被动式超低能耗公共建筑智能化系统BAS设计
建筑能源消耗占全球能源消耗的40％，面对日益加剧的能源紧缺，建筑节能无疑是主要解决途径。欧美发达国家在2000年以后，已陆续提出发展近零能耗建筑的路线，目的就是有效、大幅度的减少能源消耗。(近)零能耗建筑在满足超低能耗指标的同时，兼顾室内环境的健康和舒适。因此，从建筑节能，建筑室内环境舒适度的角度出发，近零能耗建筑是建筑节能发展的里程碑，是建筑节能发展的最高的形式，是未来建筑的发展方向。
近零能耗建筑采用高性能建筑维护结构、无热桥设计等被动式技术，结合高效热回收新风系统和可再生能源等主动式节能技术的应用，以达到实现舒适的室内环境并与自然和谐共生的目的。
楼宇自控系统(BAS)技术是为建筑的运行管理服务的，完备优质的建筑运行管理又是为更好展现建筑特点和优势服务的，同时直接关系到建筑运行绩效。BAS是建筑的智能化、节能化的重要体现。近零能耗建筑在好的建筑维护结构、高效的建筑设备基础上，更加需要BAS发挥其对资源合理配置，对系统优化运行的能力，从而更快、更好实现建筑的近零能耗。基于BAS对整个建筑运行管理的重要的作用，BAS应结合近零能耗建筑的特点进行设计和配置，更好发挥近零能耗建筑特色，最大程度实现建筑节能。结合近零能耗建筑的特点，BAS设计和实现时，应重点体现：
(1)系统运行要实现建筑的能耗要求；
(2)强调室内环境参数的监测和控制。
【项目介绍】
中国建筑科学研究院CABR近零能耗示范楼是中美清洁能源合作一期研究成果的示范，是中美清洁能源联合研究中心在我国寒冷气候区的唯一示范工程，并由两国相关部委正式授牌确认，对建筑能耗提出了非常高的要求。该建筑兼顾先进技术示范、实验、研究等多重目的，是集办公、实验和科研功能于一体的综合性办公建筑。建筑集成了世界前沿的建筑节能和绿色建筑技术，并以实际能耗数据为评价，开展中国近零能耗建筑相关的研究工作。示范建筑地上4层，建筑面积4025m2，于2014年6月投入使用。该近零能耗示范楼采用两套基本能源系统，配备部分负荷蓄能系统；引进20多项先进技术和产品，采用多个厂家不同品牌设备；两套照明系统，监控点达2000多个，建立了能源管理平台，并且设立了独立的气象站系统。该示范楼要求实现快速、准确的对每个监测点数据的实时读取和存储及分析，要求通过对数据的监测、统计、分析，实现各机电设备及其设备之间的自动、优化运行，完成整个系统的优化运行，在保证室内环境舒适度的情况下，最终实现(近)零能耗。
1、BAS子系统介绍
CABR示范楼BAS集成了包括暖通空调系统、照明系统、气象站、能源管理系统和典型房间在内的五个子系统。从系统集成的角度出发，首先简要介绍各个子系统的构成和接口特点。
（1）暖通空调系统
CABR示范楼是中美清洁能源项目示范工程，兼具办公和科研示范的功能，能源系统由太阳能集热和地源热泵两套基本系统组成，并配备蓄冷和蓄热系统，较一般办公建筑复杂。冷热源系统包括4台冷热源主机，一套中温和高温串联太阳能集热系统，冷冻、冷却、蓄冷和集热水泵14台。末端包含VRV室内机、3台水环热泵主机，风机盘管和辐射系统。输配管网上配置近200个温度、湿度、压力、流量传感器和近30个开关及调节电动阀门。4台冷机、14台水泵和传感器、阀门等设备集中分布于示范楼一层的冷热源站机房内。太阳能集热系统位于楼顶，安装传感器监测各集热器出人口温度、流量和压力等参数。
系统末端形式多样，一层和四层分别采用有独立网关的水冷多联VRV系统和水环热泵机组，及分布式安装于各层吊顶上方或各层空调机房的新风机组和溶液式除湿机组。二层和三层采用辐射供冷供暖系统和独立的温湿度控制系统，末端风机盘管及辐射系统均采用分布于各个房间内的温控器进行控制。
