基于樓宇自動化系統(tǒng)設(shè)備節(jié)能管理的研究

倪燕欣(國家大劇院， 北京 100031)

國家大劇院是國家級表演藝術(shù)中心，擁有獨特的殼體結(jié)構(gòu)和21.75萬m2的巨大空間。作為智能建筑的重要構(gòu)成部分，國家大劇院的樓宇自動化系統(tǒng)秉承了智能、全面的設(shè)計理念，經(jīng)過不斷地完善和改造，不但滿足建筑設(shè)備智能化的基本要求，為大型公共空間提供舒適、宜人的環(huán)境，并且通過不斷完善的優(yōu)化控制策略在建筑節(jié)能方面發(fā)揮了一定的作用。

1 重點耗能機電設(shè)備概況

國家大劇院主要用能設(shè)備包括制冷機組、熱水循環(huán)泵、空調(diào)主機、空調(diào)循環(huán)泵、功率放大器及電機等。暖通空調(diào)系統(tǒng)、變配電及通風(fēng)系統(tǒng)屬于國家大劇院的環(huán)境用能。公共照明系統(tǒng)也是另一項重要耗能設(shè)備。樓宇自動化系統(tǒng)對于這些高耗能設(shè)備的運行及控制方式起著主要作用，其是否科學(xué)合理將直接影響到大劇院的能源消耗。

1.1 冷源與熱源設(shè)備

國家大劇院冷源采用4臺制冷量為1100RT的離心式冷水機組和1臺300RT雙機頭螺桿式冷水機組?？照{(diào)冷負荷約為15 000kW?？照{(diào)冷水一級泵與冷水機組相對應(yīng)設(shè)置和控制，為定流量運行。一次熱源由市政熱力網(wǎng)提供，空調(diào)采暖最大熱負荷約為10 000kW。通過4臺即熱式熱交換器和空調(diào)采暖熱水一級泵，供應(yīng)空調(diào)采暖用熱水。二級設(shè)置3套循環(huán)泵系統(tǒng)，變流量運行，分別為風(fēng)機盤管系統(tǒng)、空氣處理機組系統(tǒng)、輻射地板系統(tǒng)。

1.2 空調(diào)通風(fēng)

國家大劇院的空調(diào)機組是針對不同功能區(qū)域的不同采暖通風(fēng)功能而分別設(shè)置。對于歌劇院、戲劇場、音樂廳和小劇場的觀眾廳和演播室等溫濕度要求較為嚴格的空間，采用具有再加熱功能和加濕功能的全空氣處理機；對于南、北水下廊道、公共大廳、花瓣廳、橄欖廳、各劇場公共休息廳和休息環(huán)廊等部位濕度要求不高的區(qū)域，使用不具除濕或加濕功能的全空氣處理機；對于空間較大的內(nèi)區(qū)包括辦公區(qū)采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)機組的形式?？照{(diào)通風(fēng)系統(tǒng)將室外新鮮空氣經(jīng)過加熱/制冷、過濾等一系列處理由空調(diào)處理機送進室內(nèi)；將室內(nèi)廢氣通過各支路排風(fēng)機送入結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)層中的總排風(fēng)通路匯合，最后從總排煙機房的總排風(fēng)口排出。

1.3 公共照明

在國家大劇院幻彩迷人的公共空間里，各類功能照明形態(tài)各異，燈具種類繁多。有水下廊道的柱形燈、歌劇院頂層龍形燈、下照式射燈、橄欖廳四周與白玉墻融為一體的日光燈帶、歌劇院環(huán)廊玻璃吊片燈、戲劇場導(dǎo)軌燈、蛇形燈、支架燈等；還有鑲嵌在殼體上的蘑菇燈，室外園林照明等。光源有金屬鹵化物燈、鹵鎢燈、熒光燈、LED燈等。這些公共照明都是根據(jù)自控系統(tǒng)的設(shè)定程序，或根據(jù)演出時間，或根據(jù)某區(qū)域光照度自動開關(guān)。

2 建立機電設(shè)備的管理中心

經(jīng)過幾年時間的實踐運行探索，國家大劇院逐步建成了一套穩(wěn)定、高效的樓宇自控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對建筑物機電設(shè)備的集中管理，是集監(jiān)視、控制、預(yù)警、警告等多項功能于一身、集專業(yè)經(jīng)驗與智能技術(shù)于一身、集先進的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與自動化技術(shù)于一身的具有精細化管理模式的設(shè)備管理中心。

樓宇自控中控室是機電設(shè)備指揮調(diào)度中心，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架由C/S升級為B/S模式，所有設(shè)備運行狀態(tài)于工作站上一目了然，警告信息彈出報警，設(shè)備運行按照日程設(shè)定自動啟停，末端設(shè)備根據(jù)程序判斷自動調(diào)節(jié)，反饋回來的各類參數(shù)作為調(diào)節(jié)判斷的依據(jù)。

