智能建筑空調系統自動控制設計與節能應用

申維俊/ 楊曉紅

1.中建電子工程有限公司， 北京 10012； 2. 中國國家博物館， 北京 100006

1 引言

空調系統包括冷熱源系統和通風系統，即通常所說的HVAC系統。對空調系統的自動控制是樓宇自控系統（BAS）的重要監控內容之一，現在的工程招標中除了考慮BAS投資外，更多的考慮BAS的網絡通訊速率和直接數字控制器（DDC）的處理器位數、內存大小等問題，反而對可能關系到BAS建設成敗的控制內容和控制方式關心很少，進而導致了系統建成后自控系統不能開通，甚至最終被迫拆除，浪費大量的人力、物力和財力。

2 一般空調自控系統監控內容和控制原理

智能建筑空調自動控制系統主要包括以下控制內容：冷源控制、熱源控制、空調機組控制、新風機組控制、變風量控制和送排風機控制等。上述所控制的內容在樓宇自控系統的監控和管理下，不僅要使得建筑物內的溫、濕度達到預期的目標，而且還要盡可能用最低的能源消耗來維持系統和設備的正常運轉，從而達到運行成本最低和經濟效益最高的效果。一般空調系統的監控內容和控制原理如下：

2.1 冷源系統

冷源系統的主要監控內容包括：冷凍水供水溫度及流量、冷凍水回水溫度、冷凍水供回水壓差及旁通閥開度調節、冷凍水水流開關狀態、冷凍泵運行狀態及故障報警、冷凍泵手自動狀態、冷凍泵啟停控制、冷水機組運行狀態及故障報警、冷水機組手自動狀態、冷水機組啟停控制及冷凍水蝶閥開關控制、冷水機組冷卻水蝶閥開關控制、冷卻泵手自動狀態及運行狀態、冷卻泵故障報警及啟停控制、冷卻水供水溫度、冷卻水回水溫度、冷卻塔風機運行狀態及故障報警、冷卻塔風機手自動狀態及啟停控制和冷卻塔進水蝶閥開關控制。其控制原理圖如圖1所示。

圖1 冷源系統控制原理圖

圖2 熱源系統控制原理圖

2.2 熱源系統

熱源系統的主要監控內容包括：換熱器一次側進、出水溫度；換熱器二次側供、回水溫度；總管供回水壓差；總管供水溫度；總管供水流量；總管回水溫度；循環泵手自動狀態、運行狀態、故障報警；循環泵啟停控制；根據供回水總管壓差調節壓差旁通閥開度，保證系統管路壓力平衡；根據二次側回水溫度及其設定值，調節一次側電動調節閥開度，使二次水溫度保持在設定范圍內；累計循環泵運行時間，當達到設定值時發出檢修信號，提示進行檢修維護。其控制原理圖如圖2所示。

圖3 空調機組控制原理圖

圖4 新風機組控制原理圖

2.3 空調機組

空調機組的主要監控內容包括：新風溫度／濕度、送風溫度／濕度、回風溫度／濕度、過濾器阻塞報警、防凍報警、送風機運行狀態、送風故障報警、送風機手自動狀態及風壓狀態、送風機啟停控制、回風機運行狀態、回風故障報警、回風機手自動狀態及啟停控制、新風閥開度調節、回風閥開度調節、排風閥開度調節、水閥開度調節和加濕開關控制。其控制原理圖如圖3所示。

2.4 新風機組

新風機組的主要監控內容包括：送風溫度/濕度、過濾器壓差狀態、防凍開關狀態、風機壓差狀態及運行狀態、風機故障報警、風機手自動狀態及啟停控制、新風閥開關控制和水閥開度調節。其控制原理圖如圖4所示。

2.5 變風量末端

變風量末端的主要監控內容包括：室內溫度、風閥開度調節和風速檢測。其控制原理圖如圖5所示。

3 智能建筑空調系統節能控制措施

空調系統的運行方式大體可分為三個層次：正常運行、經濟運行和優化運行。其中，“正常運行”主要是創造基本的溫濕度條件，達到設計的基本要求；“節能運行”要在保證正常運行的基礎上，采取適當的措施，實現一定程度的節能目的；“優化運行”是指包括冷熱源系統在內的實現全面節能的優化運行，它需要全面考慮并巧妙利用設備特性、管網特性、建筑特性和室內外調節。

3.1 優化空調機組控制方式使之達到合理化、經濟化運行

對空調機組的節能控制策略有多種方法，例如室內外焓值比較法、CO2等污染物濃度檢測法確定新風量、夜間冷卻、變頻控制送風機運行和通過日程表的定時開關等。以夜間冷卻為例進行說明，在非工作時間的夜間室外溫度較低，為了減少建筑內的蓄熱量、降低室內溫度，空調機組采用100%新風方式。打開新風閥和排風閥，關閉回風閥，用室外的冷空氣置換室內的熱空氣；當室內溫度冷卻到設定溫度時，停止空調機組的運行，并聯鎖新風閥和排風閥關閉、回風閥打開。