（2）照明系统
CABR示范楼照明包含Lutron和Philips两个照明系统。照明系统集成参数主要包括每层各个房间的灯具消耗电量、房间灯具开启信号、照度信号，人员占空状态等。Lutron和Philips系统可提供OPC和BACnet两种接口方式集成。
（3）气象站
气象站通过数据采集仪获取前端传感器信号，并经由采集仪的两个RS232接口与外部设备进行信息交互。两个232接口分别采用标准Modbus协议和设备私有协议。目前气象站可实时采集和发布的测量参数包括室外温度、湿度、PM2．5、太阳辐照度、风速、风向、大气压。
（4）能源管理系统
能源管理系统是一个独立的系统，实现对示范楼内各项用能的计量，主要包括整个示范楼的电、水和热能耗，通过数据采集网关和交换机实现本系统自身信息的收集和监控。
（5）典型房间
近零能耗建筑强调在保证室内环境质量的条件下，实现建筑节能。因此在楼内选取了不同末端形式、不同方位、不同功用的10个典型房间进行热湿环境重点监控。每个典型房间设置了各类室内环境参数的传感器，包括c0：传感器、照度传感器、温湿度传感器等，同时设置监控点对不同末端形式新风的送风和回风温度湿度进行了测量。典型房间根据功用监控点介于10～20之间。
2、BAS子系统集成特点分析
冷热源系统冷机设备除了吸收式冷机外，其它设备或者为标准Modbus协议，或同时具有BACnet协议。水泵设备为标准Modbus协议。主机和水泵集中位于一楼的冷热源站内。冷热源站管网设置多达200多个监测点，温度、湿度、压力、流量等监测信号完备，相关阀门全部采用电动阀门，整个冷热源站实现自动运行完全可行。
末端空调系统为独立的个体主机设备，管辖区域相对独立，相互关联度小。多数设备采用模拟量和数字量信息参与集成，少数设备采用网关设备集成。
综上可得冷热源系统的突出特点：(1)主要设备多采用网关方式，且通讯协议标准，接口方式至少一种；(2)主要设备和监测点位多，且集中；(3)系统非常复杂，管路，阀门切换实现难度较大；(4)末端设备相对独立。冷热源站是系统集成的核心之一，集成过程中数据的采集、存储、系统逻辑、功能的实现较一般BAS系统复杂，因此该系统的集成对BAS的系统构架和控制器的选择提出了较高的要求。
照明系统为独立的第三方系统，Lutron和Philips都有两种接口方式可实现集成；气象站采集仪有两种协议输出方式；能源管理平台为独立的第三方系统，它能够提供OPC方式、ODBC方式其它系统集成信息交互，对于这些子系统来讲，选用哪种方式集成需要综合考虑接口集成难度、集成费用、参数获取量、数据传输速度和稳定性等因素。
总而言之，该示范楼的5个子系统，设备种类较多，接口形式多样，将多种不同产品，多种接口方式设备集成到一个BAS平台，是本BAS集成的特点也是难点之一；示范楼2000多个监控点，且每个点位要求实时监视和控制，历史数据存贮和下载等功能，对控制器配备，网络通讯速率，准确性，整个BAS系统构架都提出了非常高的要求。更重要的一点，实现整个复杂系统的自动运行和优化控制也是BAS的重要挑战。
3、BAS系统集成难点分析
(1)示范楼能源系统不单一，两种冷热源形式如何使用，两种能源形式下各相关阀门如何切换，两种能源系统和蓄冷蓄热系统如何关联等问题造成该冷热源系统的集成和自动控制难度高于一般BAS的冷热源站系统。
(2)子系统设备，或子系统本身有多于一种接口方式参与集成，采用不同接口方式会带来不同结果，诸如系统集成实现难易、集成实现后参数个数、数据传输速率、参数关联控制难易等。
