能源與環(huán)境協(xié)同控制的分析研究

李金峰，周 麗

（武漢商學(xué)院，湖北 武漢 430056）

建筑空調(diào)系統(tǒng)一般包括冷熱源系統(tǒng)、管網(wǎng)輸配系統(tǒng)和空調(diào)末端系統(tǒng)。目前較為常見的控制方法是將暖通空調(diào)系統(tǒng)人為割裂成主機(jī)群控系統(tǒng)，冷卻水變頻系統(tǒng)，冷卻塔變頻系統(tǒng)，冷凍水變頻系統(tǒng)等若干獨(dú)立的子系統(tǒng)，分別采用相應(yīng)的技術(shù)手段降低子系統(tǒng)的能耗，一般只能實(shí)現(xiàn)冷熱源主機(jī)的加減機(jī)控制、水泵變頻控制等基礎(chǔ)功能。然而在暖通系統(tǒng)中，冷熱源主機(jī)、各種水泵、冷卻塔、空調(diào)末端等，通過溫度、流量、壓差、傳熱等相互影響構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體。單個(gè)子系統(tǒng)能耗的降低并不意味著系統(tǒng)整體能耗的降低，換言之，某個(gè)設(shè)備或者某個(gè)子系統(tǒng)的能效比實(shí)際意義不大，暖通系統(tǒng)的綜合能效比才應(yīng)該是關(guān)注的核心。

為了在樓宇控制技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行開拓創(chuàng)新，通過機(jī)電專業(yè)緊密協(xié)同、控制軟件自主開發(fā)，對(duì)建筑消耗能源進(jìn)行分門別類的精確計(jì)量和管理，在確保建筑環(huán)境舒適度的前提下，依靠樓宇諸控制子系統(tǒng)之間的協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)建筑能源消耗的最大節(jié)約目標(biāo)。因此考慮采用建筑能源環(huán)境協(xié)同控制解決方案。

1 空調(diào)智慧節(jié)能控制系統(tǒng)

空調(diào)智慧節(jié)能控制系統(tǒng)是將協(xié)同控制解決方案中的若干項(xiàng)技術(shù)經(jīng)有效整合后，專門針對(duì)建筑空調(diào)領(lǐng)域的各種用戶需求提出的空調(diào)智慧節(jié)能控制系統(tǒng)。

1.1 適用于以下場(chǎng)合

建筑（辦公、醫(yī)療、商業(yè)、教育等）節(jié)能空調(diào)智慧控制系統(tǒng)；大型區(qū)域能源冷熱源自動(dòng)控制系統(tǒng)；天然氣分布式能源三聯(lián)供自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)建筑空調(diào)智慧系統(tǒng)，提供空調(diào)智慧節(jié)能控制系統(tǒng)整體化解決方案。通過機(jī)電一體化、軟件自主化、控制定量化三大技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)環(huán)境舒適和低碳節(jié)能兩大目標(biāo)?？照{(diào)智慧節(jié)能控制系統(tǒng)由空調(diào)能效智慧管理平臺(tái)、空調(diào)冷熱源智慧控制系統(tǒng)、空調(diào)末端智慧控制系統(tǒng)、空調(diào)能量平衡智慧控制系統(tǒng)組成。

（1）空調(diào)能效智慧管理平臺(tái)?？照{(diào)智慧能效管理平臺(tái)為空調(diào)智慧領(lǐng)域中的控制與數(shù)據(jù)采集的SCADA系統(tǒng)，是建筑空調(diào)智慧系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理及集中管理的核心，由工作站、打印機(jī)、服務(wù)器和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊裝置等組成。

