綠色建筑BA控制技術

文｜施耐德電氣（中國）有限公司上海分公司 孫 靖

1 BA系統的概念、原理及組成

BA系統即樓宇自控系統（BAS-Building Automation System），又稱為建筑設備自動化系統，它是在綜合運用自動控制、計算機、通信、傳感器等技術的基礎上，實現建筑物設備的有效控制與管理，保證建筑設施的節能、高效、可靠、安全運行，滿足用戶的需求。

BA系統有廣義與狹義之分：所謂廣義BA系統是指智能建筑的BA系統，它涵蓋了建筑物中所有機電設備和設施的監控內容（包括安全防范、火災自動報警等系統）；而目前實際工程中指的BA系統大多為狹義范疇，即利用DDC（直接數字控制器）或PLC（可編程邏輯控制器）對其采暖、通風、空調、電力、照明以及電梯等進行監控管理的自動化控制系統。

BA系統主要實現設備運行監控、節能控制與管理以及設備信息管理與分析三大功能。

（1）設備運行監控是樓宇自控系統的首要和基本功能。BA系統采用集散控制系統，利用分散在控制現場的控制器完成設備本身的控制；通過現場總線實現設備之間的通信和互操作；中央控制站集中顯示和管理各控制點的狀態和參數，并對整個系統進行控制和配置。通過有效的設備運行監控，BA系統可以實現建筑設備的自動、遠程控制，減少人力、加快系統響應時間和控制精度，同時方便物業人員對整個系統的把握和處理。

（2）節能降耗是全球環境保護和可持續發展的首要手段。BA系統通過冷熱源群控、最優啟停、焓值控制、變頻控制等手段可以有效節約建筑設備運行能耗20%～30%。同時，BA系統通過減少設備運行時間或降低設備運行強度實現節能，可在一定程度上降低設備的磨損與事故發生率，大大延長設備的使用壽命，減少設備維護與更新費用。

（3）隨著數據分析、數據挖掘等信息技術的發展，BA系統開始由單純的自動控制功能，向自動控制、信息管理一體化發展。將BA系統采集的數據進行有效存儲、分析，有利于發現建筑設備的設計缺陷或運行故障，為今后建筑設備改造及在線故障診斷提供依據。設備運行信息的綜合分析有利于物業設施管理的設備故障診斷、設備運行狀態優化、設備維護保養、降低設備能耗、提高服務質量等諸多工作項目。

BA系統屬于一種集散控制系統（DCS，Distribute Contorl System）。所謂集散控制系統就是集中管理、分散控制，其基本結構包括分散的過程控制裝置、集中的操作管理裝置以及通信網絡三部分。

如圖1所示，對于BA系統而言：

◆ 所謂分散的過程控制裝置就是各種DDC或PLC控制器。這些控制器安裝在控制現場，具有較強的抗干擾能力，就地實現各種設備監控功能；

圖1 集散控制系統結構圖

◆ 數據通信方面，DDC和PLC之間通過通信網絡進行連接，使不同控制器之間可以相互交換數據，實現互操作。目前BA系統中的主流開放性通信協議為美國Echlon公司推出的LonWorks和美國ASHRAE協會提出的BACnet兩種。如采用PLC進行控制，有時也會采用一些工業通信總線標準（如Modbus等），但并非BA系統主流。

集中操作和管理設備即各種服務器、工作站、Web工作站等。通過這些設備，操作管理人員可以通過友好的人機界面實現設備狀態查看及控制、數據信息收集和管理、報警管理、報表生成等。

除以上三大組成部分外，BA系統還有兩大接口界面：一是集中操作和管理設備與工作人員之間的人機界面，目前行業中對人機界面友好性的要求越來越高；另一個是BA系統與控制對象之間的過程界面，包括各種傳感器、執行器、閥門、變頻器以及表具等。這是一個非常容易被忽視的部分，而事實上這一界面的好壞直接影響BA系統監控效果，且就市場份額而言兩大接口界面相比基本上為各占一半。

BA系統誕生至今已經有一個多世紀的歷史，一百年來BA系統已從最初的單一設備控制發展到今天的集綜合優化控制、在線故障診斷、全局信息管理和總體運行協調等高層次應用為一體的集散控制方式，已將信息、控制、管理、決策有機地融合在一起。但是，隨著工業以太網、基于Web控制方式等新技術的涌現以及人們對節能管理、數據分析挖掘等高端需求的深化，BA系統仍然處在一個不斷自我完善和發展的過程。應用IT化、通信開放化、網絡扁平化、設備集成化和界面友好化將成為BA系統未來的發展方向。

2 BA系統與綠色節能

BA系統自產生以來，就一直與節能降耗密不可分。節能降耗屬于BA系統的三大功能之一。而且隨著全球對于能源問題的關注，節能降耗效果在BA系統中所占的比重也越來越大。

從基于就地單回路控制的閉環調節、控制參數調節范圍限制、溫度自適應控制等簡單措施，到基于集散控制系統的冷熱源群控、VAV（Valiable Air Volume，變風量系統）、焓值控制等系統控制策略，以及基于系統集成的業務流程、設備控制整體優化，BA系統通過對建筑設備的優化控制可為用戶節約20%～30%的能源。

