李 世 峰

(中外建工程設(shè)計(jì)與顧問有限公司山西分公司，山西 太原 030000)

基于策略的綠色建筑智能化控制系統(tǒng)

李 世 峰

(中外建工程設(shè)計(jì)與顧問有限公司山西分公司，山西 太原 030000)

提出了基于策略的建筑智能化控制系統(tǒng)，分析建筑用能系統(tǒng)運(yùn)行過程中能耗軟件模擬值與實(shí)測值之間的差別，利用能耗軟件對設(shè)計(jì)方案及用能系統(tǒng)進(jìn)行模擬，設(shè)置合理的控制參數(shù)及閾值范圍，匹配能耗軟件模擬曲線，達(dá)到合理的節(jié)能效果。

建筑能耗，控制系統(tǒng)，能耗模擬

0 引言

資源短缺和環(huán)境問題已經(jīng)引起人們的強(qiáng)烈關(guān)注，而建筑的全壽命周期，即建筑建造、使用和拆除過程中消耗大量的能源，造成巨大的污染。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建筑能耗約占社會(huì)終端能耗的30%。綠色建筑作為降低建筑能耗的重要手段，重視度日益提高。資料顯示，與傳統(tǒng)建筑相比，綠色建筑節(jié)約能耗10%～80%，節(jié)能減排效果明顯。

低碳技術(shù)是綠色建筑的基本要素，從建筑的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營及拆除全壽命周期分析建筑能耗，建筑運(yùn)營能耗約占據(jù)建筑能耗的30%～75%，如何有效的降低建筑運(yùn)營能耗強(qiáng)度，一是在優(yōu)化用能系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，二是良好的建筑設(shè)備控制策略，后者是我們建筑電氣設(shè)計(jì)者引以為重的內(nèi)容。

1 建筑運(yùn)行能耗設(shè)計(jì)與實(shí)測的差別

根據(jù)山西省建筑科學(xué)研究院編制的《山西省建筑能效測評(píng)試點(diǎn)研究報(bào)告》，可知，居住建筑與公共建筑能耗強(qiáng)度在能耗軟件模擬計(jì)算與實(shí)測數(shù)值上有較大的偏差[1]，具體表現(xiàn)如下。

1.1 軟件模擬建筑能耗強(qiáng)度

1)能耗模擬過程中，依據(jù)設(shè)計(jì)文件設(shè)置參數(shù)，但有些參數(shù)設(shè)計(jì)沒有涉獵，如鍋爐運(yùn)行效率、循環(huán)水泵耗電輸熱比，則在模擬中依據(jù)竣工圖中的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取值。

2)建立能耗模型過程中，不采暖陽臺(tái)的兩種建模方式，與實(shí)際的節(jié)能設(shè)計(jì)有些偏差。

3)能耗分析參數(shù)中發(fā)電煤耗每年都會(huì)變動(dòng)，但這個(gè)數(shù)據(jù)無法修改，變相會(huì)加大熱源耗電量，降低建筑相對節(jié)能率。

1.2 建筑能耗強(qiáng)度實(shí)測分析

1)居住建筑能耗強(qiáng)度與人為舒適度調(diào)整、室外溫度及個(gè)人用能等隨動(dòng)性因素息息相關(guān)，任意相關(guān)因素的調(diào)節(jié)都可能導(dǎo)致建筑能耗強(qiáng)度的變動(dòng)。

2)公共建筑能耗強(qiáng)度與用能系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化水平、建筑運(yùn)行管理水平、人流密度及個(gè)人舒適度緊密相關(guān)；且多數(shù)公共建筑多采用空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)設(shè)置，照明實(shí)施自控同時(shí)強(qiáng)化制度嚴(yán)格個(gè)人節(jié)能意識(shí)，導(dǎo)致公共建筑能耗強(qiáng)度隨季節(jié)室外溫度及用戶使用習(xí)慣波動(dòng)，目前的能耗分析軟件尚無法精確刻畫此種細(xì)節(jié)。

2 能耗分析軟件的應(yīng)用

利用模擬軟件對設(shè)計(jì)方案及用能系統(tǒng)進(jìn)行模擬，尋求最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過對溫度梯度場的分析，力求最優(yōu)控制手段。

2.1 設(shè)計(jì)方案軟件模擬

利用建筑模擬軟件分析的設(shè)計(jì)方案，建立三維可視模型，如圖1所示，通過抽象模型、建立模型、參數(shù)設(shè)置和指標(biāo)評(píng)價(jià)等方法對建筑模型進(jìn)行室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境、室內(nèi)顆粒物分布及能耗的模擬。

2.2 用能系統(tǒng)軟件模擬

用能系統(tǒng)主要指建筑運(yùn)行中的空調(diào)用能系統(tǒng)及照明用能系統(tǒng)，其他動(dòng)力設(shè)備及輔助用能系統(tǒng)，不在本論文分析范圍之內(nèi)，可以通過設(shè)備選型及強(qiáng)調(diào)個(gè)人用能進(jìn)行約束。

