文｜ 太極計算機股份有限公司 曹茂春 齊 雄

大型智能建筑控制節(jié)能和管理節(jié)能的技術探討

文｜ 太極計算機股份有限公司 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，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)能技術以及建筑能源管理系統(tǒng)的節(jié)能技術，并對其中兩種節(jié)能技術進行了經濟效益評估。

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Q代表建筑總能耗；右側第一項Qenvelop為圍護結構耗能，與建筑規(guī)劃、設計、施工和新材料、新工藝等相關；第二項Qlighting&plug［person，users］為照明和插座耗能，與固定工作人員數(shù)量相關，還與用戶的高級程度相關；第三項Qouttemp為大氣溫度對建筑用能的影響；第四項Qperson為臨時人流量的耗能；第五項QHVAC為HVAC設備系統(tǒng)的耗能；第六項Qelevator為電梯耗能；第七項Qbehavior為人的行為對能耗的影響，如開窗對能耗產生極大影響。

公式第一、三、四、七項能耗屬于建筑學節(jié)能等研究范疇，因此作為建筑智能化學科在建筑節(jié)能中實際可以操作的只有第二、五、六項，也就是照明和插座、HVAC和電梯節(jié)能。據(jù)統(tǒng)計大型智能建筑能耗中，采暖和空調系統(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成如圖1所示。

2 大型智能建筑節(jié)能技術

大型智能建筑節(jié)能技術目前大致有三大類：

建筑學節(jié)能：通過建筑規(guī)劃、設計、施工和新材料、新工藝的運用來達到節(jié)能，其中還運用太陽能、風能、地熱、自然通風、雨水和能量回收、中水利用等技術，不屬于本文研究對象。

控制節(jié)能：運用古典、現(xiàn)代和智能控制理論（神經網絡、模糊控制和專家系統(tǒng)等）對設備和環(huán)境進行合理的控制，提供舒適環(huán)境同時使設備能耗降至合理化標準，因此是建筑節(jié)能應用最廣的核心技術。

管理節(jié)能：通過合理制定各項用能操作規(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)基礎上，通過對能源消耗進行準確監(jiān)測和科學分析，采取相應的管理措施和技術措施，從而達到節(jié)能的目的，其本質就是管理節(jié)能的一種表現(xiàn)。管理節(jié)能并不能使設備能耗降低，而是讓運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。

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構可知，與控制節(jié)能關聯(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，運用多種控制技術（PID控制、神經網絡、模糊控制和專家系統(tǒng)等）編程控制建筑物內冷熱源系統(tǒng)、空調設備、送排風系統(tǒng)、配電設備等運行，達到提供舒適環(huán)境和節(jié)能目的，這就是樓宇自控研究的主要內容。

與節(jié)能相關的樓宇自控便是HVAC系統(tǒng)。大型建筑HVAC系統(tǒng)一般采用由冷/熱源系統(tǒng)和前端設備組成的中央空調系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，中央空調系統(tǒng)設備能耗分布如下：空調機組及新風設備占11%，風機盤管占7%，冷水機組的能耗占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)運行電耗高達82%，因此空調系統(tǒng)節(jié)能主要從冷水機組和空氣處理機組進行節(jié)能控制。

（1）冷水機組群控的節(jié)能策略

冷水機組的運行必須依靠冷水機組本身、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機等協(xié)調運行，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，計算出空調系統(tǒng)的實際負荷，將計算結果與當時冷水機組投運臺數(shù)的總供冷量作比較，在理論上若供冷量與空調系統(tǒng)的實際負荷之差大于一臺冷水機組的供冷量時，則發(fā)出停止一臺冷水機組的運行提示，管理人員確認后停止該機組運行。冷水機組停止運行后，其相應的冷卻塔、冷凍水泵和冷卻水泵停止運行。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對非冷機的設備群組控制，如對二次冷凍泵、部分冷卻泵、冷卻塔風機等開閉及變頻調速。在部分負荷下，雖然冷水機組可以根據(jù)實際負荷調節(jié)相應的冷量輸出，但是常規(guī)冷水系統(tǒng)在冷水機組的蒸發(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際的負荷變化而變化，冷凍水泵能耗也沒有跟隨實際負荷減少而降低。在變流量系統(tǒng)中，系統(tǒng)的冷凍水流量不是按照滿負荷的水量固定不變，而是在部分負荷時水流量減小，冷凍水泵的輸送能耗隨之減小，從而達到節(jié)能降耗的目的，因此小群控同樣重要。

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

（2）空氣處理機組的節(jié)能策略

近幾年，變風量空調技術的發(fā)展越來越成熟，成功節(jié)能的范例不少?？照{系統(tǒng)的空氣處理機組采用變風量控制方式，其特點是利用合理控制算法改變進入空調區(qū)域的送風量來適應區(qū)域內負荷變化，達到節(jié)能和環(huán)境的舒適性。

變風量空調系統(tǒng)有各種類型，但均由四個基本部分構成：變風量末端裝置、空氣處理及輸送設備、風管系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)。典型的變風量系統(tǒng)如圖2所示。

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

定靜壓控制是在風道上選主風道距風機出口2/3處的靜壓為控制點，測量該點靜壓，調節(jié)風機轉速保證該點靜壓不變。這種控制方法簡單實用，基本能滿足變風量系統(tǒng)的控制要求。但是，如果整個系統(tǒng)都處于部分負荷工況，高靜壓設定值會給風機增加不必要的能耗。