然而BA系統對節能降耗的作用還不僅限于此。BA系統收集了大量建筑設備運行及能耗數據，通過對這些數據的分析利用，可以幫助用戶發現建筑設備甚至建筑結構中存在的問題，指導用戶進行維護、改造，從而提高建筑結構、建筑設備本身的能源效率、減少能源浪費。有時這部分能夠節約的能源甚至大于通過優化控制實現的節能增效效果。

由此可見，BA系統主要通過優化控制和指導設備改造兩方面貢獻于綠色節能。

3 通過BA系統基本功能減少能源浪費

談起BA系統綠色節能，人們往往首先想到各種先進、復雜的控制算法、數據分析/數據挖掘等高技術含量策略。而事實上，BA系統節能降耗的第一步應該是通過其基本功能減少建筑設備系統中的能源浪費，這些簡單的方法、功能可以具有較高的投資回報率。

3.1 變頻節能技術

暖通空調設計中，設計容量往往根據建筑物相關區域的尖峰負荷進行計算，同時增加一定的裕量范圍。然而由于尖峰負荷難以確定，因此往往采用估算的方法，并增大裕量范圍以保證設計容量可以滿足實際尖峰負荷需求。在很多工程中，由于這種粗略的估算往往會使得設計容量遠遠大于實際尖峰負荷需求。“大馬拉小車”的現象在工程中廣泛存在。

即使設計容量計算正確，但建筑物每年達到尖峰負荷的時間也非常有限，因此建筑設備絕大多數時間仍處于部分負荷運行狀態。

在部分負荷運行狀態下，與傳統的通過風閥或水閥改變管路特性曲線不同，風機/水泵變頻技術通過改變泵的特性曲線實現流量調節，同時節約能源。如圖2所示，當采用傳統以風閥、水閥增加管路阻力的方式對流量進行調節，風機/水泵在輸出流量下降的同時，輸出壓頭上升，導致節能效果并不明顯；而通過變頻調速進行流量調節時，由流體力學可知典型的風機/水泵其輸出流量與轉速成正比，輸出壓頭與轉速成平方比，軸功率等于輸出流量與輸出壓頭的乘積，故與風機/水泵的轉速成立方比關系。

表1為通過某典型水泵在不同頻率下的理論參數數據，而同樣對于限流至80%額定流量，如采用傳統的水閥節流方式，經測試其節電率僅為3%左右。

表1 某典型水泵在不同頻率下的理論參數表

圖2 典型風機/水泵曲線

此外，除能源節省這一顯性效益外，變頻調速還可帶來如下隱性效益：

◆ 實現了電機的軟啟軟停，消除電機啟動電流對電網的沖擊，減少了啟動電流的線路損耗（部分在啟動時的啟動電流將達到額定電流的7倍之多）；

◆ 消除了電機因啟停所產生的慣動量對設備的機械沖擊，大大降低了機械磨損，減少設備的維修，延長了設備的使用壽命；

◆ 空調水泵的軟啟、軟停克服了原來停機時的水槌現象。

當然，凡事有利有弊，變頻調速在帶來眾多效益的同時，也會產生周圍電磁干擾、電網高磁諧波污染等問題，因此在產品選型時一定要注意相關EMC濾波及高次諧波濾波設備的選擇；同時在選擇頻率控制時盡可能選擇網絡通信方式，以避免由電磁干擾產生的模擬通信干擾，導致電機運行頻率波動；最后變頻調速的頻率控制依據也至關重要，眾多工程中存在變頻調速依據或傳感器采樣點選擇不當導致的節能效果不盡如人意或送風/供水不足等情況。

3.2 時間表控制及占用狀態檢測

建筑設備的大量能源在無人、非占用狀態下被無謂浪費。無人會議室照明、空調、投影的開啟；公共區域非工作時間照明長亮；大開間辦公室在少數人加班甚至無人時照明、空調全部開啟。這些能源浪費現象在公共建筑中比比皆是。

通過時間表控制及占用狀態檢測可以有效地減少以下能源浪費現象：

（1）對于使用時間固定的場所（如辦公樓公共區域照明、大型會議室等），可采用時間表控制程序對建筑設備進行控制，保證非工作或預約時間設備自動關閉；

（2）對于使用時間與占用狀態相關，且專用狀態隨機性較大的場所（如酒店走道、個人辦公室等），可采用占用狀態對建筑設備進行啟停或負荷調節控制，保證非占用狀態時設備自動關閉或進入低功耗運行模式；

（3）對于部分時間使用狀態固定，而其他時間隨機性較大的場所（如大開間辦公區域等），可采用時間表結合占用狀態的方法進行控制。在使用狀態固定時段（如大開間辦公區域的工作時間），設備常開；其他時段設備根據占用狀態進行控制。在此模式下，占用狀態通常可通過兩種方式進行檢測。一是通過紅外雙鑒傳感器或其他傳感設備對人體移動進行檢測，當長期檢測不到人體移動，則視區域處于無人狀態，關閉或降低建筑設備功耗。另一種是通過溫控面板上的“旁通按鈕”實現有人狀態切換。即在非固定使用時間，系統首先默認區域為無人狀態；當由于加班等原因需要切換至占用狀態時，需人為按下溫控面板上的“旁通按鈕”，此時系統進入有人運行狀態。但通過“旁通按鈕”強制的有人運行狀態只能持續一定時間（此時間可調），當超過強制時間后，系統將自動恢復到無人運行模式，如需再次強制需重按“旁通按鈕”。第一種方式的優勢在于無需人為介入，可自動切換有人/無人運行模式，但容易在人員長期靜止不動時誤關建筑設備。第二種方式的優勢在于不會產生建筑設備誤關現象，但需要人員定期介入進行狀態強制。

