建筑空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能策略

文｜北京瑞拓電子技術(shù)發(fā)展有限公司 王仁杰

建筑空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能策略

文｜北京瑞拓電子技術(shù)發(fā)展有限公司 王仁杰

1 商業(yè)建筑的耗能概況

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，寫字樓和酒店等商業(yè)建筑中的空調(diào)、照明、電梯等系統(tǒng)的耗能情況大致如下：寫字樓的空調(diào)耗能占總耗能的比例平均為60%，其下限為50%，上限不高于70%；酒店HVAC（熱、通風(fēng)和空調(diào)控制）耗能占總耗能的比例為44%。寫字樓照明耗能占總耗能的比例為23%～55%，平均26%；酒店照明耗能占總耗能的比例為29%，寫字樓電梯耗能占總耗能的比例為8%，酒店電梯耗能占總耗能的比例為10%。

2 智能建筑的節(jié)能措施

2.1 提高室內(nèi)溫濕度控制精度

室內(nèi)溫濕度的變化與建筑節(jié)能有著緊密的關(guān)系。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局統(tǒng)計資料表明，如果在夏季將溫度設(shè)定值下調(diào)1℃，將增加9%的能耗，如果在冬季將溫度設(shè)定值上調(diào)1℃，將增加12%的能耗。因此將室內(nèi)溫濕度控制在設(shè)定值精度范圍內(nèi)是空調(diào)節(jié)能的有效措施。歐美國家對室內(nèi)溫濕度控制精度要求為：溫度在±1．5℃，濕度在60±5%的變化范圍。

傳統(tǒng)的建筑由于沒有采用樓宇自控系統(tǒng)，往往造成夏季室溫過冷（低于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值）或冬季室溫過熱（高于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值）的現(xiàn)象。這不但對人體的健康和舒適性來講都是不適宜的，同時也浪費了能源。采用了樓宇自控系統(tǒng)的智能建筑，不僅可以按照設(shè)定自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度，還可以根據(jù)室外溫濕度和季節(jié)變化情況，改變室內(nèi)溫度的設(shè)定，使之更加貼合人們的需要，充分發(fā)揮空調(diào)設(shè)備的功能?？照{(diào)系統(tǒng)溫度控制精度越高，不但舒適性越好，同時節(jié)能效果也越明顯。

2.2 新風(fēng)量控制

根據(jù)衛(wèi)生要求，建筑內(nèi)每人都必須保證有一定的新風(fēng)量，但新風(fēng)量取得過多，將增加新風(fēng)耗能量。以上海地區(qū)酒店為例，在設(shè)計工況（夏季室溫26℃，相對溫度60%，冬季室溫22℃，相對濕度55%）下，處理1kg室外新風(fēng)量需冷量 6．5kWh，熱量 12．7kWh，故在滿足室內(nèi)衛(wèi)生要求的前提下，減少新風(fēng)量，有顯著的節(jié)能效果。

新風(fēng)量應(yīng)該根據(jù)室內(nèi)允許CO2濃度來確定，CO2允許濃度值一般取0．1%（1000ppm）。采取固定新風(fēng)量的方式是不夠精確的，因為隨著季節(jié)和時間以及空氣的污染情況的變化，室外空氣中CO2濃度是變化的，同時室內(nèi)人員的變化自然對新鮮空氣的需求也發(fā)生變化，所以最為合理的方式是根據(jù)室內(nèi)或回風(fēng)中的CO2濃度，自動調(diào)節(jié)新風(fēng)量，以保證室內(nèi)空氣的新鮮度，控制功能較完善的樓宇自控系統(tǒng)可以滿足這些控制要求。

