倪燕欣(國家大劇院， 北京 100031)

國家大劇院是國家級(jí)表演藝術(shù)中心，擁有獨(dú)特的殼體結(jié)構(gòu)和21.75萬m2的巨大空間。作為智能建筑的重要構(gòu)成部分，國家大劇院的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)秉承了智能、全面的設(shè)計(jì)理念，經(jīng)過不斷地完善和改造，不但滿足建筑設(shè)備智能化的基本要求，為大型公共空間提供舒適、宜人的環(huán)境，并且通過不斷完善的優(yōu)化控制策略在建筑節(jié)能方面發(fā)揮了一定的作用。

1 重點(diǎn)耗能機(jī)電設(shè)備概況

國家大劇院主要用能設(shè)備包括制冷機(jī)組、熱水循環(huán)泵、空調(diào)主機(jī)、空調(diào)循環(huán)泵、功率放大器及電機(jī)等。暖通空調(diào)系統(tǒng)、變配電及通風(fēng)系統(tǒng)屬于國家大劇院的環(huán)境用能。公共照明系統(tǒng)也是另一項(xiàng)重要耗能設(shè)備。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)于這些高耗能設(shè)備的運(yùn)行及控制方式起著主要作用，其是否科學(xué)合理將直接影響到大劇院的能源消耗。

1.1 冷源與熱源設(shè)備

國家大劇院冷源采用4臺(tái)制冷量為1100RT的離心式冷水機(jī)組和1臺(tái)300RT雙機(jī)頭螺桿式冷水機(jī)組。空調(diào)冷負(fù)荷約為15 000kW?？照{(diào)冷水一級(jí)泵與冷水機(jī)組相對(duì)應(yīng)設(shè)置和控制，為定流量運(yùn)行。一次熱源由市政熱力網(wǎng)提供，空調(diào)采暖最大熱負(fù)荷約為10 000kW。通過4臺(tái)即熱式熱交換器和空調(diào)采暖熱水一級(jí)泵，供應(yīng)空調(diào)采暖用熱水。二級(jí)設(shè)置3套循環(huán)泵系統(tǒng)，變流量運(yùn)行，分別為風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)、空氣處理機(jī)組系統(tǒng)、輻射地板系統(tǒng)。

1.2 空調(diào)通風(fēng)

國家大劇院的空調(diào)機(jī)組是針對(duì)不同功能區(qū)域的不同采暖通風(fēng)功能而分別設(shè)置。對(duì)于歌劇院、戲劇場、音樂廳和小劇場的觀眾廳和演播室等溫濕度要求較為嚴(yán)格的空間，采用具有再加熱功能和加濕功能的全空氣處理機(jī)；對(duì)于南、北水下廊道、公共大廳、花瓣廳、橄欖廳、各劇場公共休息廳和休息環(huán)廊等部位濕度要求不高的區(qū)域，使用不具除濕或加濕功能的全空氣處理機(jī)；對(duì)于空間較大的內(nèi)區(qū)包括辦公區(qū)采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)機(jī)組的形式?？照{(diào)通風(fēng)系統(tǒng)將室外新鮮空氣經(jīng)過加熱/制冷、過濾等一系列處理由空調(diào)處理機(jī)送進(jìn)室內(nèi)；將室內(nèi)廢氣通過各支路排風(fēng)機(jī)送入結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)層中的總排風(fēng)通路匯合，最后從總排煙機(jī)房的總排風(fēng)口排出。

1.3 公共照明

在國家大劇院幻彩迷人的公共空間里，各類功能照明形態(tài)各異，燈具種類繁多。有水下廊道的柱形燈、歌劇院頂層龍形燈、下照式射燈、橄欖廳四周與白玉墻融為一體的日光燈帶、歌劇院環(huán)廊玻璃吊片燈、戲劇場導(dǎo)軌燈、蛇形燈、支架燈等；還有鑲嵌在殼體上的蘑菇燈，室外園林照明等。光源有金屬鹵化物燈、鹵鎢燈、熒光燈、LED燈等。這些公共照明都是根據(jù)自控系統(tǒng)的設(shè)定程序，或根據(jù)演出時(shí)間，或根據(jù)某區(qū)域光照度自動(dòng)開關(guān)。