對于部分未納入BA系統，以就地為主的區域，為防止能源浪費情況，可采用非工作時間、非占用狀態設備運行報警的方式要求物業人員介入檢查。即當非工作時間，BA系統檢測到相關區域處于非占用狀態，然而設備處于運行狀態時（可通過電流開關或相關能源計量設備判斷設備運行狀態），向物業人員發出提示，要求物業人員至現場檢查相應區域狀態。

3.3 末端設備的合理選擇及現場安裝

末端設備是BA系統中最易被忽視的部分，然而由于末端設備選型、安裝錯誤造成的能源浪費比比皆是。以下僅列出部分選型及安裝過程中應注意的問題。鑒于末端設備種類眾多、應用復雜，在此無法列全所有情況。

◆ 風機盤管水閥驅動器選型。對于一些依靠插卡取電（包括風機盤管電源）的酒店系統，應選用彈簧復位水閥驅動器，以免拔卡后，水閥仍然保持在開啟狀態，浪費水系統能源。

◆ 水閥及驅動器選型應確保其關斷壓力能夠關斷水流，以免由此造成的能源浪費及溫度失控。

◆ 在溫度傳感元件位于溫控器內時，應注意將溫控器安裝于空調設備控制區域內（避免集中安裝），并避免其他熱源、陽光直射及氣流死角。

◆ 安裝風、水管溫度傳感器時，應注意敏感元件插入風、水管直徑的1/3至1/2；盡可能選擇風、水流平穩區域，避免死角；保證敏感元件與被測介質充分接觸；保證風、水管道的保溫效果。

◆ 安裝壓力、壓差傳感器時，應區分風管、水管和室內/外；宜安裝在溫、濕度傳感器上游側；宜選擇氣流、水流平穩區域，避免死角；風管安裝宜在風管保溫層完成后進行，水管宜于工藝管道預制和安裝同時進行；安裝壓差開關時，宜將薄膜處于垂直平面位置；開孔不易太大，保證工藝及美觀要求；便于維護調試。

◆ 安裝水流量開關、傳感器時，宜選擇水流平穩區域，避免死角；流量計宜安裝在調節閥上游，流量計上游至少10倍管徑，下游5倍；宜與工藝管道預制和安裝同時進行；盡可能安裝在水平管段；對于渦輪流量計流體的流動方向必須與傳感器殼體上所示的流向標志一致；避免安裝在有較強交直流磁場、熱磁場或劇烈振動的場所；流量計、被測介質及工藝管道三者之間應該連成等電位，并合理接地；開孔不宜太大，保證工藝及美觀要求；便于維護調試。

末端設備是BA系統進行有效監測和控制的基礎，沒有準確的測量和精準的執行，節能降耗就無從談起，甚至直接造成能源浪費。

3.4 風 /水平衡

風、水平衡嚴格意義上屬于暖通空調設備的范疇，然而由于風、水不平衡造成的能源浪費嚴重，如水力不平衡造成的搶水現象、變風量系統中由于末端不平衡造成的送風不足或靜壓過高以及大空間空調中非人員活動區域造成的能源浪費等。雖然就BA系統而言無法從根本上解決此類問題，但是BA系統通過專用軟件分析獲得的數據，可以發現暖通空調的此類問題，并指導進行改造；同時BA系統通過限制部分風、水閥的開度范圍也可作為此類問題的臨時解決方案；最后如果BA系統設計人員早期介入暖通設計，也可有效防止此類問題的產生。

4 通過BA系統優化控制策略實現節能增效

在BA系統通過其基本功能減少建筑設備能源浪費的基礎上，BA系統還可以通過優化控制策略實現主動節能增效。鑒于BA系統的監控對象眾多，不可能一一詳述，本節僅對建筑設備中的能源消耗量大、監控復雜的冷熱源及空調風系統進行闡述，同時討論呼吸墻、遮陽、智能照明與空調系統聯動所能產生的節能效果。

4.1 冷熱源群控

冷熱源系統是暖通空調系統的主要能耗組成部分。所謂冷熱源群控就是綜合考慮負荷側需求、設備參數及室外氣象條件，對相關設備的運行流程及運行狀態進行綜合控制，保證整個系統運行的經濟性和可靠性。通過一個優秀冷熱源群控系統所能達到的優化能效狀態絕非人工控制所能實現。

冷熱源群控策略包括設備連鎖控制、機組投運臺數及出水溫度再設定控制、冷凍水/空調熱水循環控制以及冷卻水循環控制（僅適用于冷水機組系統）等幾部分。實際工程中，鍋爐機組多采用就地控制，而不納入BA系統群控策略。因此鍋爐機組及與鍋爐機組相關的熱交換設備等不在本節討論范圍。

