演播厅楼宇控制系统模式改造及应用

张 宇

（作者单位：四川广播电视台）

演播厅楼宇控制系统模式改造及应用

张 宇

（作者单位：四川广播电视台）

四川广播电视台针对演播厅楼宇控制系统的新控制模型和控制模式改造项目适用于四川广播电视台广电中心是具有集节目拍摄、节目制作、节目播出于一体的智能化功能型大楼，拥有众多演播厅，直播间等节目制作空间。并具有空间大，舒适性要求高、灯光、布景等工艺设备众多以及不同规模、不同类型的节目灯光及舞美效果设计差异大，工艺设备负载变化大、节目制作不同阶段人员负荷变化较大、设备摆放位置不确定等特点。项目运用自动控制学理论和数学理论，从数学控制模型入手，科学分析模型构成和影响因素，找到影响控制的实质性因素，并提出新的控制模型和新的控制模式，针对性改善由于楼宇控制系统原设计与实际运行环境多变特点不能完全匹配的状态，其表现为系统控制不精确、控制延时、舒适度不理想；温度范围变化大容易形成冷凝水损坏工艺和布景设备；控制过程不稳定，能耗过大，执行设备更换频繁等。运用新的控制模式，结合本地天气特点，利用BAS系统各DDC之间良好的通讯功能和中央电脑强大的计算功能，在确保被控区域舒适性的前提下，改造楼宇控制系统采用春秋季节控制模式和预冷控制模式尽可能利用自然供冷，减少机械制冷的时间；实现空气处理机组的多工况分区运行，有效挖掘楼宇控制系统节能性能。为电视台创造了良好的社会效益和经济效益。

新的控制模型；新的控制模式；节能性能

四川广播电视台广电中心建成于2011年，四川广播电视台广电中心是具有集节目拍摄、节目制作、节目播出于一体的智能化功能型大楼，它具有更专业、多功能性的特点。整个项目采用西门子的楼宇控制系统平台对空调系统、新风系统、给排水系统等进行统一的协调集中控制和管理。有别于其他商业型建筑、办公型建筑，四川广播电视台广电中心的楼宇控制系统在控制规模、控制方式上有很大的差异性和特点，特别是演播厅，直播间有着特殊的需求更是其它建筑没有的新特性。整个四川广播电视台广电中心有1500m2、400m2、250m2、100m2各类规模演播厅共计13间，电视新闻直播间4间，电台直播间12间。针对演播厅、直播间等具有空间大，舒适性要求高、灯光、布景等工艺设备众多以及不同规模、不同类型的节目灯光及舞美效果设计差异大，工艺设备负载变化大、节目制作不同阶段人员负荷变化较大、设备摆放位置不确定等特点。运用自动控制学理论和数学理论，从数学控制模型入手，科学分析模型构成和影响因素，找到影响控制的实质性因素，并提出新的控制模型和新的控制模式，针对性改善由于楼宇控制系统原设计与实际运行环境多变特点不能完全匹配的状态，其表现为系统控制不精确、控制延时、舒适度不理想；温度范围变化大容易形成冷凝水损坏工艺和布景设备；控制过程不稳定，能耗过大，执行设备更换频繁等。实现四川广播电视台大型演播厅、直播间环境的舒适度提升、提供工艺设备安全使用环境、节约大量能源。演播厅楼宇控制系统运行安全、稳定、可靠，在提供安全、舒适、节能的建筑环境上发挥了巨大的作用，为四川广播电视台创造了良好的社会效益和经济效益。

1 系统简介

楼宇自控系统（Building Automation System）主要包括空调新风机组、送排风机、集水坑与排水泵、电梯、变配电、照明等。在整个楼宇范围内，通过整套楼宇自动控制系统及其内置最优化控制程序和预设时间程序，对所有机电设备进行集中管理和监控。在满足控制要求的前提下，实现全面节能，用控制器的控制功能代替日常运行维护的工作，大大减少日常的工作量，减少由于维护人员的工作失误而造成的设备失控或设备损坏。

2 系统拓扑图

系统拓扑图，如图1所示。

图1 系统拓扑图

3 演播厅特点及演播厅空调系统负荷特性分析

大型演播厅空调系统负荷主要由工艺负荷、新风负荷、人员负荷构成，项目1500 m2大型演播厅负荷比例如图2所示，工艺负荷占比高达73%，是演播厅负荷的主要负荷。

图2 1500m2大型演播厅负荷比例

3.1 工艺设备负荷

由于节目制作特殊工艺需要，通常需要设置大量舞台效果灯具、LED显示大屏等，这些设备的耗电功率大部分都转化为热量。不同的规模、不同类型的节目灯光及舞美效果设计差异非常大，导致工艺设备发热量相差较大，据台近两年对演播厅运行数据统计，发现大型节目演播厅工艺设备最大发热量可达400W/m2，小型节目工艺设备发热量仅为100 W/m2左右。

