節能優化控制技術在綠色建筑中的應用

文｜施耐德電氣（中國）有限公司 王坐中

1 前言

目前我國建筑能耗占全社會終端能耗的比例已從1978年的10%增長到了27.5%；若綜合建材生產和建造過程，建筑業相關能耗比例將超過40%。建筑運營過程中存在大量的能源和資源消耗，發展綠色建筑，降低建筑能耗是實現節能減排目標的重要舉措[1]。

建筑設備自動化系統（Building Automation System，BAS）通過對建筑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，為創建綠色建筑提供保障。建筑設備自動化系統在建筑節能領域發揮了重要作用，提高了相關機電設備的能效，通過優化控制可為用戶節約20%～30%的能源。本文將通過對上海某商業樓宇項目中應用的節能優化控制技術的重點介紹，闡述建筑設備自動化系統在綠色建筑中所起的重要作用。

該項目始建于上世紀90年代，內部機電設備大多已接近壽命末期。項目業主希望進一步發掘其處于市中心核心區域的地段優勢，提升物業品質，吸引高端客戶，決定進行整體改造，目標為將該項目改造為滿足LEED認證要求的綠色商業樓宇。此次節能改造涉及眾多子系統及設備的更換，要求建筑設備自動化系統能夠靈活適應各個子系統、滿足其控制要求。

表1 制冷系統監控內容表

2 節能優化控制技術

2.1 制冷主機系統

本項目更換了制冷主機，增設板式換熱器，增加冷卻塔間接供冷，實現免費制冷。主機系統需要監控的主要內容如表1所示。

2.1.1 制冷機組群控

BAS系統通過對冷熱負荷的計算，根據用戶端的負荷需求向冷機控制系統提交啟/停控制要求，同時監測其動作反饋，并將所有冷水機組運行參數上傳至監控主機進行數據備份及實時監測。

（1）系統負荷的計算

負荷計算的意義在于，冷水機組運行臺數控制要以冷源系統總負荷量（供回水溫差與總流量之積）為直接依據。冷水機組運行臺數需與系統負荷相匹配，實現機組最優啟停時間控制，使設備交替運行，攤平各設備的運行時間。

（2）冷凍機組加載/卸載

所有冷凍機組的啟/停與相關的負荷控制連鎖，用戶可以根據現場的具體情況對連鎖程式中的參數及連鎖點自行修改和設定。根據水系統的供回水溫差和流量計算空調系統的冷負荷，同時根據機組的實際供冷量，向冷凍機組控制系統提交啟/停控制申請，以此實現冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機、冷卻塔進水閥等設備的聯動控制。同時監視機組運行狀態及故障狀態。

冷水機組初次啟動及關閉流程如圖1、圖2所示。冷水機組群控流程如圖3所示。冷卻塔群控流程如圖4所示。

圖1 啟動控制流程圖

圖2 關閉流程圖

圖3 冷水機組群控流程圖

圖4 冷卻塔群控流程圖

圖1～圖4中的時間T均可根據實際情況進行設定。

2.1.2 二次泵變流量系統

該項目設置二次冷凍水泵給用戶側供水，并且為水泵引入變頻控制功能以降低能耗。

水泵有轉速與頻率成比例、功率和轉速的立方成正比的運行特性，由此可知：如變頻器的平均工作頻率f2降低10%，相應能量節約可達10%～30%。根據相關理論研究，頻率為45Hz時對應功率約為原來的73%，節能率可達27%。

二次泵變流量系統的控制要點如下：

◆根據水管壓力調節二次水泵頻率，上限為50Hz，下限為35Hz（根據水泵特性及設計最小流量確認）——這樣設置的目的是盡量提高水泵運行時的工作效率；

◆將壓力傳感器設置在分水器所連接的阻力損失最大的環路的最遠端，設定值為滿足該環路最不利用戶正常運行時，供回水干管之間所需要的最小資用壓力；變頻運行循環水泵使實測數值與設定數值趨于一致；在調試中還可以更改設定值及呆滯區范圍，以獲得最佳運行效果；

◆ 當用戶負荷增加，用戶末端調節閥自動開大或開啟數量增加，壓差傳感器所測得壓差值減小時，提高運行頻率以保證壓差傳感器所檢測到的壓差不小于設定值，滿足最不利用戶的要求；

