原创：现代博物馆类建筑的建筑设备监控系统的应用浅析.doc

摘要：该文以中国国家博物馆建筑设备监控系统为背景，通过对博物馆内温湿度、空气质量及节能效果的控制分析，总结了博物馆类建筑在建筑设备监控系统应用的特点及难点，对实际类似工程建设具有一定的参考作用。 中国论文网 关键词：控制系统；工艺要求；节省能耗 中图分类号：TP18文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)10-2247-04 Studies of Building Automation System in the Application of Modern Museum BuildingCase Studies of China National Museum of Building Automation System DU Han (Department of automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: This article is based on Building Automation System of the China National Museum, which through the control analysis of temperature, humidity, air quality and energy saving effect in the museum, summarized the characteristics and difficulties of the Building Automation System applications in Museum class. Actual reference value applies to similar projects. Key words: control system; process requirements; saving energy consumption 随着科技的不断发展和进步，大量现代化的博物馆迅速崛起及发展。而现代化博物馆的大型化、智能化和多功能化，必然导致博物馆内机电设备种类繁多，技术性能复杂，维修服务保养项目的不断增加，管理工作已非人工所能应付。针对现代化博物馆的特点如何采用自动化监控系统技术及计算机控制技术对机电设备进行高效的管理，在达到设备工艺参数要求的同时，更好的节省能耗已成为现代博物馆设计的一个重要课题。将先进的建筑设备监控系统的理念融合到博物馆建筑设备综合控制系统中，可以大量的节省人力、能源、降低设备故障率、提高设备运行效率、延长设备使用寿命、减少维护及营运成本，提高建筑物总体运作管理水平。 1现代化博物馆类建筑的特点 现代化博物馆类公共建筑功能特点，除却一般为流量庞大的“人”（宾客、业主）服务外，同时还需要对各展馆内分门别类的“物”（文物、展品）服务。这就要求对博物馆类建筑设备监控系统在设计时要同时考虑与建筑物本身结构、工艺过程、建筑空间、消防、运营功能性及节能等多方面统筹兼顾，从整体上进行一体化设计，才能确保博物馆建筑各功能区域内全天候全日制稳定、舒适和安全的温、湿、光等环境。博物馆建筑体现了其多样性的特点，具体如下： 1）博物馆类建筑结构根据工艺要求进行设计，功能分区较多。如：长期展厅、临时展厅、文物库房、办公区、安检区、设备机房，特殊的对环境要求高的文物还要求单独设置精密空调，同时对入口的要求不同于一般的建筑，设计时入口大门要考虑到室内外的温差及节能等。因此我们在设计之初就要考虑工艺要求和功能分区，做到与其特点相匹配。 2）博物馆类建筑内部空间较大、层高较高，有的博物馆大厅从一层一直通到顶层。博物馆既要考虑到布展的尺寸空间，又要考虑到容纳众多参观人员的空间，因此内部空间很大；各展厅功能独立但空间又是互通的；有的大厅从一层至顶层是敞开的空间，高度甚至达几十米。在暖通空调系统设计时要考虑温度梯度，要采用与建筑结构相匹配的暖通设备及分层技术。 3）博物馆的建筑结构较为复杂，不同于普通建筑，博物馆结构布局多为异形构造，满足内部不同的布展及参观要求，同一个区域可能有多台空调机组同时对其服务，多个区域共用排风机，要保证系统运行时文物存放环境（温度、湿度、光照等）的稳定性，对系统的控制设备及控制技术要求很高。 2中国国家博物馆项目的背景 中国国家博物馆位于北京天安门广场东侧，是集文物征集、收藏、研究、展示、考古于一体的文化机构，主要包括展厅、文物库房、办公用房、武警用房、文物科研和文物保护用房、学术报告厅、数码影院、演播室、中央大厅和公共交通、休息、服务空间。总建筑面积19.19万平方米。中国国家博物馆工程是国家级的重点工程，是体现我国博物馆现代化进程的标志性项目。博物馆类项目相对于其它建筑大厦具备其独有的特点，博物馆内部具有大量的文物藏品空间和公共空间，对于库房，许多重要的文物藏品对储存环境的要求比较严格，而公共展览区等区域对空气质量以及活动舒适度的要求较高，因此建筑设备监控系统必须优化对暖通空调设 备的控制，并且保证安全性和可靠性。