建筑自动化——理论与实践

本书结合实际工程中遇到的问题介绍建筑自动化系统。以结合工程问题的循环过程，从浅入深逐步介绍了控制系统的基本概念；控制原理的初步知识以及通断控制、PID控制等控制调节方法；建筑热湿环境的控制问题；并从整体的角度介绍建筑自动化系统的通信技术、设计过程、分析方法和关键问题。本书适用对象为高等院校电气工程与自动化、信息工程专业、智能建筑、建筑电气等本科专业的师生，也可供从事建筑、计算机、通信和自动控制等领域的技术人员和管理人员参考，并可作为与建筑设备自动化工程相关的技术人员的培训教材。

徐新华，华中科技大学环境科学与工程学院教授，博士生导师，环境学院副院长，于2008年获得*自然科学二等奖，于2011年入选*“新世纪优秀人才支持计划”。是核心期刊《中国舰船研究》与《土木工程》编委，是国际学术SCI期刊《International Journal of HVAC&R Research》,《Applied Thermal Engineering》等的论文评审专家。现任武汉制冷学会青年委员会主任委员、*学位中心论文评阅专家、全国暖通空调学会通风专业委员会委员、全国暖通空调学会计算机模拟专业委员会顾问委员、国际建筑性能模拟协会中国分会（暨IBPSA-China）会员、湖北省暖通空调委员会委员、湖北省绿色建筑与节能专业委员会委员、湖北省绿色建筑评价标识专家委员会委员、武汉市绿色节能技术与设备专业委员会委员。先后获得华中科技大学或环境学院“十佳青年教工”、“优秀共产党员”、“师德师风”先进个人等光荣称号。

目 录 1 绪 论 15 1.1 智能建筑概述 15 1.2 建筑自动化系统及组成 16 1.3 建筑自动化的主要功能 17 1.4 建筑自动化系统的结构 18 1.5 建筑自动化的发展趋势 19 1.6 本书的目的 21 2 集散型系统及其组成 22 2.1 集散型系统概述 22 2.1.1 集散型系统定义与特点 22 2.1.2 系统规模划分 23 2.1.3 集散型系统体系结构 24 2.2 传感器 25 2.2.1 传感器基本概念 25 2.2.2 传感器的主要性能参数 25 2.2.3 铂电阻温度传感器 27 2.2.4 智能传感器 28 2.3 执行器 29 2.3.1 执行机构 29 2.3.2 调节机构（水阀） 30 2.3.3 调节机构（风阀） 33 2.2.4 智能执行器 34 2.3.4 调节水阀（调节机构）特性 34 2.3.5 调节阀的流通能力与口径选择 36 2.3.6 阀权度 37 2.4 信号类型 39 2.5 控制分站 40 2.6 网络结构及功能 41 2.6.1 管理网络层 42 2.6.2 控制网络层 42 2.6.3 现场网络层 43 2.7 通讯协议 44 2.7.1 Modbus协议 44 2.6.2 BACnet协议 46 2.6.3 LonWorks总线 46 2.6.4 PROFIBUS现场总线 47 2.6.5 KNX总线 47 2.6.6 TCP/IP协议 48 2.6.7 无线通讯协议 49 2.7 网络传输媒介和设备 49 2.8 中央站 51 2.9 小结 52 3 控制过程与参数整定 54 3.1 过程控制 54 3.2 开环控制过程 55 3.3 闭环控制过程 56 3.4 比例控制律（Proportional control） 58 3.4.1 基本概念 58 3.4.2 传递函数表述与稳态偏差 59 3.4.3 稳态响应与示例 60 3.5 积分控制律（Integral control） 61 3.5.1 基本概念与偏差校正过程 61 3.5.2 传递函数表述与稳态偏差 62 3.6 微分控制律（Derivative control） 63 3.7 比例积分控制（Proportional-Integral Control） 64 3.8 控制参数整定 64 3.8.1 试凑法 65 3.8.2 开环试验法 66 3.8.3 闭环试验法 67 3.9 数字控制器中PID实现 67 3.10 实例分析 69 3.10.1 房间基本热力过程 69 3.10.2 房间温度传递函数 70 3.10.3 房间温度传递函数（一阶） 72 3.10.4 房间温度控制 74 3.11 小结 76 4 建筑自动化系统设计 78 4.1 建筑自动化系统设计要点 78 4.2 建筑自动化系统设计原则 79 4.3 典型空调系统监测控制 80 4.3.1 风机与水泵控制 80 4.3.2 风机盘管控制 81 4.3.3 新风系统 82 4.3.4 一次回风系统 85 4.4 典型冷热源系统监测控制 95 4.4.1 水冷式制冷机组冷源系统监控内容 96 4.4.2 常压热水锅炉热源系统监控内容 99 4.4.3 基本运行控制 102 4.4.4 水冷式制冷机组冷源系统冷量控制 103 4.4.5 常压热水锅炉热源系统热量控制 104 4.5 通风系统监测控制 104 4.5.1 监控内容 105 4.5.2 基本运行控制 106 4.5.3 环境控制与节能调控 107 4.4 给排水系统监测控制 107 4.4.1 