◆當用戶負荷減少，用戶末端調節閥自動關小或開啟數量減少，壓差傳感器所測得的壓差值增大時，降低水泵運行頻率，使實際運行壓差值降低，與所選取的設定值趨于一致。

2.1.3 免費冷卻系統

免費冷卻（Free Cooling）即在常規空調水系統基礎上增設部分管路設備，當室外氣候狀況滿足特定條件，即室外濕球溫度降低到某個值以下時關閉制冷機組，由流經冷卻塔的冷卻水直接或者間接向空調系統供冷，提供建筑所需要的冷負荷。

本項目采用冷卻塔間接供冷方式實現免費制冷——裝設一個板式換熱器，將冷卻水環路和冷凍水環路隔開，使之相互獨立，避免冷凍水受到冷卻水的污染，依靠板式換熱器進行能量傳遞。系統原理如圖5所示。

系統控制要點如下：

◆夏季工況下，關閉換熱器一、二次側開關蝶閥 PBX_V1、PBX_V4、PBX_V5，冷卻水進入制冷機組冷凝器進行換熱；

◆過渡季節和冬季工況下，監測室外空氣狀況，當室外干球溫度下降至接近15℃，濕球溫度下降至接近10℃時，關閉制冷機組，同時關閉制冷機組兩端冷卻水、冷凍水對應水閥，開啟換熱器一、二次側開關蝶閥PBX_V1、PBX_V4、PBX_V5；

◆監測換熱器用戶側水管溫度，根據此溫度比例調節控制一次側調節閥PBX_V2、PBX_V3，使換熱器出水溫度達到設計溫度；

◆對應冷卻塔的控制詳見上文控制流程，設計要求冷卻塔出水溫度需達到8℃；

圖5 免費冷卻系統圖

◆ 在過渡季節，由于天氣變化比較大，除了需要根據室外溫度進行系統切換外，還需要根據水系統運行時的溫度變化進行調整；當室外溫度升高，冷凍水回水溫度也升高，而冷凍水出水溫度難以達到設計溫度或者AHU送風溫度偏高且無法降低時，需要及時切換，重新啟動制冷機組。

2.2 樓層空調系統

本項目在不同功能區域采用不同的空調形式，如全空氣定風量系統、VAV變風量系統、風機盤管系統、輻射冷吊頂系統、全熱回收型新風機組等，下面即針對每種空調系統的控制進行介紹。

2.2.1 全空氣定風量系統

全空氣定風量系統的主要監控功能如下：

◆機組定時啟停控制，即根據時間表定時啟/停機組，以及統計機組運行時間，提示定時維修；

◆監測機組的運行狀態、手自動狀態、風機故障報警；

◆過濾網堵塞報警，即當過濾網兩端壓差過大時報警，提示清掃；

◆回風溫度自動控制，即以回風溫度設定值作為控制目標，以回風溫度測量值作為過程變量，采用閉環控制方案調節水閥執行器，使回風溫度保持在設定值附近；

◆ 根據回風濕度控制加濕器啟/停；

◆ 根據室內CO2濃度，連鎖控制新風閥、回風閥。

2.2.2 變風量（VAV）空調系統

變風量空調系統追求以較少的能耗來滿足室內空氣環境的要求，主要由空氣處理設備、風管系統、VAV末端裝置與自動控制系統四部分構成。

變風量空調系統中每個VAV末端裝置風量的變化都會導致總風管系統風量的變化。自動控制系統根據系統總送風量需求自動調節系統送風機的轉速，可最大限度地減少風機動力，節約能量。由于空調系統大部分時間以部分負荷運行，風量的減少可帶來風機能耗的降低。

（1）AHU風機頻率的控制

常用的變風量系統的AHU風機頻率控制方式有定靜壓控制、變靜壓控制、總風量控制三種方式，本項目根據設計要求采用總風量控制方式來調節AHU風機頻率。

總風量控制方式的基本原理是建立系統設定風量與風機設定轉速的函數關系，無需測定靜壓，只需將所有空調區域各壓力無關型VAV末端裝置的VAV DDC已經確定了的各空調區域需求風量累加求和值作為系統送風機的設定總風量，直接求得風機設定轉速，并以此作為控制風機轉速的依據。

