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智能楼控系统
第四章 建筑设备监控系统
（一）
[2008-8-1214:
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王靖]
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建筑物内有大量的空调设备、给排水设备和电气设备等。
这些设备特点为多而散：
多，即数量多，需要控制、监视和测量的对象多，多达几百点到上万点；散，即这些设备分散在各个楼层和角落。
如采用分散管理，就地控制、监视和测量，工作量难以想象。
为了合理利用设备、节约能源和确保设备的安全运行，就自然地提出了如何加强现场设备的监控和管理问题。
自动控制、监视和测量是监控和管理建筑物设备的3个基本方面。
采用建筑物自动化系统，可及时掌握设备的运行状态、能量的变动情况，节省大量的人力、物力和财力。
建筑物自动化系统的主要功能：
制定系统的管理、调度、操作和控制的策略；存取有关数据与控制的参数；管理、调度、监视与控制系统的运行；显示系统运行的数据。
图像和曲线；打印各类报表；分析系统运行的历史记录及趋势；统计设备的运行时间、设备维护周期和保养管理情况等。
限于篇幅，本手册侧重讨论空调设备监控系统。
下面介绍空调系统的一些基本知识。
空气调节（简称空调）是使室内空气的温度、相对湿度、洁净度、气流速度和压力等参数保持在一定范围内的技术。
空调分为舒适性空调和工艺性空调。
设计空气调节系统的目的在于：
创造一个良好的空气环境，以提高工作人员的办事效率、保证产品质量。
4.1.1空气的成分和状态参数
1.空气的成分
自然界的空气是由于空气和水蒸气组成的混合气体，称为湿空气。
干空气按质量比由氮气（N2）75.55%、氧气（O2）23.l%、二氧化碳气（CO2）0.05%和稀有气体1.3%组成。
另外空气中还含有不同程序的灰尘、微生物及其他气体等。
空气中水蒸气的大幅度变化，将造成不同的空气环境状态。
在大气层中，距地面高度10km以内的范围内，都含有一定量的水蒸气。
因此，湿空气是我们生活中的真实空气环境，而空调主要是解决空气的温度和湿度问题，所以空调是以湿空气为对象的。
空气中水蒸气的大幅度变化，将造成不同的空气环境状态。
在大气层中，距地面高度10km以内的范围内，都含有一定量的水蒸气。
因此，湿空气是我们生活中的真实空气环境，而空调主要是解决空气的温度和湿度问题，所以空调是以湿空气为对象的。
2.空气的状态参数
空气的物理性质不仅取决于它的组成成分，而且也与它所处的状态有关。
空气的状态可用一些物理量来表示，如压力、温度和湿度等。
这些物理量称为空气的状态参数空气调节工程中常用的空气状态参数叙述如下：
（1）压力
流体作用于单位面积上的垂直作用力叫做压强，在工程上，人们以往习惯地把压强简称为压力。
在空调工程中，一般所说的“压力”，都是指单位面积上承受的力而言的；
1）大气压力P 地球表面的空气层作用在单位面积上的压力称为大气压力。
大气压力一般用帕斯卡（Pa）表示，工程技术上仍有人以毫米汞柱（mmHg）来表示。
大气压力随季节、天气的变化稍有高低。
通常以北纬45°海平面上的平均气压作为一个标准大气压，或称物理大气压。
它相当于101.325kPa（760mmHg）。
2）水气分压力Pc 任何气体分子，由于不停地热运动的结果，使它们都具有一定的压力。
水气当然也不例外。
不过空气中的水气是和干空气同时存在的。
这时两种气体各有自己的压力，称之为分压力，而且两者之和应该是空气的总压力。
即：
P=Pg+Pc （4-1）
