智能建筑暖通空調(diào)的節(jié)能方法探析和系統(tǒng)優(yōu)化研究

李國偉

（中國城市建設(shè)研究院有限公司）

1 引言

暖通空調(diào)能耗占到建筑能耗的30%左右，夏季則更高。在智能建筑中，通過節(jié)能措施和系統(tǒng)優(yōu)化，電能消耗可節(jié)省50%左右，充分體現(xiàn)了低碳、節(jié)能的建筑設(shè)計(jì)理念。在傳統(tǒng)建筑中，早期的暖通空調(diào)系統(tǒng)大部分都是采用定流量的水力系統(tǒng)來對室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，而智能建筑中更多的要求是以變流量、變風(fēng)量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)需求性的功能體現(xiàn)。高效率、低能耗，是智能建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)的總體思路。然而目前暖通空調(diào)在智能建筑中的實(shí)際應(yīng)用中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)效果，高能耗問題依然比較突出，智能化控制水平還有待進(jìn)一步提高。

2 智能建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)需要遵循的兩大基本原則

2.1 節(jié)能減排

節(jié)能是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，節(jié)能是智能建筑必須要考慮首要原則，既要提高資源、能源綜合利用率，還要做到減排。暖通空調(diào)設(shè)計(jì)要借助溫控器、調(diào)節(jié)閥、傳感器以及氣候補(bǔ)償器等設(shè)備，在滿足用戶舒適度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。優(yōu)化設(shè)計(jì)上要結(jié)合建筑形式以及室內(nèi)外溫差，秉持環(huán)境保護(hù)原則，盡量使用比如太陽能、地?zé)崮芤约翱諝饽艿染G色能源，減少對電能、石化能源的消耗，做到節(jié)能減排。

2.2 舒適性原則

智能建筑的暖通空調(diào)不僅要實(shí)現(xiàn)通風(fēng)換氣、調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度、溫度三大基本功能，而且還要打造舒適健康、宜居空間，比如采用綠色環(huán)保制冷劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氟氯代烷類制冷劑，減少對人體以及環(huán)境的破化，運(yùn)行設(shè)計(jì)上要更具人性化。

3 暖通空調(diào)高能耗的原因分析

3.1 暖通空調(diào)運(yùn)行系統(tǒng)的關(guān)鍵部分沒有實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行的目標(biāo)

暖通空調(diào)系統(tǒng)屬于建筑物內(nèi)的高能耗部分，節(jié)能減排的前提必須保證高效運(yùn)行。在實(shí)際運(yùn)用中，暖通空調(diào)系統(tǒng)中包括風(fēng)機(jī)、水泵、冷機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的一些關(guān)鍵部位往往會(huì)發(fā)生偏離關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，運(yùn)行軌跡不合理，做到不高效運(yùn)行，出現(xiàn)資源浪費(fèi)和不必要的能源消耗。

3.2 運(yùn)行切換開關(guān)智能化不高

暖通空調(diào)要想根據(jù)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行，智能化切換開關(guān)配置必不可少。開關(guān)要充分體現(xiàn)自動(dòng)化、智能化以及高靈敏度的特點(diǎn)。比如智能開關(guān)切換器可以通過感測室內(nèi)溫度變化而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換控制，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，這樣就在很大程度上避免了過度供應(yīng)的能源消耗。但是目前有一些自動(dòng)切換開關(guān)裝置的靈敏度并不高，和理想設(shè)計(jì)還是有一點(diǎn)差距，不能保證整個(gè)系統(tǒng)能夠完全按照空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況以及室內(nèi)溫度的變化而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確切換的自動(dòng)控制管理。

3.3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)欠缺合理性

建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是影響暖通空調(diào)能耗的一個(gè)重要因素。室內(nèi)采光、通風(fēng)設(shè)計(jì)，墻體保溫以及窗戶的朝向、開孔大小都是不可忽視的重要因素，而且在建筑材料的選擇上也要有所講究，首選綠色環(huán)保材料。玻璃幕墻是智能建筑中常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一些設(shè)計(jì)者往往只從審美角度考慮，而忽略了能源平衡和節(jié)能減排的思考，這就會(huì)加大整個(gè)系統(tǒng)的能源流失和內(nèi)外區(qū)的冷熱不均，空調(diào)系統(tǒng)要發(fā)揮調(diào)節(jié)穩(wěn)定的作用，勢必會(huì)加大能耗。

4 暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的一些方法

智能建筑對低碳環(huán)保、低能耗有著高標(biāo)準(zhǔn)的要求，經(jīng)過實(shí)踐研究工程師們也總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)。

