中央电视台主楼 (以下简称主楼) 建筑面积约47.3万平方米, 体量特别庞大, 工艺需求特殊, 暖通空调系统结构复杂, 使得楼宇自控系统的控制有别于普通办公楼。如此规模的建筑中, 大量的机电设备需要协同运转, 才能保障楼内的办公和电视工艺设备的正常运行, 这便是主楼楼宇自控系统的主要运行目标。
主楼的空调系统一次风常年供冷, 设计送风温度为12摄氏度, 可负担内区常年的空调冷负荷, 外区冬季的热负荷则由空调变风量末端上的热水再热盘管或电加热盘管负担。主楼所消耗的能源负荷为变量。白天:工艺设备运行以及日常办公的人员较多, 且受到外界日照影响显著, 空调冷负荷最大;晚间:需要保证节目的正常播出, 空调系统在最低的冷负荷下运行;当大型演播室有节目安排时, 空调系统将以最快速度满足此种冷负荷需求。
一、楼控系统软、硬件及架构
主楼楼控系统所采用的软件平台、中央控制器、楼层控制器、BACnet路由器、DDC控制器、VAV/FPB控制器等通过总线及以太网连接, 构建分布式集散控制系统, 完成对整个主楼内各机电设备的实时检测、监控、管理, 系统架构如图1所示。
软件平台包括了服务器硬件本身所需的Windows操作系统、监控系统平台软件、Web服务发布软件、编程软件、SQL数据库软件和冗余备份组件。
在控制层架构上, DDC现场控制器承担着就地管理者的职责, 根据预先设定的控制程序, 自动控制现场机电设备;VAV控制器独立地根据房间温度的变化控制变风量末端的风阀开度。同时, DDC和VAV控制器通过总线将其数据传送至楼层控制器, 并接受楼层控制器反馈的计算结果, 据此来控制诸如空调机组变频和风井压力平衡的复杂逻辑过程。
在网络层架构上, 每层的VAV变风量末端、新风机组、空调机组等设备运行参数, 都通过路由器或者楼层控制器分别接入以太网, 最终在中央控制器上汇总并处理数据, 从而实现对空调系统、送排风子系统、动力子系统以及给排水等子系统的控制。
在监控层架构上, 中央控制器和楼层控制器, 与监控中心安装有ADX软件的通讯服务器进行通讯, 并将所有数据通过这一Web服务器发布到各监控站点, 同时在通讯服务器中的SQL数据库中进行数据的逻辑处理、储存和备份。
控制中心主要负责整个楼宇系统的集成综合管理及各子系统备份管理。楼控系统核心设备主要包括:控制中心的3台监控服务器, 2台通讯服务器和12台中央控制器。分布于楼层各区域的8台管理工作站, 其余设备包括:NCU楼层控制器141台, DDC控制箱199台 (内含FEC控制模块231台, 各类I/O模块935台) , MCD回风阀控制器485台, CAV/VAV/FPB (风机助力型) 变风量末端控制器4038台, 各类执行器和传感器则是数以千计。
1 楼控系统架构
二、楼控系统空调设备受控对象
主楼楼控系统涉及的受控对象包括:空调送回风系统、空调处理设备系统、DFU (下送风机组) 系统、空调水系统、送排风风机系统, 受控设备点位超过四万个。
1. 空调送回风系统
●VAV/CAV (变风量/定风量末端风阀) ;
●VAV带加热水盘管;
●FPB (风机助力型变风量末端风阀) ;
● FPB带加热水盘管;FPB
●FPB带电加热;
●MCD (回风电动阀) ;
z MVD (送风电动阀) 。
2. 空气处理设备系统
●新风机组;
●组合式新风机组;
●普通型空调机组;
●组合式空调机组;
●变频组合式空调机组;
●多区域变频空调机组;
●二次回风组合式空调机组;
●二次回风变频空调机组。
●二次回风组合式空调机组;z二次回风变频空调机组。
3. DFU (下送风机组) 系统
机房下送风机组。
