基于楼宇自动化系统设备节能管理的研究

倪燕欣(国家大剧院， 北京 100031)

国家大剧院是国家级表演艺术中心，拥有独特的壳体结构和21.75万m2的巨大空间。作为智能建筑的重要构成部分，国家大剧院的楼宇自动化系统秉承了智能、全面的设计理念，经过不断地完善和改造，不但满足建筑设备智能化的基本要求，为大型公共空间提供舒适、宜人的环境，并且通过不断完善的优化控制策略在建筑节能方面发挥了一定的作用。

1 重点耗能机电设备概况

国家大剧院主要用能设备包括制冷机组、热水循环泵、空调主机、空调循环泵、功率放大器及电机等。暖通空调系统、变配电及通风系统属于国家大剧院的环境用能。公共照明系统也是另一项重要耗能设备。楼宇自动化系统对于这些高耗能设备的运行及控制方式起着主要作用，其是否科学合理将直接影响到大剧院的能源消耗。

1.1 冷源与热源设备

国家大剧院冷源采用4台制冷量为1100RT的离心式冷水机组和1台300RT双机头螺杆式冷水机组。空调冷负荷约为15 000kW。空调冷水一级泵与冷水机组相对应设置和控制，为定流量运行。一次热源由市政热力网提供，空调采暖最大热负荷约为10 000kW。通过4台即热式热交换器和空调采暖热水一级泵，供应空调采暖用热水。二级设置3套循环泵系统，变流量运行，分别为风机盘管系统、空气处理机组系统、辐射地板系统。

1.2 空调通风

国家大剧院的空调机组是针对不同功能区域的不同采暖通风功能而分别设置。对于歌剧院、戏剧场、音乐厅和小剧场的观众厅和演播室等温湿度要求较为严格的空间，采用具有再加热功能和加湿功能的全空气处理机；对于南、北水下廊道、公共大厅、花瓣厅、橄榄厅、各剧场公共休息厅和休息环廊等部位湿度要求不高的区域，使用不具除湿或加湿功能的全空气处理机；对于空间较大的内区包括办公区采用风机盘管加新风机组的形式。空调通风系统将室外新鲜空气经过加热/制冷、过滤等一系列处理由空调处理机送进室内；将室内废气通过各支路排风机送入结构基础层中的总排风通路汇合，最后从总排烟机房的总排风口排出。

1.3 公共照明

在国家大剧院幻彩迷人的公共空间里，各类功能照明形态各异，灯具种类繁多。有水下廊道的柱形灯、歌剧院顶层龙形灯、下照式射灯、橄榄厅四周与白玉墙融为一体的日光灯带、歌剧院环廊玻璃吊片灯、戏剧场导轨灯、蛇形灯、支架灯等；还有镶嵌在壳体上的蘑菇灯，室外园林照明等。光源有金属卤化物灯、卤钨灯、荧光灯、LED灯等。这些公共照明都是根据自控系统的设定程序，或根据演出时间，或根据某区域光照度自动开关。

2 建立机电设备的管理中心

经过几年时间的实践运行探索，国家大剧院逐步建成了一套稳定、高效的楼宇自控系统，实现了对建筑物机电设备的集中管理，是集监视、控制、预警、警告等多项功能于一身、集专业经验与智能技术于一身、集先进的网络通讯技术与自动化技术于一身的具有精细化管理模式的设备管理中心。

楼宇自控中控室是机电设备指挥调度中心，网络构架由C/S升级为B/S模式，所有设备运行状态于工作站上一目了然，警告信息弹出报警，设备运行按照日程设定自动启停，末端设备根据程序判断自动调节，反馈回来的各类参数作为调节判断的依据。

3 楼宇自动化系统在设备节能管理上发挥的作用

对于设备的节能管理，重点在于两大主要监控对象：空调系统和照明系统。而具体管理手段和措施，是在运行过程中依据大剧院的建筑特点和特殊要求逐步摸索而来。利用楼宇自动化系统的数据采集、数据显示、报表统计和警告等功能，完成或协助完成各类设备的运行管理、维护维修和节能管理。

3.1 公共照明节能控制

国家大剧院公共照明整体控制遵循演出时段和参观开放时段不同模式的原则。

1)区域光照度控制

国家大剧院南、北水下廊道和玻璃穹顶的特殊建筑结构使得环境照度受室外光照射影响较大。为了更好地节能，同时为了避免阴天影响白天参观时段各区域的基本照度，通过安装在不同区域的照度传感器采集光照度信息，DDC控制器接收到光照度数据之后和设定的阈值进行比较，如果光照度值小于等于阈值则部分受控灯具打开，如果光照度值大于阈值则受控灯具关闭。

2)演出保障

国家大剧院演出多在晚间。剧场四周的功能照明在该剧场有演出时依次开启，在观众进场时开启那些表达空间形态、营造环境气氛的灯具，营造大剧院的空间视觉效果。当穹顶远离夕阳的照射或阴天下雨光线暗淡，光感值下降到阈值时开启筒灯等基础照明。