3 樓宇自動化系統(tǒng)在設(shè)備節(jié)能管理上發(fā)揮的作用

對于設(shè)備的節(jié)能管理，重點在于兩大主要監(jiān)控對象：空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)。而具體管理手段和措施，是在運行過程中依據(jù)大劇院的建筑特點和特殊要求逐步摸索而來。利用樓宇自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、報表統(tǒng)計和警告等功能，完成或協(xié)助完成各類設(shè)備的運行管理、維護維修和節(jié)能管理。

3.1 公共照明節(jié)能控制

國家大劇院公共照明整體控制遵循演出時段和參觀開放時段不同模式的原則。

1)區(qū)域光照度控制

國家大劇院南、北水下廊道和玻璃穹頂?shù)奶厥饨ㄖY(jié)構(gòu)使得環(huán)境照度受室外光照射影響較大。為了更好地節(jié)能，同時為了避免陰天影響白天參觀時段各區(qū)域的基本照度，通過安裝在不同區(qū)域的照度傳感器采集光照度信息，DDC控制器接收到光照度數(shù)據(jù)之后和設(shè)定的閾值進行比較，如果光照度值小于等于閾值則部分受控?zé)艟叽蜷_，如果光照度值大于閾值則受控?zé)艟哧P(guān)閉。

2)演出保障

國家大劇院演出多在晚間。劇場四周的功能照明在該劇場有演出時依次開啟，在觀眾進場時開啟那些表達空間形態(tài)、營造環(huán)境氣氛的燈具，營造大劇院的空間視覺效果。當(dāng)穹頂遠離夕陽的照射或陰天下雨光線暗淡，光感值下降到閾值時開啟筒燈等基礎(chǔ)照明。

在整個劇院都無演出時只開啟應(yīng)急照明。

白天開放參觀，對于觀眾參觀路線的照明同樣使用光感控制部分燈具的開啟。

3.2 末端空調(diào)機組節(jié)能控制

在保障參觀和演出時段舒適溫濕度環(huán)境的前提下，盡可能地啟用節(jié)能運行控制方式是空調(diào)節(jié)能運行管理的基本原則。國家大劇院共有空調(diào)和新風(fēng)機組88臺，排風(fēng)機90臺，總排煙風(fēng)機16臺。樓宇自動化系統(tǒng)完成所有空調(diào)機組和排風(fēng)機組的自動控制啟停、溫濕度的調(diào)節(jié)和空氣換氣循環(huán)的任務(wù)，自動控制與新風(fēng)機組配套的排風(fēng)機、車庫排風(fēng)機、總排煙風(fēng)機，使封閉空間的氣流組織有序地循環(huán)。公共大廳和四個劇場的環(huán)境溫濕度環(huán)境涉及室外天氣條件的判斷、冷熱源出水溫度的設(shè)定、總排煙風(fēng)機運行臺數(shù)、各空氣處理機溫濕度的控制、演出時間與觀眾人數(shù)等諸多因素。樓宇自動化系統(tǒng)與無線測溫系統(tǒng)進行實時通訊，根據(jù)設(shè)定值將劇場內(nèi)的無線測溫加權(quán)值作為相關(guān)調(diào)節(jié)參量，隨時調(diào)整各類設(shè)定參數(shù)，從而完成一系列的自動調(diào)節(jié)。

1)空調(diào)節(jié)能管理措施

(1)對于為公共空間服務(wù)的空調(diào)機組，原設(shè)計將回風(fēng)溫度作為被控對象，通過實踐運行發(fā)現(xiàn)因回風(fēng)溫度熱惰性大而影響控制效果。通過監(jiān)測現(xiàn)場溫度反饋，適時調(diào)整設(shè)定溫度。將送風(fēng)溫度作為受控對象，不但可提高控制效果，而且可縮短調(diào)節(jié)時間，提高效率，減少冷量多余的消耗。

圖1 空調(diào)機組的優(yōu)化控制

(2)對于啟閉有規(guī)律的設(shè)備，為其設(shè)定科學(xué)的日程管理，減少人為失誤概率，提高設(shè)備運行效率。

(3)將部分空調(diào)機組的過濾網(wǎng)壓差報警改為微壓差檢測，將原有只檢測過濾網(wǎng)壓差是否大于一個數(shù)值改為監(jiān)測過濾網(wǎng)兩端的壓差值，為更換過濾網(wǎng)提供科學(xué)的依據(jù)，既保證了內(nèi)區(qū)對新鮮空氣要求高的新風(fēng)質(zhì)量，又可降低室外空氣清新時期更換過濾網(wǎng)的頻率，節(jié)省資金，避免資源浪費。

2)優(yōu)化節(jié)能控制策略

對于國家大劇院這種高級別的演出場所，環(huán)境溫濕度要求比較嚴格，既能滿足演出劇場的溫濕度要求，又可最大限度地節(jié)能降耗是作者一直探索的課題。

1)過渡季新風(fēng)閥的調(diào)節(jié)

過渡季如何充分利用室外空氣來調(diào)節(jié)送風(fēng)溫濕度是作者比較關(guān)心的問題。為劇場送風(fēng)的空調(diào)機組和公共空間的空調(diào)機組，在改造之前的工作方式是設(shè)定當(dāng)室外溫度在18℃～22℃時自動將新風(fēng)閥開為100%全新風(fēng)狀態(tài)，利用室外空氣提供制冷。