4.1.1 設備連鎖控制

冷熱源系統涉及眾多冷熱源設備（冷水機組、熱泵機組等）、冷卻塔、水泵及各類蝶閥、調節閥等。

對于非變頻設備，工程中多采用一一對應的控制方式，即一臺冷熱源機組對應一臺冷凍水/空調熱水泵、一臺冷卻塔（僅對于冷水機組系統）、一臺冷卻水泵（僅對于冷水機組系統）以及相關傳感器和閥門設備。這些設備都具有相關的啟停順序及聯動關系。

對于冷水機組系統而言，其啟動原則為首先啟動冷卻水側設備、然后啟動冷凍水側設備、最后啟動冷水機組。具體而言要開啟一臺冷水機組的啟動順序為：開啟對應冷卻塔風機→開啟冷水機組冷卻水側蝶閥及對應冷卻塔蝶閥→開啟對應冷卻水泵→開啟冷水機組冷凍水側蝶閥→開啟對應冷凍水泵→待冷水機組冷凍水、冷卻水兩側流量開關均檢測到穩定水流后開啟冷水機組。冷水機組的停機順序與開機順序相反，具體而言要關閉一臺冷水機組的啟動順序為：關閉冷水機組→延時一段時間→關閉對應冷凍水泵→關閉冷水機組冷凍水側蝶閥→關閉對應冷卻水泵→關閉冷水機組冷卻水側蝶閥及對應冷卻塔蝶閥→關閉對應冷卻塔風機。對于風冷熱泵而言只需將上述流程中冷卻水側設備去除即可。

除設備啟停順序外，設備連鎖控制還將包括故障處理程序，在部分設備發生故障時，自動啟動備用設備或其他可用設備保證系統正常運行。此外，為保證所有設備的壽命及能效一致性，備用設備和常用設備應定期互換，這一功能也應包含在連鎖控制程序模塊中。

4.1.2 機組投運臺數及出水溫度再設定

在冷熱源機組投運臺數方面，BA系統的群控策略包括兩大類。

第一類控制策略將冷熱源設備作為一個黑箱進行控制，僅通過機組容量及冷、熱源的進、出水溫度及流量進行制定加、減機策略進行投運臺數的控制。當出水溫度無法滿足設計溫度需求（超出誤差死區）或者進/出溫差超過一定范圍，且這一狀態持續一定時間（一般為15～30分鐘）后，判斷需要進入加機運行策略；當由冷熱源進/出水溫度及流量計算出的冷熱量輸出大于目前運行機組額定輸出容量總和，剩余部分大于目前運行某臺機組額定容量（一般達到其額定容量的110%～120%），或者通過流量計算判斷出流過旁通管路的流量大于某臺機組的額定流量（一般達到其額定容量的110%～120%），且這一狀態持續一定時間（一般為15～30分鐘）后，判斷需要進入減機運行策略。

圖3 冷水機組能效比特性曲線圖

第二類控制策略則需要讀取冷熱源設備的部分內部運行參數，充分考慮冷熱源在不同負荷率以及環境下的能效比，從而綜合制定加減機策略。目前比較常用的策略是通過讀取冷水機組或熱泵機組壓縮機的電流百分比作為加、減機控制依據。典型冷水機組及熱泵機組的能效特性曲線如圖3所示，機組在60%～90%負荷率（近似壓縮機的電流百分比）時，機組處于較高能效比，而在80%附近機組的能效比最高。由此產生的加、減機控制策略為：在當前運行機組的壓縮機電流百分比大于某設定值（一般設在90%左右），且這一狀態持續一定時間（一般為15～30分鐘）后，判斷需要進入加機運行策略；當當前運行各機組的壓縮機電流百分比乘以機組額定容量之和，除以當前運行機組（除額定容量最小機組外）的額定容量之和，如果這個結果小于某設定值（一般設在80%左右），且這一狀態持續一定時間（一般為15～30分鐘）后，判斷需要進入減機運行策略。

以上控制策略僅確定了系統是否需要加、減機，具體加減哪臺機組需由機組容量（對于各臺機組額定容量不同時，需針對具體容量差異制定相關策略，各工程需獨立訂制）及累計運行時間共同決定。

此外，在第二類控制策略中還可以通過出水溫度再設進一步優化機組能效比。根據機組當前的負荷率、供水設定值及回水溫度，按照機組廠商提供的特性曲線或者數據、公式，可計算出機組在當前負荷下的最優出水溫度，以提高機組運行能效。

通過以上兩類加、減機控制策略可見第一類控制策略無需機組開放任何運行參數，簡單易行，但是沒有考慮機組在不同負荷率下的能效比變化；第二類控制策略能夠保證機組盡可能運行在較高能效比運行工況，但是需要在機組采購前期與機組廠商確定需要開放的相關參數及接口形式。此外，機組的能效比還受到參數（如室外環境溫/濕度、冷卻水回水溫度等）的影響，因此也可以通過輸入這些參數進一步優化控制策略，但是實際工程中由于機組在這些因素影響下的特性曲線難以精確獲得以及算法過于復雜（如優化冷卻水溫度提升冷水機組的能效比，但同時也可能增加冷卻塔的能耗）等原因，一般較少采用。