（2）VAV末端裝置控制

本項目中，VAV分內區和外區兩個部分，其中7F及8～9F、21～22F內區采用單風道型VAV末端；8～9F、21～22F外區采用帶熱水盤管型的VAV末端。

①單風道基本型VAV

最基本的VAV末端裝置由進風口、一次風閥、風量傳感器、DDC控制器和箱體等幾部分組成；通過測量風管內的全壓和靜壓，根據兩者之差求出動壓并對其進行開平方運算，得到風速，進而求出末端裝置送風量。

單風道基本型VAV末端裝置的控制采用串級控制方式：溫控器TE根據區域溫度和設定溫度的差值計算出空調區域所需的送風量（設定風量），風量控制器FC根據實測風量和設定風量之差控制風閥執行器，改變風閥的開度，使送入空調區域的冷（熱）量與室內的負荷相匹配。

②帶再熱盤管型VAV

冬季外區空調區域為熱負荷的應用場合，故外區VAV末端裝置常帶有再加熱盤管，可以在冬季工況下根據需求獨立升高各末端裝置的送風溫度，以保證空調區域的舒適度滿足需求。當區域溫度低于設定值Δt時，控制器打開加熱盤管進行再熱。需注意此時需保證VAV末端裝置風閥有一定的開度，在最小風量模式下運行。

2.2.3 風機盤管系統

本項目標準樓層的外區采用風機盤管系統，并且選用聯網型風機盤管溫控器。溫控器可以通過網關設備實現聯網，接受中央監控系統的統一監控與管理；可以實現如下的功能：

◆支持就地控制與遠程中央控制模式設定；

◆支持遠程中央統一設定溫度、控制風機轉速；

◆支持低溫保護；

◆支持按鍵鎖定，可防止誤操作；

◆可以進行無人租用、無人、有人未活動、有人且活動四種模式的溫度設定。

2.2.4 輻射冷吊頂系統

冷吊頂就是在吊頂板（主要是金屬吊頂板）背面加裝制冷單元（水盤管和導熱元件），在制冷工況下通上一定溫度的冷水，將吊頂板的溫度控制在一定范圍內。裝配冷吊頂系統的房間的室內溫度一般設定為25～26℃，這樣吊頂板和室內的墻表面、地面以及其他家具和設備表面就會因存在溫差而產生輻射熱交換。同時制冷單元的表面也可以和室內的空氣接觸，借助形成的對流帶走部分熱量。

本項目中，冷凍機組的7～12℃的冷凍水被送至每個樓層，每個樓層專門設有一個16～18℃的高溫冷水二次水混合環路（混水泵）用于冷吊頂的供水。二次水環路配有獨立的水泵和三通閥，并接入對一次水和二次回水混合的控制以獲得需要的二次水溫。

輻射冷吊頂系統的控制主要有三項要點。

（1）樓層混水閥及混水泵接入樓宇控制（BA）系統，由BA系統進行監控。

（2）BA系統監測安裝在二級水泵出口處的水溫傳感器，根據傳感器實測值與設定值的差值來控制混合閥的開度，使冷吊頂供水溫度達到要求。

（3）樓層內各組冷吊頂采用就地控制：

◆ 在區域內合適位置安裝濕度開關，對室內相對濕度進行監測——正常情況下（如相對濕度低于85%），濕度開關處于常閉狀態，繼電器閉合，1#～N#水閥開關由房間溫控器控制；異常情況下（如相對濕度高于90%），濕度開關動作，繼電器斷開，1#～N#水閥將全部關閉；

◆正常情況下，房間溫控器監測對應區域的溫度，并對其與設定溫度（高于實時的室內空氣露點溫度）進行比較，根據溫度差值控制1#～N#水閥開關。

2.2.5 全熱回收型新風機組

本項目根據設計要求選用轉輪型全熱回收器實現對排風熱量的回收利用。

據相關研究，轉輪式全熱回收器能回收70%～80%的余熱。室內空氣由轉輪一側的入口被吸入，將能量傳遞給轉輪；而室外空氣由轉輪的另一側被吸入。轉輪以15～20轉/分鐘的速度旋轉，將積蓄在轉輪上的熱量傳遞給室外空氣，實現能量回收。