2 建立機(jī)電設(shè)備的管理中心

經(jīng)過幾年時(shí)間的實(shí)踐運(yùn)行探索，國家大劇院逐步建成了一套穩(wěn)定、高效的樓宇自控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑物機(jī)電設(shè)備的集中管理，是集監(jiān)視、控制、預(yù)警、警告等多項(xiàng)功能于一身、集專業(yè)經(jīng)驗(yàn)與智能技術(shù)于一身、集先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)于一身的具有精細(xì)化管理模式的設(shè)備管理中心。

樓宇自控中控室是機(jī)電設(shè)備指揮調(diào)度中心，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架由C/S升級(jí)為B/S模式，所有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)于工作站上一目了然，警告信息彈出報(bào)警，設(shè)備運(yùn)行按照日程設(shè)定自動(dòng)啟停，末端設(shè)備根據(jù)程序判斷自動(dòng)調(diào)節(jié)，反饋回來的各類參數(shù)作為調(diào)節(jié)判斷的依據(jù)。

3 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)在設(shè)備節(jié)能管理上發(fā)揮的作用

對(duì)于設(shè)備的節(jié)能管理，重點(diǎn)在于兩大主要監(jiān)控對(duì)象：空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)。而具體管理手段和措施，是在運(yùn)行過程中依據(jù)大劇院的建筑特點(diǎn)和特殊要求逐步摸索而來。利用樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、報(bào)表統(tǒng)計(jì)和警告等功能，完成或協(xié)助完成各類設(shè)備的運(yùn)行管理、維護(hù)維修和節(jié)能管理。

3.1 公共照明節(jié)能控制

國家大劇院公共照明整體控制遵循演出時(shí)段和參觀開放時(shí)段不同模式的原則。

1)區(qū)域光照度控制

國家大劇院南、北水下廊道和玻璃穹頂?shù)奶厥饨ㄖY(jié)構(gòu)使得環(huán)境照度受室外光照射影響較大。為了更好地節(jié)能，同時(shí)為了避免陰天影響白天參觀時(shí)段各區(qū)域的基本照度，通過安裝在不同區(qū)域的照度傳感器采集光照度信息，DDC控制器接收到光照度數(shù)據(jù)之后和設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，如果光照度值小于等于閾值則部分受控?zé)艟叽蜷_，如果光照度值大于閾值則受控?zé)艟哧P(guān)閉。

2)演出保障

國家大劇院演出多在晚間。劇場四周的功能照明在該劇場有演出時(shí)依次開啟，在觀眾進(jìn)場時(shí)開啟那些表達(dá)空間形態(tài)、營造環(huán)境氣氛的燈具，營造大劇院的空間視覺效果。當(dāng)穹頂遠(yuǎn)離夕陽的照射或陰天下雨光線暗淡，光感值下降到閾值時(shí)開啟筒燈等基礎(chǔ)照明。

在整個(gè)劇院都無演出時(shí)只開啟應(yīng)急照明。

白天開放參觀，對(duì)于觀眾參觀路線的照明同樣使用光感控制部分燈具的開啟。

3.2 末端空調(diào)機(jī)組節(jié)能控制

在保障參觀和演出時(shí)段舒適溫濕度環(huán)境的前提下，盡可能地啟用節(jié)能運(yùn)行控制方式是空調(diào)節(jié)能運(yùn)行管理的基本原則。國家大劇院共有空調(diào)和新風(fēng)機(jī)組88臺(tái)，排風(fēng)機(jī)90臺(tái)，總排煙風(fēng)機(jī)16臺(tái)。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)完成所有空調(diào)機(jī)組和排風(fēng)機(jī)組的自動(dòng)控制啟停、溫濕度的調(diào)節(jié)和空氣換氣循環(huán)的任務(wù)，自動(dòng)控制與新風(fēng)機(jī)組配套的排風(fēng)機(jī)、車庫排風(fēng)機(jī)、總排煙風(fēng)機(jī)，使封閉空間的氣流組織有序地循環(huán)。公共大廳和四個(gè)劇場的環(huán)境溫濕度環(huán)境涉及室外天氣條件的判斷、冷熱源出水溫度的設(shè)定、總排煙風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)、各空氣處理機(jī)溫濕度的控制、演出時(shí)間與觀眾人數(shù)等諸多因素。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)與無線測溫系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，根據(jù)設(shè)定值將劇場內(nèi)的無線測溫加權(quán)值作為相關(guān)調(diào)節(jié)參量，隨時(shí)調(diào)整各類設(shè)定參數(shù)，從而完成一系列的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