（2）空調(diào)冷熱源智慧控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由智慧總控制柜、冷凍水泵控制柜、冷卻水泵控制柜、冷卻塔風(fēng)機(jī)控制柜、電動(dòng)閥門控制柜、現(xiàn)場(chǎng)智慧控制柜等設(shè)備組成?？扇娌杉麄€(gè)系統(tǒng)各種運(yùn)行參數(shù)，通過現(xiàn)代先進(jìn)控制技術(shù)，并結(jié)合我司特有的各種節(jié)能控制邏輯，實(shí)現(xiàn)空調(diào)智慧冷熱源系統(tǒng)精確定量化控制，確保系統(tǒng)高效、節(jié)能、安全運(yùn)行。該系統(tǒng)所采用的技術(shù)包括冷卻水溫度雙優(yōu)化智慧控制技術(shù)、冷凍水泵組動(dòng)態(tài)變頻優(yōu)化智慧控制技術(shù)、制冷主機(jī)能效優(yōu)化智慧群控技術(shù)、蓄冷空調(diào)系統(tǒng)——需求側(cè)響應(yīng)優(yōu)化控制技術(shù)。①冷卻水溫度雙優(yōu)化智慧控制技術(shù)。冷卻水系統(tǒng)是空調(diào)冷熱源智慧控制系統(tǒng)的重要一部分，分冷卻供水溫度控制和冷卻供回水溫差控制，稱之為冷卻水溫度雙優(yōu)化智慧控制技術(shù)；②冷凍水泵組動(dòng)態(tài)變頻優(yōu)化智慧控制技術(shù)。中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)設(shè)計(jì)大多為變流量系統(tǒng)，因此需要水泵根據(jù)負(fù)荷變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，在滿足末端空調(diào)水量分配需求前提下，達(dá)到單/多級(jí)冷凍水泵組綜合輸配能耗最小化為目標(biāo)。冷凍水泵組動(dòng)態(tài)變頻優(yōu)化智慧控制技術(shù)主要是以空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過預(yù)測(cè)負(fù)荷來預(yù)測(cè)未來冷凍水泵運(yùn)行參數(shù)，使供給的冷量與需求冷量匹配，最大限度減少能量浪費(fèi)并降低輸送能耗；③制冷主機(jī)能效優(yōu)化智慧群控技術(shù)。制冷主機(jī)作為空調(diào)智慧冷源系統(tǒng)中能耗權(quán)重最高的設(shè)備，其能效優(yōu)化智能群控技術(shù)可以在負(fù)荷發(fā)生改變時(shí)，合理制定投運(yùn)臺(tái)數(shù)策略，讓當(dāng)前運(yùn)行的制冷主機(jī)始終位于其高效區(qū)間，且盡可能減少投運(yùn)制冷主機(jī)的數(shù)量變動(dòng)，增強(qiáng)系統(tǒng)供冷的穩(wěn)定性。與此同時(shí)，還需要合理選擇應(yīng)實(shí)施啟停切換的制冷主機(jī)，實(shí)現(xiàn)若干臺(tái)制冷主機(jī)同步運(yùn)行的能效優(yōu)化智慧群控。源牌將開關(guān)機(jī)控制、優(yōu)化分組控制、主機(jī)時(shí)序控制和保護(hù)控制合并稱之為制冷主機(jī)能效優(yōu)化智慧群控技術(shù)；④蓄冷空調(diào)系統(tǒng)——需求側(cè)響應(yīng)優(yōu)化控制技術(shù)。蓄冷技術(shù)作為電力需求側(cè)管理DSM的重要支撐技術(shù)手段具有移峰填谷、減緩發(fā)電及輸配電設(shè)施建設(shè)并為使用單位顯著節(jié)省運(yùn)行電費(fèi)的突出優(yōu)勢(shì)。