4. 空调水系统
●冷冻水系统;
●热交换站空调水系统。
5. 送排风机系统
●送风机;
●排风机;
●送风兼补风机;
●排风兼排烟风机;
●车库暖风机。
三、空调系统控制实例
1. 主楼顶部送回风系统设备设置
主楼内空调系统形式主要分为三种:全空气变风量系统, 主要服务于绝大多数办公区域、公共区域以及大型演播室区域等;全空气定风量系统, 主要服务于中小型演播室区域、入口大厅以及特殊功能区域等;地板下送风系统, 主要服务于发热量较大的工艺设备用房和建筑设备用房, 空调水系统有四管制 (冷热盘管分离) 和二管制 (仅有热盘管) , 加湿采用蒸汽加湿方式。
2主楼建筑示意图
在主楼中尤为突出的是其VAV变风量系统, 它并非按照国内传统方式, 每层都有变频空调机组为本层某个区域内的VAV变风量末端送风, 而是按照送风竖井划分区域, 即多台变频空调机组并联在一起, 共同向送风竖井供风, 而该送风竖井也同时为多个楼层的VAV变风量末端提供空调一次风。此种布局主要是考虑到空调机组的冗余运行以及尽量减少机电设备占用宝贵的工艺用房面积和美观建筑外立面。这就形成了多台空调机组服务多区域VAV变风量末端的“多对多”关系, 在控制上相对于一台机组服务某区域VAV变风量末端的“一对多”更为复杂。
主楼从建筑上可分为五个部分, 顶部:F37~F51, 塔楼一:F10~F36, 塔楼二:F 1 0~F 3 2, 裙楼:F01~F09, 地下:B1F~B4F, 如图2所示。
以顶部区域为例, 为VAV末端送风的空调机组集中设置在F43、F44、F47、F50、F51楼层的空调机房。室外新风首先进入空调机组, 通过垂直的集中送风管, 经过每层的MVD送风电动阀到F37至F49各楼层, 然后经过各楼层的VAV/FPB变风量末端送至各区域房间, 再通过吊顶回风集中至各楼层MCD回风电动阀, 最后由排风机组完成机房回风及排风任务。变风量系统末端均采用压力无关型, 并按照空调内外区进行布置, 内区采用单风道节流型末端 (VAV) , 外区采用风机助力型带盘管加热型末端 (FPB) 。
根据空调系统布局将顶部办公及公共区域划分为三部分, 由三套全空气变风量 (VAV) 空调机组提供服务, 均为多台空调机组并联运行为各区域送风。其中F37~F44核芯2和核芯筒9区域 (如图3所示) 的空调系统具有典型的代表性。该区域变风量系统监控的主要设备有:空调机组4台, MVD (送风电动阀) 28台, VAV/FPB设备276台, MCD (回风电动阀) 13台, 排风机组4台。其设备组成和空气组织如下所述:
●4台并联AHU机组 (单台风量69000m3/h) 和4台并联排风机 (风量58000m3/h) 共同组成一套空调系统, 为F37~F44芯筒2和芯筒9区域VAV末端送风;
●变风量末端外区采用串联风机助力带加热型FPB, 内区采用普通单冷型或带加热型VAV;
●系统平面楼层管网非常复杂, 为了保证各个楼层不受主管网的影响, 每层在各送风管支路出口都加装了MVD (送风电动阀) , 在立面管网各回风口设置了MCD (回风电动阀) ;
●楼层平面上没有设置回风管道, 办公及公共区域气流回到吊顶内, 楼层的吊顶互相联通, 然后通过风道竖井中立面管网的回风口, 经过回风管道回到空调机房机组内。
3 F37~F44单套空调系统原理图
2. 变风量系统控制
(1) VAV/FPB变风量末端控制
主楼的VAV变风量末端控制均按照主楼一次风常年供冷的设计工况考虑。
a.VAV单冷末端控制