式中 P——湿空气的总压力，一般即大气压力（kPa）；
Pg——干空气的分压力（Pa）；
Pc——水气的分压力（Pa）。
在空调中，经常会用到水气分压力这个参数。
水气分压力的大小反映了水气的多少，是空气湿度的一个指标。
此外，空气的加湿、干燥处理过程是水分蒸发到空气中去或水气从空气中冷凝出来的湿交换过程。
这种交换和空气中的水气分压力也是有关系的。
（2）温度t或T
温度是表示空气冷热程度的指标，它反映了空气分子热运动的剧烈程度，一般用t表示摄氏温度（单位为℃），用T表示热力学温度（单位为K），两者的关系是：
T/℃=T/K-273.15 （4-2）
空气温度的高低，将直接影响着人体的散热状况。
当空气温度过高或过低时，便会造成人体的不适感和产生疾病。
空气环境温度的高低，对某些生产环节的影响也是很大的。
如半导体器件的生产过程中，当温度超出一定的范围时，便会大大地影响产品的各项性能指标。
因此，在空气调节中，温度是衡量空气环境对人体和生产是否合适的一个重要参数。
空气温度通常用干球温度（DB）和湿球温度（WB）来表示。
干湿球温度计由两只棒状温度计组成。
一只是直接测量环境空气本身温度的；另一只是在测温球上包上湿布，测得湿球温度。
由于在湿空气未达到饱和前，湿布上的水分蒸发，吸收了一部分汽化潜热，所以湿球温度计上的读数总要低些。
环境空气的相对湿度愈小，湿球上水分蒸发得就愈快，湿球温度降低的幅度就愈大。
比较这两个温度值。
便可计算出相对湿度。
（3）湿度
人体感觉的冷热程度，不仅与空气温度的高低有关，而且还与空气中水蒸气的多少有关，即与湿度有关。
空气中的湿度有以下几种表示方法：
1）绝对湿度x 1m3湿空气中含有的水气量（kg），称为空气的绝对湿度。
它和水气分压力Pc有如下关系：
x=Pc/（Rc×T），其中Rc是水气的气体常数，等于461J/（kg·K），T是空气的热力学温度。
它表明，当温度一定时，水气分压力Pc愈大，则绝对湿度x愈大，所以水气分压力也可以反映空气中的湿度大小。
2）含湿量d
在空调中一般都用1kg空气中含有的水气量（由于数量不大，一般用g来衡量）来代表空气湿度，这样就可以排除空气温度和水气量变化时对温度这个概念造成的影响。
这种湿度习惯上称之为含湿量d。
在空调设计中，含湿量和温度一样，是一个十分重要的参数。
它反映了空气中带有水气量的多少。
在任何空气发生变化的过程，如加湿或干燥过程，都必须用含湿量来反映水气量增减的情况。
3）相对湿度φ
相对湿度表示空气湿度接近饱和绝对湿度的程度。
所谓饱和绝对湿度，即指空气中的水气超过了最大限度，多余的水气开始发生凝结的水气量。
在一定的温度下，相对湿度愈大，这时空气就愈潮湿，反之，空气就愈干燥。
在空调中，相对湿度是衡量空气环境的潮湿程度对人体和生产是否合适的一项重要指标。
空气的相对湿度大，人体不能充分发挥出汗散热的作用，便会感到闷热；相对湿度小，水分便会蒸发得过多过快，人体会觉得口干舌燥。
在生产过程中，为了保证产品质量，也应对相对湿度提出一定的要求。
4）露点温度tL
空气在某一温度下，其相对湿度小于100%，但如使其温度降至另一适当温度时，其相对湿度便达到了100%，此时，空气中的水气便凝结成水——结露，这个降低后的温度称为露点温度。
湿度愈大，露点与实际温度之差就愈小。
如果已知空气的含湿量d，根据空气性质表查出饱和含湿量等于这个d时对应的温度，它就是这时空气的露点温度tL，这说明，根据空气的含湿量，便可确定露点温度。
在一些冷表面上会发生结露现象，能否产生结露，视冷表面的温度t与露点温度（tL）相比较而决定，当t≥tL时不会结露，反之会结露。
3.空气状态参数相互间的关系
在实际运行中，只要掌握住空气温度t、含湿量d、相对湿度φ和水气分压力Pc之间的关系，就能较准确地保证室内空气状态要求的参数。