（3）空調(diào)末端智慧控制系統(tǒng)?？照{(diào)末端智慧控制系統(tǒng)適用于常規(guī)全空氣系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)、變風(fēng)量系統(tǒng)以及柔性空調(diào)系統(tǒng)，通過對(duì)空氣處理機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤管、VAV-BOX以及溫濕度獨(dú)立控制末端設(shè)備的精確控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量、水量與空調(diào)負(fù)荷的有效匹配，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)風(fēng)量與室內(nèi)二氧化碳濃度的有效匹配，在確保高質(zhì)量的室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的前提下，顯著降低空調(diào)智慧末端設(shè)備的能耗。該系統(tǒng)采用的技術(shù)包括以下四種：①VAV變風(fēng)量空調(diào)智慧控制技術(shù)。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是全空氣系統(tǒng)的一種形式，亦稱VAV系統(tǒng)（Variable Air Volume System），其工作原理是在各房間設(shè)置VAV BOX，當(dāng)空調(diào)房間負(fù)荷變化時(shí)VAV BOX改變送入房間的風(fēng)量來滿足室內(nèi)負(fù)荷變化，保證房間溫度穩(wěn)定在設(shè)定值；同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)變風(fēng)量裝置的風(fēng)量變化，變頻調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)組送風(fēng)機(jī)頻率，改變系統(tǒng)的總送風(fēng)量，滿足系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷變化的需求，達(dá)到節(jié)能的目的；②THI溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)智慧控制技術(shù)。溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)，采用溫度與濕度兩套獨(dú)立的空調(diào)控制系統(tǒng)，分別控制、調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度與濕度，從而避免常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中熱濕聯(lián)合處理所帶來的損失。采用該技術(shù)與傳統(tǒng)系統(tǒng)項(xiàng)目比較，節(jié)能率可達(dá)30%～70%；③風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)智慧控制技術(shù)。風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是空氣-水空調(diào)系統(tǒng)中的一種主要形式，也是我國民用建筑中用最為普通的一種空調(diào)形式。它以投資少、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各類建筑中；④全空氣定風(fēng)量系統(tǒng)智慧控制技術(shù)。全空氣定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)采用集中送風(fēng)，將處理后的空氣送至空調(diào)區(qū)域，空調(diào)機(jī)組將過濾、表冷、加熱、加濕、消聲及送風(fēng)等各個(gè)功能段進(jìn)行優(yōu)化組合，滿足空調(diào)區(qū)域的溫濕度等參數(shù)要求。因定風(fēng)量空調(diào)實(shí)行集中送風(fēng)，不進(jìn)行獨(dú)立房間或區(qū)域的溫度單獨(dú)控制，因此廣泛應(yīng)用于會(huì)議室、商場(chǎng)、體育館等大開間場(chǎng)所。

（4）空調(diào)能量平衡智慧控制系統(tǒng)。流量平衡控制儀是一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)電一體化專利產(chǎn)品，專門應(yīng)用于中央空調(diào)末端設(shè)備流量調(diào)節(jié)與水力平衡節(jié)能集成控制。

2 集中供熱分戶計(jì)量與節(jié)能控制系統(tǒng)

集中采暖分戶計(jì)量及節(jié)能控制管理系統(tǒng)是基于接通時(shí)間分?jǐn)偡ㄔ矶_發(fā)的系統(tǒng)，它為用戶行為節(jié)能與熱量分?jǐn)傆?jì)量提供了一種先進(jìn)、實(shí)用的技術(shù)手段，為我國供熱改革提供了一個(gè)與目前國內(nèi)已有方法都不相同的新方案，在供熱計(jì)量技術(shù)路線選擇上有突破性的進(jìn)展，可以很好地滿足中國熱計(jì)量改革的技術(shù)要求。

室內(nèi)溫控器是用于測(cè)量室溫與設(shè)定溫度；室溫控制器根據(jù)室內(nèi)溫控器的溫度變化指令調(diào)節(jié)用戶入戶管道上的閥門開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)溫度控制功能；樓棟管理器以一定周期輪循訪問通訊轉(zhuǎn)換器、樓棟熱量表，并采集通訊轉(zhuǎn)換器存儲(chǔ)的閥門控制器的工作時(shí)間、周期內(nèi)通斷比，以及超聲波熱量表上的工作能耗；樓棟自力式壓差平衡閥調(diào)節(jié)樓與樓之間的水力平衡，保證在動(dòng)態(tài)的變流量工況下各樓之間的水力平衡。該系統(tǒng)實(shí)行自動(dòng)無線抄表，不需要管理人員對(duì)每個(gè)樓棟熱量表、戶用室內(nèi)溫控器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和整理、分析，更加科學(xué)及現(xiàn)代化。采用國際通訊標(biāo)準(zhǔn)，即以物聯(lián)網(wǎng)和成熟硬件設(shè)備通訊標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定的通訊設(shè)計(jì)。按需供熱、按量收費(fèi)、軟件操作界面簡(jiǎn)單、智能化用戶操作方式，實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備并及時(shí)提示障時(shí)維護(hù)。

3 建筑能源監(jiān)測(cè)計(jì)量與能效管理系統(tǒng)

