建筑空調系統的節能策略

文｜北京瑞拓電子技術發展有限公司 王仁杰

建筑空調系統的節能策略

文｜北京瑞拓電子技術發展有限公司 王仁杰

1 商業建筑的耗能概況

據有關統計，寫字樓和酒店等商業建筑中的空調、照明、電梯等系統的耗能情況大致如下：寫字樓的空調耗能占總耗能的比例平均為60%，其下限為50%，上限不高于70%；酒店HVAC（熱、通風和空調控制）耗能占總耗能的比例為44%。寫字樓照明耗能占總耗能的比例為23%～55%，平均26%；酒店照明耗能占總耗能的比例為29%，寫字樓電梯耗能占總耗能的比例為8%，酒店電梯耗能占總耗能的比例為10%。

2 智能建筑的節能措施

2.1 提高室內溫濕度控制精度

室內溫濕度的變化與建筑節能有著緊密的關系。美國國家標準局統計資料表明，如果在夏季將溫度設定值下調1℃，將增加9%的能耗，如果在冬季將溫度設定值上調1℃，將增加12%的能耗。因此將室內溫濕度控制在設定值精度范圍內是空調節能的有效措施。歐美國家對室內溫濕度控制精度要求為：溫度在±1．5℃，濕度在60±5%的變化范圍。

傳統的建筑由于沒有采用樓宇自控系統，往往造成夏季室溫過冷（低于標準設定值）或冬季室溫過熱（高于標準設定值）的現象。這不但對人體的健康和舒適性來講都是不適宜的，同時也浪費了能源。采用了樓宇自控系統的智能建筑，不僅可以按照設定自動調節室內溫濕度，還可以根據室外溫濕度和季節變化情況，改變室內溫度的設定，使之更加貼合人們的需要，充分發揮空調設備的功能。空調系統溫度控制精度越高，不但舒適性越好，同時節能效果也越明顯。

2.2 新風量控制

根據衛生要求，建筑內每人都必須保證有一定的新風量，但新風量取得過多，將增加新風耗能量。以上海地區酒店為例，在設計工況（夏季室溫26℃，相對溫度60%，冬季室溫22℃，相對濕度55%）下，處理1kg室外新風量需冷量 6．5kWh，熱量 12．7kWh，故在滿足室內衛生要求的前提下，減少新風量，有顯著的節能效果。

新風量應該根據室內允許CO2濃度來確定，CO2允許濃度值一般取0．1%（1000ppm）。采取固定新風量的方式是不夠精確的，因為隨著季節和時間以及空氣的污染情況的變化，室外空氣中CO2濃度是變化的，同時室內人員的變化自然對新鮮空氣的需求也發生變化，所以最為合理的方式是根據室內或回風中的CO2濃度，自動調節新風量，以保證室內空氣的新鮮度，控制功能較完善的樓宇自控系統可以滿足這些控制要求。

2.3 機電設備最佳啟停控制

辦公和商場等建筑，夜晚是不需要空調的，因此為了保證工作開始時室內環境的舒適，就需要提前對建筑進行預冷、預熱。另外室內溫度是慣性很大的被控對象，提前關閉空調也可以保證室內溫度在一定的時間內變化不大，樓宇自控系統通過對空調設備的最佳啟停時間的計算和控制，可以在保證環境舒適的前提下，縮短不必要的空調啟停時間，達到節能的目的；同時在預冷、預熱時，關閉室外新風風閥，不僅可以減少設備容量，而且可以減少獲取新風帶來冷卻或加熱的能量消耗。

在商業建筑中照明的能源消耗要占全部能源消耗的很大部分，其中公共照明最容易產生能源浪費，對這些照明設備實行定時開關控制，甚至按照作息時間和室外光線進行預程調光控制和窗際調光控制，可以極大降低能源消耗。

在實行多種電價的地區，利用樓宇自控系統，通過與冰蓄冷設備、應急發電機等配合，可以在用電高峰時，選擇卸除某些相對不重要的機電設備減少高峰負荷，或投入應急發電機以及釋放存儲的冷量等措施，實現避峰運行，降低運行費用。