圖4 典型冷凍水/空調熱水循環系統圖

4.1.3 冷凍水/空調熱水循環控制

冷凍水/空調熱水循環系統一般包括一次定流量系統如圖4a、二次變流量系統如圖4b和一次變流量系統如圖4c三類所示。

其中一次定流量系統控制最為簡單，其冷凍水泵一般與冷熱源機組一一對應進行啟停控制；旁通閥根據冷凍水/空調熱水供、回水壓差進行控制，維持壓差恒定。但是一次定流量系統無法根據末端需求變化調整水泵運行狀態，以達到節約水循環能耗的目的。

二次變流量系統將冷凍水/空調熱水系統分為機組側和負荷側兩部分：由一次定流量泵維持機組側恒定的水循環，一次定流量泵與冷熱源機組一一對應進行啟停控制；二次變流量泵（大揚程）根據末端需求（一般在末端壓力最不利點設置壓力傳感器）進行變頻及臺數控制；一次定流量泵與二次變流量泵之間的流量差由旁通橋管自動平衡。二次變流量系統用小揚程低功率的一次水泵，保證了機組側水流的穩定，而對大揚程高功率的二次水泵進行變頻控制，以減少末端負荷需求降低時的水循環能耗。

一次變流量直接對一次泵進行變流，不僅可以根據末端負荷需求通過變頻節約水循環能耗，與二次變流量系統相比，還可以減少泵的初投資、節約機房空間。同時一次變流量系統還可以消除一次定流量和二次變流量系統中機組供回水溫差過低的問題，使機組始終保持在高能效比運行狀態。但是一次變流量系統對機組變流能力和控制的要求較高。最好要求機組的最小流量可以達到設計流量的40%左右（不得高于60%）。在控制方面，對流過機組的最小流量控制精度要求較高。一般通過水管流量傳感器或者機組進/出水壓差（根據壓差及盤管特性再換算為流量）進行測量。當機組流過流量大于最小流量要求時，旁通閥關閉，一次變流量泵頻率根據末端需求（一般在末端壓力最不利點設置壓力傳感器）進行變頻及臺數控制；當機組流過流量接近最小流量時（一般留有10%～20%的裕量），一次變流量泵不得再進行降頻或減機控制，而改由旁通閥調節冷源系統向負荷側輸出的水量，同時旁通一部分水量使得流過機組的流量大于機組運行的最小流量。

圖5 多風機分級和風機變頻控制策略

4.1.4 冷卻水循環控制（僅適用于冷水機組系統）

冷水機組的冷卻水泵一般為定流量水泵，與冷熱源機組一一對應進行啟停控制。

冷卻塔的風機設計包括單風機定頻、多風機分級控制以及風機變頻控制等幾種。對于單風機定頻控制，一般僅需對風機與冷熱源機組一一對應進行啟停控制；對于多風機分級控制和風機變頻控制則需根據冷卻塔出水溫度設定值進行風機級數或頻率控制。其中冷卻塔出水溫度設定值可為固定值，也可根據室外濕球溫度（一般增加一個冷卻塔換熱溫差，如3℃左右）和機組冷凝器回水最低溫度進行動態決策。對于多風機分級和風機變頻控制的控制策略如圖5所示。

冷卻水系統旁通回路正常運行狀態時處于關斷狀態。當冷卻塔風機降至最低頻率或最低級數時，機組冷凝器回水溫度仍然低于其最低回水溫度限制時，開啟冷卻水旁通回路調節閥，通過溫度旁通保證回水溫度高于最低溫度限制。

4.1.5 冷卻水的免費供冷（僅適用于冷水機組系統）

對于冷水機組系統，當室外濕球溫度降至較低的溫度（如8℃以下）時，如系統仍存在供冷需求，在系統設計預先留有冷水機組旁路管路時，可通過蝶閥切換將原本冷水機組冷凝器側的冷卻水管路與原本蒸發器側的冷凍水管路跨過冷水機組直接相連。利用冷卻塔直接獲得的溫度較低的冷卻水對末端負荷進行免費供冷。免費供冷可以節約冷水機組的能源，僅消耗冷卻塔風機和相關水泵能源即完成末端負荷供冷，但需要預設冷水機組旁路管路和合理的切換條件及切換流程（主要是蝶閥的開關、切換流程）。此外由于免費制冷過程中冷卻塔處于較低的工作溫度下，還需做好冷卻塔的防凍措施。

4.2 空調風系統中的節能增效手段及BA優化控制策略

中央空調系統中，BA系統監控的風系統種類眾多，涉及的節能控制策略也因所采用的風系統類型而各不相同。因此本節會首先對幾種常用的空調形式進行比較，然后逐一介紹一些通用的主動節能增效控制策略，最后針對目前應用較多的變風量等節能效果明顯但控制復雜的空調形式進行詳細論述。

表2 三種空調形式的比較表

4.2.1 中央空調常見風系統類型及比較

風機盤管加新風系統、全空氣定風量系統以及VAV變風量系統是目前中央空調系統中最常見的三種形式。三種空調形式的比較如表2所示。

通過比較可見，風機盤管加新風系統屬于初投資較低且可以滿足不同區域溫度個性化設置的空調形式，其控制實現方便，廣泛應用于賓館客房、普通辦公區域、醫院病房等簡單空調區域；全空氣定風量系統同樣屬于初投資較低的空調形式，且維護管理費用也較低，但無法實現區域溫度個性化設置，因此僅適用于區域溫度統一控制的大空間區域，如：大型會議室、餐廳區域、酒店大堂等；VAV變風量系統在舒適性、能耗、靈活性等方面都具有較強的優勢，但初投資和管理維護費用都較高，在高檔辦公樓宇、機場等區域應用廣泛。