因此，把t、d、φ、Pc之间的关系绘制成图，对运行来说就更为直观。
图4-l是表示t、d、φ、Pc三者之间的关系图，图4-2是表示t、φ、Pc三者之间的关系图。
从图4-2中不难看出以下关系：
当空气的水气分压力Pc不变时，空气温度t愈低，相对湿度φ就愈大；t愈高，φ愈小。
当空气的相对湿度φ不变时，空气温度t愈低，水气分压力Pc就愈小；t愈高，Pc愈大。
当空气温度t不变，则水气分压力Pc愈大，相对湿度φ愈大；Pc愈小，则φ愈小。
4.1.2空气调节原理
空气调节的任务，在于按照使用的目的，对房间或公共建筑物内的空气状态参数进行调节，为人们的工作和生活，创造一个温度适宜，湿度恰当的舒适环境。
对舒适性空调，关键是空气温度、湿度的控制。
1.温度调节
按照人类的生理特征和生活习惯，常要求居住和工作环境与外界的温差不宜过大。
从保健的角度来看，以5℃左右对人体健康比较有益，夏日里，如温差过大，则人由室外进入室内时将受到冷冲击，而由室内走到室外，又将受到热冲击，这两种情况都会使人体感到不舒适。
因此对于大多数人，居住室温夏季保持在25～27℃，冬季保持在16～20℃是比较适宜的。
2.湿度调节
生活经验得知，空气过于潮湿或过于干燥都将使人感到不舒适。
一般来说，相对湿度冬季在40%～50%之间，夏季在50%～60%之间，人的感觉比较良好。
假如温度适宜，相对湿度即便在40%～70%的范围内变化，人们也能基本适应。
3.调温调湿设备
（1）空气的加热设备
空气的加热是通过加热器来实现的。
空调系统中所用的加热器一般是以热水或蒸汽为热煤的空气加热器或电加热器。
以热水或蒸汽为热煤的空气加热器一般均采用翅片管式换热器。
它是由几排（每排有数根）翅片管和联箱组成的。
当热水或蒸汽在管内流动，空气在翅片管间流动时，空气被高温的翅片表面及基管加热。
管内水或排汽的流速越大，加热越快；热水与空气间的温差越大，加热越快；空气与加热器接触面积越大，加热也越快。
因此可通过增加空气和水的流速，或靠增加排数来增大加热器面积的办法达到室内快速升温的目的，但此时加热器的空气阻力和水阻力均增加，风机和水泵的耗电也增加。
翅片管式空气加热器一般作为空调系统的一次或二次加热器。
一次加热器的任务在冬季是负责将一次回风和新风混合后的空气加热到指定温度，以便于系统进入加湿处理。
一次加热器多用于冬季室外气温较低的北方地区和全年一次回风混合比不变的系统。
对于冬季室外气温较高的南方地区和一次回风混合比可变的系统，可以通过调节一次回风混合比使一次回风和新风的混合温度达到设计值。
一次加热器夏季一般不使用，但有时也可将其内通自来水等作为新风预冷器，达到加热冷却两用的目的。
但此时冷。
热水管路上的阀门要严密，以防相互串通。
二次加热器是用于将被表冷器冷却或与二次回风混合后（有二次回风时）的空气加热到所需的送风温度。
常用于各类小型空调机组内的电加热器是通过电阻丝将电能转化为热能来加热空气的设备。
它具有加热均匀、加热量稳定、结构紧凑和易于控制等优点，在恒温恒湿精度较高的大型集中式系统中，常采用电加热器作为末端加热设备（或称为微调加热器，放在被调房间风道入口处）来控制局部加热。
电加热器的缺点是耗电量大、加热量大的场合不宜采用。
电加热器有裸线式和管式两种。
抽屉式电加热器是一种常用的裸线式电加热器。
裸线式加热器加热迅速、热惯性小。
结构简单，但易断线和漏电，安全性差；管式电加热器加热均匀、热量稳定、经久耐用、安全性好、可直接装在风道内，但其热惯性较为结构复杂。
（2）空气的减湿冷却设备
空气的减湿与冷却可以通过表面冷却器（表冷器）来实现。
与空气加热器结构类似，表冷器也都是翅片管式换热器，它的翅片一般多采用套片和绕片，基管的管径也较小。
