大型智能建筑控制節能和管理節能的技術探討

文｜ 太極計算機股份有限公司 曹茂春 齊 雄

大型智能建筑控制節能和管理節能的技術探討

文｜ 太極計算機股份有限公司 曹茂春 齊 雄

控制節能和管理節能是大型智能建筑節能的兩種技術，本文介紹了大型智能建筑用能公式及用能組成，分析樓宇自控、照明控制和電梯控制三種控制節能技術以及建筑能源管理系統的節能技術，并對其中兩種節能技術進行了經濟效益評估。

控制節能 管理節能 樓宇自控 建筑能源管理系統

1 大型智能建筑用能公式和用能組成

一般情況下大型智能建筑用能公式如下：

其中公式左側Q代表建筑總能耗；右側第一項Qenvelop為圍護結構耗能，與建筑規劃、設計、施工和新材料、新工藝等相關；第二項Qlighting&plug［person，users］為照明和插座耗能，與固定工作人員數量相關，還與用戶的高級程度相關；第三項Qouttemp為大氣溫度對建筑用能的影響；第四項Qperson為臨時人流量的耗能；第五項QHVAC為HVAC設備系統的耗能；第六項Qelevator為電梯耗能；第七項Qbehavior為人的行為對能耗的影響，如開窗對能耗產生極大影響。

公式第一、三、四、七項能耗屬于建筑學節能等研究范疇，因此作為建筑智能化學科在建筑節能中實際可以操作的只有第二、五、六項，也就是照明和插座、HVAC和電梯節能。據統計大型智能建筑能耗中，采暖和空調系統能耗約占50%～60%，照明和插座能耗約占20%～30%，電梯能耗約占8%～10%。大型智能建筑用能構成如圖1所示。

2 大型智能建筑節能技術

大型智能建筑節能技術目前大致有三大類：

建筑學節能：通過建筑規劃、設計、施工和新材料、新工藝的運用來達到節能，其中還運用太陽能、風能、地熱、自然通風、雨水和能量回收、中水利用等技術，不屬于本文研究對象。

控制節能：運用古典、現代和智能控制理論（神經網絡、模糊控制和專家系統等）對設備和環境進行合理的控制，提供舒適環境同時使設備能耗降至合理化標準，因此是建筑節能應用最廣的核心技術。

管理節能：通過合理制定各項用能操作規程和制度，優化用能管理流程等措施間接降低能耗。建筑能源管理系統（BEMS）在大量累積能耗數據基礎上，通過對能源消耗進行準確監測和科學分析，采取相應的管理措施和技術措施，從而達到節能的目的，其本質就是管理節能的一種表現。管理節能并不能使設備能耗降低，而是讓運營者知道能耗的來源以及處理的方式，因此管理節能是建筑節能的輔助技術。

2.1 智能建筑控制節能分析

在智能化系統工程中，許多子系統都有控制節能的概念，由建筑用能公式和用能組成結構可知，與控制節能關聯性最大的是樓宇自控（BAS）、照明控制和電梯控制。

2.1.1 樓宇自控

在不影響人的客觀舒適度的情況下，運用多種控制技術（PID控制、神經網絡、模糊控制和專家系統等）編程控制建筑物內冷熱源系統、空調設備、送排風系統、配電設備等運行，達到提供舒適環境和節能目的，這就是樓宇自控研究的主要內容。

與節能相關的樓宇自控便是HVAC系統。大型建筑HVAC系統一般采用由冷/熱源系統和前端設備組成的中央空調系統。據統計，中央空調系統設備能耗分布如下：空調機組及新風設備占11%，風機盤管占7%，冷水機組的能耗占59%，冷凍水泵占9%，冷卻塔占4%，冷卻水泵占10%。從以上數據可以看出冷源系統運行電耗高達82%，因此空調系統節能主要從冷水機組和空氣處理機組進行節能控制。

（1）冷水機組群控的節能策略

冷水機組的運行必須依靠冷水機組本身、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機等協調運行，因此其控制是一種群控。目前較為流行的控制方法是大群控和小群控，兩種控制方法各有自己的控制策略。