VAV的一次风量控制采用与压力无关的串级风量控制 (温度回路与风量回路串联) 方式。VAV控制器将首先根据墙上温控面板提供的房间实测温度和温度设定值, 计算出一个房间需求风量。再根据VAV末端箱体的一次风口风压传感器, 计算出实际风量, 将之前得到的房间需求风量作为风量设定值, 与实际风量进行比较, 从而进行PI (比例积分调节) 计算控制风阀。串级控制使VAV末端不管一次风口的压力是否改变或是否稳定, 都能够控制维持在恒定的需求流量, 从而使系统可控性与舒适性大大增强, 控制原理如图4所示。
4 VAV末端控制原理
b.VAV带水盘管加热末端控制
此类VAV带有水盘管加热附件, 正常工况下, VAV通过控制风阀, 改变风量, 进而对室内温度进行调节。当室内温度过低时, VAV已调至最小风量, 风量调节已无法达到温度控制要求, 则打开热水阀进行辅助加热, 以满足室温要求 (适用于冬季) 。
c.FPB带水盘管加热末端控制
FPB为带串联风机助力型的VAV变风量末端, 一般设置在外区, 即与玻璃幕墙临近区域。与VAV相比, 增加了一组风机, 可将吊顶回风与新风进行混合, 即使一次风关闭, 也可保持空气流通, 其风阀及水阀控制逻辑与VAV相同, 控制原理如图5所示。
5 FPB带加热控制原理图
(2) MVD楼层送风阀及MCD回风阀控制
本系统中, 为了使各楼层的风道压力处于稳定状态, 不受空调送风风井内的压力变化影响, 在各层送风总管设置了MVD (送风电动阀) , 回风总管设置了MCD (回风电动阀) 。
a.MVD楼层送风阀控制
MVD送风电动阀用于整定空调一次送风风量, 使得各区域一次风量达到设计要求, 同时保持送风支路静压的稳定性, 从而保证支路上VAV末端控制的稳定性。通过各楼层送风主管支路的实测风压与空调设计风压进行比较, 调整固定好相应的风阀开度。
b.MCD回风阀控制
MCD回风电动阀采用与VAV相同控制设备, 但不含温度控制单元。以相关楼层区域设计回风量作为控制计算参数, 保证各楼层按照设计风量比例回风。通过监测楼层回风的风量与计算参数进行比较来确定其阀门开度, 单台控制原理如图6所示。
6 MCD控制原理图
3. 并联式空调机组 (AHU) 控制和检测
群控AHU系统按照风道竖井划分, 若干台AHU机组共同服务某一区域。通讯服务器从网络上读取所有楼层控制器所管理的VAV、MVD、MCD和风道参数, 经过逻辑运算, 控制相关联的AHU机组, 使其能够满足整个服务区域的能量需求, 同时保持楼内的风压平衡。为同一区域服务的并联式AHU机组原则上同时开启, 并保持相同频率。
变风量系统并联式AHU采用定静压控制, 主风道静压传感器设置的原则是送风管主管路内 (即机组送风出口至风道末端) 1/3处设置压力传感器, 通过现场测试选定合适的压力设定值, 用来调节控制空调机组频率, 进而使所有楼层都满足风压的要求。
(1) 运行参数监测
监测AHU机组的手自动状态、正常运行状态、故障报警、新风温湿度、回风温湿度、混风温度、送风温湿度, 回风二氧化碳浓度、送风压力、送回风风速、冷热盘管回水温度、电子除尘装置运行状态/故障报警等参数, 并可统计机组累计运行时间以便定期维护。
(2) 风机启停及变频调节
空调机组启动命令发出后, 风机启动运行, 风机变频器根据相关风道静压传感器的测量值与静压设定值作比较进行PID (比例微积分) 运算频率调节, 以满足最不利点风量需求, 且运行过程中频率不低于最小频率设定值。当静压监测数据失效时, 风机按照最小频率设定值运行。风机变频调节命令被远方干预后, 频率调节进入自动保持模式, 待强制命令被释放后, 频率从强制点开始进行调节, 以防止系统运行出现剧烈震荡。空调机组停止命令发出后, 或者在冬季模式下防冻预报警信号产生时, 即热回水温度低于防冻预报警设定值, 风机停止运行。