根據(jù)有關(guān)資料，公共建筑能耗強(qiáng)度中，空調(diào)系統(tǒng)能耗所占達(dá)到40%左右，比例最大，其次為照明系統(tǒng)，所占達(dá)到20%左右；因此，本論文將空調(diào)用能系統(tǒng)及照明用能系統(tǒng)的方案優(yōu)化設(shè)計(jì)及策略控制放置重要位置。

空調(diào)用能系統(tǒng)三環(huán)節(jié)“冷熱源—管網(wǎng)輸配—末端”緊密相關(guān)，將空調(diào)用能系統(tǒng)的冷熱源、管網(wǎng)輸送、末端裝置等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的系統(tǒng)能效提升關(guān)鍵技術(shù)通過數(shù)值模擬進(jìn)行方案優(yōu)化，選取經(jīng)濟(jì)節(jié)能的優(yōu)化用能系統(tǒng)方案。

由圖2可知，空調(diào)用能系統(tǒng)三環(huán)節(jié)相互關(guān)聯(lián)相互影響，若只對單一環(huán)節(jié)進(jìn)行能效提升，而非系統(tǒng)整體匹配，節(jié)能效果極其有限，甚至無法滿足設(shè)計(jì)效果。因此，從空調(diào)用能系統(tǒng)出發(fā)，將關(guān)鍵環(huán)節(jié)的匹配技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以期最優(yōu)效果。

目前，空調(diào)用能系統(tǒng)在冷熱源、管網(wǎng)輸送、用能末端等單項(xiàng)節(jié)能技術(shù)較為成熟，技術(shù)類型多種多樣，如可再生能源建筑利用、高效變流量管網(wǎng)輸配技術(shù)及低溫末端散熱裝置等，但較少融合運(yùn)用于整個(gè)系統(tǒng)[2]。

利用能耗模擬軟件對空調(diào)用能系統(tǒng)進(jìn)行全工況模擬分析，優(yōu)化用能系統(tǒng)方案。某項(xiàng)目辦公樓選用兩臺(tái)型號(hào)為PSRHH1901C-Y的螺桿熱泵機(jī)組為該建筑物提供冬季熱負(fù)荷及夏季冷負(fù)荷，末端為風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)及地板輻射采暖系統(tǒng)。熱泵系統(tǒng)的主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 熱泵系統(tǒng)的主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)表

能耗分析軟件對設(shè)備包括制冷機(jī)、冷卻塔、空調(diào)機(jī)組及系統(tǒng)運(yùn)行如末端運(yùn)行形式進(jìn)行建模分析，通過模擬設(shè)定室內(nèi)溫度，進(jìn)行節(jié)能分析。對該項(xiàng)目，考慮其為公共建筑，部分功能區(qū)域人員流動(dòng)較大，因此，在模擬過程中，對人員流動(dòng)區(qū)域設(shè)置獨(dú)立的冷熱源系統(tǒng)分區(qū)設(shè)置，一是便于過渡季部分負(fù)荷多使用自然風(fēng)，二是人員的多少直接影響空調(diào)負(fù)荷，從控制角度考慮便于操作。同時(shí)利用變頻技術(shù)及設(shè)置合理的熱泵啟停溫度，達(dá)到理想的節(jié)能效果。

3 策略性的智能控制系統(tǒng)

設(shè)置合理的智能控制系統(tǒng)，匹配能耗軟件模擬曲線，通過對用能系統(tǒng)設(shè)置合理的控制參數(shù)及閾值范圍，達(dá)到合理的節(jié)能效果。

3.1 照明控制系統(tǒng)

1)混合照明控制系統(tǒng)，以太陽光照明為主，人工光源進(jìn)行輔助照明。利用光學(xué)纖維技術(shù)，利用太陽能技術(shù)對建筑物進(jìn)行照明，一擴(kuò)大太陽能的利用范圍，二可節(jié)省常規(guī)能源。

在建筑局部區(qū)域利用光導(dǎo)采光系統(tǒng)傳輸自然光，以照度為控制參數(shù)，若自然光照度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，利用人工光源有效補(bǔ)充，形成照度分布為自然光及人工光源照度耦合矢量場。但是，自然光受外界條件影響較大，則人工照明可采用分階調(diào)光控制或連續(xù)調(diào)光控制等調(diào)光控制策略。

2)功能分區(qū)照明控制系統(tǒng)，根據(jù)人流量、利用時(shí)間段及工作模式細(xì)分功能場合，實(shí)現(xiàn)關(guān)閉非必要的照明，自動(dòng)開啟必須照明，實(shí)現(xiàn)不同功能場合的燈具選配，實(shí)現(xiàn)多樣化的控制模式。在保證必要照明的前提下，既可減少燈具工作時(shí)間，又可延長燈具的壽命。

