。
分析图1可得，楼宇电气系统包括变配电系统、照明系统、电梯系统、空调系统、消防系统等子系统。这些子系统的优化设计机节能管理是总体楼宇设备电气系统经济性运行的基础，是楼宇节能控制的重要部分。
1.2 楼宇设备电气系统节能控制器原理
楼宇设备电气系统节能控制器主要针对不同的楼宇电气系统子系统的能量使用情况进行调控，实现总体楼宇电气系统的节能减排目标。
楼宇设备电气系统的节能控制器包括被控对象、检测仪器、调控模块以及执行模块。控制器通过检测部件对楼宇设备电气系统的参数进行监测，通过调控模块分析监测值和设定值的差值，再向执行模块发出节能控制命令，对被控参数进行调控，确保其符合节能要求。节能控制器的原理如图2所示。
楼宇设备电气节能控制采用PID调控功能，对被调参数进行调控。运行模块包括运行机构以及调控機构构获取调控模块传递出的调控命令。采用电动执行机构中的风门驱动器，实现楼宇设备电气系统节能控制。调控机构采集执行机构反馈的轴向或转角位移的驱动，对工艺介质流量进行调控，完成电气系统被调量的自主调控。楼宇设备电气系统节能控制器，通过传感器采集电气系统中的温湿度、空调循环水压力等物理量，并将这些物理量变换成电量信号反馈到控制模块中，控制模块对比输入检测信号设置值，输出节能调控信号，对对应的执行模块进行偏差调控，实现电气系统能量的有效控制，完成节能减排的目标。
1.3 采用现场调控模块DDC的设计
楼宇设备电气节能控制器通过计算机管理现场调控模块DDC。DDC 控制模块采用温湿度传感器、空调循环水压力变送器等不同类型的现场监测部件，获取楼宇设备电气系统的测量信号。DDC控制模块对采集的现场测量信号同设置的节能目标值进行对比分析，依据获取的对比偏差明确节能调控信号，执行机构依据该信号对被控参数进行管理，实现节能控制目标。DDC控制模块的结构如图3所示。
2 节能控制器的优化设计
2.1 变配电系统节能管理模块设计
变配电系统节能管理原理如图4所示。
从图4中可以看出楼宇设备电气系统节能控制器对变配电系统的监控内容为：
（1） 对配电系统运行情况下的计量进行调控，对故障原因进行判别以及处理故障，并对配电系统的进线电压、电流以及变压器温度等参数进行及时检测。
（2） 及时检测配电系统的电气设备的低压母线、低压出线以及变压器进线的开关分合闸的情况，若检测到故障，则产生警报信号，程序故障位置以及电压、电流等参数值。
（3） 汇总并运算楼宇设备电气系统中的排水、电梯、空调以及照明灯设备的电能耗费值，为总体系统的节能控制提供支持。
2.2 照明系统节能管理模块设计
楼宇设备电气系统节能控制器，对楼宇建筑中的房屋以及办公室照明部分不予管理，仅对建筑物外表照明以及走廊、楼梯照明进行节能管理。照明系统节能管理的内容为：
（1） 楼宇节能控制器以节假日、工作日以及白天和夜晚不同时间间隔设计用电管理程序，调控楼宇走廊以及楼梯照明开关的关闭，对照明回路的运行情况进行监控。白天工作日时，按照光照状态设置楼宇内运行灯具的数目；夜晚结束工作日后，仅保留楼宇内走廊以及楼梯等必要照明设备，节约能源的消耗。
（2） 依据建筑外表材料特征以及灯具特征，获取建筑外表投光灯的最佳亮度，产生照明节能管理方案，按照该管理方案，设计建筑外表照明节能管理程序，并采用该程序对投光灯进行调控，同时监控投光灯的回路开关情况。
照明投光灯结构图如图5所示，其通过海格 TXA 系列开关驱动器同被控区域照明回路相连，通过Tebis 总线电缆与计算机相连，完成建筑外表照明的节能控制，并采用RS 485通信电缆同楼宇节能控制器连接，完成建筑外表照明节能管理同总体楼宇节能控制管理间信息的有效沟通，如图6所示。