①優(yōu)化蓄能系統(tǒng)。蓄熱和蓄冷是暖通空調(diào)在智能建筑中發(fā)揮調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度功用的兩個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)，能耗占比較大，所以首先要考慮蓄能系統(tǒng)的優(yōu)化。蓄冷方面可以在設(shè)計(jì)時(shí)考慮“串并聯(lián)”的方式，更有利于冷能的存儲(chǔ)和充分利用；蓄熱方面要把重點(diǎn)放在水加熱的環(huán)節(jié)，選擇能耗低的加熱系統(tǒng)。

②運(yùn)用熱能回收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冷凝熱和排風(fēng)余熱的重復(fù)利用。

③通過采集設(shè)備、蓄能設(shè)備，加大對地?zé)崮堋⑻柲艿睦?，減少暖通空調(diào)系統(tǒng)對電能和石化能的依賴。

④供暖系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。比如在設(shè)計(jì)建筑物單體內(nèi)的供暖系統(tǒng)時(shí)，可以通過設(shè)置溫控調(diào)節(jié)閥來對水流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。

⑤對變頻空調(diào)以及通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。變頻調(diào)速設(shè)計(jì)對空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能有明顯的成效。

5 智能建筑BA控制系統(tǒng)中暖通空調(diào)的優(yōu)化控制

BA系統(tǒng)系樓宇設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)，以微機(jī)為中心，通過網(wǎng)絡(luò)，對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的各智能分站進(jìn)行連接，并通過末端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對智能建筑樓宇內(nèi)的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控與管理的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。在智能建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行控制中，BA系統(tǒng)能夠?qū)ㄖ?nèi)的變配電設(shè)備、電源設(shè)備、測量監(jiān)控設(shè)備、空調(diào)設(shè)備以及空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備等運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視，并通過RTU實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控管理。

BA控制系統(tǒng)中對暖通空調(diào)控制的優(yōu)化，重在分析VAV和VRV的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出優(yōu)化方案。在暖通空調(diào)系統(tǒng)中，新風(fēng)以及送排風(fēng)工作量大，節(jié)能優(yōu)化首先就應(yīng)該考慮到這一點(diǎn)，所以，很有必要在保證正常運(yùn)行的前提下，運(yùn)用DDC控制器取代日常的運(yùn)行和維護(hù)，這樣能夠在很大程度上減少設(shè)備損壞和運(yùn)行失控。在智能建筑中，優(yōu)化暖通空調(diào)系統(tǒng)，一要找到系統(tǒng)運(yùn)行的最佳參數(shù)匹配，二要對系統(tǒng)的運(yùn)行過程做狀態(tài)模擬（定量化），簡化控制環(huán)節(jié)，提升系統(tǒng)響應(yīng)速度。

5.1 DDC與PID的合理選用

BA系統(tǒng)DDC的處理能力分為大、中、小三個(gè)級別，根據(jù)建筑物要求的功能來講，新風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)以及空氣處理機(jī)一般使用中小型控制器就可，但是在大型的熱力站以及冷凍機(jī)房就應(yīng)該選擇大型的控制器，這樣匹配可以降低設(shè)備使用故障并提高各個(gè)控制器之間的通訊可靠性。自控的VRV中央空調(diào)控制器，能夠遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)對末端設(shè)備的監(jiān)視和操控。VRV中央空調(diào)調(diào)制器輸出的通訊接口RS232/RS485，通過總線R485或者TCP/IP局域網(wǎng)等組網(wǎng)傳輸方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對所有VRV末端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集以及控制，比如溫度監(jiān)測、溫度設(shè)定、模式設(shè)定、風(fēng)速控制、啟?？刂埔约肮收蠄?bào)警等。至于樓宇自控、中央空調(diào)的節(jié)能管理等系統(tǒng)平臺(tái)，可以根據(jù)自控VRV中央空調(diào)控制器的通訊協(xié)議，做二次開發(fā)與集成，以實(shí)現(xiàn)末端設(shè)備的集中控制管理，當(dāng)然也可以選擇跟其他設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。

