大型智能建筑控制节能和管理节能的技术探讨

文｜ 太极计算机股份有限公司 曹茂春 齐 雄

大型智能建筑控制节能和管理节能的技术探讨

文｜ 太极计算机股份有限公司 曹茂春 齐 雄

控制节能和管理节能是大型智能建筑节能的两种技术，本文介绍了大型智能建筑用能公式及用能组成，分析楼宇自控、照明控制和电梯控制三种控制节能技术以及建筑能源管理系统的节能技术，并对其中两种节能技术进行了经济效益评估。

控制节能 管理节能 楼宇自控 建筑能源管理系统

1 大型智能建筑用能公式和用能组成

一般情况下大型智能建筑用能公式如下：

其中公式左侧Q代表建筑总能耗；右侧第一项Qenvelop为围护结构耗能，与建筑规划、设计、施工和新材料、新工艺等相关；第二项Qlighting&plug［person，users］为照明和插座耗能，与固定工作人员数量相关，还与用户的高级程度相关；第三项Qouttemp为大气温度对建筑用能的影响；第四项Qperson为临时人流量的耗能；第五项QHVAC为HVAC设备系统的耗能；第六项Qelevator为电梯耗能；第七项Qbehavior为人的行为对能耗的影响，如开窗对能耗产生极大影响。

公式第一、三、四、七项能耗属于建筑学节能等研究范畴，因此作为建筑智能化学科在建筑节能中实际可以操作的只有第二、五、六项，也就是照明和插座、HVAC和电梯节能。据统计大型智能建筑能耗中，采暖和空调系统能耗约占50%～60%，照明和插座能耗约占20%～30%，电梯能耗约占8%～10%。大型智能建筑用能构成如图1所示。

2 大型智能建筑节能技术

大型智能建筑节能技术目前大致有三大类：

建筑学节能：通过建筑规划、设计、施工和新材料、新工艺的运用来达到节能，其中还运用太阳能、风能、地热、自然通风、雨水和能量回收、中水利用等技术，不属于本文研究对象。

控制节能：运用古典、现代和智能控制理论（神经网络、模糊控制和专家系统等）对设备和环境进行合理的控制，提供舒适环境同时使设备能耗降至合理化标准，因此是建筑节能应用最广的核心技术。

管理节能：通过合理制定各项用能操作规程和制度，优化用能管理流程等措施间接降低能耗。建筑能源管理系统（BEMS）在大量累积能耗数据基础上，通过对能源消耗进行准确监测和科学分析，采取相应的管理措施和技术措施，从而达到节能的目的，其本质就是管理节能的一种表现。管理节能并不能使设备能耗降低，而是让运营者知道能耗的来源以及处理的方式，因此管理节能是建筑节能的辅助技术。

2.1 智能建筑控制节能分析

在智能化系统工程中，许多子系统都有控制节能的概念，由建筑用能公式和用能组成结构可知，与控制节能关联性最大的是楼宇自控（BAS）、照明控制和电梯控制。

2.1.1 楼宇自控

在不影响人的客观舒适度的情况下，运用多种控制技术（PID控制、神经网络、模糊控制和专家系统等）编程控制建筑物内冷热源系统、空调设备、送排风系统、配电设备等运行，达到提供舒适环境和节能目的，这就是楼宇自控研究的主要内容。

与节能相关的楼宇自控便是HVAC系统。大型建筑HVAC系统一般采用由冷/热源系统和前端设备组成的中央空调系统。据统计，中央空调系统设备能耗分布如下：空调机组及新风设备占11%，风机盘管占7%，冷水机组的能耗占59%，冷冻水泵占9%，冷却塔占4%，冷却水泵占10%。从以上数据可以看出冷源系统运行电耗高达82%，因此空调系统节能主要从冷水机组和空气处理机组进行节能控制。

（1）冷水机组群控的节能策略

冷水机组的运行必须依靠冷水机组本身、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机等协调运行，因此其控制是一种群控。目前较为流行的控制方法是大群控和小群控，两种控制方法各有自己的控制策略。

