文｜施耐德電氣（中國）有限公司 王坐中

1 前言

目前我國建筑能耗占全社會終端能耗的比例已從1978年的10%增長到了27.5%；若綜合建材生產(chǎn)和建造過程，建筑業(yè)相關(guān)能耗比例將超過40%。建筑運營過程中存在大量的能源和資源消耗，發(fā)展綠色建筑，降低建筑能耗是實現(xiàn)節(jié)能減排目標的重要舉措[1]。

建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)（Building Automation System，BAS）通過對建筑設(shè)備的有效控制與管理，保證建筑設(shè)施的節(jié)能、高效、可靠、安全運行，滿足用戶的需求，為創(chuàng)建綠色建筑提供保障。建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)在建筑節(jié)能領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，提高了相關(guān)機電設(shè)備的能效，通過優(yōu)化控制可為用戶節(jié)約20%～30%的能源。本文將通過對上海某商業(yè)樓宇項目中應用的節(jié)能優(yōu)化控制技術(shù)的重點介紹，闡述建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)在綠色建筑中所起的重要作用。

該項目始建于上世紀90年代，內(nèi)部機電設(shè)備大多已接近壽命末期。項目業(yè)主希望進一步發(fā)掘其處于市中心核心區(qū)域的地段優(yōu)勢，提升物業(yè)品質(zhì)，吸引高端客戶，決定進行整體改造，目標為將該項目改造為滿足LEED認證要求的綠色商業(yè)樓宇。此次節(jié)能改造涉及眾多子系統(tǒng)及設(shè)備的更換，要求建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)能夠靈活適應各個子系統(tǒng)、滿足其控制要求。

表1 制冷系統(tǒng)監(jiān)控內(nèi)容表

2 節(jié)能優(yōu)化控制技術(shù)

2.1 制冷主機系統(tǒng)

本項目更換了制冷主機，增設(shè)板式換熱器，增加冷卻塔間接供冷，實現(xiàn)免費制冷。主機系統(tǒng)需要監(jiān)控的主要內(nèi)容如表1所示。

2.1.1 制冷機組群控

BAS系統(tǒng)通過對冷熱負荷的計算，根據(jù)用戶端的負荷需求向冷機控制系統(tǒng)提交啟/?？刂埔?，同時監(jiān)測其動作反饋，并將所有冷水機組運行參數(shù)上傳至監(jiān)控主機進行數(shù)據(jù)備份及實時監(jiān)測。

（1）系統(tǒng)負荷的計算

負荷計算的意義在于，冷水機組運行臺數(shù)控制要以冷源系統(tǒng)總負荷量（供回水溫差與總流量之積）為直接依據(jù)。冷水機組運行臺數(shù)需與系統(tǒng)負荷相匹配，實現(xiàn)機組最優(yōu)啟停時間控制，使設(shè)備交替運行，攤平各設(shè)備的運行時間。

（2）冷凍機組加載/卸載

所有冷凍機組的啟/停與相關(guān)的負荷控制連鎖，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場的具體情況對連鎖程式中的參數(shù)及連鎖點自行修改和設(shè)定。根據(jù)水系統(tǒng)的供回水溫差和流量計算空調(diào)系統(tǒng)的冷負荷，同時根據(jù)機組的實際供冷量，向冷凍機組控制系統(tǒng)提交啟/?？刂粕暾?，以此實現(xiàn)冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機、冷卻塔進水閥等設(shè)備的聯(lián)動控制。同時監(jiān)視機組運行狀態(tài)及故障狀態(tài)。

冷水機組初次啟動及關(guān)閉流程如圖1、圖2所示。冷水機組群控流程如圖3所示。冷卻塔群控流程如圖4所示。

圖1 啟動控制流程圖

圖2 關(guān)閉流程圖

圖3 冷水機組群控流程圖

圖4 冷卻塔群控流程圖

圖1～圖4中的時間T均可根據(jù)實際情況進行設(shè)定。

2.1.2 二次泵變流量系統(tǒng)

該項目設(shè)置二次冷凍水泵給用戶側(cè)供水，并且為水泵引入變頻控制功能以降低能耗。

水泵有轉(zhuǎn)速與頻率成比例、功率和轉(zhuǎn)速的立方成正比的運行特性，由此可知：如變頻器的平均工作頻率f2降低10%，相應能量節(jié)約可達10%～30%。根據(jù)相關(guān)理論研究，頻率為45Hz時對應功率約為原來的73%，節(jié)能率可達27%。