在节目录制过程中由于灯光效果的不断变化，灯光发热量并不稳定，如图一某档节目制作过程中灯光电流变化曲线，发热量变化率约为50%。LED显示屏由于一般在节目录制过程中均需要一直开启，所以LED大屏发热量相对稳定，如图3所示。随着技术的发展，LED冷光源得到大量的使用，目前灯光的发热量已大幅降低，如本档节目制作过程中，灯光负荷约为LED大屏负荷的40%。

图3 某节目舞台灯光电流变化曲线；某节目舞美LED屏电流变化曲线

3.2 围护结构负荷

演播厅通常置于建筑内区，周围布置与之配套的导控室、候播厅、化妆间、更衣室附属房间，加之建筑内墙200～300 mm厚的声学装修材料使隔墙的传热系数大大降低。因此大型演播厅围护结构的耗热量基本可以忽略。

3.3 人员负荷

1500 m2演播厅可容纳观众及工作人员500人，节目制作的不同阶段变化较大，如彩排、预录时仅有少量演员及工作人员，正式录制时的人员基本达到满负荷。

3.4 新风负荷

由于人员密集，建筑对噪声要求严苛，通常演播厅气密性要求很高，为满足人员卫生要求，需要大量的新风，这也使得新风负荷较大。

4 目标任务

（1）针对演播厅具有空间大，舒适性要求高、灯光、布景等工艺设备众多以及不同规模、不同类型的节目灯光及舞美效果设计差异大，工艺设备负载变化大、节目制作不同阶段人员负荷变化较大、设备摆放位置不确定等特点，运用自动控制学理论和数学理论，从数学控制模型入手，科学分析模型构成和影响因素，提出新的控制模型，针对性改善由于楼宇控制系统原设计与实际运行环境多变特点不能完全匹配的状态，其表现为系统控制不精确、控制延时、舒适度不理想；温度范围变化大容易形成冷凝水损坏工艺和布景设备；控制过程不稳定，能耗过大，执行设备更换频繁等。

（2）针对四川天气等特有情况，对演播厅运用新的控制方法，达到节约能源的目的。

5 原有控制模型、实际情况、问题分析、创建新控制模型及运用

四川广播电视台演播厅楼宇控制系统对空调采用经典的PID控制算法，系统通过温度传感器测出室内温度变化，并将温度变化转变成相应的电信号输送给温度控制器，温度控制器将接受到的信号与给定值进行比较得出偏差，并根据偏差的大小和方向按照预定的调节规律转换成控制信号控制电动二通阀，决定其开启或关闭，控制水流量，对室温进行调节。室温自动控制系统框图如图4所示。

图4 室温自动控制系统框图

PID控制算法如下：

图5 理想的自动控制系统曲线图

5.1 问题分析

四川广播电视台楼宇系统设计建设之初，承建商对楼宇控制系统设计施工，没有考虑到四川广播电视台广电中心作为工艺性质大厦的特点，更没有考虑到演播厅，直播间具有的独特性能和需求。导致楼宇控制系统在演播厅空间大，舒适性要求高、灯光、布景等工艺设备众多以及不同规模、不同类型的节目灯光及舞美效果设计差异大，工艺设备负载变化大、节目制作不同阶段人员负荷变化较大、设备摆放位置不确定等特点下运行达不到预期效果。据美国国家标准局统计资料表明，如果在夏季将设定值温度下调 1℃，将增加 9%的能耗，如果在冬季将设定值温度上调 1℃，将增加12%的能耗。因此将室内温湿度控制在设定值精度范围内是空调节能的有效措施。欧美等国对室内温湿度控制精度要求为：温度为±1.5℃，湿度为±5% 的变化范围。空调系统温度控制精度越高，不但舒适性越好，同时节能效果也越明显。经过专业工程师对四川广播电视台演播厅实际情况多次数据采集和分析，问题如下、

