能源与环境协同控制的分析研究

李金峰，周 丽

（武汉商学院，湖北 武汉 430056）

建筑空调系统一般包括冷热源系统、管网输配系统和空调末端系统。目前较为常见的控制方法是将暖通空调系统人为割裂成主机群控系统，冷却水变频系统，冷却塔变频系统，冷冻水变频系统等若干独立的子系统，分别采用相应的技术手段降低子系统的能耗，一般只能实现冷热源主机的加减机控制、水泵变频控制等基础功能。然而在暖通系统中，冷热源主机、各种水泵、冷却塔、空调末端等，通过温度、流量、压差、传热等相互影响构成一个有机的整体。单个子系统能耗的降低并不意味着系统整体能耗的降低，换言之，某个设备或者某个子系统的能效比实际意义不大，暖通系统的综合能效比才应该是关注的核心。

为了在楼宇控制技术领域进行开拓创新，通过机电专业紧密协同、控制软件自主开发，对建筑消耗能源进行分门别类的精确计量和管理，在确保建筑环境舒适度的前提下，依靠楼宇诸控制子系统之间的协同运行，实现建筑能源消耗的最大节约目标。因此考虑采用建筑能源环境协同控制解决方案。

1 空调智慧节能控制系统

空调智慧节能控制系统是将协同控制解决方案中的若干项技术经有效整合后，专门针对建筑空调领域的各种用户需求提出的空调智慧节能控制系统。

1.1 适用于以下场合

建筑（办公、医疗、商业、教育等）节能空调智慧控制系统；大型区域能源冷热源自动控制系统；天然气分布式能源三联供自动控制系统。

1.2 系统架构

针对建筑空调智慧系统，提供空调智慧节能控制系统整体化解决方案。通过机电一体化、软件自主化、控制定量化三大技术路线，实现环境舒适和低碳节能两大目标。空调智慧节能控制系统由空调能效智慧管理平台、空调冷热源智慧控制系统、空调末端智慧控制系统、空调能量平衡智慧控制系统组成。

（1）空调能效智慧管理平台。空调智慧能效管理平台为空调智慧领域中的控制与数据采集的SCADA系统，是建筑空调智慧系统监控、数据处理及集中管理的核心，由工作站、打印机、服务器和远程数据通讯装置等组成。

（2）空调冷热源智慧控制系统。系统由智慧总控制柜、冷冻水泵控制柜、冷却水泵控制柜、冷却塔风机控制柜、电动阀门控制柜、现场智慧控制柜等设备组成。可全面采集整个系统各种运行参数，通过现代先进控制技术，并结合我司特有的各种节能控制逻辑，实现空调智慧冷热源系统精确定量化控制，确保系统高效、节能、安全运行。该系统所采用的技术包括冷却水温度双优化智慧控制技术、冷冻水泵组动态变频优化智慧控制技术、制冷主机能效优化智慧群控技术、蓄冷空调系统——需求侧响应优化控制技术。①冷却水温度双优化智慧控制技术。冷却水系统是空调冷热源智慧控制系统的重要一部分，分冷却供水温度控制和冷却供回水温差控制，称之为冷却水温度双优化智慧控制技术；②冷冻水泵组动态变频优化智慧控制技术。中央空调冷冻水系统设计大多为变流量系统，因此需要水泵根据负荷变化进行动态调节，在满足末端空调水量分配需求前提下，达到单/多级冷冻水泵组综合输配能耗最小化为目标。冷冻水泵组动态变频优化智慧控制技术主要是以空调负荷预测技术为基础，通过预测负荷来预测未来冷冻水泵运行参数，使供给的冷量与需求冷量匹配，最大限度减少能量浪费并降低输送能耗；③制冷主机能效优化智慧群控技术。制冷主机作为空调智慧冷源系统中能耗权重最高的设备，其能效优化智能群控技术可以在负荷发生改变时，合理制定投运台数策略，让当前运行的制冷主机始终位于其高效区间，且尽可能减少投运制冷主机的数量变动，增强系统供冷的稳定性。与此同时，还需要合理选择应实施启停切换的制冷主机，实现若干台制冷主机同步运行的能效优化智慧群控。源牌将开关机控制、优化分组控制、主机时序控制和保护控制合并称之为制冷主机能效优化智慧群控技术；④蓄冷空调系统——需求侧响应优化控制技术。蓄冷技术作为电力需求侧管理DSM的重要支撑技术手段具有移峰填谷、减缓发电及输配电设施建设并为使用单位显著节省运行电费的突出优势。

（3）空调末端智慧控制系统。空调末端智慧控制系统适用于常规全空气系统、风机盘管加新风系统、变风量系统以及柔性空调系统，通过对空气处理机组、风机盘管、VAV-BOX以及温湿度独立控制末端设备的精确控制，实现风量、水量与空调负荷的有效匹配，实现新风风量与室内二氧化碳浓度的有效匹配，在确保高质量的室内环境品质的前提下，显著降低空调智慧末端设备的能耗。该系统采用的技术包括以下四种：①VAV变风量空调智慧控制技术。变风量空调系统是全空气系统的一种形式，亦称VAV系统（Variable Air Volume System），其工作原理是在各房间设置VAV BOX，当空调房间负荷变化时VAV BOX改变送入房间的风量来满足室内负荷变化，保证房间温度稳定在设定值；同时，系统根据各个变风量装置的风量变化，变频调节空调机组送风机频率，改变系统的总送风量，满足系统空调负荷变化的需求，达到节能的目的；②THI温湿度独立控制系统智慧控制技术。温湿度独立控制空调系统，采用温度与湿度两套独立的空调控制系统，分别控制、调节室内的温度与湿度，从而避免常规空调系统中热湿联合处理所带来的损失。采用该技术与传统系统项目比较，节能率可达30%～70%；③风机盘管+新风系统智慧控制技术。风机盘管+新风空调系统是空气-水空调系统中的一种主要形式，也是我国民用建筑中用最为普通的一种空调形式。它以投资少、使用灵活等优点广泛应用于各类建筑中；④全空气定风量系统智慧控制技术。全空气定风量空调系统采用集中送风，将处理后的空气送至空调区域，空调机组将过滤、表冷、加热、加湿、消声及送风等各个功能段进行优化组合，满足空调区域的温湿度等参数要求。因定风量空调实行集中送风，不进行独立房间或区域的温度单独控制，因此广泛应用于会议室、商场、体育馆等大开间场所。