此外，中国国家博物馆中具有大量的机电设备，这些设备的运行是博物馆大楼耗能的主要原因，也是节能潜力较大的设备。通过采用监控系统的节能方案，利用先进的控制技术和网络技术，可以实现对所有机电设备的集中管理和自动监测，就能在确保楼内所有机电设备安全运行，提高大楼内人员舒适感和工作效率的同时达到节约能源的目的。针对中国国家博物馆的具体情况并结合大量相似的工程经验，采用了英国生产的Honeywell-Trend品牌的基于TCP/IP（Transmission Control Protocol / Internet Protocol，传输控制协议/互联网协议）的开放性以太网总线的IQ3控制器系统为数字博物馆量身定做了系统监控管理方案。并考虑到一定的冗余及系统先进性、开放性，一定能够充分满足用户将来不断增长和变化的需求。 3国家博物馆项目系统设计 针对国家博物馆项目实际情况，采用了Honeywell霍尼韦尔公司领先的基于TREND IQ3 DDC控制器的智能化楼宇监控系统。霍尼韦尔公司的IQ3控制器系统，是全球第一款内嵌图形化网络服务器，直接完全基于TCP/IP，以开放的Ethernet（以太网）直接作为管理/控制/现场总线进行监控数据通讯及网络互联的最新型控制系统。系统的架构如图1。 图1系统架构示意图 整个博物馆的建筑设备监控系统配置了101台IQ3控制器、779台扩展模块、相应的功能软件及集成第三方系统的接口软件，完成对博物馆内建筑设备的全局监控及能耗管理，具体监控内容如下： 1）环境参数测量 在老馆北区+29.00m、新馆+21.00m外部楼顶北侧的通风背阴处设置了两套温湿度传感器，检测环境参数，用于系统空调、新风参数、功能设定。 在文物库房和展厅内安装了共414个室内温湿度传感器，实时检测文物库房和展厅内的温湿度，用于和对应空调机组的回风温湿度对比分析并进行系统空调、新风参数、功能设定。在每个文物库房内均匀布置了2-4个温湿度传感器，在每个展厅内对温湿度要求较高的展柜内和观众游览区布置了4-6个温湿传感器。 在每台组合式空调机组的回风管中安装二氧化碳/空气质量传感器，检测空气质量参数，对多种气体都很敏感，能够测量出杂质的总水平。 2）送排风系统监控 在国家博物馆内分散分部了84台的送/排风机、64台消防排烟兼平时排风机，由BAS统一控制管理。非公共区域的排风机如厨房等由设备使用人员手动开关，BAS系统不参与远程控制。 系统根据编制的时间程序自动启/停风机，并监测风机的运行状态和故障信号，并累计运行时间，同时在中央站彩色图形显示，记录各种参数，包括状态、启停时间、累计运行时间及其历史数据等。 3）新风系统监控 对国家博物馆馆区内61台新风机组（PAU），由楼控系统统一监控管理，同时配置现场32位CPU的IQ3控制器进行现场的分散监测控制。 新风机组分为两种形式，一种是直流式新风机组（两管制），一种是热回收式新风机组（四管制）。 系统对新风机组除了常规的启停、状态、故障及联锁保护功能外，主要对送风温湿度的自动控制，根据传感器实测的温度值自动对冷/热水阀开度进行PID运算控制，保证送风温度达到设定温度的要求，控制精度在±2；根据湿度传感器的实测值自动对加湿阀进行PID运算控制，保证送风湿度达到用户的湿度设定值，控制精度在±5%范围内，当在夏季高湿工况下，采用表冷阀除湿降温、湿度优先的控制策略。在办公区采取空调间歇运行、最佳启停等策略进行节能控制；带热回收式的新风机组相对直流式的新风机组通过对排风热量的回收更好的节能。系统并可在图形操作站上显示及打印报警、历史曲线等。 4）组合式空调系统监控 国家博物馆馆区内的162台组合式空调机组（AHU），由楼控系统统一监控管理，同时配置现场32位CPU的IQ3控制器进行现场的分散监测控制。 空调机组分为三种对形式，一种是两管制空调机组，一种是四管制单风机空调机组，还有四管制双风机空调机组。 系统对两管制组合式空调机组除了常规的启停、状态、故障及联锁保护功能外，主要对回风温湿度的自动控制，根据传感器实测的温度值自动对冷/热水阀开度进行PID运算控制，保证送风温度达到设定温度的要求，控制精度在±1；根据湿度传感器的实测值自动对加湿阀进行PID运算控制，保证回风湿度达到用户的湿度设定值，保证24小时内波动在5%范围内，当在夏季高湿工况下，采用表冷阀除湿降温、湿度优先的控制策略，如除湿过程中温度过低，通过二次加热满足温度要求。温湿度控制精度越高、系统越稳定，在温湿度要求范围内其设定值的范围就越宽，相对节能效果越明显；同时采用在保证最小新风量的前提下调节新回风比控制混风温度在18，能最大限度的节约能耗；在办公区采取空调间歇运行、最佳启停等策略进行节能控制；带热回收式的新风机组相对直流式的新风机组通过对排风热量的回收更好的节能。系统并可在图形操作站上显示及打印报警、历史曲线等。 四管制的空调机组在控制策略上采取了更为复杂的控制策略，以保证温湿度的控制精度，具体控制规律见表1。 