表冷器内流动的冷媒有制冷剂和冷水（深井水、冷冻水和盐水等）两种。
以制冷剂为冷媒的表冷器称为直接蒸发式表冷器，多用于各类单元式空调器和房间式空调器中。
以冷水作为冷媒的表冷器称为水冷表冷器，多用于集中式空调系统和半集中式空调系统的末端设备中。
与加热器的工作原理类似，当空气沿表冷器的翅片间流过时，通过翅片和基管表面与冷媒进行热量交换，空气放出热量温度降低，冷媒得到热量温度升高。
当表冷器的表面温度低于空气的露点温度时，空气中的一部分水蒸气将凝结出来，此时称表冷器处于湿工况，从而达到对空气进行降温减湿处理的目的。
增大空气和冷水的流速，增加换热面积和空气与冷水间的温差，都可以提高传热量。
但风速和水的流速过大，风机和水泵耗电量增加，且在湿工况下，过大的空气流速容易将冷凝水带到表冷器后面的空气中，影响减湿效果。
设计时一般将表冷器迎面风速。
控制在2.5m/s左右，管内水的流速。
控制在0.6～1.5m/s。
表冷器的安装与以热水为媒的空气加热器安装方式基本相同，但表冷器下部应设积水盘，用来收集空气被表冷器冷却后产生的冷凝水。
表冷器的调节方法有3种：
水量调节、水温调节和通风量调节。
水量调节是改变进入表冷器的冷水流量，水温不变，使表冷器传热效果发生变化。
水量减少，表冷器传热量降低，空气温降小，除湿量也少；反之，增大冷水量，空气经过表冷器后的温降大，降湿量也多。
水温调节是在水量不变的条件下，通过改变表冷器进水温度，改变其传热效果。
进水温度越低，空气温降越大，除湿量也增加；反之供水温度提高，空气温降减小，除湿量降低。
该方式调节性能好，但设备复杂，运行也不太经济。
水温调节一般多用于温度控制精度较高的场合。
通风量调节就是控制通过表冷器的通风量。
（3）空气的加湿设备
在建筑中常遇到的空调系统一般均采用向空气中喷蒸汽的办法进行加湿。
常用的喷蒸汽加湿方法有干蒸汽加湿和电加湿两种。
干蒸汽加湿是将由锅炉房送来的具有一定压力的蒸汽由蒸汽加湿器均匀地喷入空气中。
而电加湿则是用于加湿量较小的机组或系统中。
电加湿器分为电热式加湿器和电极式加湿器两种。
电热式加湿器是将电热元件直接放在盛水的容器内，利用加热元件所散出的热量加热水而产生蒸汽，并且其体积较大。
电极式加湿器是用3根不锈钢棒（也可以是铜镀铬）作为电极，放在不易锈蚀的水容器中，以水作为电阻，通电后水被加热而产生蒸汽。
通过调整水位的高低，可以改变水的电阻，从而改变热量和蒸汽发生量。
电极式加湿器结构紧凑，多用于各类空调机组内，其加湿量较小。
（4）空气状态调节
空气调节是对房间或公共建筑物内的空气状态参数进行调节，一般来说；空气调节主要是对空气的温度、相对湿度进行调节。
空气调节的过程实际上是空气从一个状态变化到另一个状态的过程，当被调节的空气状态（温度、相对湿度）偏离了设定值时，就需要进行调节。
空气调节的原理就是应用空气状态参数相互间的关系，通过合理的加热、加湿、冷却、去湿步骤，使空气的状态发生人为的改变，达到设定状态。
我们通过t、φ、Pc三者之间关系的图来说明。
如图4-3所示，空气从状态A调节到状态E的状态变化过程，图4-4说明了整个处理流程。
1）冬季新风加热加湿处理 冬季室外新风的气温低，如果对新风加热至室内要求的标准，这时新风中的水气总量未发生变化，即Pc水气分压未变，因此加热后的空气相对湿度会大大降低。
为了使加热后的空气的相对湿度也能达到室内空气湿度的标准，在调节的过程中必需要进行加湿处理。
图4-5所示是冬季新风加热加湿处理的一种调节方法，其中的加湿是采用定温饱和加湿方式。
这种调节方式可以不用测量Pc或相对湿度。
新风首先加热至12℃，然后加湿至饱和，再加热至20℃，这时的相对湿度即为60%。