全熱回收系統受室內外溫差、焓值等因素影響很大，需要綜合考慮季節、溫差、焓值等因素制定合理的控制策略，以實現能量回收，達到節能減排的目的。

表2 全熱回收轉輪焓值控制策略表

本項目的全熱回收轉輪考慮采用焓值控制方式，以期實現最大程度的能量回收：

◆檢測室內、室外空氣溫度，以及室內、室外空氣相對濕度；

◆利用DDC控制器的已有程序計算新風焓值iOA、回風焓值iRoom以及二者差值，參考表2所示策略進行控制。

2.3 能源管理系統

隨著數據分析、數據挖掘等信息技術的發展，建筑設備自動化系統已經由單純的自動控制，向自動控制、信息管理一體化方向發展。對BA系統采集的數據進行有效存儲、分析，建立統一的能源管理系統，可以對能源進行全過程和全方位的管理，建立起能源的計量和監測網絡，使設備優化運行，降低維護成本，減少能源消耗成本，還可以為節能管理提供可靠的決策支持——依靠管理實現節能是最有效的途徑。

本項目能源管理系統在設備監控的基礎上，加裝了統一的能源管理系統平臺——Eco-struxure，實現功能如下：

◆實現了對樓宇自動化系統、CCTV視頻監控系統、防盜報警系統、漏電火災報警系統、門禁系統、巡更系統、電力監控系統的統一監測；

◆實現了數據存儲，方便了對歷史記錄的調用和分析；

◆實現了單位能耗對比、重要負荷對比、同類負荷能耗對比，以圖表的形式進行分析，實現了可視化管理；

◆實現了設備優化運行，降低了維護成本；

◆實現了Web瀏覽功能，能夠進行定制的能源數據的發布，向客戶實時展示大樓當前能耗情況；

◆提高了能源系統運行管理效率。

3 結束語

建筑節能——以自動化系統的控制實現建筑設備的基本設計功能，并通過優化控制提高能源使用效率，有著巨大的潛力。自動化系統既服務于建筑設備，又是保障建筑設備優化運行的必要工具，在整個建筑的節能減排中發揮著重要作用。

本文所介紹的項目目前已經進入全面的調試階段，各個子系統的控制策略也逐步得到實施和驗證，初步總結取得了如下成果：

◆實現了對冷凍主機系統的集中監控，可根據實際負荷情況自動進行冷機加機、減機操作，可根據冷卻塔出水溫度自動控制冷卻塔風機啟停、進出水蝶閥開關；冷機系統的集中監控極大方便了運維人員的管理，預計通過優化控制可實現節能20%～30%；

◆二次冷凍水泵變頻控制已經通過測試，預計可實現與原有定頻泵相比節能30%；

◆免費冷卻系統的切換及控制已經通過測試，預計在過渡季節及冬季實際運行后可為客戶帶來非常可觀的節能量；

◆定風量空調系統的自動控制已經完成調試，相對原有的手動控制而言，既減輕了物業管理人員的運維工作，又提高了區域舒適性；同時通過對冷凍水電動閥門的自動調節控制，可減少冷源消耗，實現節能；

◆變風量空調系統在末端根據客戶對溫度的需求，實現了對送風量的控制，提高了舒適性；同時，AHU根據需求風量實現了對風機的變頻控制，與定風量空調相比至少可節能30%；

◆風機盤管的聯網控制極大方便了物業人員的管理——在中央監控室即可實現對各個區域風機盤管系統的啟停控制、溫度設定；

◆全熱回收新風機組夏季工況的控制策略已經經過測試；在盛夏季節，通過全熱回收新風機組的熱交換可以實現對新風的預冷，從而減少對室內冷負荷的需求；

◆該項目目前已經取得LEED白金級預認證，自動化控制系統的優化設計運行發揮了重要作用。

本項目仍有輻射冷吊頂系統和能源管理系統尚處于調試階段，筆者將進一步跟進該項目，追蹤其未來一段時間的實際運行情況，分析實際能耗數據，對整個項目的能耗情況以及控制策略運用效果做進一步的分析和總結。

1 中華人民共和國科學技術部.“十二五”綠色建筑科技發展專項規劃

2 GB 50378-2006 綠色建筑評價標準

3 程大章.智能建筑理論與工程實踐[M].北京：機械工業出版社，2009

4 趙寶珠，孟召軍.變風量（VAV）空調系統及其經濟分析.節能技術，2004，4：42–43

5 程大章.智能建筑工程設計與實施[M].上海：同濟大學出版社，2001

6 GB 50189-2005 公共建筑節能設計標準