2.3 機(jī)電設(shè)備最佳啟?？刂?/h3>

辦公和商場等建筑，夜晚是不需要空調(diào)的，因此為了保證工作開始時室內(nèi)環(huán)境的舒適，就需要提前對建筑進(jìn)行預(yù)冷、預(yù)熱。另外室內(nèi)溫度是慣性很大的被控對象，提前關(guān)閉空調(diào)也可以保證室內(nèi)溫度在一定的時間內(nèi)變化不大，樓宇自控系統(tǒng)通過對空調(diào)設(shè)備的最佳啟停時間的計算和控制，可以在保證環(huán)境舒適的前提下，縮短不必要的空調(diào)啟停時間，達(dá)到節(jié)能的目的；同時在預(yù)冷、預(yù)熱時，關(guān)閉室外新風(fēng)風(fēng)閥，不僅可以減少設(shè)備容量，而且可以減少獲取新風(fēng)帶來冷卻或加熱的能量消耗。

在商業(yè)建筑中照明的能源消耗要占全部能源消耗的很大部分，其中公共照明最容易產(chǎn)生能源浪費，對這些照明設(shè)備實行定時開關(guān)控制，甚至按照作息時間和室外光線進(jìn)行預(yù)程調(diào)光控制和窗際調(diào)光控制，可以極大降低能源消耗。

在實行多種電價的地區(qū)，利用樓宇自控系統(tǒng)，通過與冰蓄冷設(shè)備、應(yīng)急發(fā)電機(jī)等配合，可以在用電高峰時，選擇卸除某些相對不重要的機(jī)電設(shè)備減少高峰負(fù)荷，或投入應(yīng)急發(fā)電機(jī)以及釋放存儲的冷量等措施，實現(xiàn)避峰運行，降低運行費用。

2.4 空調(diào)水系統(tǒng)平衡與變流量管理

空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制算法是智能建筑節(jié)能的核心，通過科學(xué)合理的節(jié)能控制算法，不但可以實現(xiàn)溫度環(huán)境的自動控制，同時可以得到相當(dāng)可觀的節(jié)能效果。

空調(diào)系統(tǒng)的熱交換本質(zhì)是一定流量的水通過表冷器與風(fēng)機(jī)驅(qū)動的送風(fēng)氣流進(jìn)行能量交換，因此能量交換的效率不但與風(fēng)速和表冷器溫度對熱效率的影響有關(guān)，同時更與冷熱供水流量與熱效率相關(guān)。通常在沒有對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行有效的空調(diào)供水系統(tǒng)平衡與變流量管理時，常規(guī)的做法是以恒定供回水壓力差的方式來設(shè)定空調(diào)控制算法，結(jié)果溫濕度控制精度很差，能量浪費也是極其明顯的。這是由于在恒定的供回水壓力差之下，自平衡能力很差，流量值與實際熱交換的需要量相差甚遠(yuǎn)，因而造成溫濕度失控，能量浪費和設(shè)備受損。

通過對空調(diào)系統(tǒng)最遠(yuǎn)端和最近端（相對于空調(diào)系統(tǒng)供回水積水器而言）的空調(diào)機(jī)在不同供能狀態(tài)和不同運行狀態(tài)下的流量及控制效果測量參數(shù)分析，運行狀態(tài)中樓宇自控系統(tǒng)按照熱交換的實際需要，動態(tài)地調(diào)節(jié)各臺空調(diào)機(jī)的電磁閥，控制流量進(jìn)行相應(yīng)變化，因此總的供回水流量值也始終處于不斷變化之中。為了響應(yīng)這種變化，供回水壓力差必須隨之調(diào)整以求得新的平衡。應(yīng)通過實驗數(shù)據(jù)建立變流量控制數(shù)學(xué)模型（算法），將空調(diào)供回水系統(tǒng)由開環(huán)系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)系統(tǒng)。

2.5 克服暖通設(shè)計帶來的設(shè)備容量冗余

目前我國絕大多數(shù)暖通系統(tǒng)，為了保證能在最不利的環(huán)境情況下正常運行，在設(shè)計時往往采用靜態(tài)方法計算負(fù)荷，而且還引入較大的安全系數(shù)，以至于設(shè)備（如制冷機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、風(fēng)機(jī)等）選型方面往往偏大。暖通系統(tǒng)是一個典型的動態(tài)系統(tǒng)，一年之中的負(fù)荷絕不是均勻分布的，即使是一天之中的負(fù)荷也是隨時間而變化的。不恰當(dāng)?shù)娜哂鄬斐赡茉吹睦速M，而這種冗余是很難用人工監(jiān)控的方式來克服的。由于智能建筑科學(xué)地運用樓宇自控系統(tǒng)的節(jié)能控制模式和算法，動態(tài)調(diào)整設(shè)備運行，有效地減少了由于暖通設(shè)計帶來的設(shè)備容量和動力冗余所造成的能源浪費。