1)空調(diào)節(jié)能管理措施

(1)對(duì)于為公共空間服務(wù)的空調(diào)機(jī)組，原設(shè)計(jì)將回風(fēng)溫度作為被控對(duì)象，通過實(shí)踐運(yùn)行發(fā)現(xiàn)因回風(fēng)溫度熱惰性大而影響控制效果。通過監(jiān)測現(xiàn)場溫度反饋，適時(shí)調(diào)整設(shè)定溫度。將送風(fēng)溫度作為受控對(duì)象，不但可提高控制效果，而且可縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，提高效率，減少冷量多余的消耗。

圖1 空調(diào)機(jī)組的優(yōu)化控制

(2)對(duì)于啟閉有規(guī)律的設(shè)備，為其設(shè)定科學(xué)的日程管理，減少人為失誤概率，提高設(shè)備運(yùn)行效率。

(3)將部分空調(diào)機(jī)組的過濾網(wǎng)壓差報(bào)警改為微壓差檢測，將原有只檢測過濾網(wǎng)壓差是否大于一個(gè)數(shù)值改為監(jiān)測過濾網(wǎng)兩端的壓差值，為更換過濾網(wǎng)提供科學(xué)的依據(jù)，既保證了內(nèi)區(qū)對(duì)新鮮空氣要求高的新風(fēng)質(zhì)量，又可降低室外空氣清新時(shí)期更換過濾網(wǎng)的頻率，節(jié)省資金，避免資源浪費(fèi)。

2)優(yōu)化節(jié)能控制策略

對(duì)于國家大劇院這種高級(jí)別的演出場所，環(huán)境溫濕度要求比較嚴(yán)格，既能滿足演出劇場的溫濕度要求，又可最大限度地節(jié)能降耗是作者一直探索的課題。

1)過渡季新風(fēng)閥的調(diào)節(jié)

過渡季如何充分利用室外空氣來調(diào)節(jié)送風(fēng)溫濕度是作者比較關(guān)心的問題。為劇場送風(fēng)的空調(diào)機(jī)組和公共空間的空調(diào)機(jī)組，在改造之前的工作方式是設(shè)定當(dāng)室外溫度在18℃～22℃時(shí)自動(dòng)將新風(fēng)閥開為100%全新風(fēng)狀態(tài)，利用室外空氣提供制冷。

為了在18℃～22℃范圍之外的過渡季仍可利用新風(fēng)作為冷/熱源調(diào)整送風(fēng)溫度的目的，優(yōu)化了部分空調(diào)機(jī)組程序，將室外焓值與室內(nèi)焓值比較，如非演出時(shí)段，自動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)新風(fēng)閥開啟度，最大限度地利用室外新風(fēng)調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度。在演出時(shí)段，在保證最小新風(fēng)量的基礎(chǔ)上PID調(diào)節(jié)新風(fēng)閥開度，以實(shí)現(xiàn)最大限度地節(jié)能。

2)除濕節(jié)能的優(yōu)化控制策略

夏季為了保證劇場內(nèi)濕度，對(duì)于六管制空調(diào)機(jī)組設(shè)定13℃露點(diǎn)溫度的控制目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)再熱水閥開度保證送風(fēng)溫濕度。但是夏季不排除室外有高溫低濕的天氣條件，13℃的露點(diǎn)溫度不免有些浪費(fèi)。在沒有高要求的演出時(shí)段，嘗試將混風(fēng)露點(diǎn)值參與控制回路，與混風(fēng)溫度做比較，當(dāng)機(jī)組內(nèi)空氣含濕量偏低時(shí)適當(dāng)減小除濕量，同時(shí)熱水供應(yīng)量也相對(duì)減少，在達(dá)到送風(fēng)溫濕度要求的基礎(chǔ)上，盡可能地降低能耗。