（1）由于演播厅工艺设备和布景设备安装位置多变，会把演播厅观众，演员等实际感受的区域和安装在墙面的房间温湿度传感器进行空间分割，使得传感器采集的温湿度参数的准确性和及时性受到不同程度影响。这样原有控制模型中控制参数不能准确和及时反应演播厅真实的温湿度。在演播厅内需要制冷时，通常会造成传感器采集的温度高于实际问题，使得楼宇控制系统误认为制冷未达到效果而进一步制冷，造成演播厅温度过低。引起冷凝水形成损坏工艺和布景设备。而当温度需要回升时往往实际温度恢复得又比采集温度快，使得楼控系统误认为温度还未到制冷的设定值而不启动空调制冷，使得实际温度过高。实际这种现象增加了整个控制模型调节的干扰因素、延迟了系统的调节时间、影响了系统调节超调量和稳态误差以及静态误差，综而影响了整个控制模型的稳定特征和性能，甚至严重的会造成系统控制根本无法稳定，温湿度参数一直随时间曲线等幅度震荡或发散震荡（如图6所示），这样会造成演播厅温度变化范围过大、舒适度差，并伴随能源的大量浪费。

（2）由于演播厅空间大，灯光、布景等工艺设备众多，在不同规模、不同类型的节目灯光及舞美效果设计差异大，工艺设备负载变化大，大大增加控制的难度和不可控性，原有控制模型针对性不强，不能及时针对工艺设备负载变化而调整控制。

（3）节目制作不同阶段人员负荷变化较大、设备摆放位置不确定，大大增加控制的难度和不可控性。原有控制模型不能及时针对现场人员负荷参数变化而调整控制。

图6 不稳定的控制曲线图

5.2 改进方案

根据原有控制模型与实际情况产生的不匹配，而造成整个模型控制不稳定或者控制指标不理想。专业技术人员根据实际需求，针对性的创建新控制模型。

新控制模型引入两组新输入变量参与整个控制模型的全程控制过程，两组变量参数分别为风机送风管道和回风管道温湿度变量参数。

回风管道温湿度参数的引入。引入回风管道温湿度参数主要目的是为了解决原有控制模型中房间温湿度参数不能准确和及时的反应现场真实情况，在引入回风管道温湿度参数后，新控制模型通过新参数和原有参数进行程序运算得到更能反映现场真实情况的新参考变量并及时进行PID控制。这样做提高了控制模型中返回值的精确性和及时性，使得控制模型表现出的控制曲线在超调量、稳态误差、静态误差和调节时间等控制指标上都得优化。

（1）整个控制过程减小了超调量和稳态误差，实际反映出演播厅温湿度动态变化范围缩小，观众舒适度提升，系统机械制冷时间减少，能耗下降。

（2）整个控制过程减小了调节时间，实际反映出演播厅温湿度动态变化时间缩短，观众舒适度提升，系统机械制冷时间减少，能耗下降。

（3）整个控制过程减小了静态误差，实际反映出演播厅温湿度实际稳定温湿度和设定温湿度误差小，观众舒适度提升，系统机械制冷时间减少，能耗下降。

（4）综上情况，整个系统控制更加易于稳定。

送风风管道温湿度参数的引入。引入送风管道温湿度参数主要目的是为了进一步减小原有控制模型中超调量过大，稳态误差大，调节时间短等影响控制过程指标的情况。在引入送风管道温湿度参数后，新控制模型通过新参数在程序运算中设定控制模型的被控参量变化范围，进一步控制整个控制过程的稳态误差、调节时间。这样使得控制模型表现出更好的控制曲线和更好的稳定性。

（1）整个控制过程被控参量变化范围，进一步限制稳态误差，实际反映出演播厅温湿度动态变化范围缩小，观众舒适度提升，系统机械制冷时间减少，能耗下降。

（2）整个控制过程进一步减小了调节时间，实际反映出演播厅温湿度动态变化时间缩短，观众舒适度提升，系统机械制冷时间减少，能耗下降。

（3）整个系统控制更加易于稳定，减少出现发散曲线等不稳定控制形态。

综上所述，新控制模型改善了演播厅楼宇控制系统的整体效果，使得演播厅温湿度控制更加迅速、精确，大大提升演播厅舒适度，并减少控制的机械制冷时间，降低大量能耗。另一方面新的控制模型，增加了控制变量，增强了楼宇控制系统的可控性，减少由于温湿度过快变化而造成的冷凝水形成损坏工艺设备问题。第三方面，新的控制模型，大量减少系统设备机械运动次数和行程，将使系统设备使用寿命大大延长，节约费用开支。