變靜壓控制根據(jù)末端裝置風閥開度隨時調整靜壓設定值，使系統(tǒng)中至少有一個末端裝置風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定值，相比固定步長法，其具有速度快、精度高的特點，而且可以大大節(jié)省風機功耗。由于變靜壓控制方法存在強耦合性和非線性，變風量系統(tǒng)的調試對系統(tǒng)的成敗起了很大的作用。調試工作復雜、繁重，具有調試能力的公司并不多。

總風量控制避免使用壓力測量裝置，減少了一個風機的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，也不需要變靜壓控制時的末端閥位信號。它是直接根據(jù)設定風量計算出要求的風機轉速，設定風量不是因一個房間滿足要求后，立刻設定未來能滿足該負荷的風量（即穩(wěn)定風量），而是由一個房間的溫度偏差計算出逐漸穩(wěn)定下來的中間控制量。因此總風量控制下的風機轉速不會在房間負荷變化后馬上調節(jié)到穩(wěn)定轉速。總風量控制在風機節(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，實現(xiàn)遠程控制、時序控制和關聯(lián)控制。但是一些大型建筑如航站樓、體育館等對照明有特殊要求的場所，必須使用獨立智能照明系統(tǒng)。智能照明系統(tǒng)可以通過編程實現(xiàn)單點、雙點、多點、區(qū)域、群組控制、場景設置、定時開關、亮度手自動調節(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)能控制有結合自然光的照度控制、場景控制、時序控制、中央控制等。各種控制方式可以單獨運行，也可以任意組合工作。

遠程控制、時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和照明能耗，電梯節(jié)能主要體現(xiàn)在電能、空間、時間上，一般與電梯性能、配置和控制相關。

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)控制就是幾臺電梯共同享受一個外召喚信號，并能按預先設定的調配原則自動地調配某臺電梯應答外召喚信號。群控管理除了共同享受一個外召喚信號外，還能根據(jù)廳外召喚信號數(shù)的多少和電梯每次負載情況自動合理地調配各個電梯，讓其處于最佳服務狀態(tài)。無論是多臺電梯的并聯(lián)控制還是群控管理控制，其最終目的是把對于某一層樓召喚信號的電梯運行的方向信號分配給最有利的一臺電梯，也就是說自動調配的目的是把電梯的運行方向合理地分配給電梯群中的某一臺最合理的電梯。

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采集電梯的運行狀態(tài)、位置狀態(tài)和故障報警等信號，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)建筑能耗分項計量設計和分項能耗采集技術，將建筑物內耗電設備實時能耗采集到計算機中，運用統(tǒng)計學分析等方法，對建筑物內能源資源構成、能耗內在聯(lián)系及其發(fā)展變化規(guī)律、能源資源利用效率進行分析、判斷和評價，找出能源消費漏洞和節(jié)能機會，改進其管理，同時為控制節(jié)能提供控制策略，實現(xiàn)控制節(jié)能持續(xù)優(yōu)化的目的。

一個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）來實現(xiàn)，也可布置獨立智能數(shù)據(jù)采集單元。建筑設備能耗分項計量設計非常重要，是能耗數(shù)據(jù)采集的前提；合適的分項能耗計量設計，可以將分散混雜在多個用電支路中的耗能設備進行量化分開管理。

數(shù)據(jù)存儲一般使用大型關系型數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫可以和BAS/SCADA 共用，也可獨立設置數(shù)據(jù)庫服務器，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)與建筑和設備基礎信息、報警規(guī)則信息結合處理后，形成新的數(shù)據(jù)。

能耗數(shù)據(jù)分析是BEMS的核心，通過對建筑累積能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析，結合虛擬建筑物能耗模型和實體建筑物能耗對比，從而找出能源消費漏洞和節(jié)能機會，實現(xiàn)了兩個能源管理的轉變：從粗放式向集約化管理的轉變，從被動節(jié)能到主動節(jié)能的轉變。

3 大型智能建筑兩種節(jié)能技術經濟效益評估

3.1 控制節(jié)能效益評估

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冷熱源系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、送排風系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯、變配電系統(tǒng)設備處于最優(yōu)運行狀態(tài)，而且還提供了人、建筑、環(huán)境互相協(xié)調的安全、舒適、便捷的節(jié)能環(huán)境。

根據(jù)太極計算機股份有限公司多年的數(shù)據(jù)分析和評估，智能建筑采用合理的控制技術后，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)效益評估

通過采用實時能源監(jiān)控、分戶分項能源統(tǒng)計分析、重點能耗設備監(jiān)控、能耗費率分析等多種手段，使管理者對能源成本比重和發(fā)展趨勢有準確的掌握，制定有的放矢的節(jié)能策略，并將節(jié)能指標分解到各個部門，使節(jié)能工作責任明確。據(jù)初步測算，通過管理可節(jié)能10%～30%，經濟效益十分可觀。

4 結束語

隨著控制節(jié)能技術在大型智能建筑節(jié)能中的大量實踐，控制技術越來越成熟。建筑通過控制技術節(jié)能達到一定極限后，管理技術節(jié)能將是新的發(fā)展方向，并顯得愈加必要，管理節(jié)能技術的發(fā)展將會推動控制節(jié)能進一步發(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)能技術分析[J]. 安防與自動化，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)能研究及其應用[J]. 智能建筑與城市信息，2012（6）：102-105

4 國家標準. 綠色建筑評價標準 GB/T 50378-2006. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006