大型智能建筑控制節(jié)能和管理節(jié)能的技術(shù)探討

文｜ 太極計(jì)算機(jī)股份有限公司 曹茂春 齊 雄

大型智能建筑控制節(jié)能和管理節(jié)能的技術(shù)探討

文｜ 太極計(jì)算機(jī)股份有限公司 曹茂春 齊 雄

控制節(jié)能和管理節(jié)能是大型智能建筑節(jié)能的兩種技術(shù)，本文介紹了大型智能建筑用能公式及用能組成，分析樓宇自控、照明控制和電梯控制三種控制節(jié)能技術(shù)以及建筑能源管理系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)，并對(duì)其中兩種節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估。

控制節(jié)能 管理節(jié)能 樓宇自控 建筑能源管理系統(tǒng)

1 大型智能建筑用能公式和用能組成

一般情況下大型智能建筑用能公式如下：

其中公式左側(cè)Q代表建筑總能耗；右側(cè)第一項(xiàng)Qenvelop為圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗能，與建筑規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和新材料、新工藝等相關(guān)；第二項(xiàng)Qlighting&plug［person，users］為照明和插座耗能，與固定工作人員數(shù)量相關(guān)，還與用戶的高級(jí)程度相關(guān)；第三項(xiàng)Qouttemp為大氣溫度對(duì)建筑用能的影響；第四項(xiàng)Qperson為臨時(shí)人流量的耗能；第五項(xiàng)QHVAC為HVAC設(shè)備系統(tǒng)的耗能；第六項(xiàng)Qelevator為電梯耗能；第七項(xiàng)Qbehavior為人的行為對(duì)能耗的影響，如開窗對(duì)能耗產(chǎn)生極大影響。

公式第一、三、四、七項(xiàng)能耗屬于建筑學(xué)節(jié)能等研究范疇，因此作為建筑智能化學(xué)科在建筑節(jié)能中實(shí)際可以操作的只有第二、五、六項(xiàng)，也就是照明和插座、HVAC和電梯節(jié)能。據(jù)統(tǒng)計(jì)大型智能建筑能耗中，采暖和空調(diào)系統(tǒng)能耗約占50%～60%，照明和插座能耗約占20%～30%，電梯能耗約占8%～10%。大型智能建筑用能構(gòu)成如圖1所示。

2 大型智能建筑節(jié)能技術(shù)

大型智能建筑節(jié)能技術(shù)目前大致有三大類：

建筑學(xué)節(jié)能：通過建筑規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和新材料、新工藝的運(yùn)用來達(dá)到節(jié)能，其中還運(yùn)用太陽能、風(fēng)能、地?zé)?、自然通風(fēng)、雨水和能量回收、中水利用等技術(shù)，不屬于本文研究對(duì)象。

控制節(jié)能：運(yùn)用古典、現(xiàn)代和智能控制理論（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和專家系統(tǒng)等）對(duì)設(shè)備和環(huán)境進(jìn)行合理的控制，提供舒適環(huán)境同時(shí)使設(shè)備能耗降至合理化標(biāo)準(zhǔn)，因此是建筑節(jié)能應(yīng)用最廣的核心技術(shù)。

管理節(jié)能：通過合理制定各項(xiàng)用能操作規(guī)程和制度，優(yōu)化用能管理流程等措施間接降低能耗。建筑能源管理系統(tǒng)（BEMS）在大量累積能耗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過對(duì)能源消耗進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測和科學(xué)分析，采取相應(yīng)的管理措施和技術(shù)措施，從而達(dá)到節(jié)能的目的，其本質(zhì)就是管理節(jié)能的一種表現(xiàn)。管理節(jié)能并不能使設(shè)備能耗降低，而是讓運(yùn)營者知道能耗的來源以及處理的方式，因此管理節(jié)能是建筑節(jié)能的輔助技術(shù)。

2.1 智能建筑控制節(jié)能分析

在智能化系統(tǒng)工程中，許多子系統(tǒng)都有控制節(jié)能的概念，由建筑用能公式和用能組成結(jié)構(gòu)可知，與控制節(jié)能關(guān)聯(lián)性最大的是樓宇自控（BAS）、照明控制和電梯控制。

2.1.1 樓宇自控

在不影響人的客觀舒適度的情況下，運(yùn)用多種控制技術(shù)（PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和專家系統(tǒng)等）編程控制建筑物內(nèi)冷熱源系統(tǒng)、空調(diào)設(shè)備、送排風(fēng)系統(tǒng)、配電設(shè)備等運(yùn)行，達(dá)到提供舒適環(huán)境和節(jié)能目的，這就是樓宇自控研究的主要內(nèi)容。