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和環(huán)境資源壓力越來越大，節(jié)能減排形勢(shì)嚴(yán)峻。在推進(jìn)建筑領(lǐng)域節(jié)能工作中，如何管理和監(jiān)督好這些建筑用能是重中之重，想要獲得持久的節(jié)能效果，必須對(duì)耗能設(shè)備采取主動(dòng)，實(shí)施能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，使用已有技術(shù)來管理建筑照明、暖通空調(diào)（HVAC）、給排水、樓宇控制和配電系統(tǒng)的能耗。國家和各級(jí)政府為實(shí)現(xiàn)建筑的可持續(xù)發(fā)展，先后制定了很多有關(guān)建筑能源管理與節(jié)能控制方面的政策，以約束建筑行業(yè)更規(guī)范的管理，促進(jìn)建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)更好地發(fā)展。建筑能耗監(jiān)管系統(tǒng)以實(shí)際能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)建筑能耗的現(xiàn)有用能狀況進(jìn)行分析，并進(jìn)一步對(duì)水、電、氣、空調(diào)等能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)，并對(duì)配電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、給排水、用氣（汽）點(diǎn)、耗煤、耗油等進(jìn)行節(jié)能診斷及分析得出各種形式的報(bào)表和圖表，并通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比，即可做出較為科學(xué)的各類能源使用報(bào)告，達(dá)到最終能源在線監(jiān)測(cè)及控制的目的。最終以實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的可視化管理、能耗成本分析和關(guān)鍵指標(biāo)分析、制定節(jié)能改造計(jì)劃和評(píng)估體系、能耗計(jì)劃和績(jī)效考核管理，能源的計(jì)劃與預(yù)警等，為管理者和決策者提供能源管理和決策支持，使節(jié)能管理更加標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化和量化。

建筑能效綜合管理系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，集成了電子技術(shù)、自動(dòng)控制、信息采集與傳輸?shù)燃夹g(shù)的綜合管理應(yīng)用平臺(tái)。其主要由以下四大部分組成：

（1）信息發(fā)布平臺(tái)由中央服務(wù)器、信息管理器等組成，可將系統(tǒng)相關(guān)信息通過手機(jī)短信、IPAD、APP等方式傳送至用戶端。

（2）監(jiān)控中心部分由一系列計(jì)算機(jī)、顯示平臺(tái)、能效管理軟件等組成，將所有監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、顯示并送入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析和加工，同時(shí)可將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳與共享。

（3）通訊網(wǎng)絡(luò)部分是監(jiān)控管理中心與儀表之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，將采集層?shù)據(jù)通過各種網(wǎng)絡(luò)（RS485、RF、LAN、GPRS…）平臺(tái)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心或者數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。

（4）終端儀表部分包括一系列帶有智能遠(yuǎn)傳功能的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量?jī)x表，如時(shí)間型溫控器、熱量表、遠(yuǎn)傳智能水、電、燃?xì)獗?、傳感器等?/p>

建筑能耗監(jiān)測(cè)計(jì)量與管理系統(tǒng)將使建筑節(jié)能管理工作在能力建設(shè)和制度建設(shè)上取得全面突破，為建筑用能計(jì)量、統(tǒng)計(jì)分析、管理體系的建設(shè)搭建能效管理數(shù)字化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)用能數(shù)據(jù)的公開化、透明化，實(shí)現(xiàn)用能定額管理和低成本節(jié)能管理，從而建立科學(xué)的節(jié)能管理制度體系。通過該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)建筑能耗監(jiān)測(cè)全覆蓋，為建筑提供實(shí)時(shí)化、可視化、指標(biāo)化、自動(dòng)化、精細(xì)化的資源與環(huán)境管理手段，為節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)綠色建筑目標(biāo)提供技術(shù)支撐。

［1］趙美娟.集中供熱系統(tǒng)分戶熱計(jì)量的應(yīng)用研究［J］.天津職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，（6）：26-28.

［2］盧鈞.智能調(diào)系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用［J］.制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2011，（2）.

［3］馮自平.建筑節(jié)能新技術(shù)——?jiǎng)討B(tài)冰蓄冷［J］.建筑，2009，（3）.