(3) 风阀调节
夏季模式:风机启动运行后, 新风阀根据回风CO2浓度自动进行调节, 当CO2浓度低于500PPM, 新风阀保持最小风量运行, 当CO2浓度高于500PPM, 新风阀开度逐渐增大直至全部打开;停机后, 新风阀关闭;回风阀始终自动与新风阀成比例调节。
冬季模式:与夏季模式相同。
过渡季模式:风机启动运行后, 新风阀根据焓值进行自动调节;当新风温度低于回风温度, 并且新风焓值低于回风焓值和焓值设定值40k J/kg (温度20℃, 湿度50%时的干空气焓值38.5k J/kg) , 新风阀开度逐渐增大, 其变化范围为最小与最大开度设定值之间;停机后, 新风阀关闭;回风阀始终自动与新风阀成比例调节。
(4) 水阀调节
夏季模式:风机启动运行后, 将送风温度与送风温度设定值作比较, DDC根据PID (比例微积分) 运算结果, 输出信号控制冷水阀开度, 将送风温度限定在控制范围内;热水阀在夏季模式下处于关闭状态。当送风温度值失效时, 冷水阀保持固定开度运行。
冬季模式:风机启动运行后, 热水阀根据送风温度自动进行PID调节, 同时保持最小开度以实现防冻保护, 当热水阀连续保持最小开度持续5s后, 冷水阀开始根据送风温度自动进行调节。当送风温度值失效时, 热水阀和冷水阀保持固定开度运行。停机后, 热水阀保持固定开度进行防冻保护。风机再次启动时, 热水阀恢复上次停机时的开度并开始自控调节。当热回水温度值失效时, 热水阀保持固定开度。当防冻预报警信号产生后, 即热回水温度低于防冻预报警设定值时, 热水阀100%全部打开防止热盘管冻裂;在机组上安装的热水盘管防冻开关, 用于低温报警监测, 不参与逻辑连锁。
过渡季模式:水阀调节与夏季模式相同。
(5) 蒸汽加湿阀调节
冬季模式:风机启动运行后, 将回风湿度与回风湿度设定值 (可调) 作比较, DDC根据PID运算结果, 输出信号控制蒸汽加湿阀开度, 使回风湿度保持在设定范围内。
夏季模式:停止运行。
过渡季模式:停止运行。
4. 并联式排风机控制
变频排风机启停与AHU送风机一一对应;送风机启动运行后, 相应的排风机同时启动运行。排风机频率与相对应的送风机频率相同。并联排风机组的排风阀与并联AHU送风机组的新风阀开度平均值保持一致。回风阀始终自动与排风阀成比例调节。
四、控制系统的特点
主楼变风量空调系统采用定静压控制, 其原理是:在送风系统的适当位置 (主风道及支管末端) 设置静压传感器, 由于变风量末端装置不断进行风量调节, 使送风管内静压不断变化, DDC控制器根据静压设定值与实际的送风管静压值进行运算, 对空调机组变频器进行频率控制以改变空调系统送风量, 使得该位置处的静压值保持在设定值。
定静压控制的优点是:空调机组风量控制与各变风量末端装置的控制是分别独立的, 运算简单, 技术成熟, 系统安全可靠。另外, 由于变风量末端的出风噪音与风道静压有较强的相关性, 因此可以通过对静压设定值的前期测试, 有效保障变风量末端噪音满足使用需求。所以, 该控制方法比较适合应用于主楼对噪音比较敏感的相关电视工艺区域。但定静压控制也存在由于静压传感器设置点的位置及静压设定值的确定需要保证系统最重要区域 (或者最不利点) 的风量需求, 而无法达到最为节能的效果。因此, 如何通过优化升级楼控系统控制策略及空调系统的运行方式以降低空调能耗, 值得今后研究和改进。
几年来的运行情况表明, 主楼楼控系统 (空调控制部分) 整体运行稳定,满足设计要求, 保证了主楼的空调使用。