與節(jié)能相關(guān)的樓宇自控便是HVAC系統(tǒng)。大型建筑HVAC系統(tǒng)一般采用由冷/熱源系統(tǒng)和前端設(shè)備組成的中央空調(diào)系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備能耗分布如下：空調(diào)機(jī)組及新風(fēng)設(shè)備占11%，風(fēng)機(jī)盤管占7%，冷水機(jī)組的能耗占59%，冷凍水泵占9%，冷卻塔占4%，冷卻水泵占10%。從以上數(shù)據(jù)可以看出冷源系統(tǒng)運(yùn)行電耗高達(dá)82%，因此空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能主要從冷水機(jī)組和空氣處理機(jī)組進(jìn)行節(jié)能控制。

（1）冷水機(jī)組群控的節(jié)能策略

冷水機(jī)組的運(yùn)行必須依靠冷水機(jī)組本身、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)等協(xié)調(diào)運(yùn)行，因此其控制是一種群控。目前較為流行的控制方法是大群控和小群控，兩種控制方法各有自己的控制策略。

大群控是每隔一定的時(shí)間，通過傳感器及測量儀表檢測冷凍水的供回水溫度與流量，計(jì)算出空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷，將計(jì)算結(jié)果與當(dāng)時(shí)冷水機(jī)組投運(yùn)臺(tái)數(shù)的總供冷量作比較，在理論上若供冷量與空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷之差大于一臺(tái)冷水機(jī)組的供冷量時(shí)，則發(fā)出停止一臺(tái)冷水機(jī)組的運(yùn)行提示，管理人員確認(rèn)后停止該機(jī)組運(yùn)行。冷水機(jī)組停止運(yùn)行后，其相應(yīng)的冷卻塔、冷凍水泵和冷卻水泵停止運(yùn)行。目前大群控的控制方法主要有：回水溫度控制法、流量控制法、熱量控制法、流量＋熱量控制法、壓差控制法和壓差＋流量控制法等。

小群控是在局部范圍內(nèi)對(duì)非冷機(jī)的設(shè)備群組控制，如對(duì)二次冷凍泵、部分冷卻泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)等開閉及變頻調(diào)速。在部分負(fù)荷下，雖然冷水機(jī)組可以根據(jù)實(shí)際負(fù)荷調(diào)節(jié)相應(yīng)的冷量輸出，但是常規(guī)冷水系統(tǒng)在冷水機(jī)組的蒸發(fā)器所測的流量配置值是固定的，系統(tǒng)的冷凍水流量并沒有跟隨實(shí)際的負(fù)荷變化而變化，冷凍水泵能耗也沒有跟隨實(shí)際負(fù)荷減少而降低。在變流量系統(tǒng)中，系統(tǒng)的冷凍水流量不是按照滿負(fù)荷的水量固定不變，而是在部分負(fù)荷時(shí)水流量減小，冷凍水泵的輸送能耗隨之減小，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的，因此小群控同樣重要。

在實(shí)際控制中，大、小群控一般很難相互協(xié)調(diào)，因此必須制定一個(gè)大群控和小群控一體化控制策略，這樣可以達(dá)到更好的節(jié)能效果。

（2）空氣處理機(jī)組的節(jié)能策略

近幾年，變風(fēng)量空調(diào)技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，成功節(jié)能的范例不少?？照{(diào)系統(tǒng)的空氣處理機(jī)組采用變風(fēng)量控制方式，其特點(diǎn)是利用合理控制算法改變進(jìn)入空調(diào)區(qū)域的送風(fēng)量來適應(yīng)區(qū)域內(nèi)負(fù)荷變化，達(dá)到節(jié)能和環(huán)境的舒適性。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)有各種類型，但均由四個(gè)基本部分構(gòu)成：變風(fēng)量末端裝置、空氣處理及輸送設(shè)備、風(fēng)管系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)。典型的變風(fēng)量系統(tǒng)如圖2所示。

目前常用的變風(fēng)量系統(tǒng)的控制方式有三種：定靜壓控制、變靜壓控制和總風(fēng)量控制。

定靜壓控制是在風(fēng)道上選主風(fēng)道距風(fēng)機(jī)出口2/3處的靜壓為控制點(diǎn)，測量該點(diǎn)靜壓，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保證該點(diǎn)靜壓不變。這種控制方法簡單實(shí)用，基本能滿足變風(fēng)量系統(tǒng)的控制要求。但是，如果整個(gè)系統(tǒng)都處于部分負(fù)荷工況，高靜壓設(shè)定值會(huì)給風(fēng)機(jī)增加不必要的能耗。