4.2.2 空調風系統控制中的通用節能增效控制策略

采用BA系統對空調風系統進行控制，具有眾多通用的節能增效控制策略，并列表顯示各種節能增效策略在三種主要空調形式中應用的可行性。

（1）空調內、外分區控制

現代建筑一般進深較大，對于大面積的空調區域，內區與周邊區負荷特性相差較大。外區負荷來自室內/外溫差、太陽輻射熱以及人員、設備等的發熱；而內區負荷則主要來自人員及設備發熱。如果對內、外區采用相同的空調控制，那么在冬季及過渡季必然產生室內溫度分布不均，外區過冷、內區過熱，嚴重影響環境舒適度和能源效率。因此，對于進深較大的建筑，通常建議采用內、外分區對空調進行分別控制。內區通常常年供冷，以消除室內余熱；外區冬季供暖、夏季供冷，抵消外界環境對室內產生的影響。空調內、外分區雖然屬于暖通設計范疇，但BA系統設計及實施人員必須清楚地理解空調內、外分區的意義及控制要點，只有這樣合理設置測溫點與控制策略，保證空調內、外分區協調工作，實現控制目標同時節約能源。

（2）溫度自適應控制

常規空調系統的目標溫度是由人為設定，一旦設定后BA系統即按照固定不變的設定溫度進行控制。所謂溫度自適應控制是指按照室外環境溫度對人為設定的溫度進行一個正負偏差修訂。當室外環境溫度過高時，適當提高室內設定溫度；而在室外環境溫度過低時，適當降低室內設定溫度。根據統計，夏季當室外環境溫度超過35℃時，設定溫度每提高一度平均節能6%。同時盛夏適當減小室內外溫差對人體進出室內外時的舒適度以及身體健康均有利。而夏季當環境溫度低于30℃時，適當地降低室內設定溫度，可以加大室內外溫差同時減少空氣濕度，從而增加環境舒適度。而此時每減低一度室內溫度所消耗的能源遠遠小于室外環境溫度大于35℃時每降低一度所消耗的能源，在冬季也有類似的控制效果。由此可見，溫度自適應控制可以在節能降耗的同時，很好地平衡能源消耗、環境舒適性以及人體健康等眾多因素。

（3）免費供冷

在過渡季或夏季夜間，當室外溫度降至室內回風溫度以下，且空調設備仍工作在制冷工況時，從控制策略角度就應該盡可能多采用新風，以節約空調設備制冷能耗。隨著室外溫度繼續下降，當全新風量可以完全綜合室內由人體、照明及其他發熱設備產生的余熱時，空調設備可以完全脫離冷源供冷，而僅依靠調節新風量對室內溫度進行控制。這就是所謂的免費供冷。通過BA系統適時地發現免費供冷機會，將空調設備的運行模式由夏季制冷工況切換至免費供冷模式，不僅可以節約能源，同時也可以有效地提高室內空氣品質。

（4）熱回收

空調排風中含有大量的余熱、余濕，利用熱回收設備回收排風中的余熱、余濕并對新風進行預處理可以有效地節約能源。BA系統對熱回收設備通常只進行啟停控制，而不涉及熱回收具體過程。BA系統所需判斷的是在何種情況下啟動熱回收設備能夠保證回收的能源大于熱回收設備本身消耗的能源。根據所使用的熱回收設備是全熱回收器還是顯熱回收器，按照熱回收器的熱回收效率及能耗情況確定啟動熱回收設備的最小焓差或溫差。當新、排風的焓差或溫差大于此最小值時啟動熱回收設備，否則停止熱回收設備。

（5）夜間換氣與清晨預熱

對于間歇性運行的建筑，清晨預冷、預熱能耗占到其全天總能耗的20%～30%。充分利用夜間非運行狀態進行全面換氣，而清晨預冷、預熱期間采用全回風運行模式，可以在有效節能降耗的同時有效縮短預冷、預熱所需時間。

（6）通過空氣品質控制新風量

常規空調系統的新風量都按照設計新風量要求或經驗參數設定最小新風量輸入。然而在實際運行過程中，新風量需求往往是隨著空調區域的使用狀態、區域內人員多少而變化的。按照固定不變的設計參數或經驗參數進行控制必然造成有時能源浪費、有時空氣品質過差。在使用狀態和人員數量變化頻繁的區域設置空氣品質傳感器，根據空氣品質對新風量進行控制可以同時保證室內環境舒適性與能源利用有效性。在安裝空氣品質傳感器時應注意安裝在對應空調區域可能出現的空氣品質最不利點。當存在多個空氣品質傳感器時，應去除其中空氣品質最差的作為新風控制依據。