表1控制规律表 5）给排水系统监控 国家博物馆各分区分布大量的给排水设施，主要为污水的处理。 系统对水泵的运行状态、故障、手自动进行监测，并根据监测到的水箱或水池的液位进行水泵启停控制。工作泵发生故障时，备用泵自动投入运行。并互为备用水泵实现轮换工作。系统通过彩色三维图形显示，显示不同设备的状态和报警，显示每个参数的值，通过鼠标任意修改设定值，以求达到最佳工况。同时累计水泵及其他给排水设备的运行时间。 6）公共区域照明系统监控 国家博物馆公共区域照明有两种方式监控，在现场DDC控制器上通过硬接点方式监控部分公共照明区域的照明，同时BAS系统集成平台通过OPC接口与智能照明监控系统的主机相连，监测照明系统；根据各区域当前使用情况来控制相关区域照明，对建筑照明实行监控不仅简化操作，更重要的是利于节约电能。 7）其它通过通讯接口接入的第三方系统的集成 国家博物馆建筑设备监控系统通过通讯接口集成了电梯管理系统、变配电监控管理系统、冷源系统、热交换站监控管理系统、雨水监控系统，其中电梯监控管理系统开放给BAS标准的Modbus协议的接口（物理接口为RS485），其它系统皆通过主站开放给BAS标准的OPC协议的接口（物理接口为RJ45）。对国家博物馆BAS各子系统设备运行和检测数据的网络汇集与积累存储；系统软件充分通过与各子系统提供的开放性接口相连，汇集各子系统设备的运行和检测参数，并对各类数据进行积累与总计，以及各子系统之间，子系统内各设备之间的逻辑联动等自动化管理及节约能耗功能管理总成。 8）液体渗漏报警系统 在数据网络中心及库房等重要区域布放液体渗漏传感器，当有液体渗漏时报警，并在中央站图形显示，记录报警时间等历史数据。 9）展厅风阀控制的设置 在老馆北区复兴之路展厅、老南馆展厅、新馆部分展厅送风口上设置了电动送风阀，通过对送风口开度控制，保证冬夏季展厅温湿度环境。由于空气的气流组织有暖空气上浮、冷空气下沉的特点，冬季时送风口风阀角度为90°垂直方向，夏季时送风口风阀角度为30°较平的方向。 4国家博物馆项目技术特点及难点 1）工艺要求高，控制较为复杂。 对于文物库房及展厅工艺要求恒温恒湿，这就对控制系统提出了很高的要求，空调机组的新风量、回风量及排风量的匹配及实时调节，既要考虑到新风量对空气质量的影响，还有兼顾对温湿度的影响，又要考虑对室内正压的影响，任何环节的控制效果都会 影响展厅及库房内文物的安全及质量。 2）控制系统架构简单开放，主控器为直接完全基于TCP/IP的控制器。 系统以开放的Ethernet直接作为管理/控制/现场总线进行监控数据通讯及网络互联的新型控制系统开放协议，服务器监控软件为无限点位的软件，IQ3控制器直接接到交换机上，系统的容量十分庞大，突破了传统系统点位数量、控制器数量、总线数量等的限制。 3）对第三方通讯接口的集成度高，实时性及可靠性高。 系统对第三方系统的集成采用多种标准开放的通讯协议，有的系统除了通过上位机进行集成，还使用了控制器将如Modbus协议的电梯系统等接入系统，即保证了可靠性又确保了实时性。 4）室内温湿度传感器的安装位置确定困难。 室内温湿度的实测值用于和对应空调机组的回风温湿度对比分析并进行系统空调、新风参数、功能设定，因此次传感器的安装位置十分重要，但由于展厅的高度较高、结构为异形结构，存在温度梯度，既要兼顾气流组织结构，又要考虑将来展厅布展的不确定性或临时展厅每次布展的布局改变，所以传感器位置较难确定，要协调各方关系、考虑各种情况，在现场实际测量后才最终确定了安装位置。 5）多台机组共同服务同一个展厅，气流组织及压差开关安装位置确定困难。 展厅为区域大、空间广、层高较高的特殊建筑，存在多个空调机组、排风机共同服务于一个展厅的情况，多个机组共用一个送风管及回风管道，由于送风管道上没有安装电动风阀及执行器，送风方式又为上送风上回风方式，当并联的几台机组或风机其中的一部分工作时，风会倒灌回没有工作的机组内，造成短路现象，同时会影响风机压差开关的准确性。风机段的压差开关的安装位置也不好确定，由于送风口出来机组直接为一个软连接，紧接着为静压箱，静压箱后紧接着为共用的风道，所以风机段压差开关的正压口的位置不好确定。最后多次在现场实际测量后才最终确定了安装位置。 5结束语 通过对国家博物馆项目的成功实施并参考大英博物馆项目成熟经验，得出一些经验，在系统设计之初及整个实施过程中都必须紧密结合建筑物的功能及设备工艺要求进行设置，才能确保系统的控制效果及运行状态良好！ 为了充分体现国家博物馆的数字化的特色，我们精心设计、科学施工，利用先进的控制技术、数字网络技术等，在达到控制要求的基础上最大限度的节约了能源，充分体现了可持续发展的理念，切实保证了国家博物馆文物安全和适宜的参观、工作环境，同时提高了国家博物馆总体运作管理水平！ 参考文献： 1张子慧.建筑设备管理系统M.北京:人民交通出版社,2009. 2李冬辉.楼宇自控系统中节能控制的研究J.低压电器,2004(6). 3 TREND楼宇自控系统设计手册Z.英国卓灵公司编制,2008. 转载请注明来源。原文地址：