二次泵變流量系統(tǒng)的控制要點如下：

◆根據(jù)水管壓力調(diào)節(jié)二次水泵頻率，上限為50Hz，下限為35Hz（根據(jù)水泵特性及設(shè)計最小流量確認）——這樣設(shè)置的目的是盡量提高水泵運行時的工作效率；

◆將壓力傳感器設(shè)置在分水器所連接的阻力損失最大的環(huán)路的最遠端，設(shè)定值為滿足該環(huán)路最不利用戶正常運行時，供回水干管之間所需要的最小資用壓力；變頻運行循環(huán)水泵使實測數(shù)值與設(shè)定數(shù)值趨于一致；在調(diào)試中還可以更改設(shè)定值及呆滯區(qū)范圍，以獲得最佳運行效果；

◆ 當用戶負荷增加，用戶末端調(diào)節(jié)閥自動開大或開啟數(shù)量增加，壓差傳感器所測得壓差值減小時，提高運行頻率以保證壓差傳感器所檢測到的壓差不小于設(shè)定值，滿足最不利用戶的要求；

◆當用戶負荷減少，用戶末端調(diào)節(jié)閥自動關(guān)小或開啟數(shù)量減少，壓差傳感器所測得的壓差值增大時，降低水泵運行頻率，使實際運行壓差值降低，與所選取的設(shè)定值趨于一致。

2.1.3 免費冷卻系統(tǒng)

免費冷卻（Free Cooling）即在常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)部分管路設(shè)備，當室外氣候狀況滿足特定條件，即室外濕球溫度降低到某個值以下時關(guān)閉制冷機組，由流經(jīng)冷卻塔的冷卻水直接或者間接向空調(diào)系統(tǒng)供冷，提供建筑所需要的冷負荷。

本項目采用冷卻塔間接供冷方式實現(xiàn)免費制冷——裝設(shè)一個板式換熱器，將冷卻水環(huán)路和冷凍水環(huán)路隔開，使之相互獨立，避免冷凍水受到冷卻水的污染，依靠板式換熱器進行能量傳遞。系統(tǒng)原理如圖5所示。

系統(tǒng)控制要點如下：

◆夏季工況下，關(guān)閉換熱器一、二次側(cè)開關(guān)蝶閥 PBX_V1、PBX_V4、PBX_V5，冷卻水進入制冷機組冷凝器進行換熱；

◆過渡季節(jié)和冬季工況下，監(jiān)測室外空氣狀況，當室外干球溫度下降至接近15℃，濕球溫度下降至接近10℃時，關(guān)閉制冷機組，同時關(guān)閉制冷機組兩端冷卻水、冷凍水對應水閥，開啟換熱器一、二次側(cè)開關(guān)蝶閥PBX_V1、PBX_V4、PBX_V5；

◆監(jiān)測換熱器用戶側(cè)水管溫度，根據(jù)此溫度比例調(diào)節(jié)控制一次側(cè)調(diào)節(jié)閥PBX_V2、PBX_V3，使換熱器出水溫度達到設(shè)計溫度；

◆對應冷卻塔的控制詳見上文控制流程，設(shè)計要求冷卻塔出水溫度需達到8℃；

圖5 免費冷卻系統(tǒng)圖

◆ 在過渡季節(jié)，由于天氣變化比較大，除了需要根據(jù)室外溫度進行系統(tǒng)切換外，還需要根據(jù)水系統(tǒng)運行時的溫度變化進行調(diào)整；當室外溫度升高，冷凍水回水溫度也升高，而冷凍水出水溫度難以達到設(shè)計溫度或者AHU送風溫度偏高且無法降低時，需要及時切換，重新啟動制冷機組。

2.2 樓層空調(diào)系統(tǒng)

本項目在不同功能區(qū)域采用不同的空調(diào)形式，如全空氣定風量系統(tǒng)、VAV變風量系統(tǒng)、風機盤管系統(tǒng)、輻射冷吊頂系統(tǒng)、全熱回收型新風機組等，下面即針對每種空調(diào)系統(tǒng)的控制進行介紹。

2.2.1 全空氣定風量系統(tǒng)