（7）低溫送風

對于相同的負荷量，如增大送、回風溫差，即可減少送風量，節約送風能源。尤其對于冰蓄冷等應用，采用低溫送風不會造成冷源效率下降，節能效果明顯。然而使用低溫送風也對風管保溫層、送風溫度控制、送風末端混風提溫等提出了更高的要求。風管保溫層未做好引起的額外換熱和結露、送風溫度過低以及送風末端混風不足導致的出風溫度過低和出風口結露都會嚴重影響室內環境舒適度、設備使用壽命和能源使用的有效性。因此，在低溫送風系統中，BA系統一定要配合暖通專業做好送風溫度控制和送風末端混風提溫。

（8）焓值控制

所謂焓值控制就是將室內溫/濕度設定點、室內實際溫/濕度點和室外環境溫/濕度點全部繪制在焓濕圖上，同時將空調設備所能提供的各種空氣處理手段也都在焓濕圖上表示。空調控制按照室外環境溫/濕度點相對于室內溫/濕度設定點的位置進行分區，以此作為空調模式切換的依據；同時在焓值圖上確定最優的空氣處理控制策略，以保證最經濟有效地將室內實際溫/濕度控制在設定點附近。

由于焓值控制中空調設備的工況模式是自動切換的，避免了人工切換中判斷誤差導致的工況不合理情況（如夏季傍晚的實際工況可能已接近過渡季，但由于人工無法及時切換，空調設備往往不能充分利用新風實現免費供冷）。同時，在焓值圖上設計空氣處理控制策略，通過等焓曲線非常容易判別空氣中熱量的增加與減少，盡可能避免空氣處理流程設計不合理造成的冷、熱抵消等能源浪費現象。

（9）遮陽、照明、空調及門窗狀態聯動

BA系統具有很強的底層（現場層）集成聯動能力。通過BA系統在現場層集成遮陽控制、智能照明控制、門窗狀態監控等信號，再結合氣象傳感等設備，就可將這些相互關聯的智能設備連成一個整體協調工作。如盛夏日光強射時，首先利用遮陽系統阻止部分太陽輻射熱，同時避免強光直射工作面；當陽光減弱時首先自動收起遮陽，在日光仍然不足時再打開或加強窗邊照明；在窗戶打開時，自動關閉空調系統；在外界氣溫降低至舒適溫度時自動開窗換氣；在氣象傳感器探測到風雨時自動關窗并收起外遮陽等。這些措施均可在環境舒適度的前提下，有效降低能源消耗。

近年來，一些建筑領域的新技術如呼吸窗、呼吸幕墻等，其狀態監控有些也會納入BA系統的監視范圍。

BA系統是服務于建筑設備的，因此BA系統針對各種建筑設備的主動節能增效策略也隨著各種建筑設備新技術的發展而層出不窮。本節不可能列全所有的控制策略，以下僅針對前述的常用節能增效控制策略探討各種策略在三種常用空調形式中的應用可行性。可行性探討結果如表3所示。

4.3 VAV變風量空調系統控制

VAV 全稱 Variable Air Volume， 即變風量空調系統。它通過改變控制區域入口送風量（而非送風溫度），達到空氣調節目的。由于VAV變風量系統在舒適性、能耗、靈活性等方面都具有較強的優勢，盡管其初投資和管理維護費用都較高，但仍然在高檔辦公樓宇、機場等區域得到廣泛應用。VAV系統示意圖，如圖6所示。

表3 多種節能增效方式在三種常用空調形式中的比較表

圖6 VAV系統示意圖

VAV變風量系統對BA系統控制提出了很高的挑戰。首先各個末端根據負荷變化調節送風量變化時都會對總送風管的靜壓產生影響，如無法及時進行調整，總送風管的靜壓又會影響其他末端的送風量，從而形成末端之間的相互擾動；其次，節能是使用VAV變風量系統的主要目的之一，如何在滿足各末端風量需求的基礎上盡可能降低送風機運行頻率以節約能源成為VAV控制的重點；最后如何在總風量改變的情況下仍然保證足夠的新風量是VAV控制的又一難點。

由此，可將VAV變風量控制要點分為VAV末端控制、風管靜壓控制、新風控制和常規空調機組控制四部分。其所影響的控制結果如表4所示。

表4 四種控制方式影響列表

（1）VAV末端控制

為保證總送風管靜壓波動時，盡可能減少各末端送風量的變化，VAV末端應采用壓力無關型控制算法。即采用圖7所示的串級控制邏輯，在室內溫度與末端風門開度之間串入風量控制環，保證風管靜壓變化時，風門能夠及時調整開度，維持送風量不變。

圖7 壓力無關型VAV末端控制原理圖

由于目前工程中實際風量多采用畢托管進行測量，不同畢托管在不同風速下的輸出壓差各不相同，為準確測量風速，一定要求畢托管和相應DDC控制器在安裝前進行參數整定，同時要注意壓差傳感器在畢托管對應最小設計風量時的壓差輸出范圍內仍具有較高的測量精度。

目前工程中空調內區常年供冷，負荷相對穩定，多采用單風道VAV末端；而對于空調外區，冬季供暖、夏季供冷，負荷變化相對較快，為保證穩定的氣流組織和送風溫度，往往采用帶風機助力和末端再加熱的VAV末端。工程選型時，所選擇的VAV控制器應能滿足各類VAV末端的監控點數需求，實現其空調控制功能。