在整个剧院都无演出时只开启应急照明。

白天开放参观，对于观众参观路线的照明同样使用光感控制部分灯具的开启。

3.2 末端空调机组节能控制

在保障参观和演出时段舒适温湿度环境的前提下，尽可能地启用节能运行控制方式是空调节能运行管理的基本原则。国家大剧院共有空调和新风机组88台，排风机90台，总排烟风机16台。楼宇自动化系统完成所有空调机组和排风机组的自动控制启停、温湿度的调节和空气换气循环的任务，自动控制与新风机组配套的排风机、车库排风机、总排烟风机，使封闭空间的气流组织有序地循环。公共大厅和四个剧场的环境温湿度环境涉及室外天气条件的判断、冷热源出水温度的设定、总排烟风机运行台数、各空气处理机温湿度的控制、演出时间与观众人数等诸多因素。楼宇自动化系统与无线测温系统进行实时通讯，根据设定值将剧场内的无线测温加权值作为相关调节参量，随时调整各类设定参数，从而完成一系列的自动调节。

1)空调节能管理措施

(1)对于为公共空间服务的空调机组，原设计将回风温度作为被控对象，通过实践运行发现因回风温度热惰性大而影响控制效果。通过监测现场温度反馈，适时调整设定温度。将送风温度作为受控对象，不但可提高控制效果，而且可缩短调节时间，提高效率，减少冷量多余的消耗。

图1 空调机组的优化控制

(2)对于启闭有规律的设备，为其设定科学的日程管理，减少人为失误概率，提高设备运行效率。

(3)将部分空调机组的过滤网压差报警改为微压差检测，将原有只检测过滤网压差是否大于一个数值改为监测过滤网两端的压差值，为更换过滤网提供科学的依据，既保证了内区对新鲜空气要求高的新风质量，又可降低室外空气清新时期更换过滤网的频率，节省资金，避免资源浪费。

2)优化节能控制策略

对于国家大剧院这种高级别的演出场所，环境温湿度要求比较严格，既能满足演出剧场的温湿度要求，又可最大限度地节能降耗是作者一直探索的课题。

1)过渡季新风阀的调节

过渡季如何充分利用室外空气来调节送风温湿度是作者比较关心的问题。为剧场送风的空调机组和公共空间的空调机组，在改造之前的工作方式是设定当室外温度在18℃～22℃时自动将新风阀开为100%全新风状态，利用室外空气提供制冷。

为了在18℃～22℃范围之外的过渡季仍可利用新风作为冷/热源调整送风温度的目的，优化了部分空调机组程序，将室外焓值与室内焓值比较，如非演出时段，自动连续调节新风阀开启度，最大限度地利用室外新风调节送风温度。在演出时段，在保证最小新风量的基础上PID调节新风阀开度，以实现最大限度地节能。

2)除湿节能的优化控制策略

夏季为了保证剧场内湿度，对于六管制空调机组设定13℃露点温度的控制目标，在此基础上调节再热水阀开度保证送风温湿度。但是夏季不排除室外有高温低湿的天气条件，13℃的露点温度不免有些浪费。在没有高要求的演出时段，尝试将混风露点值参与控制回路，与混风温度做比较，当机组内空气含湿量偏低时适当减小除湿量，同时热水供应量也相对减少，在达到送风温湿度要求的基础上，尽可能地降低能耗。

3.3 冷热源设备节能控制

1)冷水机组设备的节能管理

冷冻机组设备是空调系统中装机容量最大的设备，其成套设备是否能高效运行非常重要，也是节能管理的重点。楼宇自动化系统主要控制的设备有冷热水系统的补水泵、空调二次泵、风机盘管二次泵。通过Modbus协议读取冷冻机参数。

通过与冷冻机的联机通讯，设备监控系统可根据冷冻水供回水温度、冷却水供回水温度、冷冻机电流百分比、出水温度设定等参数，在几种模式选择的前提下，再结合室外环境计算出启机数量，为值班人员手动操作提供参考。冷水机组及其他相关设备同样具备控制功能，但目前的管理方式为只监不控。

图2 空调二次水泵的优化控制

2)热源设备的节能管理

国家大剧院热源供应来自市政热力热水。通过一次管道上的热计量表可监测热水使用流量。热源设备的自动控制主要为二次水泵的调节和控制。

3)二次循环水泵的节能管理

国家大剧院的冷水和热水循环系统均为变流量运行，设备监控系统自动调整循环水泵的运行台数和频率以适应末端设备的换热需求，既能保证水系统的动态平衡，还可节能降耗。

根据大剧院参观、演出活动特点编写控制程序：白天循环水泵在设定时间开启并按白天压差设定值调节水泵和台数，夜间在规定的时间按夜间设定压差值维持水泵循环运转，水泵根据设定自动增加/减少台数或者增减频率。冷/热水的空调二次泵均各为4台，多数时间运行2台，程序根据设定的组间轮换时间自动两两倒泵，组内的2台水泵还可根据设定时间自动轮换运转。

4 结束语

众所周知，楼宇自动化系统的存在目的有三：一是提高设备运行效率；二是减少人力，提高设备管理水平；三是节能降耗。但目前国内的建筑物可将三个优势都发挥出来的并不多见。经过几年不断完善与升级，国家大剧院楼宇自动化系统基本能发挥上述三个优势，但仍有不尽人意之处。问题一：以目前的状况来看，因硬件条件不具备，没有电量分项计量，因此能源分项计量管理处于空白状态。问题二：对于冷水机组的群控和市政热力一次水等调节模式，有待于进一步摸索寻找自动控制模式与实际操作的最佳契合点。

作者希望通过努力，利用楼宇自动化系统建立一套集末端负荷数据精准采集、空调机组和冷热源自动关联控制、自动调整冷热源的一次水流量、能源需求管理等功能于一身的设备管理模型，做到物尽其用，使楼宇自动化系统节能管理的优势进一步发挥出来。