全空氣定風量系統(tǒng)的主要監(jiān)控功能如下：

◆機組定時啟?？刂疲锤鶕?jù)時間表定時啟/停機組，以及統(tǒng)計機組運行時間，提示定時維修；

◆監(jiān)測機組的運行狀態(tài)、手自動狀態(tài)、風機故障報警；

◆過濾網(wǎng)堵塞報警，即當過濾網(wǎng)兩端壓差過大時報警，提示清掃；

◆回風溫度自動控制，即以回風溫度設(shè)定值作為控制目標，以回風溫度測量值作為過程變量，采用閉環(huán)控制方案調(diào)節(jié)水閥執(zhí)行器，使回風溫度保持在設(shè)定值附近；

◆ 根據(jù)回風濕度控制加濕器啟/停；

◆ 根據(jù)室內(nèi)CO2濃度，連鎖控制新風閥、回風閥。

2.2.2 變風量（VAV）空調(diào)系統(tǒng)

變風量空調(diào)系統(tǒng)追求以較少的能耗來滿足室內(nèi)空氣環(huán)境的要求，主要由空氣處理設(shè)備、風管系統(tǒng)、VAV末端裝置與自動控制系統(tǒng)四部分構(gòu)成。

變風量空調(diào)系統(tǒng)中每個VAV末端裝置風量的變化都會導致總風管系統(tǒng)風量的變化。自動控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)總送風量需求自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)送風機的轉(zhuǎn)速，可最大限度地減少風機動力，節(jié)約能量。由于空調(diào)系統(tǒng)大部分時間以部分負荷運行，風量的減少可帶來風機能耗的降低。

（1）AHU風機頻率的控制

常用的變風量系統(tǒng)的AHU風機頻率控制方式有定靜壓控制、變靜壓控制、總風量控制三種方式，本項目根據(jù)設(shè)計要求采用總風量控制方式來調(diào)節(jié)AHU風機頻率。

總風量控制方式的基本原理是建立系統(tǒng)設(shè)定風量與風機設(shè)定轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系，無需測定靜壓，只需將所有空調(diào)區(qū)域各壓力無關(guān)型VAV末端裝置的VAV DDC已經(jīng)確定了的各空調(diào)區(qū)域需求風量累加求和值作為系統(tǒng)送風機的設(shè)定總風量，直接求得風機設(shè)定轉(zhuǎn)速，并以此作為控制風機轉(zhuǎn)速的依據(jù)。

（2）VAV末端裝置控制

本項目中，VAV分內(nèi)區(qū)和外區(qū)兩個部分，其中7F及8～9F、21～22F內(nèi)區(qū)采用單風道型VAV末端；8～9F、21～22F外區(qū)采用帶熱水盤管型的VAV末端。

①單風道基本型VAV

最基本的VAV末端裝置由進風口、一次風閥、風量傳感器、DDC控制器和箱體等幾部分組成；通過測量風管內(nèi)的全壓和靜壓，根據(jù)兩者之差求出動壓并對其進行開平方運算，得到風速，進而求出末端裝置送風量。

單風道基本型VAV末端裝置的控制采用串級控制方式：溫控器TE根據(jù)區(qū)域溫度和設(shè)定溫度的差值計算出空調(diào)區(qū)域所需的送風量（設(shè)定風量），風量控制器FC根據(jù)實測風量和設(shè)定風量之差控制風閥執(zhí)行器，改變風閥的開度，使送入空調(diào)區(qū)域的冷（熱）量與室內(nèi)的負荷相匹配。

②帶再熱盤管型VAV

冬季外區(qū)空調(diào)區(qū)域為熱負荷的應用場合，故外區(qū)VAV末端裝置常帶有再加熱盤管，可以在冬季工況下根據(jù)需求獨立升高各末端裝置的送風溫度，以保證空調(diào)區(qū)域的舒適度滿足需求。當區(qū)域溫度低于設(shè)定值Δt時，控制器打開加熱盤管進行再熱。需注意此時需保證VAV末端裝置風閥有一定的開度，在最小風量模式下運行。

2.2.3 風機盤管系統(tǒng)

本項目標準樓層的外區(qū)采用風機盤管系統(tǒng)，并且選用聯(lián)網(wǎng)型風機盤管溫控器。溫控器可以通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，接受中央監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控與管理；可以實現(xiàn)如下的功能：

◆支持就地控制與遠程中央控制模式設(shè)定；

◆支持遠程中央統(tǒng)一設(shè)定溫度、控制風機轉(zhuǎn)速；

◆支持低溫保護；

◆支持按鍵鎖定，可防止誤操作；

◆可以進行無人租用、無人、有人未活動、有人且活動四種模式的溫度設(shè)定。

2.2.4 輻射冷吊頂系統(tǒng)