4、BAS集成平台选择
BAS集成平台选择注意事项如下。通过以上对各子系统监控点、子系统集成接口方式的分析，楼控集成平台需要满足一般BAS集成要求外，还应该满足：
(1)平台数据集成速率、传输速率较高；
(2)对于复杂的系统，编程环境相对简单，编程难度较小；
(3)平台兼容性强，能够实现BACnet、Modbus、OPC、ODBC等方式的集成；
(4)自身应具有优化的控制模式或策略。基于以上分析和对市场BAS产品调研，CABR近零能耗示范楼最终选择西门子APOGEE系统insight平台进行集成。
5、BAS系统构架
通常BAS系统为三层结构，即管理层、自控层和现场层。管理层上的主要设备是监控电脑，可提供方便易用的图形界面，来管理和控制楼宇，同时也可以对系统数据进行进一步的分析，作为调整运行管理策略的依据。
自控层是整个楼宇控制系统的核心，自动控制的功能是依赖自控层上的DDC实现的，DDC可独立工作，DDC之间可进行无主从的对话，并不依赖监控电脑。现场层是自控层的补充，在点数不足或特殊应用等情况下，以点模块或专用设备来完善控制系统。现场层的设备一般是依赖自控层设备才能完成自动化控制。CABR示范楼项目，对控制的品质要求很高，因此在构架上采用以两层构架为主(重要设备均有自控层DDC直接控制)，以三层构架，兼顾集成便利性为辅的组网方式。管理层通讯协议采用BACnet／IP及TCP／IP协议，方便对DDC的监控及与其它系统的集成；自控层采用BACnet／IP，高速的网络有利于DDC性能的发挥，同时也可无缝集成标准BACnet设备；现场层根据所集成的设备的需求不同，采用BACnetMS／TP或MODBUS协议。
管理层、控制层和现场层的逻辑结构如图1所示。
6、控制器选型
系统在设计和DDC选型上，应有如下基本考虑。在保证系统控制、优化功能和独立性的前提下，减少DDC的数量，减少投资。同时为以后设备增多，监控点位增多，保留DDC的点位余量；应考虑设备监控的独立性，尽量避免一个设备的监控由多个DDC共同完成；设计者要充分考虑DDC的安装位置，避免距离过远的设备共用一个DDC。示范楼BAS选型在遵循以上控制器选型原则外，还应兼顾各子系统的特点，保证最终的BAS系统的稳定，反应迅速，使用简单。
冷热源站设备接口多为不同协议的控制网关，应优先选用能够同时实现多种接口方式的控制器。冷热源站管网上传感器、阀门等输入输出信号位置非常集中，且全部为AUAO／DI／DO点，应优先选用可扩展点位的控制器。
考虑到设备监控的独立性和新风机组监测的点位个数，每个新风机组建议采用独立的且点数满足要求的控制器进行控制。典型房间点位集中于每个房间内，类似于新风机组，点位相对独立，可独立控制，因此也建议每个典型房间采用独立的控制器进行控制。
气象站采用串口集成，Lutron系统可通过BACnet／IP实现集成，因此这两个子系统选取可通过总线进行集成的控制器。CABR示范楼楼控数据点非常多，因此要求控制器能够容纳较多数量的数据点位，最好可以实现数据的短期存储。
结语
通过中国建筑科学研究院CABR近零能耗示范建筑，详细分析了在近零能耗建筑中BAS系统设计的关注点和适应性。文章首先详细描述了该近零能耗建筑包括暖通空调、智能照明、气象站、能源管理平台和典型房间在内的5个子系统的系统特点，分析了各子系统集成BAS的特点和难点，在此基础上，阐述了BAS平台的选择，系统构架的搭建。最后针对各子系统特点和数据传输要求，详细阐述了各子系统控制器的选型和配置。