①要保證空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就必須要給空氣處理機(jī)的DDC匹配正確的PID參數(shù)。如果PID系數(shù)選擇偏低，要達(dá)到設(shè)定溫度值就需要較長的過度時(shí)間。偏高的話達(dá)到設(shè)定溫度所需要的過度時(shí)間就比較短。但他們之間并不是一種反比的曲線關(guān)系。PID系數(shù)選擇偏高，就會(huì)導(dǎo)致DDC控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，導(dǎo)致室內(nèi)溫度的波動(dòng)，而水側(cè)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥也會(huì)出現(xiàn)周期性的來回運(yùn)動(dòng)。PID參數(shù)選擇的合理性，可以實(shí)現(xiàn)對日常非熱慣性空調(diào)場合的控制。PID參數(shù)的確定一般有三種方式：如果已經(jīng)知道臨界點(diǎn)的頻率，可按照直接整定的原則確定PID參數(shù)。如果已知臨界頻率點(diǎn)過程對象的幅值，就要把臨界點(diǎn)移動(dòng)到相位裕度和幅值裕度為點(diǎn)上來確定PID參數(shù)，可同時(shí)滿足了相位裕度與幅值裕度兩者的要求。做繼電反饋控制實(shí)驗(yàn)，把控制對象一階加純滯后或二階加純滯后近似的模型計(jì)算出來，然后再按相位裕度與幅值裕度要求或靈敏度把PID計(jì)算出來。必須要提醒的是，比如在展覽中心、大劇院這些大開間的建筑內(nèi)，靠提高PID系數(shù)來提升機(jī)組對負(fù)荷改變的響應(yīng)速度的辦法是不可取的?？梢詫囟葌鞲衅鞣謩e安裝到室內(nèi)和空調(diào)送風(fēng)道，由主DDC控制器來完成室內(nèi)的溫度設(shè)定，而副DDC就依據(jù)風(fēng)道內(nèi)的溫度傳感器以及主DDC的指令來完成對水閥的驅(qū)動(dòng)。

②要提高系統(tǒng)對于溫度波動(dòng)變化的響應(yīng)速度，還可以采取雙級控制的辦法，讓室內(nèi)溫度的變化和風(fēng)道溫度的變化保持一致。在實(shí)際運(yùn)用中，要根據(jù)不同的功能要求，采用適當(dāng)?shù)挠行Х椒ā１热?，在商業(yè)綜合體的建筑中，在夏秋季節(jié)，可以通過程序設(shè)定讓系統(tǒng)在清晨自動(dòng)啟動(dòng)新風(fēng)機(jī)和空氣處理機(jī)，達(dá)到換氣遇冷的目的。新風(fēng)量的控制可以通過室內(nèi)外二氧化碳的濃度檢測比較值來確定，通過程序日程表設(shè)置自動(dòng)完成。

5.2 BA控制權(quán)的合理使用

BA一定要遵循中央控制站的集中管理，以發(fā)揮中央控制的主導(dǎo)作用，具體運(yùn)用要視具體情況分析而定。比如綜合樓的大型會(huì)議室設(shè)計(jì)，一般都要對各個(gè)房間的空調(diào)通風(fēng)系數(shù)參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置，這樣更能滿足各用戶的個(gè)性需求。但DDC本身不具有這種分項(xiàng)功能，用戶可通過VRV控制面板的設(shè)定器來完成操作。

5.3 控制網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，并建立BAS監(jiān)控中心

①設(shè)計(jì)人員必須要考慮到對系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的組成以及分支進(jìn)行優(yōu)化，對于基于RS485總線技術(shù)上的控制網(wǎng)絡(luò)，要盡可能的簡化其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以有效提高控制網(wǎng)絡(luò)的可靠性。小型工程的RS485總線控制網(wǎng)絡(luò)可以采用“手拉手”布線，而大型工程建議使用樓層網(wǎng)絡(luò)分級方式。

②BAS是智能建筑的核心控制室和中樞系統(tǒng)，整個(gè)暖通空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行都受其監(jiān)控。而有的設(shè)計(jì)者為了節(jié)約空間，往往會(huì)將BAS監(jiān)控中心和安保監(jiān)控、消防控制等設(shè)計(jì)在一起，這種做法極不合理，必須給予糾正。如果在一些大型的商業(yè)建筑中，因?yàn)樾枰绣仩t房、冷凍機(jī)房的單獨(dú)設(shè)置，這些場所往往相距較遠(yuǎn)，關(guān)鍵設(shè)備的操作存在一些難度，就可在鍋爐房和冷凍機(jī)房的現(xiàn)場控制室內(nèi)安裝一臺(tái)監(jiān)控分站，專門負(fù)責(zé)鍋爐以及冷凍機(jī)的監(jiān)控，而且在授權(quán)上局限于冷熱源設(shè)備。

6 結(jié)語

智能建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要著眼于制冷、通風(fēng)和供暖的基本原理來分析，不僅要在建筑物結(jié)構(gòu)、用材上有所選擇，還要在空調(diào)系統(tǒng)中增設(shè)一些節(jié)能設(shè)備，比如傳感器、變頻設(shè)備、溫控設(shè)備等，并且要選擇好智能控制系統(tǒng)并不斷優(yōu)化，只有這樣才能全面提升風(fēng)機(jī)、制冷設(shè)備、水泵等的運(yùn)行效率，降低能耗，使暖通空調(diào)在智能建筑中的節(jié)能性和智能性得到充分體現(xiàn)。