冷吊頂就是在吊頂板（主要是金屬吊頂板）背面加裝制冷單元（水盤管和導熱元件），在制冷工況下通上一定溫度的冷水，將吊頂板的溫度控制在一定范圍內(nèi)。裝配冷吊頂系統(tǒng)的房間的室內(nèi)溫度一般設(shè)定為25～26℃，這樣吊頂板和室內(nèi)的墻表面、地面以及其他家具和設(shè)備表面就會因存在溫差而產(chǎn)生輻射熱交換。同時制冷單元的表面也可以和室內(nèi)的空氣接觸，借助形成的對流帶走部分熱量。

本項目中，冷凍機組的7～12℃的冷凍水被送至每個樓層，每個樓層專門設(shè)有一個16～18℃的高溫冷水二次水混合環(huán)路（混水泵）用于冷吊頂?shù)墓┧６嗡h(huán)路配有獨立的水泵和三通閥，并接入對一次水和二次回水混合的控制以獲得需要的二次水溫。

輻射冷吊頂系統(tǒng)的控制主要有三項要點。

（1）樓層混水閥及混水泵接入樓宇控制（BA）系統(tǒng)，由BA系統(tǒng)進行監(jiān)控。

（2）BA系統(tǒng)監(jiān)測安裝在二級水泵出口處的水溫傳感器，根據(jù)傳感器實測值與設(shè)定值的差值來控制混合閥的開度，使冷吊頂供水溫度達到要求。

（3）樓層內(nèi)各組冷吊頂采用就地控制：

◆ 在區(qū)域內(nèi)合適位置安裝濕度開關(guān)，對室內(nèi)相對濕度進行監(jiān)測——正常情況下（如相對濕度低于85%），濕度開關(guān)處于常閉狀態(tài)，繼電器閉合，1#～N#水閥開關(guān)由房間溫控器控制；異常情況下（如相對濕度高于90%），濕度開關(guān)動作，繼電器斷開，1#～N#水閥將全部關(guān)閉；

◆正常情況下，房間溫控器監(jiān)測對應區(qū)域的溫度，并對其與設(shè)定溫度（高于實時的室內(nèi)空氣露點溫度）進行比較，根據(jù)溫度差值控制1#～N#水閥開關(guān)。

2.2.5 全熱回收型新風機組

本項目根據(jù)設(shè)計要求選用轉(zhuǎn)輪型全熱回收器實現(xiàn)對排風熱量的回收利用。

據(jù)相關(guān)研究，轉(zhuǎn)輪式全熱回收器能回收70%～80%的余熱。室內(nèi)空氣由轉(zhuǎn)輪一側(cè)的入口被吸入，將能量傳遞給轉(zhuǎn)輪；而室外空氣由轉(zhuǎn)輪的另一側(cè)被吸入。轉(zhuǎn)輪以15～20轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋轉(zhuǎn)，將積蓄在轉(zhuǎn)輪上的熱量傳遞給室外空氣，實現(xiàn)能量回收。

全熱回收系統(tǒng)受室內(nèi)外溫差、焓值等因素影響很大，需要綜合考慮季節(jié)、溫差、焓值等因素制定合理的控制策略，以實現(xiàn)能量回收，達到節(jié)能減排的目的。

表2 全熱回收轉(zhuǎn)輪焓值控制策略表

本項目的全熱回收轉(zhuǎn)輪考慮采用焓值控制方式，以期實現(xiàn)最大程度的能量回收：

◆檢測室內(nèi)、室外空氣溫度，以及室內(nèi)、室外空氣相對濕度；

◆利用DDC控制器的已有程序計算新風焓值iOA、回風焓值iRoom以及二者差值，參考表2所示策略進行控制。

2.3 能源管理系統(tǒng)

隨著數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等信息技術(shù)的發(fā)展，建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)已經(jīng)由單純的自動控制，向自動控制、信息管理一體化方向發(fā)展。對BA系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行有效存儲、分析，建立統(tǒng)一的能源管理系統(tǒng)，可以對能源進行全過程和全方位的管理，建立起能源的計量和監(jiān)測網(wǎng)絡，使設(shè)備優(yōu)化運行，降低維護成本，減少能源消耗成本，還可以為節(jié)能管理提供可靠的決策支持——依靠管理實現(xiàn)節(jié)能是最有效的途徑。

本項目能源管理系統(tǒng)在設(shè)備監(jiān)控的基礎(chǔ)上，加裝了統(tǒng)一的能源管理系統(tǒng)平臺——Eco-struxure，實現(xiàn)功能如下：