在白天空調機組正常運行時，要根據室內外溫度的差值關系，在保證室內新風量的前提下，合理調整新風閥、排風閥和回風閥的開度，也將實現一定程度的節能。

3.2 通過變風量系統的應用，實現智能建筑空調系統的節能

變風量系統是指根據室內參數的設計值變化，在保持送風參數不變的條件下，自動調節變風量系統的送風量以達到保持室內參數符合要求。實際運行中，若室內熱、濕負荷低于設定值時，通過對變風量系統的調節，減少送風量以達到室內溫、濕要求。這不僅由于末端風量的減少，降低了風機轉速，即降低了風機功率及電耗，而且同定風量空調系統相比，也相應地減少了再熱量以及相應的冷量，這就是變風量系統從運行機制上比定風量系統合理的地方。同時各房間送風量的變化，使系統總風量相應變化，從而節省風機運行能耗。設計時應適當考慮此外各房間負荷與系統總負荷的關系，從而適當減少風機裝機容量。

變風量系統調試，要根據建筑的特點采取不同的控制策略，靈活運用控制方式，也可以實現節能效果。例如：對于有玻璃幕墻的建筑，可以使陽光直射的區域溫度設定值較低，而其他區域溫度設定值提高1～2℃。通過不同的溫度設定點控制不同區域的變風量系統箱體出風量，既能保證各個區域的舒適環境，又能實現建筑節能的目的。

礦(化)體圍巖主要為新縣二長花崗巖，圍巖蝕變主要為鉀長石化、硅化、綠泥石化、絹云母化等，顏色呈肉紅色-淺肉紅色。局部破碎蝕變強烈，蝕變強度與距礦(化)體的距離有關，一般礦(化)體和近礦圍巖蝕變較強，向兩邊逐漸減弱。同時，與礦(化)體的厚度亦有關，礦(化)體厚度越大，其圍巖蝕變越強。

3.3 通過排風系統能量的回收，實現智能建筑空調系統的節能

排風系統把樓內空氣排到室外的同時必將帶走空氣中的大量冷/熱量，如果不加以回收，這部分室內空氣帶走的能量將白白的浪費掉。為了減少由于排風系統造成的室內能量損失，可以通過轉輪熱交換器等方式進行能量回收利用。轉輪式熱交換器有三個通道——新風區、排風區和凈化扇形區，氣流是逆向流動的，因此有自凈作用，不宜被灰塵堵塞。轉輪以10r/min左右的速度緩慢轉動。凈化區夾角為10°，在轉輪從排風區過渡到新風區時，在凈化扇形區犧牲少量新風從而使排風向新風的滲透減至最小。根據空氣流速和轉速的不同，此滲透率約為2%～5%。冬季，轉輪在排風區從排風中吸熱吸濕，轉到新風區時，對新風加熱加濕；夏季此過程相反。

3.4 冷源系統設備的節能控制措施

1）冷水機組的節能控制：冷水機組的節能控制方式通常有兩種，一是利用冷凍水回水溫度控制；二是通過計量設備參數換算的冷量控制。

利用冷凍水回水溫度控制：冷水機組的出水溫度是一般在7℃左右，當冷凍水經循環吸收負載熱量而溫度上升（一般在12℃左右）。利用回水溫度這一基本反映系統冷負荷的參數變化，可以增減冷水機組或冷凍水泵運行的數量，增減冷水機組或冷凍泵的運行時間，降低能源消耗，達到節能的目的。

利用冷量控制：根據分水器和集水器的供、回水溫度及冷凍水流量的測量值，可以計算出空調系統實際冷負荷，從而變化冷水機組及冷凍泵開啟臺數。

2）冷卻塔的節能控制：過低的冷卻水進水溫度也同樣是不利于冷水機組正常運行的。因此，為保證冷水機組正常工作，必須使冷卻水進水滿足設計溫度值。

利用冷卻水進水溫度可以控制冷卻塔風機工作臺數和冷卻水泵的運行臺數。從而不僅可以大幅度降低電機本身耗電，而且還可以減少電機的啟停磨損，降低維護成本。同時還可以通過優化冷卻水的運行工況，給冷機提供高效的運行工況。由于利用冷卻進水溫度來控制冷卻塔風機的運行是獨立控制的，所以當室外溫度較低時，僅靠水從冷卻塔流出后的自然冷卻即可滿足水溫要求，因此系統可自動關閉風機，從而也達到了節能的效果。綜上，對冷卻塔的節能控制，實際上是對冷機和冷卻塔的綜合監控，節電率高達30%～50%，具有可靠性高、控制靈活、投資低及收益大的特點。

4 結論

智能建筑樓宇自控系統將建筑內所有機電設備集成一個系統，實現信息共享，進行綜合管理，其作用和效益是巨大的。經過多年在智能化樓宇自控方面的實踐，筆者認為無論是從重視節能節水出發實施能源節約計劃，還是為了保證建筑物中環境質量，智能建筑樓宇自控系統都可以起到顯著的作用，智能建筑樓宇自控系統在建筑節能方面還有巨大的潛力。

[1]郭維鈞, 賀智修, 施鑒諾. 建筑智能化技術基礎[M]. 北京：中國計量出版社，2001.

[2]秦兆海, 周鑫華. 智能樓宇技術設計與施工[M]. 北京：清華大學出版社, 北方交通大學出版社，2003.

[3]李金川, 鄭智慧. 空調制冷自控系統運行與管理[M]. 北京：中國建材工業出版社出版，2002.

[4]王可崇, 喬世軍, 王曉麗, 張建. 建筑設備自動化系統[M].北京：人民交通出版社，2003.