變靜壓控制根據(jù)末端裝置風(fēng)閥開度隨時(shí)調(diào)整靜壓設(shè)定值，使系統(tǒng)中至少有一個(gè)末端裝置風(fēng)閥的開度接近全開位置。其控制算法有多種，如固定步長搜索法、PID搜索法。采用PID算法搜索合適的靜壓設(shè)定值，相比固定步長法，其具有速度快、精度高的特點(diǎn)，而且可以大大節(jié)省風(fēng)機(jī)功耗。由于變靜壓控制方法存在強(qiáng)耦合性和非線性，變風(fēng)量系統(tǒng)的調(diào)試對(duì)系統(tǒng)的成敗起了很大的作用。調(diào)試工作復(fù)雜、繁重，具有調(diào)試能力的公司并不多。

總風(fēng)量控制避免使用壓力測量裝置，減少了一個(gè)風(fēng)機(jī)的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，也不需要變靜壓控制時(shí)的末端閥位信號(hào)。它是直接根據(jù)設(shè)定風(fēng)量計(jì)算出要求的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，設(shè)定風(fēng)量不是因一個(gè)房間滿足要求后，立刻設(shè)定未來能滿足該負(fù)荷的風(fēng)量（即穩(wěn)定風(fēng)量），而是由一個(gè)房間的溫度偏差計(jì)算出逐漸穩(wěn)定下來的中間控制量。因此總風(fēng)量控制下的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)在房間負(fù)荷變化后馬上調(diào)節(jié)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速?？傦L(fēng)量控制在風(fēng)機(jī)節(jié)能上介于變靜壓和定靜壓控制之間。

2.1.2 照明控制

簡單照明系統(tǒng)一般可以通過BAS系統(tǒng)控制回路，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、時(shí)序控制和關(guān)聯(lián)控制。但是一些大型建筑如航站樓、體育館等對(duì)照明有特殊要求的場所，必須使用獨(dú)立智能照明系統(tǒng)。智能照明系統(tǒng)可以通過編程實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)、雙點(diǎn)、多點(diǎn)、區(qū)域、群組控制、場景設(shè)置、定時(shí)開關(guān)、亮度手自動(dòng)調(diào)節(jié)、紅外線探測、集中監(jiān)控、遙控等多種照明控制。常用智能照明系統(tǒng)如圖3所示。

智能照明系統(tǒng)前期投入成本較高，但是后期節(jié)能效果非常明顯，而且對(duì)于控制策略修改、照明區(qū)域重新布局和分組，無需重新布線，只需要在控制軟件更改控制程序，即可實(shí)現(xiàn)，非常便于照明節(jié)能優(yōu)化。常用的智能照明節(jié)能控制有結(jié)合自然光的照度控制、場景控制、時(shí)序控制、中央控制等。各種控制方式可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以任意組合工作。

遠(yuǎn)程控制、時(shí)序等編程控制是傳統(tǒng)BAS照明系統(tǒng)的基本功能，本文不做論述。

2.1.3 電梯節(jié)能

電梯能耗在大型建筑中僅次于空調(diào)和照明能耗，電梯節(jié)能主要體現(xiàn)在電能、空間、時(shí)間上，一般與電梯性能、配置和控制相關(guān)。

電梯的控制可分為并聯(lián)控制和群組管理控制兩類。并聯(lián)控制就是幾臺(tái)電梯共同享受一個(gè)外召喚信號(hào)，并能按預(yù)先設(shè)定的調(diào)配原則自動(dòng)地調(diào)配某臺(tái)電梯應(yīng)答外召喚信號(hào)。群控管理除了共同享受一個(gè)外召喚信號(hào)外，還能根據(jù)廳外召喚信號(hào)數(shù)的多少和電梯每次負(fù)載情況自動(dòng)合理地調(diào)配各個(gè)電梯，讓其處于最佳服務(wù)狀態(tài)。無論是多臺(tái)電梯的并聯(lián)控制還是群控管理控制，其最終目的是把對(duì)于某一層樓召喚信號(hào)的電梯運(yùn)行的方向信號(hào)分配給最有利的一臺(tái)電梯，也就是說自動(dòng)調(diào)配的目的是把電梯的運(yùn)行方向合理地分配給電梯群中的某一臺(tái)最合理的電梯。

合理電梯編程控制，可以節(jié)省大量能源。電梯控制一般是由電梯廠家進(jìn)行編程控制，系統(tǒng)集成商一般很少參與。電梯系統(tǒng)與BAS系統(tǒng)一般采用OPC方式進(jìn)行通信。BAS系統(tǒng)提供OPC CLIENT，電梯系統(tǒng)提供OPC SERVER，BAS采集電梯的運(yùn)行狀態(tài)、位置狀態(tài)和故障報(bào)警等信號(hào)，一般只監(jiān)不控。