2.4 空調水系統平衡與變流量管理

空調系統的節能控制算法是智能建筑節能的核心，通過科學合理的節能控制算法，不但可以實現溫度環境的自動控制，同時可以得到相當可觀的節能效果。

空調系統的熱交換本質是一定流量的水通過表冷器與風機驅動的送風氣流進行能量交換，因此能量交換的效率不但與風速和表冷器溫度對熱效率的影響有關，同時更與冷熱供水流量與熱效率相關。通常在沒有對空調系統進行有效的空調供水系統平衡與變流量管理時，常規的做法是以恒定供回水壓力差的方式來設定空調控制算法，結果溫濕度控制精度很差，能量浪費也是極其明顯的。這是由于在恒定的供回水壓力差之下，自平衡能力很差，流量值與實際熱交換的需要量相差甚遠，因而造成溫濕度失控，能量浪費和設備受損。

通過對空調系統最遠端和最近端（相對于空調系統供回水積水器而言）的空調機在不同供能狀態和不同運行狀態下的流量及控制效果測量參數分析，運行狀態中樓宇自控系統按照熱交換的實際需要，動態地調節各臺空調機的電磁閥，控制流量進行相應變化，因此總的供回水流量值也始終處于不斷變化之中。為了響應這種變化，供回水壓力差必須隨之調整以求得新的平衡。應通過實驗數據建立變流量控制數學模型（算法），將空調供回水系統由開環系統變為閉環系統。

2.5 克服暖通設計帶來的設備容量冗余

目前我國絕大多數暖通系統，為了保證能在最不利的環境情況下正常運行，在設計時往往采用靜態方法計算負荷，而且還引入較大的安全系數，以至于設備（如制冷機組、冷凍水泵、冷卻水泵、風機等）選型方面往往偏大。暖通系統是一個典型的動態系統，一年之中的負荷絕不是均勻分布的，即使是一天之中的負荷也是隨時間而變化的。不恰當的冗余將會造成能源的浪費，而這種冗余是很難用人工監控的方式來克服的。由于智能建筑科學地運用樓宇自控系統的節能控制模式和算法，動態調整設備運行，有效地減少了由于暖通設計帶來的設備容量和動力冗余所造成的能源浪費。

2.6 能源管理系統的應用

開發能源管理軟件，建立能源管理系統，實現能耗跟蹤、節能的遠程及就地控制。能源管理系統由各種計量儀表和軟件程序組成。安裝在空調設備（如制冷機組、冷卻水泵、冷凍水泵、風機等）上的計量儀表不僅可以在系統運行時采集該設備的實時運行原始數據，還可以協助中央控制器，在系統軟件控制下，實現系統的節能運行。軟件程序則是能源管理系統的中樞。

首先，由各種計量儀表采集的設備運行原始數據，通過數據傳輸通道傳輸到中央處理器，利用軟件程序對其進行分析整理，從而建立系統高效低能運行數據庫并集成在能源管理系統軟件中，為以后的能源管理提供基本依據。

然后，在空調系統的運行過程中，各種計量儀表采集相應的運行數據傳輸給中央處理器，通過軟件程序的對比分析，擬合出系統的運行曲線，從而判斷系統是否處于節能運行狀況。若發現運行異常，系統軟件可根據采集的實時運行數據及所擬合的運行曲線，自動確定故障部位，發出聲光報警信號，通知故障檢測程序自動排障或指示設備管理人員人工排障。