（4）空调能量平衡智慧控制系统。流量平衡控制仪是一种具有自主知识产权的机电一体化专利产品，专门应用于中央空调末端设备流量调节与水力平衡节能集成控制。

2 集中供热分户计量与节能控制系统

集中采暖分户计量及节能控制管理系统是基于接通时间分摊法原理而开发的系统，它为用户行为节能与热量分摊计量提供了一种先进、实用的技术手段，为我国供热改革提供了一个与目前国内已有方法都不相同的新方案，在供热计量技术路线选择上有突破性的进展，可以很好地满足中国热计量改革的技术要求。

室内温控器是用于测量室温与设定温度；室温控制器根据室内温控器的温度变化指令调节用户入户管道上的阀门开关，以实现温度控制功能；楼栋管理器以一定周期轮循访问通讯转换器、楼栋热量表，并采集通讯转换器存储的阀门控制器的工作时间、周期内通断比，以及超声波热量表上的工作能耗；楼栋自力式压差平衡阀调节楼与楼之间的水力平衡，保证在动态的变流量工况下各楼之间的水力平衡。该系统实行自动无线抄表，不需要管理人员对每个楼栋热量表、户用室内温控器进行数据的采集和整理、分析，更加科学及现代化。采用国际通讯标准，即以物联网和成熟硬件设备通讯标准相结合，实现可靠稳定的通讯设计。按需供热、按量收费、软件操作界面简单、智能化用户操作方式，实时检测设备并及时提示障时维护。

3 建筑能源监测计量与能效管理系统

随着我国经济社会的发展和环境资源压力越来越大，节能减排形势严峻。在推进建筑领域节能工作中，如何管理和监督好这些建筑用能是重中之重，想要获得持久的节能效果，必须对耗能设备采取主动，实施能耗远程监测，使用已有技术来管理建筑照明、暖通空调（HVAC）、给排水、楼宇控制和配电系统的能耗。国家和各级政府为实现建筑的可持续发展，先后制定了很多有关建筑能源管理与节能控制方面的政策，以约束建筑行业更规范的管理，促进建筑节能产业更好地发展。建筑能耗监管系统以实际能耗数据为基础，对建筑能耗的现有用能状况进行分析，并进一步对水、电、气、空调等能耗进行实时的在线监测，并对配电系统、空调系统、给排水、用气（汽）点、耗煤、耗油等进行节能诊断及分析得出各种形式的报表和图表，并通过数据库进行对比，即可做出较为科学的各类能源使用报告，达到最终能源在线监测及控制的目的。最终以实现能源数据的可视化管理、能耗成本分析和关键指标分析、制定节能改造计划和评估体系、能耗计划和绩效考核管理，能源的计划与预警等，为管理者和决策者提供能源管理和决策支持，使节能管理更加标准化、精细化和量化。

建筑能效综合管理系统是以计算机技术为核心，集成了电子技术、自动控制、信息采集与传输等技术的综合管理应用平台。其主要由以下四大部分组成：

（1）信息发布平台由中央服务器、信息管理器等组成，可将系统相关信息通过手机短信、IPAD、APP等方式传送至用户端。

（2）监控中心部分由一系列计算机、显示平台、能效管理软件等组成，将所有监测终端的数据进行收集、显示并送入后台数据库进行分析和加工，同时可将相关数据上传与共享。

（3）通讯网络部分是监控管理中心与仪表之间数据传输的桥梁，将采集层数据通过各种网络（RS485、RF、LAN、GPRS…）平台，传输到数据中心或者数据中转站。

（4）终端仪表部分包括一系列带有智能远传功能的现场计量仪表，如时间型温控器、热量表、远传智能水、电、燃气表、传感器等。

建筑能耗监测计量与管理系统将使建筑节能管理工作在能力建设和制度建设上取得全面突破，为建筑用能计量、统计分析、管理体系的建设搭建能效管理数字化平台，实现用能数据的公开化、透明化，实现用能定额管理和低成本节能管理，从而建立科学的节能管理制度体系。通过该系统可以实现建筑能耗监测全覆盖，为建筑提供实时化、可视化、指标化、自动化、精细化的资源与环境管理手段，为节能减排、实现绿色建筑目标提供技术支撑。

［1］赵美娟.集中供热系统分户热计量的应用研究［J］.天津职业大学学报，2008，（6）：26-28.

［2］卢钧.智能调系统在工程中的应用［J］.制冷空调与电力机械，2011，（2）.

［3］冯自平.建筑节能新技术——动态冰蓄冷［J］.建筑，2009，（3）.