2.6 能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用

開發(fā)能源管理軟件，建立能源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)能耗跟蹤、節(jié)能的遠(yuǎn)程及就地控制。能源管理系統(tǒng)由各種計量儀表和軟件程序組成。安裝在空調(diào)設(shè)備（如制冷機(jī)組、冷卻水泵、冷凍水泵、風(fēng)機(jī)等）上的計量儀表不僅可以在系統(tǒng)運行時采集該設(shè)備的實時運行原始數(shù)據(jù)，還可以協(xié)助中央控制器，在系統(tǒng)軟件控制下，實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運行。軟件程序則是能源管理系統(tǒng)的中樞。

首先，由各種計量儀表采集的設(shè)備運行原始數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸通道傳輸?shù)街醒胩幚砥?，利用軟件程序?qū)ζ溥M(jìn)行分析整理，從而建立系統(tǒng)高效低能運行數(shù)據(jù)庫并集成在能源管理系統(tǒng)軟件中，為以后的能源管理提供基本依據(jù)。

然后，在空調(diào)系統(tǒng)的運行過程中，各種計量儀表采集相應(yīng)的運行數(shù)據(jù)傳輸給中央處理器，通過軟件程序的對比分析，擬合出系統(tǒng)的運行曲線，從而判斷系統(tǒng)是否處于節(jié)能運行狀況。若發(fā)現(xiàn)運行異常，系統(tǒng)軟件可根據(jù)采集的實時運行數(shù)據(jù)及所擬合的運行曲線，自動確定故障部位，發(fā)出聲光報警信號，通知故障檢測程序自動排障或指示設(shè)備管理人員人工排障。

此外，能源管理軟件還可自動存儲或打印設(shè)備運行數(shù)據(jù)和運行曲線，為后續(xù)的系統(tǒng)完善提供可靠資料。各種計量儀表也可通過顯示屏直接顯示運行數(shù)據(jù)，提高管理人員的節(jié)能意識。

3 節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效益評估

3.1 節(jié)能效益評價內(nèi)容與方法

智能建筑的節(jié)能是指智能建筑內(nèi)能源的消費和合理利用之間的平衡關(guān)系。衡量一個建筑智能化系統(tǒng)的節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效益應(yīng)該包括兩個方面的內(nèi)容：一方面是節(jié)能設(shè)計的范圍、類別，是僅僅考慮了直接節(jié)能，還是包含了廣義節(jié)能，是否具備潛在節(jié)能；另一方面是節(jié)能的實際效率和深度，節(jié)能效益到底有還是沒有、高還是低。這些都是判別建筑智能化系統(tǒng)實際功效的重要指標(biāo)。通常建筑物節(jié)能的內(nèi)容和對象包括建筑設(shè)計、空調(diào)系統(tǒng)、照明與設(shè)備，智能建筑節(jié)能不但包括原有傳統(tǒng)建筑所采用的節(jié)能方法，更重要的是采用先進(jìn)的科技來達(dá)到更準(zhǔn)確的調(diào)整和控制，即“主動節(jié)能”。

3.2 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能系數(shù)的計算

評估空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果的好壞，單從設(shè)計情況來考慮是不夠的，還需要計算空調(diào)系統(tǒng)的全年總耗能量。主要計算方法為當(dāng)量運行時間法。

當(dāng)量運行時間（τ）的定義是：全年空調(diào)冷負(fù)荷（或熱負(fù)荷）Q與制冷機(jī)（或鍋爐）最大出力q的比值，即：τ=Q/q。

負(fù)荷率ε是全年空調(diào)冷負(fù)荷（或熱負(fù)荷）Q與空調(diào)系統(tǒng)在累計運行時間內(nèi)總的最大出力之和的比例，即：ε=Q/qT。