大群控是每隔一定的時間，通過傳感器及測量儀表檢測冷凍水的供回水溫度與流量，計算出空調系統的實際負荷，將計算結果與當時冷水機組投運臺數的總供冷量作比較，在理論上若供冷量與空調系統的實際負荷之差大于一臺冷水機組的供冷量時，則發出停止一臺冷水機組的運行提示，管理人員確認后停止該機組運行。冷水機組停止運行后，其相應的冷卻塔、冷凍水泵和冷卻水泵停止運行。目前大群控的控制方法主要有：回水溫度控制法、流量控制法、熱量控制法、流量＋熱量控制法、壓差控制法和壓差＋流量控制法等。

小群控是在局部范圍內對非冷機的設備群組控制，如對二次冷凍泵、部分冷卻泵、冷卻塔風機等開閉及變頻調速。在部分負荷下，雖然冷水機組可以根據實際負荷調節相應的冷量輸出，但是常規冷水系統在冷水機組的蒸發器所測的流量配置值是固定的，系統的冷凍水流量并沒有跟隨實際的負荷變化而變化，冷凍水泵能耗也沒有跟隨實際負荷減少而降低。在變流量系統中，系統的冷凍水流量不是按照滿負荷的水量固定不變，而是在部分負荷時水流量減小，冷凍水泵的輸送能耗隨之減小，從而達到節能降耗的目的，因此小群控同樣重要。

在實際控制中，大、小群控一般很難相互協調，因此必須制定一個大群控和小群控一體化控制策略，這樣可以達到更好的節能效果。

（2）空氣處理機組的節能策略

近幾年，變風量空調技術的發展越來越成熟，成功節能的范例不少。空調系統的空氣處理機組采用變風量控制方式，其特點是利用合理控制算法改變進入空調區域的送風量來適應區域內負荷變化，達到節能和環境的舒適性。

變風量空調系統有各種類型，但均由四個基本部分構成：變風量末端裝置、空氣處理及輸送設備、風管系統及自動控制系統。典型的變風量系統如圖2所示。

目前常用的變風量系統的控制方式有三種：定靜壓控制、變靜壓控制和總風量控制。

定靜壓控制是在風道上選主風道距風機出口2/3處的靜壓為控制點，測量該點靜壓，調節風機轉速保證該點靜壓不變。這種控制方法簡單實用，基本能滿足變風量系統的控制要求。但是，如果整個系統都處于部分負荷工況，高靜壓設定值會給風機增加不必要的能耗。

變靜壓控制根據末端裝置風閥開度隨時調整靜壓設定值，使系統中至少有一個末端裝置風閥的開度接近全開位置。其控制算法有多種，如固定步長搜索法、PID搜索法。采用PID算法搜索合適的靜壓設定值，相比固定步長法，其具有速度快、精度高的特點，而且可以大大節省風機功耗。由于變靜壓控制方法存在強耦合性和非線性，變風量系統的調試對系統的成敗起了很大的作用。調試工作復雜、繁重，具有調試能力的公司并不多。

總風量控制避免使用壓力測量裝置，減少了一個風機的閉環控制環節，也不需要變靜壓控制時的末端閥位信號。它是直接根據設定風量計算出要求的風機轉速，設定風量不是因一個房間滿足要求后，立刻設定未來能滿足該負荷的風量（即穩定風量），而是由一個房間的溫度偏差計算出逐漸穩定下來的中間控制量。因此總風量控制下的風機轉速不會在房間負荷變化后馬上調節到穩定轉速。總風量控制在風機節能上介于變靜壓和定靜壓控制之間。

2.1.2 照明控制

簡單照明系統一般可以通過BAS系統控制回路，實現遠程控制、時序控制和關聯控制。但是一些大型建筑如航站樓、體育館等對照明有特殊要求的場所，必須使用獨立智能照明系統。智能照明系統可以通過編程實現單點、雙點、多點、區域、群組控制、場景設置、定時開關、亮度手自動調節、紅外線探測、集中監控、遙控等多種照明控制。常用智能照明系統如圖3所示。

智能照明系統前期投入成本較高，但是后期節能效果非常明顯，而且對于控制策略修改、照明區域重新布局和分組，無需重新布線，只需要在控制軟件更改控制程序，即可實現，非常便于照明節能優化。常用的智能照明節能控制有結合自然光的照度控制、場景控制、時序控制、中央控制等。各種控制方式可以單獨運行，也可以任意組合工作。