此外，能源管理軟件還可自動存儲或打印設備運行數據和運行曲線，為后續的系統完善提供可靠資料。各種計量儀表也可通過顯示屏直接顯示運行數據，提高管理人員的節能意識。

3 節能的經濟效益評估

3.1 節能效益評價內容與方法

智能建筑的節能是指智能建筑內能源的消費和合理利用之間的平衡關系。衡量一個建筑智能化系統的節能的經濟效益應該包括兩個方面的內容：一方面是節能設計的范圍、類別，是僅僅考慮了直接節能，還是包含了廣義節能，是否具備潛在節能；另一方面是節能的實際效率和深度，節能效益到底有還是沒有、高還是低。這些都是判別建筑智能化系統實際功效的重要指標。通常建筑物節能的內容和對象包括建筑設計、空調系統、照明與設備，智能建筑節能不但包括原有傳統建筑所采用的節能方法，更重要的是采用先進的科技來達到更準確的調整和控制，即“主動節能”。

3.2 空調系統節能系數的計算

評估空調系統節能效果的好壞，單從設計情況來考慮是不夠的，還需要計算空調系統的全年總耗能量。主要計算方法為當量運行時間法。

當量運行時間（τ）的定義是：全年空調冷負荷（或熱負荷）Q與制冷機（或鍋爐）最大出力q的比值，即：τ=Q/q。

負荷率ε是全年空調冷負荷（或熱負荷）Q與空調系統在累計運行時間內總的最大出力之和的比例，即：ε=Q/qT。

式中T為空調系統累計運行時間。

結合二式后得：ε=τ/T。

式中：τ為采取節能措施后空調系統當量運行時間，而T為未采取節能措施前空調系統實際運行時間。因此，ε可用于衡量空調系統的節能效果。

4 工程實例

遠洋天地商務辦公大樓智能化工程主要內容包括：樓宇自控系統（空調系統、變配電系統、電梯系統、照明控制系統及給排水系統的自動化監控）、火災自動報警與消防聯動控制系統、保安管理系統、背景音樂與緊急廣播系統、綜合布線系統。

樓宇自控系統利用現代計算機技術、控制技術、測量技術、圖形顯示技術，對空調、變配電、電梯、照明、給排水等系統實施監視、控制和管理。建成以后運行至今，已產生了明顯的效益。

4.1 嚴格控制室內溫濕度變化

嚴格控制室內溫濕度變化，溫度變化幅度為±l℃，相對濕度變化幅度為±2%，有效地避免了空調系統的過冷或過熱現象。溫濕度控制精度的提高，不僅保證了舒適性，節能效益也相當明顯。據實際數據計算，節能效果在15%以上。

4.2 變流量控制

為了滿足室內溫濕度控制精度的要求，必須進行對空調機組流量的動態管理，即變流量控制，以滿足調節閥的控制精度。從給水工藝角度來看，閥兩端壓降越小越好，可以減少阻力損失，減輕給水泵動力負荷；從控制的工藝特點來看，閥兩端應保持一定的壓差，以提高可控性。

實測數據表明，當空氣處理機流量達到額定流量工況時，調節閥兩端壓力僅為0．66kg/cm2～1kg/cm2。為了流量控制，通常的做法是通過供回水旁通閥的調節來平衡供回水壓差。但是僅僅依賴于旁通閥的壓差來控制流量有時作用并不明顯，也會增加不必要的能源消耗。

根據空氣處理機實際運行臺數和運行流量工況動態調整供水泵投入運行的臺數，并輔助旁通閥的微調來實現變流量控制的方式，避免了泄漏，提高了控制精度，減少了不必要的流量損失和動力冗余，因此可帶來明顯的節能效果。據實際數據計算，節能效果在25%以上。如果能夠將供回水流量動態參數作為反饋量，調整冷水機組的運行工況，節能效果將更為明顯。

4.3 空調設備采用節能運行算法，減少不必要的“空轉”浪費

空調設備采用節能運行算法后，運行時間更趨合理。數據記錄表明，每臺空調機一天24小時中實際供能工作的累計時間僅僅2小時左右，兩年中綜合節能效果在30%以上，超出了原設計節能25%的目標。

5 結束語

節能管理是建筑綜合管理的重要內容，由于智能建筑的機電設備采用自動化監控方式，使智能建筑利用先進的綜合節能技術成為可能。同時，節能是建設智能建筑的主要目標之一，節省運行和管理費用，是智能建筑高效率和高回報率的具體體現。