（2）風管靜壓控制

作為VAV系統的核心控制策略之一，眾多廠商、學者對其控制策略進行研究。目前主流控制策略包括定靜壓控制、變靜壓控制、總風量控制以及以這三種基本控制策略為基礎的各種改進或衍生控制策略。

表5簡單列舉了三種基本控制策略的比較信息及改進策略。

實際工程中，各種風機頻率控制策略各有優劣勢，應咨詢專業技術人員，視暖通空調設計進行選擇。一般而言：

表5 三種基本控制策略比較表

◆定靜壓控制適合于風道規則，單臺空調機組負責VAV末端較多（20～30個，甚至更多）的應用；如風道管網過于復雜，則需設置多個靜壓點或進行風管靜壓再設。

◆變靜壓控制僅在單臺空調機組負責少量VAV末端（6～8個），且這些VAV末端的空調區域朝向一致（保證負荷增減趨勢一致）時才能充分發揮其節能效果。

◆總風量控制成功的關鍵在于能夠精確建立風道模型，且風管密閉性得到保證。

（3）新風控制

對于VAV系統，如何在送風量變化的前提下保證最小新風量是其控制又一難點。這需要從兩個方面著手解決：

◆空調機組的新風量保證：由于總送風量的變化，VAV系統無法通過最小新回風比控制新風量。建議在相關風道中安裝風速傳感器或定風量（CAV）末端進行最小新風量控制。

◆局部空調區域的空氣品質保證：對于局部空調區域，當溫度控制與空氣品質發生矛盾時（如控制區域冷負荷需求不大，但人員較多，新風需求量大），需根據實際情況進行取舍。如在VAV末端控制器中增加二氧化碳檢測功能，當二氧化碳濃度超出設定上限時，強制增大最小新風量，直至二氧化碳濃度降至正常范圍以下后，最小新風量設定恢復正常值。

（4）常規空調機組控制

鑒于VAV變風量空調的常規空調機組控制部分與其他空調機組控制差異不大，故在此不再詳述。需要注意的是，其他空調機組的控制目標往往是回風溫/濕度，而VAV變風量空調機組的控制目標是送風溫/濕度。

4.4 UFAD地板送風系統控制

UFAD 全 稱 Underfloor Air Distribution，即地板送風系統。它是利用結構樓板與架空地板之間的敞開空間（地板靜壓箱），將處理后的空氣送到房間使用區域內位于地板上或近地板處的送風口，以達到空氣調節目的。

地板送風系統最早應用于機房空間，但由于其相對于常規頭部以上送風在熱舒適性、通風效率、能耗有效性以及靈活性等方面的優勢，目前在一些辦公樓、大空間區域等得到應用。盡管地板送風擁有眾多優勢，但作為一項較新的應用技術，眾多業主、設計工程師以及設備制造商對其還缺乏完整的認識。

4.5 呼吸墻、遮陽、智能照明以及空調系統的聯動控制

對于呼吸墻、遮陽及智能照明在此僅討論各系統之間以及與空調系統的聯動控制，以實現綜合優化，最大程度節約能源。

許多項目中呼吸墻、遮陽、智能照明以及空調系統均進行獨立控制，或者僅一、兩個系統之間進行聯動。由于控制策略不同步，往往會造成眾多不必要的能源浪費。例如：呼吸墻手動或自動進入自然通風狀態，而空調系統仍運行于制冷或制熱模式；遮陽系統處于遮陽模式，而實際室內照度不足，照明系統的相應發熱又影響了正處于制冷模式的空調系統能耗等。

5 BA系統節能設計要點及未來展望

作為一個控制系統，BA系統是服務于建筑設備的，是在建筑設備原有設計的基礎上，通過控制完成建筑設備的基本設計功能，并通過控制優化能源使用效率。因此BA系統節能設計的第一步是了解建筑設備設計原理，在此基礎上對一些直接影響控制效果和能源效率的參數進行校驗，如存在問題通過一些簡單的措施進行彌補或直接要求建筑設備進行改造，避免不必要的能源浪費；其次，BA系統需要根據建筑設備的工作原理及參數特性設計優化節能控制策略，尤其對于一些比較復雜的節能型空調設備（如一次變流量水系統、VAV變風量系統、地送風系統等），能夠完全實現建筑設備的設計功能和邏輯本身就是實現了節能降耗。

目前BA系統已經逐漸突破了一個單純的控制系統，同時也可以作為一個集成平臺，使得建筑設備以及其他弱電系統的運行策略與企業業務流程保持一致。只有這樣，才能將整個建筑作為一個整體，服務于企業的業務目標，實現真正的節能高效。

未來，隨著控制器成本的降低和操作模式的簡易化，越來越多的建筑設備都會自帶控制設備，實現各自內部功能。此時BA系統更重要的作用是將這些建筑設備集成在統一的平臺上，使之與企業業務流程保持一致，協調運行。此外，通過BA系統收集到的能源數據，對建筑物、建筑設備的用能情況進行分析，從而發現建筑設備、乃至建筑本身的節能改造空間，為其提供投資回報分析并指導其進行改造。這些物業管理的功能也將逐步與BA系統相融合，未來BA系統通過與各類IT業務集成，以及和物業管理系統集成所產生的節能空間甚至會超過由直接控制所帶來的節能量，從而成為綠色建筑的一個重要組成部分。