高位水箱给水系统自动监控 107 4.4.2 恒压给水系统自动监控 110 4.4.3 排水系统自动监控 111 4.6 照明系统监测控制 113 4.6.1 照明基本组件 113 4.6.2 传感器与控制元件 114 4.6.3 照明控制器 115 4.6.4 照明监测控制 115 4.6.5 照明控制协议与应用系统 117 4.7 电扶梯系统监测控制 118 4.5 变配电系统监测控制 119 4.8 小结 120 5 空调变风量系统控制方法 122 5.1 概述 122 5.2 无变风量末端变风量空调系统与控制 122 5.3 有变风量末端的变风量空调系统与控制 123 5.4 变风量末端及控制 123 5.4.1 单风道变风量箱及控制 124 5.4.2 风机动力型变风量箱及控制 127 5.4.3 其他变风量末端 128 5.5 定静压控制法 130 5.6 变静压控制法 131 5.7 总风量控制法 132 5.8 按需新风量控制策略 132 5.8.1 按需新风控制策略描述 132 5.8.2 动态人员检测与关键区确定 133 5.8.3 新风比校正及*优新风量 134 5.8.4 新风控制 134 5.9 控制方法案例分析 135 5.9.1 某地铁站空调系统风水联动控制 135 5.9.2 某大楼变风量系统应用研究 145 5.9.3 某地铁站变风量系统应用研究 150 5.9.4 新风控制策略效果分析 153 5.9 小结 156 6 空调冷热源水系统控制方法 157 6.1 空调冷热源系统概述 157 6.1.1 中央空调系统热质传递过程 157 6.1.2 冷源系统 158 6.1.3 热源系统 160 6.2 制冷机组控制方法 162 6.2.1 制冷机组群控 162 6.2.2 制冷机组优化序列控制 165 6.2.3 冷冻水出水温度优化控制 166 6.3 冷却水系统控制方法 167 6.3.1 冷却水泵变流量控制 167 6.3.2 冷却塔变风量控制 168 6.3.3 冷却水回水温度优化控制 169 6.4 一级泵变流量系统控制方法 171 6.5 二级泵变流量系统控制方法 172 6.5.1 一级泵定流量二级泵变流量控制 173 6.5.2 一级泵变流量二级泵变流量控制 174 6.6 其它系统的控制方法 175 6.6.1 超高层建筑中央空调板式换热器分区供冷控制 175 6.6.2 锅炉热水供热系统控制 177 6.7 小结 178 7 课程实验实践 179 7.1 动力装置的正反转及互锁控制平台 179 7.1.1 实验目的 179 7.1.2 电气原理图 179 7.1.3 实验装置与实验流程 180 7.1.4 实验报告及要求 182 7.2 动力装置手自动控制平台 183 7.2.1 实验目的 183 7.2.2 电气原理图 183 7.2.3 实验装置与控制流程 185 7.2.4 实验报告要求 186 7.3 空调模拟系统室内温度控制平台 186 7.3.1 实验目的 186 7.3.2 电气原理图 186 7.3.3 实验装置与控制流程 188 7.3.4 实验报告及要求 189 7.4 全尺寸空调系统控制平台 189 7.4.1 实验目的 189 7.4.2 全尺寸空调系统及原理图 189 7.4.3 自动控制系统及原理图 191 7.4.4 系统电气图 194 7.4.5 控制实验 201 7.4.6 控制策略提升 205 7.4.7 实验报告及要求 205 7.5 融合IOT的综合大楼空调系统数字孪生及系统状态分析 205 7.5.1 实验目的 205 7.5.2 实验原理 206 7.5.3 实验装置与介绍 207 7.5.4 实验内容 208 7.5.5 实验报告及要求 209 7.6 小结 209 8 实际工程设计应用案例分析 210 8.1 宾馆酒店类建筑 210 8.1.1 工程概况 210 8.1.2 系统方案描述 210 8.1.3 空调系统控制原理图 216 8.1.4 控制点表 221 8.2 大型办公建筑变风量末端系统 223 8.2.1 工程概况 223 8.2.2 系统方案描述 223 8.2.3 控制系统原理图 225 8.3 地铁车站环控系统 226 8.3.1 工程概况 227 8.3.2 系统方案描述 227 8.3.2.1 需求分析 227 8.3.2.2 系统设计范围 227 8.3.2.3 系统架构 227 8.3.3 控制系统原理图 230 8.3.4 预期控制效果 234 8.4 高效机房系统 234 8.4.1 高效制冷机房系统标准化设计 235 8.4.2 设备精细化选型 236 8.4.3 高效机房多智能体分布式节能控制系统 238 8.4.4 高效机房调试 247 8.4.5 高效机房云端运维 251 8.4.6 高效机房应用案例 251 8.5 小结 257 9 空调系统能效提升控制改造案例分析 258 9.1 宾馆酒店类建筑 258 9.1.1 工程概况及现状 258 9.1.2 系统方案描述 260 9.1.3 控制系统原理图 262 9.1.4 监控功能提升 263 9.1.5 