為了在18℃～22℃范圍之外的過渡季仍可利用新風(fēng)作為冷/熱源調(diào)整送風(fēng)溫度的目的，優(yōu)化了部分空調(diào)機組程序，將室外焓值與室內(nèi)焓值比較，如非演出時段，自動連續(xù)調(diào)節(jié)新風(fēng)閥開啟度，最大限度地利用室外新風(fēng)調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度。在演出時段，在保證最小新風(fēng)量的基礎(chǔ)上PID調(diào)節(jié)新風(fēng)閥開度，以實現(xiàn)最大限度地節(jié)能。

2)除濕節(jié)能的優(yōu)化控制策略

夏季為了保證劇場內(nèi)濕度，對于六管制空調(diào)機組設(shè)定13℃露點溫度的控制目標，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)再熱水閥開度保證送風(fēng)溫濕度。但是夏季不排除室外有高溫低濕的天氣條件，13℃的露點溫度不免有些浪費。在沒有高要求的演出時段，嘗試將混風(fēng)露點值參與控制回路，與混風(fēng)溫度做比較，當(dāng)機組內(nèi)空氣含濕量偏低時適當(dāng)減小除濕量，同時熱水供應(yīng)量也相對減少，在達到送風(fēng)溫濕度要求的基礎(chǔ)上，盡可能地降低能耗。

3.3 冷熱源設(shè)備節(jié)能控制

1)冷水機組設(shè)備的節(jié)能管理

冷凍機組設(shè)備是空調(diào)系統(tǒng)中裝機容量最大的設(shè)備，其成套設(shè)備是否能高效運行非常重要，也是節(jié)能管理的重點。樓宇自動化系統(tǒng)主要控制的設(shè)備有冷熱水系統(tǒng)的補水泵、空調(diào)二次泵、風(fēng)機盤管二次泵。通過Modbus協(xié)議讀取冷凍機參數(shù)。

通過與冷凍機的聯(lián)機通訊，設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)冷凍水供回水溫度、冷卻水供回水溫度、冷凍機電流百分比、出水溫度設(shè)定等參數(shù)，在幾種模式選擇的前提下，再結(jié)合室外環(huán)境計算出啟機數(shù)量，為值班人員手動操作提供參考。冷水機組及其他相關(guān)設(shè)備同樣具備控制功能，但目前的管理方式為只監(jiān)不控。

圖2 空調(diào)二次水泵的優(yōu)化控制

2)熱源設(shè)備的節(jié)能管理

國家大劇院熱源供應(yīng)來自市政熱力熱水。通過一次管道上的熱計量表可監(jiān)測熱水使用流量。熱源設(shè)備的自動控制主要為二次水泵的調(diào)節(jié)和控制。

3)二次循環(huán)水泵的節(jié)能管理

國家大劇院的冷水和熱水循環(huán)系統(tǒng)均為變流量運行，設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)自動調(diào)整循環(huán)水泵的運行臺數(shù)和頻率以適應(yīng)末端設(shè)備的換熱需求，既能保證水系統(tǒng)的動態(tài)平衡，還可節(jié)能降耗。

根據(jù)大劇院參觀、演出活動特點編寫控制程序：白天循環(huán)水泵在設(shè)定時間開啟并按白天壓差設(shè)定值調(diào)節(jié)水泵和臺數(shù)，夜間在規(guī)定的時間按夜間設(shè)定壓差值維持水泵循環(huán)運轉(zhuǎn)，水泵根據(jù)設(shè)定自動增加/減少臺數(shù)或者增減頻率。冷/熱水的空調(diào)二次泵均各為4臺，多數(shù)時間運行2臺，程序根據(jù)設(shè)定的組間輪換時間自動兩兩倒泵，組內(nèi)的2臺水泵還可根據(jù)設(shè)定時間自動輪換運轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語

眾所周知，樓宇自動化系統(tǒng)的存在目的有三：一是提高設(shè)備運行效率；二是減少人力，提高設(shè)備管理水平；三是節(jié)能降耗。但目前國內(nèi)的建筑物可將三個優(yōu)勢都發(fā)揮出來的并不多見。經(jīng)過幾年不斷完善與升級，國家大劇院樓宇自動化系統(tǒng)基本能發(fā)揮上述三個優(yōu)勢，但仍有不盡人意之處。問題一：以目前的狀況來看，因硬件條件不具備，沒有電量分項計量，因此能源分項計量管理處于空白狀態(tài)。問題二：對于冷水機組的群控和市政熱力一次水等調(diào)節(jié)模式，有待于進一步摸索尋找自動控制模式與實際操作的最佳契合點。

作者希望通過努力，利用樓宇自動化系統(tǒng)建立一套集末端負荷數(shù)據(jù)精準采集、空調(diào)機組和冷熱源自動關(guān)聯(lián)控制、自動調(diào)整冷熱源的一次水流量、能源需求管理等功能于一身的設(shè)備管理模型，做到物盡其用，使樓宇自動化系統(tǒng)節(jié)能管理的優(yōu)勢進一步發(fā)揮出來。