◆實現(xiàn)了對樓宇自動化系統(tǒng)、CCTV視頻監(jiān)控系統(tǒng)、防盜報警系統(tǒng)、漏電火災報警系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、巡更系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)測；

◆實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲，方便了對歷史記錄的調(diào)用和分析；

◆實現(xiàn)了單位能耗對比、重要負荷對比、同類負荷能耗對比，以圖表的形式進行分析，實現(xiàn)了可視化管理；

◆實現(xiàn)了設(shè)備優(yōu)化運行，降低了維護成本；

◆實現(xiàn)了Web瀏覽功能，能夠進行定制的能源數(shù)據(jù)的發(fā)布，向客戶實時展示大樓當前能耗情況；

◆提高了能源系統(tǒng)運行管理效率。

3 結(jié)束語

建筑節(jié)能——以自動化系統(tǒng)的控制實現(xiàn)建筑設(shè)備的基本設(shè)計功能，并通過優(yōu)化控制提高能源使用效率，有著巨大的潛力。自動化系統(tǒng)既服務于建筑設(shè)備，又是保障建筑設(shè)備優(yōu)化運行的必要工具，在整個建筑的節(jié)能減排中發(fā)揮著重要作用。

本文所介紹的項目目前已經(jīng)進入全面的調(diào)試階段，各個子系統(tǒng)的控制策略也逐步得到實施和驗證，初步總結(jié)取得了如下成果：

◆實現(xiàn)了對冷凍主機系統(tǒng)的集中監(jiān)控，可根據(jù)實際負荷情況自動進行冷機加機、減機操作，可根據(jù)冷卻塔出水溫度自動控制冷卻塔風機啟停、進出水蝶閥開關(guān)；冷機系統(tǒng)的集中監(jiān)控極大方便了運維人員的管理，預計通過優(yōu)化控制可實現(xiàn)節(jié)能20%～30%；

◆二次冷凍水泵變頻控制已經(jīng)通過測試，預計可實現(xiàn)與原有定頻泵相比節(jié)能30%；

◆免費冷卻系統(tǒng)的切換及控制已經(jīng)通過測試，預計在過渡季節(jié)及冬季實際運行后可為客戶帶來非常可觀的節(jié)能量；

◆定風量空調(diào)系統(tǒng)的自動控制已經(jīng)完成調(diào)試，相對原有的手動控制而言，既減輕了物業(yè)管理人員的運維工作，又提高了區(qū)域舒適性；同時通過對冷凍水電動閥門的自動調(diào)節(jié)控制，可減少冷源消耗，實現(xiàn)節(jié)能；

◆變風量空調(diào)系統(tǒng)在末端根據(jù)客戶對溫度的需求，實現(xiàn)了對送風量的控制，提高了舒適性；同時，AHU根據(jù)需求風量實現(xiàn)了對風機的變頻控制，與定風量空調(diào)相比至少可節(jié)能30%；

◆風機盤管的聯(lián)網(wǎng)控制極大方便了物業(yè)人員的管理——在中央監(jiān)控室即可實現(xiàn)對各個區(qū)域風機盤管系統(tǒng)的啟?？刂?、溫度設(shè)定；

◆全熱回收新風機組夏季工況的控制策略已經(jīng)經(jīng)過測試；在盛夏季節(jié)，通過全熱回收新風機組的熱交換可以實現(xiàn)對新風的預冷，從而減少對室內(nèi)冷負荷的需求；

◆該項目目前已經(jīng)取得LEED白金級預認證，自動化控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計運行發(fā)揮了重要作用。

本項目仍有輻射冷吊頂系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)尚處于調(diào)試階段，筆者將進一步跟進該項目，追蹤其未來一段時間的實際運行情況，分析實際能耗數(shù)據(jù)，對整個項目的能耗情況以及控制策略運用效果做進一步的分析和總結(jié)。

1 中華人民共和國科學技術(shù)部.“十二五”綠色建筑科技發(fā)展專項規(guī)劃

2 GB 50378-2006 綠色建筑評價標準

3 程大章.智能建筑理論與工程實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009

4 趙寶珠，孟召軍.變風量（VAV）空調(diào)系統(tǒng)及其經(jīng)濟分析.節(jié)能技術(shù)，2004，4：42–43

5 程大章.智能建筑工程設(shè)計與實施[M].上海：同濟大學出版社，2001

6 GB 50189-2005 公共建筑節(jié)能設(shè)計標準