2）夏季新风减温去湿处理 夏季新风的调节与冬季相反，新风的气温高于室内空气，需要对夏季新风进行减温去湿处理。
如果对新风只进行降温至室内要求的标准，这时新风中的水气总量未发生变化，即Pc水气分压未变，因此降温后的空气相对湿度会大大增加。
为了使降温后的空气的相对湿度也能达到室内空气湿度的标准，在调节的过程中必需要进行去湿处理。
图4-6所示是夏季新风减温去湿处理的一种调节方法，其中去湿是采用定露点去湿方式。
这种调节方式可以不用测量或相对湿度。
新风首先降温至12℃的露点，然后使表冷器的表面温度稳定在露点温度，让空气中的一部分水蒸气充分凝结出来，至空气饱和，再加热至20℃，这时的相对湿度即为60%。
第四章 建筑设备监控系统
（二）
[2008-8-1510:
20:
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4.2空调系统的基本概念
影响室内空气环境参数的变化，主要是由两个方面原因造成的：
一是外部原因，D太阳辐射和外界气候条件的变化；另一方面是内部原因，如室内设备和人员的散热量散湿量等。
当室内空气参数偏离设定值时，就需要采取相应的空气调节措施和方法，使其恢复到规定值。
4.2.l空调系统的组成
一般空调系统包括以下几部分
1）进风 根据人对空气新鲜度的生理要求，空调系统必须有一部分空气取自室外，常称新风。
空调的进风口和风管等，组成了进风部分。
2）空气过滤 由进风部分引入的新风，必须先经过一次预过滤，以除去颗粒较大的尘埃。
一般空调系统都装有预过滤器和主过滤器两级过滤装置。
根据过滤的效率不同，大致可以分为初（粗）效过滤器、中效过滤器和高效过滤器。
3）空气的热湿处理 将空气加热、冷却、加湿和减湿等不同的处理过程组合在一起统称为空调系统的热湿处理部分。
热湿处理设备主要有两大类型：
直接接触式和表面式。
直接接触式：
与空气进行热湿交换的介质直接和被处理的空气接触，通常是将其喷淋到被处理的空气中。
喷水室、蒸汽加湿器、局部补充加湿装置以及使用固体吸湿剂的设备均属于这一类。
表面式：
与空气进行热湿交换的介质不和空气直接接触，热湿交换是通过处理设备的表面进行的。
表面式换热器属于这一类。
4）空气的输送和分配 将调节好的空气均匀地输入和分配到空调房间内，以保证其合适的温度场和速度场。
这是空调系统空气输送和分配部分的任务，它由风机和不同型式的管道组成。
根据用途和要求不同，有的系统只采用一台送风机，称为“单风机”系统；有的系统采用一台送风机和一台回风机，则称之为“双风机”系统。
管道截面通常为矩形和圆形两种，一般低速风道多采用矩形，而高速风道多用圆形。
5）冷热源部分 为了保证空调系统具有加温和冷却能力，必须具备冷源和热源两部分。
冷源有自然冷源和人工冷源两种。
热源也有自然和人工两种。
自然热源指地热和太阳能。
人工热源是指用煤、石油或煤气作燃料的锅炉所产生的蒸汽和热水，目前应用得最为广泛。
4.2.2空气调节方式
按照空气处理设备的设置情况，空气调节系统可分为集中系统、半集中系统和全分散系统。
1.局部式空调
在半集中空调系统中，除了集中空调机房外，还设有分散在被调节房间的二次设备（又称末端装置）。
变风量系统、诱导空调系统以及风机盘管系统均属于半集中空调系统。
全分散系统也称局部空调机组。
这种机组通常把冷、热源和空气处理、输送设备（风机）集中设置在一个箱体内，形成一个紧凑的空调系统。
房间空调器属于此类机组，它不需要集中的机房，安装方便，使用灵活。
可以直接将此机组放在要求空调的房间内进行空调，也可以放在相邻的房间用很短的风道与该房间相连。
一般说来，这类系统可以满足不同房间的不同送风要求，使用灵活，移动方便，但装置的总功率必然较大。
2.集中式空调