6 演播厅节能运行模式

四川广播电视台专业工程师经过长期的数据跟踪，并结合本地域的天气特点，利用楼宇控制系统各DDC之间良好的通讯功能和中央电脑强大的计算功能，在确保被控区域舒适性的前提下，改造楼宇控制系统增加春秋季运行模式、预冷控制模式。这样的运行模式尽可能利用自然供冷，减少机械制冷的时间，实现空气处理机组的多工况分区运行，有效挖掘楼宇控制系统节能性能。空气处理过程中，在春秋季节，温度适宜的情况下可以在适宜的条件下避免冷热量相互抵消，采用变新回风方法，最大限度利用新风。在不牺牲舒适的前提下，达到节能的目的。但在夏季和冬季需要冷量和热量时，新风量取得过多，系统将增加新风耗能。根据资料显示，设计工况（夏季室温 26℃，相对湿度 60%，冬季室温 22℃，相对湿度 55%）下，处理1kg室外新风量需冷量 6.5kWh，热量12.7kWh，根据卫生要求，建筑内每人都必须保证有一定的新风量。故在满足室内卫生要求的前提下，减少新风量，有着显著的节能效果。

四川广播电视台楼宇具体控制运行模式

（1）空调机组控制模式。由于演播厅工艺负荷占比大，发热多，即使在冬季也需要供冷。而由于不同类型节目负荷差异很大，负荷变化范围大，楼宇控制系统利用各DDC之间良好的通讯功能和中央电脑强大的计算功能，在确保被控区域舒适性的前提下，宜采用新风冷却，并根据负荷和现场舒适度需求及时调整相应的空调系统的输入冷量，维持室内温度在舒适范围内。项目演播厅组合式空调控制方式如图7所示。

图7 演播厅空调系统BA控制图

按运行模式分为夏季及春秋两种模式。

①夏季运行模式：当室外空气温度高于于回风温度时，楼宇控制系统通过控制模型自动打开混风阀，在保证新风需求的情况下，尽量减小新、排风阀开度，调节连接自备冷源的表冷器电动阀开度控制室内温度，若电动调节阀保持全关，室内温度仍然继续下降，则自动调节送、回风风机频率和新、排风阀开度，改变新、排风量，保持室内温度在设定值，节约空调系统能耗的同时，提高空气质量。②春秋运行模式：当室外空气温度低于回风温度时，楼宇控制系统通过控制模型自动关闭混风阀，保持新、排风阀全开，调节连接自备冷源的表冷器电动阀开度控制室内温度，若电动调节阀保持全关，室内温度仍然继续下降，则自动调节送、回风风机频率，改变新、排风量，保持室内温度在设定值，节约空调系统能耗的同时，提高空气质量。

（2）新风量控制模式。演播厅空调设计工况下，人员密集，新风设计负荷占比较大。而实际使用时，根据节目制作的不同阶段、节目规模，人员数量与设计状态相差较大，若不及时调整必会造成大量的能源浪费。楼宇控制系统通过控制模型通过空气质量传感器采集二氧化碳浓度，在夏季运行模式下，根据实时监测室内二氧化碳含量，通过调整新、排风阀开度控制进入室内新风量，控制二氧化碳含量在设定范围内，在保证房间空气质量的同时节约了系统的运行能耗。

（3）预冷控制模式。由于节目制作时间通常较短，演播厅空间较为密闭，蓄热性能较好，工艺设备热量大，温度上升很快，因此楼宇控制系统一般须提前半小时开启空调新风进行预冷却。

7 结语

四川广播电视台针对演播厅楼宇控制系统新控制模型和控制模式改造项目针对四川广播电视台广电中心特点。充分利用现有设备和平台，在控制模型和控制模式上做文章，带来了良好经济效益和社会效益。项目突破了传统思路，大胆创新，运用自动控制学理论和数学理论，从数学控制模型入手，科学分析模型构成和影响因素，找到影响控制的实质性因素，建立和运用具有针对性的新控制模型。实现了楼宇控制系统精确控制、及时控制、提高环境舒适度；增强控制系统的可控性，避免冷凝水形成条件和工艺、布景设备损坏 ，提供了设备安全使用环境；同时延长执行设备使用寿命，同时也带来了大量的能源节约。同时运用针对四川广播电视台大型演播厅具体情况新的控制模式。实现空气处理机组的多工况分区运行，有效挖掘楼宇控制系统节能性能，节约大量的能源。

[1]刘伟.我国暖通空调节能技术研发分析[J].空调制冷信息,2011(9).

[2]潘云钢.高层民用建筑空调设计[M]北京:中国建筑工业出版社,1999.