大群控是每隔一定的时间，通过传感器及测量仪表检测冷冻水的供回水温度与流量，计算出空调系统的实际负荷，将计算结果与当时冷水机组投运台数的总供冷量作比较，在理论上若供冷量与空调系统的实际负荷之差大于一台冷水机组的供冷量时，则发出停止一台冷水机组的运行提示，管理人员确认后停止该机组运行。冷水机组停止运行后，其相应的冷却塔、冷冻水泵和冷却水泵停止运行。目前大群控的控制方法主要有：回水温度控制法、流量控制法、热量控制法、流量＋热量控制法、压差控制法和压差＋流量控制法等。

小群控是在局部范围内对非冷机的设备群组控制，如对二次冷冻泵、部分冷却泵、冷却塔风机等开闭及变频调速。在部分负荷下，虽然冷水机组可以根据实际负荷调节相应的冷量输出，但是常规冷水系统在冷水机组的蒸发器所测的流量配置值是固定的，系统的冷冻水流量并没有跟随实际的负荷变化而变化，冷冻水泵能耗也没有跟随实际负荷减少而降低。在变流量系统中，系统的冷冻水流量不是按照满负荷的水量固定不变，而是在部分负荷时水流量减小，冷冻水泵的输送能耗随之减小，从而达到节能降耗的目的，因此小群控同样重要。

在实际控制中，大、小群控一般很难相互协调，因此必须制定一个大群控和小群控一体化控制策略，这样可以达到更好的节能效果。

（2）空气处理机组的节能策略

近几年，变风量空调技术的发展越来越成熟，成功节能的范例不少。空调系统的空气处理机组采用变风量控制方式，其特点是利用合理控制算法改变进入空调区域的送风量来适应区域内负荷变化，达到节能和环境的舒适性。

变风量空调系统有各种类型，但均由四个基本部分构成：变风量末端装置、空气处理及输送设备、风管系统及自动控制系统。典型的变风量系统如图2所示。

目前常用的变风量系统的控制方式有三种：定静压控制、变静压控制和总风量控制。

定静压控制是在风道上选主风道距风机出口2/3处的静压为控制点，测量该点静压，调节风机转速保证该点静压不变。这种控制方法简单实用，基本能满足变风量系统的控制要求。但是，如果整个系统都处于部分负荷工况，高静压设定值会给风机增加不必要的能耗。

变静压控制根据末端装置风阀开度随时调整静压设定值，使系统中至少有一个末端装置风阀的开度接近全开位置。其控制算法有多种，如固定步长搜索法、PID搜索法。采用PID算法搜索合适的静压设定值，相比固定步长法，其具有速度快、精度高的特点，而且可以大大节省风机功耗。由于变静压控制方法存在强耦合性和非线性，变风量系统的调试对系统的成败起了很大的作用。调试工作复杂、繁重，具有调试能力的公司并不多。

总风量控制避免使用压力测量装置，减少了一个风机的闭环控制环节，也不需要变静压控制时的末端阀位信号。它是直接根据设定风量计算出要求的风机转速，设定风量不是因一个房间满足要求后，立刻设定未来能满足该负荷的风量（即稳定风量），而是由一个房间的温度偏差计算出逐渐稳定下来的中间控制量。因此总风量控制下的风机转速不会在房间负荷变化后马上调节到稳定转速。总风量控制在风机节能上介于变静压和定静压控制之间。

2.1.2 照明控制

简单照明系统一般可以通过BAS系统控制回路，实现远程控制、时序控制和关联控制。但是一些大型建筑如航站楼、体育馆等对照明有特殊要求的场所，必须使用独立智能照明系统。智能照明系统可以通过编程实现单点、双点、多点、区域、群组控制、场景设置、定时开关、亮度手自动调节、红外线探测、集中监控、遥控等多种照明控制。常用智能照明系统如图3所示。

智能照明系统前期投入成本较高，但是后期节能效果非常明显，而且对于控制策略修改、照明区域重新布局和分组，无需重新布线，只需要在控制软件更改控制程序，即可实现，非常便于照明节能优化。常用的智能照明节能控制有结合自然光的照度控制、场景控制、时序控制、中央控制等。各种控制方式可以单独运行，也可以任意组合工作。