节能控制效果 264 9.2 医院类建筑 265 9.2.1 工程概况及现状 265 9.2.2 系统方案描述 268 9.2.3 控制系统原理图 270 9.2.4 监控功能提升 271 9.2.5 节能控制效果 272 9.3 地铁车站环控系统 273 9.3.1 工程概况及现状 274 9.3.2 系统方案描述 276 9.3.3 控制系统原理图 283 9.3.4 监控功能提升 284 9.3.5 节能控制效果 285 9.4 综合商场类建筑 288 9.4.1 工程概况 288 9.4.2 系统方案描述 289 9.4.3 系统原理图 291 9.4.4 监控功能提升 292 9.4.5 节能控制效果 294 9.5 小结 295 10 传感器与执行器选型 296 10.1 水管温度传感器 296 10.2 风道式温度传感器 297 10.3 浸入式温度传感器 298 10.4 室内外空气温度传感器 299 10.4.1 室内型温度传感器 299 10.4.2 室外型温度传感器 300 10.5 湿度传感器 302 10.6 室内外温湿度传感器 303 10.6.1 室内型温度传感器 303 10.6.2 风管型温度传感器 304 10.6.3 室外型温度传感器 306 10.7 空气压力压差传感器 307 10.8 液体压力压差传感器 309 10.8.1 液体压力变送器 309 10.8.2 液体压差变送器 311 10.9 流量计 312 10.10 冷热量表 313 10.11 风速传感器 314 10.12 CO2传感器 315 10.13 CO传感器 317 10.14 甲醛传感器 318 10.15 PM2.5/PM10传感器 319 10.16 液位传感器 320 10.17 液位开关 321 10.18 水流开关 323 10.19 空气压差开关 324 10.20 防冻开关 326 10.21 静态流量平衡阀 328 10.22 动态流量平衡阀 329 10.23 动态流量平衡控制调节阀 331 10.23.1 动态流量平衡电动调节阀 331 10.23.2 智慧阀-DIM系列智慧阀 332 10.24 电动风阀执行器 334 10.25 电动球阀 335 10.25.1 电动球阀DVQ系列 335 10.25.2 DDF系列FCU电动二通截止阀 337 10.25.3 DQF系列FCU电动二通球阀 338 10.26 电动蝶阀 339 10.27 温控器 342 10.28 多功能电量仪 343 10.29 小结 345 11 常用控制器 346 11.1 概述 346 11.2 美控DDC控制器 347 11.2.1 KONG DDC-E0 349 11.2.2 KONG DDC-E0-lite 350 11.2.3 KONG DDC-IO 350 11.2.4 KONG Touch-7 触控屏 352 11.2.5 KONG EM 353 11.2.6 KONG DDC-M0 353 11.2.7 KONG DDC应用架构 355 11.2.8 KONG DDS系列 355 11.3 西门子PLC控制器 357 11.3.1 S7-200 CPU 357 11.3.2 S7-200 扩展模块 360 11.4 其它DDC控制器 362 11.9 小结 364 12 系统软件介绍与案例 365 12.1 美控DDC软件平台与编程 365 12.1.1 平台介绍 365 12.1.2 功能描述 365 12.1.3 常用功能模块 366 12.1.4 编程流程 370 12.1.5 编程实例 372 12.2 STEP 7 编程 373 12.2.1 软件介绍 373 12.2.2 软元件 376 12.2.3 PLC I/O分配 377 12.2.4 基本顺序指令 377 12.2.5 传送与比较等其它指令 380 12.2.6 PLC编程实例 383 12.3 小结 384 13 建筑自动化系统施工与调试 385 13.1 一般规定 385 13.2 施工安装 385 13.3 系统调适 387 13.4 验收 388 13.5 小结 389 参考文献 390 附录 391 A 电气控制部分基础 391 A-1 交流接触器 391 A-2 中间继电器 392 A-3 时间继电器（KT） 393 A-4 接触器控制电路实例 394 A-5 继电器-接触器控制电路实例 395 B 美控DDC高级暖通算法封装模块 396 B-1 组合式空气处理装置风机频率控制算法封装模块 396 B-2 组合式空气处理装置水阀开度控制算法封装模块 397 B-3 组合式空气处理装置风阀开度控制算法封装模块 399 B-4 组合式空气处理装置加湿器开度控制算法封装模块 401 B-5 组合式空气处理装置启停优化控制算法封装模块 402 B-6 末端输出控制算法封装模块 404 B-7 三速风机启停控制算法封装模块 406 B-8 自然供冷启停控制算法封装模块 407 C 课程设计任务书 409 C-1 空气处理系统课程设计 409 C-2 冷源系统课程设计 410 ？