2.2 智能建筑管理節(jié)能分析

管理節(jié)能在建筑節(jié)能中最為典型的應(yīng)用就是建筑能源管理系統(tǒng)。

建筑能源管理系統(tǒng)是根據(jù)建筑能耗分項(xiàng)計(jì)量設(shè)計(jì)和分項(xiàng)能耗采集技術(shù)，將建筑物內(nèi)耗電設(shè)備實(shí)時(shí)能耗采集到計(jì)算機(jī)中，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析等方法，對(duì)建筑物內(nèi)能源資源構(gòu)成、能耗內(nèi)在聯(lián)系及其發(fā)展變化規(guī)律、能源資源利用效率進(jìn)行分析、判斷和評(píng)價(jià)，找出能源消費(fèi)漏洞和節(jié)能機(jī)會(huì)，改進(jìn)其管理，同時(shí)為控制節(jié)能提供控制策略，實(shí)現(xiàn)控制節(jié)能持續(xù)優(yōu)化的目的。

一個(gè)典型的建筑能源管理系統(tǒng)組成如圖4所示。

能耗數(shù)據(jù)采集一般可通過BAS系統(tǒng)或第三方協(xié)議數(shù)據(jù)交換（Modbus/OPC/ODBC/JDBC）來實(shí)現(xiàn)，也可布置獨(dú)立智能數(shù)據(jù)采集單元。建筑設(shè)備能耗分項(xiàng)計(jì)量設(shè)計(jì)非常重要，是能耗數(shù)據(jù)采集的前提；合適的分項(xiàng)能耗計(jì)量設(shè)計(jì)，可以將分散混雜在多個(gè)用電支路中的耗能設(shè)備進(jìn)行量化分開管理。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)一般使用大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫可以和BAS/SCADA 共用，也可獨(dú)立設(shè)置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，BEMS可以從BAS/SCADA數(shù)據(jù)庫中直接存取訪問，還可以把原始采集數(shù)據(jù)與建筑和設(shè)備基礎(chǔ)信息、報(bào)警規(guī)則信息結(jié)合處理后，形成新的數(shù)據(jù)。

能耗數(shù)據(jù)分析是BEMS的核心，通過對(duì)建筑累積能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析，結(jié)合虛擬建筑物能耗模型和實(shí)體建筑物能耗對(duì)比，從而找出能源消費(fèi)漏洞和節(jié)能機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)能源管理的轉(zhuǎn)變：從粗放式向集約化管理的轉(zhuǎn)變，從被動(dòng)節(jié)能到主動(dòng)節(jié)能的轉(zhuǎn)變。

3 大型智能建筑兩種節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

3.1 控制節(jié)能效益評(píng)估

通過合理編程和優(yōu)化控制策略，樓宇自控系統(tǒng)不僅可以使建筑物內(nèi)冷熱源系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、送排風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯、變配電系統(tǒng)設(shè)備處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，而且還提供了人、建筑、環(huán)境互相協(xié)調(diào)的安全、舒適、便捷的節(jié)能環(huán)境。

根據(jù)太極計(jì)算機(jī)股份有限公司多年的數(shù)據(jù)分析和評(píng)估，智能建筑采用合理的控制技術(shù)后，與傳統(tǒng)建筑或不合理控制的智能建筑相比可節(jié)能15%～40%。

3.2 能源管理系統(tǒng)效益評(píng)估

通過采用實(shí)時(shí)能源監(jiān)控、分戶分項(xiàng)能源統(tǒng)計(jì)分析、重點(diǎn)能耗設(shè)備監(jiān)控、能耗費(fèi)率分析等多種手段，使管理者對(duì)能源成本比重和發(fā)展趨勢有準(zhǔn)確的掌握，制定有的放矢的節(jié)能策略，并將節(jié)能指標(biāo)分解到各個(gè)部門，使節(jié)能工作責(zé)任明確。據(jù)初步測算，通過管理可節(jié)能10%～30%，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

4 結(jié)束語

隨著控制節(jié)能技術(shù)在大型智能建筑節(jié)能中的大量實(shí)踐，控制技術(shù)越來越成熟。建筑通過控制技術(shù)節(jié)能達(dá)到一定極限后，管理技術(shù)節(jié)能將是新的發(fā)展方向，并顯得愈加必要，管理節(jié)能技術(shù)的發(fā)展將會(huì)推動(dòng)控制節(jié)能進(jìn)一步發(fā)展。

1 曹茂春，洪勁飛. 建筑能源管理系統(tǒng)的研究及其應(yīng)用[J]. 智能建筑，2011（10）：48-51

2 曹茂春，倪貴平.大型智能建筑節(jié)能技術(shù)分析[J]. 安防與自動(dòng)化，2012（8）：37-43

3 曹茂春，齊雄. 基于能效模型的數(shù)據(jù)中心節(jié)能研究及其應(yīng)用[J]. 智能建筑與城市信息，2012（6）：102-105

4 國家標(biāo)準(zhǔn). 綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50378-2006. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006