集中系统的所有空气处理设备（包括风机、冷却器、加热器、加湿器和过滤器等）。
都设在一个集中的空调机房内（如图4-7所示）。
经集中设备处理后的空气，用风道分送到各空调房间。
因而，系统便于集中管理、维护。
在建筑物中，一般采用集中式空调系统，通常称之为中央空调系统。
对空气的处理集中在专用的机房里，对处理空气用的冷源和热源，也有专门的冷冻站和锅炉房。
按照所处理空气的来源，集中式空调系统可分为循环式系统。
直流式系统和混合式系统。
循环式系统的新风量为零，全部使用回风，其冷、热消耗量最省，但空气品质差。
直流式系统的回风量为零，全部采用新风，其冷、热消耗量大，但空气品质好。
由于循环式系统和直流式系统的上述特点，两者都只在特定情况下使用。
对于绝大多数场合，采用适当比例的新风和回风相混合。
这种混合系统既能满足空气品质要求，经济上又比较合理，因此是应用最广的一类集中式空调系统（见图4-8）
中央空调的空气热湿处理系统如图4-9所示，系统主要由风门驱动器、风管式温度传感器、湿度传感器、压差报警开关。
电动调节阀、压力传感器以及现场控制器（DDC）等组成。
空调空气热湿处理系统的监控功能如下：
1）将回风管内的温度与系统设定的值进行比较，用PID（比例加积分、微分）方式调节，冷水／热水电动阀开度，调节冷冻水或热水的流量，使回风温度保持在设定的范围之内。
2）对回风管，新风管的温度与湿度进行检测，计算新风与回风的焓值，按回风和新风的焓值比例，控制回风门和新风门的开启比例，从而达到节能效果。
3）检测送风管内的湿度值与系统设定的值进行比较，用PI（比例加积分）调节，控制湿度电动调节阀，从而使送风湿度保持在所需要的范围之内。
4）测量送风管内接近尾端的送风压力，调节送风机的送风量，以确保送风管内有足够的风压。
5）其他方面，如风机启动／停止的控制、风机运行状态的检测及故障报警和过滤网堵塞报警等。
当环境温度过高时，室外热量从墙体和窗口传入，加上电灯、复印机、电视机及人体散发的热量等，使室温过高，空调系统通过循环方式把房间里的热量带走，以维持室内温度于一定值。
当循环空气（新风加回风）通过热湿处理系统时，高温空气经过冷却盘管先进行热交换，盘管吸收了空气中的热量，使空气温度降低，然后再将冷却后的循环空气吹入室内。
如果要想使室内温度升高，对风机盘管供应热水，空气被加热后送入室内。
空气经过冷却后，产生凝结水，相对湿度减少，变得干燥。
如果想增加湿度，可进行喷水或喷蒸汽，对空气进行加湿处理。
根据建筑物的使用功能，应集中空气系统与分散空气系统灵活地结合起来设计。
对于营业厅、多功能厅等公共场所采用集中式系统（全空气系统），对于客房等则采用风机盘管加新风系统（空气—水系统），这使设备及风井风道布置灵活，并可与建筑设计密切结合，也为自动控制及节能提供了方便。
4.2.3通风换气
送排风系统，根据各区域新风、室内二氧化碳浓度来设定送排风的定时启停，以达到保证新风量同时又节能的目的。
末端控制包括变风量和定风量两种，定风量末端大多采用温控器控制电磁阀方式调节，以达到舒适性控制目的，变风量末端一般自身带有控制设备，可用DDC同其接口监测其参数及运行状态以达到控制要求。
通风的任务是稀释和排出室内被污染的空气，借以改善空气的条件，以利于人们的生活、工作和学习，保证人们的身心健康，提高工作效率。
用通风方法改善内部环境，即把不符合卫生标准的污染空气净化或直接排至室外，把新鲜空气经净化符合卫生要求后送入室内。
前者称排风，后者称送风。
为此而设置的设备及管道称为通风系统。
通风方式有局部通风和全面通风。
按照空气流动动力不同，可分为机械通风和自然通风。
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