遠程控制、時序等編程控制是傳統BAS照明系統的基本功能，本文不做論述。

2.1.3 電梯節能

電梯能耗在大型建筑中僅次于空調和照明能耗，電梯節能主要體現在電能、空間、時間上，一般與電梯性能、配置和控制相關。

電梯的控制可分為并聯控制和群組管理控制兩類。并聯控制就是幾臺電梯共同享受一個外召喚信號，并能按預先設定的調配原則自動地調配某臺電梯應答外召喚信號。群控管理除了共同享受一個外召喚信號外，還能根據廳外召喚信號數的多少和電梯每次負載情況自動合理地調配各個電梯，讓其處于最佳服務狀態。無論是多臺電梯的并聯控制還是群控管理控制，其最終目的是把對于某一層樓召喚信號的電梯運行的方向信號分配給最有利的一臺電梯，也就是說自動調配的目的是把電梯的運行方向合理地分配給電梯群中的某一臺最合理的電梯。

合理電梯編程控制，可以節省大量能源。電梯控制一般是由電梯廠家進行編程控制，系統集成商一般很少參與。電梯系統與BAS系統一般采用OPC方式進行通信。BAS系統提供OPC CLIENT，電梯系統提供OPC SERVER，BAS采集電梯的運行狀態、位置狀態和故障報警等信號，一般只監不控。

2.2 智能建筑管理節能分析

管理節能在建筑節能中最為典型的應用就是建筑能源管理系統。

建筑能源管理系統是根據建筑能耗分項計量設計和分項能耗采集技術，將建筑物內耗電設備實時能耗采集到計算機中，運用統計學分析等方法，對建筑物內能源資源構成、能耗內在聯系及其發展變化規律、能源資源利用效率進行分析、判斷和評價，找出能源消費漏洞和節能機會，改進其管理，同時為控制節能提供控制策略，實現控制節能持續優化的目的。

一個典型的建筑能源管理系統組成如圖4所示。

能耗數據采集一般可通過BAS系統或第三方協議數據交換（Modbus/OPC/ODBC/JDBC）來實現，也可布置獨立智能數據采集單元。建筑設備能耗分項計量設計非常重要，是能耗數據采集的前提；合適的分項能耗計量設計，可以將分散混雜在多個用電支路中的耗能設備進行量化分開管理。

數據存儲一般使用大型關系型數據庫，數據庫可以和BAS/SCADA 共用，也可獨立設置數據庫服務器，BEMS可以從BAS/SCADA數據庫中直接存取訪問，還可以把原始采集數據與建筑和設備基礎信息、報警規則信息結合處理后，形成新的數據。

能耗數據分析是BEMS的核心，通過對建筑累積能耗數據統計、分析，結合虛擬建筑物能耗模型和實體建筑物能耗對比，從而找出能源消費漏洞和節能機會，實現了兩個能源管理的轉變：從粗放式向集約化管理的轉變，從被動節能到主動節能的轉變。

3 大型智能建筑兩種節能技術經濟效益評估

3.1 控制節能效益評估

通過合理編程和優化控制策略，樓宇自控系統不僅可以使建筑物內冷熱源系統、空調系統、給排水系統、送排風系統、照明系統、電梯、變配電系統設備處于最優運行狀態，而且還提供了人、建筑、環境互相協調的安全、舒適、便捷的節能環境。

根據太極計算機股份有限公司多年的數據分析和評估，智能建筑采用合理的控制技術后，與傳統建筑或不合理控制的智能建筑相比可節能15%～40%。

3.2 能源管理系統效益評估

通過采用實時能源監控、分戶分項能源統計分析、重點能耗設備監控、能耗費率分析等多種手段，使管理者對能源成本比重和發展趨勢有準確的掌握，制定有的放矢的節能策略，并將節能指標分解到各個部門，使節能工作責任明確。據初步測算，通過管理可節能10%～30%，經濟效益十分可觀。

4 結束語

隨著控制節能技術在大型智能建筑節能中的大量實踐，控制技術越來越成熟。建筑通過控制技術節能達到一定極限后，管理技術節能將是新的發展方向，并顯得愈加必要，管理節能技術的發展將會推動控制節能進一步發展。

1 曹茂春，洪勁飛. 建筑能源管理系統的研究及其應用[J]. 智能建筑，2011（10）：48-51

2 曹茂春，倪貴平.大型智能建筑節能技術分析[J]. 安防與自動化，2012（8）：37-43

3 曹茂春，齊雄. 基于能效模型的數據中心節能研究及其應用[J]. 智能建筑與城市信息，2012（6）：102-105

4 國家標準. 綠色建筑評價標準 GB/T 50378-2006. 北京：中國建筑工業出版社，2006