3.3 冷熱源設(shè)備節(jié)能控制

1)冷水機(jī)組設(shè)備的節(jié)能管理

冷凍機(jī)組設(shè)備是空調(diào)系統(tǒng)中裝機(jī)容量最大的設(shè)備，其成套設(shè)備是否能高效運(yùn)行非常重要，也是節(jié)能管理的重點(diǎn)。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)主要控制的設(shè)備有冷熱水系統(tǒng)的補(bǔ)水泵、空調(diào)二次泵、風(fēng)機(jī)盤管二次泵。通過Modbus協(xié)議讀取冷凍機(jī)參數(shù)。

通過與冷凍機(jī)的聯(lián)機(jī)通訊，設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)冷凍水供回水溫度、冷卻水供回水溫度、冷凍機(jī)電流百分比、出水溫度設(shè)定等參數(shù)，在幾種模式選擇的前提下，再結(jié)合室外環(huán)境計(jì)算出啟機(jī)數(shù)量，為值班人員手動(dòng)操作提供參考。冷水機(jī)組及其他相關(guān)設(shè)備同樣具備控制功能，但目前的管理方式為只監(jiān)不控。

圖2 空調(diào)二次水泵的優(yōu)化控制

2)熱源設(shè)備的節(jié)能管理

國家大劇院熱源供應(yīng)來自市政熱力熱水。通過一次管道上的熱計(jì)量表可監(jiān)測熱水使用流量。熱源設(shè)備的自動(dòng)控制主要為二次水泵的調(diào)節(jié)和控制。

3)二次循環(huán)水泵的節(jié)能管理

國家大劇院的冷水和熱水循環(huán)系統(tǒng)均為變流量運(yùn)行，設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整循環(huán)水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和頻率以適應(yīng)末端設(shè)備的換熱需求，既能保證水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡，還可節(jié)能降耗。

根據(jù)大劇院參觀、演出活動(dòng)特點(diǎn)編寫控制程序：白天循環(huán)水泵在設(shè)定時(shí)間開啟并按白天壓差設(shè)定值調(diào)節(jié)水泵和臺(tái)數(shù)，夜間在規(guī)定的時(shí)間按夜間設(shè)定壓差值維持水泵循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，水泵根據(jù)設(shè)定自動(dòng)增加/減少臺(tái)數(shù)或者增減頻率。冷/熱水的空調(diào)二次泵均各為4臺(tái)，多數(shù)時(shí)間運(yùn)行2臺(tái)，程序根據(jù)設(shè)定的組間輪換時(shí)間自動(dòng)兩兩倒泵，組內(nèi)的2臺(tái)水泵還可根據(jù)設(shè)定時(shí)間自動(dòng)輪換運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語

眾所周知，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的存在目的有三：一是提高設(shè)備運(yùn)行效率；二是減少人力，提高設(shè)備管理水平；三是節(jié)能降耗。但目前國內(nèi)的建筑物可將三個(gè)優(yōu)勢都發(fā)揮出來的并不多見。經(jīng)過幾年不斷完善與升級(jí)，國家大劇院樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)基本能發(fā)揮上述三個(gè)優(yōu)勢，但仍有不盡人意之處。問題一：以目前的狀況來看，因硬件條件不具備，沒有電量分項(xiàng)計(jì)量，因此能源分項(xiàng)計(jì)量管理處于空白狀態(tài)。問題二：對(duì)于冷水機(jī)組的群控和市政熱力一次水等調(diào)節(jié)模式，有待于進(jìn)一步摸索尋找自動(dòng)控制模式與實(shí)際操作的最佳契合點(diǎn)。

作者希望通過努力，利用樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)建立一套集末端負(fù)荷數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集、空調(diào)機(jī)組和冷熱源自動(dòng)關(guān)聯(lián)控制、自動(dòng)調(diào)整冷熱源的一次水流量、能源需求管理等功能于一身的設(shè)備管理模型，做到物盡其用，使樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)節(jié)能管理的優(yōu)勢進(jìn)一步發(fā)揮出來。