式中T為空調(diào)系統(tǒng)累計運行時間。

結(jié)合二式后得：ε=τ/T。

式中：τ為采取節(jié)能措施后空調(diào)系統(tǒng)當(dāng)量運行時間，而T為未采取節(jié)能措施前空調(diào)系統(tǒng)實際運行時間。因此，ε可用于衡量空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果。

4 工程實例

遠(yuǎn)洋天地商務(wù)辦公大樓智能化工程主要內(nèi)容包括：樓宇自控系統(tǒng)（空調(diào)系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)及給排水系統(tǒng)的自動化監(jiān)控）、火災(zāi)自動報警與消防聯(lián)動控制系統(tǒng)、保安管理系統(tǒng)、背景音樂與緊急廣播系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)。

樓宇自控系統(tǒng)利用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、測量技術(shù)、圖形顯示技術(shù)，對空調(diào)、變配電、電梯、照明、給排水等系統(tǒng)實施監(jiān)視、控制和管理。建成以后運行至今，已產(chǎn)生了明顯的效益。

4.1 嚴(yán)格控制室內(nèi)溫濕度變化

嚴(yán)格控制室內(nèi)溫濕度變化，溫度變化幅度為±l℃，相對濕度變化幅度為±2%，有效地避免了空調(diào)系統(tǒng)的過冷或過熱現(xiàn)象。溫濕度控制精度的提高，不僅保證了舒適性，節(jié)能效益也相當(dāng)明顯。據(jù)實際數(shù)據(jù)計算，節(jié)能效果在15%以上。

4.2 變流量控制

為了滿足室內(nèi)溫濕度控制精度的要求，必須進(jìn)行對空調(diào)機(jī)組流量的動態(tài)管理，即變流量控制，以滿足調(diào)節(jié)閥的控制精度。從給水工藝角度來看，閥兩端壓降越小越好，可以減少阻力損失，減輕給水泵動力負(fù)荷；從控制的工藝特點來看，閥兩端應(yīng)保持一定的壓差，以提高可控性。

實測數(shù)據(jù)表明，當(dāng)空氣處理機(jī)流量達(dá)到額定流量工況時，調(diào)節(jié)閥兩端壓力僅為0．66kg/cm2～1kg/cm2。為了流量控制，通常的做法是通過供回水旁通閥的調(diào)節(jié)來平衡供回水壓差。但是僅僅依賴于旁通閥的壓差來控制流量有時作用并不明顯，也會增加不必要的能源消耗。

根據(jù)空氣處理機(jī)實際運行臺數(shù)和運行流量工況動態(tài)調(diào)整供水泵投入運行的臺數(shù)，并輔助旁通閥的微調(diào)來實現(xiàn)變流量控制的方式，避免了泄漏，提高了控制精度，減少了不必要的流量損失和動力冗余，因此可帶來明顯的節(jié)能效果。據(jù)實際數(shù)據(jù)計算，節(jié)能效果在25%以上。如果能夠?qū)⒐┗厮髁縿討B(tài)參數(shù)作為反饋量，調(diào)整冷水機(jī)組的運行工況，節(jié)能效果將更為明顯。

4.3 空調(diào)設(shè)備采用節(jié)能運行算法，減少不必要的“空轉(zhuǎn)”浪費

空調(diào)設(shè)備采用節(jié)能運行算法后，運行時間更趨合理。數(shù)據(jù)記錄表明，每臺空調(diào)機(jī)一天24小時中實際供能工作的累計時間僅僅2小時左右，兩年中綜合節(jié)能效果在30%以上，超出了原設(shè)計節(jié)能25%的目標(biāo)。

5 結(jié)束語

節(jié)能管理是建筑綜合管理的重要內(nèi)容，由于智能建筑的機(jī)電設(shè)備采用自動化監(jiān)控方式，使智能建筑利用先進(jìn)的綜合節(jié)能技術(shù)成為可能。同時，節(jié)能是建設(shè)智能建筑的主要目標(biāo)之一，節(jié)省運行和管理費用，是智能建筑高效率和高回報率的具體體現(xiàn)。