2.3 电梯系统节能管理模块设计
楼宇电梯系统中存在厅外召唤和轿厢内召唤两种电梯召唤信号，两种信号分别是乘客在电梯外以及电梯内通过触碰按钮产生信号。楼宇设备电气系统节能控制器依据楼宇电梯系统反馈的电梯召唤信号，采用电梯群控呼梯管理节能方法，对电梯耗能进行监测，实现节能的目标。
楼宇设备电气系统节能控制器，通过上位主机检测监控电梯厅外召唤信号，若存在信号指向脉冲，则进行智能分析，令最优响应任务的电梯执行任务，通过智能合理的电梯分配跳读，确保总体电梯群处于最佳运行状态，避免电能的浪费，实现电梯节能管理的目标。电梯系统节能控制逻辑结构如图7所示。
图7中，乘客楼层、电梯状态、电梯负荷量等调控变量数据通过A～J 接口输入总体电梯系统节能管理模块中，电梯系统节能管理模块获取呼梯信号后，产生最佳调度方案，将申请命令传递给指向电梯，完成电梯节能高效调度控制，提高电梯服务效率，避免能量的浪费。
3 系统软件的总体设计
楼宇设备电气系统节能控制器的软件决定了系统可达到的控制精度以及响应效率等，采用C语言编写系统的软件程序。系统软件由主程序以及终端服务子程序构成，如图8所示。主程序对节能控制器进行系统配置，并对外设进行初始化处理，等待中断申请，并在合理的规范下对中断进行响应。结束中断运行后返回主程序等待再次运行。中断程序由故障中断服务程序和定时器中断服务程序构成，定时器中断服务程序对楼宇设备电气系统的电压、电流等控制参数进行检查。故障中断服务程序对楼宇设备电气系统进行安全监控，如果楼宇电气系统出现故障，中断程序及时暂停事件管理器输出信号，确保总体节能控制器进入循环等待控制状态，并产生报警信息，避免产生意外。
4 实验分析
实验将本文设计的节能控制器对某大厦的能量进行管理，对该大厦的电气设备能量使用情况进行检测，进而验证本文设计的节能控制器的性能优劣。大厦设备电气系统消耗的电能主要是空调消耗的能量，将实验大厦电气系统的能耗总能量和空调消耗的总冷量当成大厦电气系统的节能指标[Q]，其表达式为：
分析图9可得，本文节能控制器下的楼宇设备电气系统的耗电量更低，具有较高的节能效果，节能区间是 0～851 kW和1 306～2 148 kW两个供热量输出区间。
实验对本文节能控制器和冷、热电联节能控制方法下，该大厦的节能经济性进行分析，结果如表1所示。
通过表1可以看出，本文节能控制器管理下的大厦单位供热、供冷成本，比冷、热电联控制方法的成本优惠，并且本文节能控制器下的大厦总计年节省供能费用、年节约煤量和减排CO2量都较高。说明本文设计的楼宇设备电气节能控制器为用户带来了实实在在的经济效益和环境效益，具有较高的应用价值。
5 结 论
本文对楼宇设备电气系统节能控制器进行优化设计，其包括被控对象、检测部件、调控模塊以及执行模块。节能控制器通过检测部件监测楼宇设备电气系统的被控参数，通过调控模块分析监测值和设定值的差值，并向执行模块发出节能控制命令，对被控参数进行调控，确保其符合节能要求。分析了节能控制器对楼宇设备电气系统中的变配电系统、照明系统以及电梯系统，进行节能管理的具体过程。给出节能控制器软件的主程序以及终端服务子程序。实验结果说明，采用所设计节能控制器下的大厦电气系统实现22%的节能效果，并且具有较高的节能经济效应。
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