以某現(xiàn)代辦公樓的照明為例，可實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行，通過時(shí)間控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)按設(shè)置切換各種工作狀態(tài)，如，上班時(shí)間將至，系統(tǒng)自動(dòng)開燈且光照調(diào)節(jié)至合適水平。通過分區(qū)設(shè)置控制參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)靠窗區(qū)域，盡可能利用自然光，若天氣晴朗，光源自動(dòng)調(diào)暗；若天氣陰暗，光源自動(dòng)調(diào)亮，以保證照度要求。

特別的，通過區(qū)域功能劃分，實(shí)現(xiàn)公共區(qū)域的燈具協(xié)調(diào)工作，如在公共走道及樓梯間設(shè)置控制器件，當(dāng)晚上辦公區(qū)有員工加班，公共區(qū)域保持基本亮度，當(dāng)所有員工離開時(shí)，將燈具關(guān)掉；進(jìn)一步，可實(shí)現(xiàn)公共區(qū)域燈光的場景設(shè)置，當(dāng)區(qū)域無人員行走時(shí)，照度維持在安全照度，當(dāng)有人員行走，通過感應(yīng)器件，照度恢復(fù)至設(shè)計(jì)照度。

對重點(diǎn)區(qū)域，設(shè)置適合的控制策略，可實(shí)現(xiàn)良好的照明效果。如辦公前臺(tái)是公司的眼睛，其設(shè)置充分考慮照明的氣氛及照明與建筑周邊的協(xié)調(diào)，營造出一個(gè)舒適的迎賓環(huán)境。辦公區(qū)通過時(shí)間分段，也可在各辦公室設(shè)置手動(dòng)控制面板，可人為調(diào)節(jié)適合自己的照度水平。會(huì)議室作為辦公的組成部分，采用多回路控制手段，實(shí)現(xiàn)會(huì)議室在不同的使用場合不同的燈光效果，可與投影儀聯(lián)動(dòng)，需要播放投影時(shí)，照度自動(dòng)緩慢調(diào)暗；投影儀關(guān)閉，照度自動(dòng)調(diào)節(jié)至設(shè)定效果。

3.2 空調(diào)用能控制系統(tǒng)

空調(diào)用能控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)相互影響、制約，但又相互獨(dú)立，在不同時(shí)段、區(qū)域、參數(shù)優(yōu)先級(jí)控制策略下，確?？照{(diào)用能設(shè)備處于高效運(yùn)行狀態(tài)。

空調(diào)用能其控制系統(tǒng)應(yīng)統(tǒng)籌系統(tǒng)各參數(shù)環(huán)節(jié)，而非單個(gè)參數(shù)調(diào)控技術(shù)的堆砌。而目前主流的模糊控制能較好的適應(yīng)空調(diào)用能的特征，利用模糊規(guī)則預(yù)判系統(tǒng)運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)各受控參量的優(yōu)化控制。

特別的，利用能耗模擬軟件，進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)判，設(shè)置合理的運(yùn)行區(qū)間及運(yùn)行參數(shù)閾值，如空調(diào)水系統(tǒng)通常以末端變流量方式運(yùn)行，同時(shí)空調(diào)負(fù)荷的隨機(jī)性變化，減少由于水泵實(shí)際工作點(diǎn)與設(shè)計(jì)工作點(diǎn)發(fā)生偏移而造成的運(yùn)載負(fù)荷增加。變頻調(diào)速水泵在部分負(fù)荷狀態(tài)下低轉(zhuǎn)速、低能耗運(yùn)轉(zhuǎn)，可使其流量、揚(yáng)程及消耗的功率作出相應(yīng)變化。

通過模擬軟件進(jìn)行預(yù)判控制列表，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效運(yùn)行，確保系統(tǒng)在任何負(fù)荷條件下，保持較高的系統(tǒng)能效比，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行和綜合性能優(yōu)化。

4 結(jié)語

基于能耗模擬優(yōu)化的策略控制技術(shù)，分析用能設(shè)備能耗運(yùn)行薄弱環(huán)節(jié)，改變目前建筑用能系統(tǒng)的離散控制，從宏觀上預(yù)判建筑設(shè)備運(yùn)行狀況，根據(jù)負(fù)荷實(shí)時(shí)在線修正及調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到能耗合理化配置。

[1] 郭克鋒.山西省建筑能效測評(píng)工作所遇問題探討[J].山西建筑,2015，41(32):182.

[2] 辛麗琴.暖通空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源節(jié)能探討[J].山西建筑,2015，41(29):187.

[3] GB/T 50314—2006,智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

Green building intelligent control system on basis of strategies

Li Shifeng

(ShanxiBranchCompany,China&ForeginConstructionEngineeringDesignandConsulttingCo.,Ltd,Taiyuan030000,China)

This paper proposes the control system of green building, analysis the difference of building energy consumption between energy simulation software and test value, set reasonable and reasonable control parameters and threshold range, matched energy consumption software simulation curve, achieve reasonable energy-saving effect.

building energy consumption, control system, energy simulation

1009-6825(2017)21-0185-03

2017-05-13

李世峰(1982- )，男，助理工程師

TU201.5

A