远程控制、时序等编程控制是传统BAS照明系统的基本功能，本文不做论述。

2.1.3 电梯节能

电梯能耗在大型建筑中仅次于空调和照明能耗，电梯节能主要体现在电能、空间、时间上，一般与电梯性能、配置和控制相关。

电梯的控制可分为并联控制和群组管理控制两类。并联控制就是几台电梯共同享受一个外召唤信号，并能按预先设定的调配原则自动地调配某台电梯应答外召唤信号。群控管理除了共同享受一个外召唤信号外，还能根据厅外召唤信号数的多少和电梯每次负载情况自动合理地调配各个电梯，让其处于最佳服务状态。无论是多台电梯的并联控制还是群控管理控制，其最终目的是把对于某一层楼召唤信号的电梯运行的方向信号分配给最有利的一台电梯，也就是说自动调配的目的是把电梯的运行方向合理地分配给电梯群中的某一台最合理的电梯。

合理电梯编程控制，可以节省大量能源。电梯控制一般是由电梯厂家进行编程控制，系统集成商一般很少参与。电梯系统与BAS系统一般采用OPC方式进行通信。BAS系统提供OPC CLIENT，电梯系统提供OPC SERVER，BAS采集电梯的运行状态、位置状态和故障报警等信号，一般只监不控。

2.2 智能建筑管理节能分析

管理节能在建筑节能中最为典型的应用就是建筑能源管理系统。

建筑能源管理系统是根据建筑能耗分项计量设计和分项能耗采集技术，将建筑物内耗电设备实时能耗采集到计算机中，运用统计学分析等方法，对建筑物内能源资源构成、能耗内在联系及其发展变化规律、能源资源利用效率进行分析、判断和评价，找出能源消费漏洞和节能机会，改进其管理，同时为控制节能提供控制策略，实现控制节能持续优化的目的。

一个典型的建筑能源管理系统组成如图4所示。

能耗数据采集一般可通过BAS系统或第三方协议数据交换（Modbus/OPC/ODBC/JDBC）来实现，也可布置独立智能数据采集单元。建筑设备能耗分项计量设计非常重要，是能耗数据采集的前提；合适的分项能耗计量设计，可以将分散混杂在多个用电支路中的耗能设备进行量化分开管理。

数据存储一般使用大型关系型数据库，数据库可以和BAS/SCADA 共用，也可独立设置数据库服务器，BEMS可以从BAS/SCADA数据库中直接存取访问，还可以把原始采集数据与建筑和设备基础信息、报警规则信息结合处理后，形成新的数据。

能耗数据分析是BEMS的核心，通过对建筑累积能耗数据统计、分析，结合虚拟建筑物能耗模型和实体建筑物能耗对比，从而找出能源消费漏洞和节能机会，实现了两个能源管理的转变：从粗放式向集约化管理的转变，从被动节能到主动节能的转变。

3 大型智能建筑两种节能技术经济效益评估

3.1 控制节能效益评估

通过合理编程和优化控制策略，楼宇自控系统不仅可以使建筑物内冷热源系统、空调系统、给排水系统、送排风系统、照明系统、电梯、变配电系统设备处于最优运行状态，而且还提供了人、建筑、环境互相协调的安全、舒适、便捷的节能环境。

根据太极计算机股份有限公司多年的数据分析和评估，智能建筑采用合理的控制技术后，与传统建筑或不合理控制的智能建筑相比可节能15%～40%。

3.2 能源管理系统效益评估

通过采用实时能源监控、分户分项能源统计分析、重点能耗设备监控、能耗费率分析等多种手段，使管理者对能源成本比重和发展趋势有准确的掌握，制定有的放矢的节能策略，并将节能指标分解到各个部门，使节能工作责任明确。据初步测算，通过管理可节能10%～30%，经济效益十分可观。

4 结束语

随着控制节能技术在大型智能建筑节能中的大量实践，控制技术越来越成熟。建筑通过控制技术节能达到一定极限后，管理技术节能将是新的发展方向，并显得愈加必要，管理节能技术的发展将会推动控制节能进一步发展。

1 曹茂春，洪劲飞. 建筑能源管理系统的研究及其应用[J]. 智能建筑，2011（10）：48-51

2 曹茂春，倪贵平.大型智能建筑节能技术分析[J]. 安防与自动化，2012（8）：37-43

3 曹茂春，齐雄. 基于能效模型的数据中心节能研究及其应用[J]. 智能建筑与城市信息，2012（6）：102-105

4 国家标准. 绿色建筑评价标准 GB/T 50378-2006. 北京：中国建筑工业出版社，2006