智能建筑暖通空调的节能方法探析和系统优化研究

李国伟

（中国城市建设研究院有限公司）

1 引言

暖通空调能耗占到建筑能耗的30%左右，夏季则更高。在智能建筑中，通过节能措施和系统优化，电能消耗可节省50%左右，充分体现了低碳、节能的建筑设计理念。在传统建筑中，早期的暖通空调系统大部分都是采用定流量的水力系统来对室内温度进行调节，而智能建筑中更多的要求是以变流量、变风量的系统设计来实现需求性的功能体现。高效率、低能耗，是智能建筑暖通空调系统节能环保设计的总体思路。然而目前暖通空调在智能建筑中的实际应用中，远远没有达到设计效果，高能耗问题依然比较突出，智能化控制水平还有待进一步提高。

2 智能建筑暖通空调设计需要遵循的两大基本原则

2.1 节能减排

节能是实现可持续发展的重要途径，节能是智能建筑必须要考虑首要原则，既要提高资源、能源综合利用率，还要做到减排。暖通空调设计要借助温控器、调节阀、传感器以及气候补偿器等设备，在满足用户舒适度的基础上，实现节能。优化设计上要结合建筑形式以及室内外温差，秉持环境保护原则，尽量使用比如太阳能、地热能以及空气能等绿色能源，减少对电能、石化能源的消耗，做到节能减排。

2.2 舒适性原则

智能建筑的暖通空调不仅要实现通风换气、调节室内湿度、温度三大基本功能，而且还要打造舒适健康、宜居空间，比如采用绿色环保制冷剂代替传统的氟氯代烷类制冷剂，减少对人体以及环境的破化，运行设计上要更具人性化。

3 暖通空调高能耗的原因分析

3.1 暖通空调运行系统的关键部分没有实现高效运行的目标

暖通空调系统属于建筑物内的高能耗部分，节能减排的前提必须保证高效运行。在实际运用中，暖通空调系统中包括风机、水泵、冷机等关键设备的一些关键部位往往会发生偏离关键节点，运行轨迹不合理，做到不高效运行，出现资源浪费和不必要的能源消耗。

3.2 运行切换开关智能化不高

暖通空调要想根据实际需求实现高效运行，智能化切换开关配置必不可少。开关要充分体现自动化、智能化以及高灵敏度的特点。比如智能开关切换器可以通过感测室内温度变化而实现自动切换控制，调节室内温度，这样就在很大程度上避免了过度供应的能源消耗。但是目前有一些自动切换开关装置的灵敏度并不高，和理想设计还是有一点差距，不能保证整个系统能够完全按照空调系统运行情况以及室内温度的变化而实现准确切换的自动控制管理。

3.3 建筑结构设计欠缺合理性

建筑物的结构设计也是影响暖通空调能耗的一个重要因素。室内采光、通风设计，墙体保温以及窗户的朝向、开孔大小都是不可忽视的重要因素，而且在建筑材料的选择上也要有所讲究，首选绿色环保材料。玻璃幕墙是智能建筑中常见的结构设计，一些设计者往往只从审美角度考虑，而忽略了能源平衡和节能减排的思考，这就会加大整个系统的能源流失和内外区的冷热不均，空调系统要发挥调节稳定的作用，势必会加大能耗。

4 暖通空调系统节能的一些方法

智能建筑对低碳环保、低能耗有着高标准的要求，经过实践研究工程师们也总结了一些经验。

①优化蓄能系统。蓄热和蓄冷是暖通空调在智能建筑中发挥调节室内温度功用的两个关键系统，能耗占比较大，所以首先要考虑蓄能系统的优化。蓄冷方面可以在设计时考虑“串并联”的方式，更有利于冷能的存储和充分利用；蓄热方面要把重点放在水加热的环节，选择能耗低的加热系统。

②运用热能回收技术，实现冷凝热和排风余热的重复利用。

③通过采集设备、蓄能设备，加大对地热能、太阳能的利用，减少暖通空调系统对电能和石化能的依赖。

④供暖系统的优化设计。比如在设计建筑物单体内的供暖系统时，可以通过设置温控调节阀来对水流量进行动态控制。

⑤对变频空调以及通风系统的设计进行优化。变频调速设计对空调系统的节能有明显的成效。

5 智能建筑BA控制系统中暖通空调的优化控制

BA系统系楼宇设备自动控制系统，以微机为中心，通过网络，对监控区域内的各智能分站进行连接，并通过末端设备，实现对智能建筑楼宇内的机电设备进行集中监控与管理的自动化控制系统。在智能建筑的暖通空调系统运行控制中，BA系统能够对建筑内的变配电设备、电源设备、测量监控设备、空调设备以及空调系统的冷热源设备、通风设备等运行情况进行监视，并通过RTU实现对系统内机电设备的监控管理。

BA控制系统中对暖通空调控制的优化，重在分析VAV和VRV的优缺点，并提出优化方案。在暖通空调系统中，新风以及送排风工作量大，节能优化首先就应该考虑到这一点，所以，很有必要在保证正常运行的前提下，运用DDC控制器取代日常的运行和维护，这样能够在很大程度上减少设备损坏和运行失控。在智能建筑中，优化暖通空调系统，一要找到系统运行的最佳参数匹配，二要对系统的运行过程做状态模拟（定量化），简化控制环节，提升系统响应速度。

5.1 DDC与PID的合理选用

BA系统DDC的处理能力分为大、中、小三个级别，根据建筑物要求的功能来讲，新风机、通风机以及空气处理机一般使用中小型控制器就可，但是在大型的热力站以及冷冻机房就应该选择大型的控制器，这样匹配可以降低设备使用故障并提高各个控制器之间的通讯可靠性。自控的VRV中央空调控制器，能够远距离实现对末端设备的监视和操控。VRV中央空调调制器输出的通讯接口RS232/RS485，通过总线R485或者TCP/IP局域网等组网传输方式，能够实现对所有VRV末端设备的数据采集以及控制，比如温度监测、温度设定、模式设定、风速控制、启停控制以及故障报警等。至于楼宇自控、中央空调的节能管理等系统平台，可以根据自控VRV中央空调控制器的通讯协议，做二次开发与集成，以实现末端设备的集中控制管理，当然也可以选择跟其他设备进行联动控制。

①要保证空调系统的稳定性，就必须要给空气处理机的DDC匹配正确的PID参数。如果PID系数选择偏低，要达到设定温度值就需要较长的过度时间。偏高的话达到设定温度所需要的过度时间就比较短。但他们之间并不是一种反比的曲线关系。PID系数选择偏高，就会导致DDC控制系统的不稳定，导致室内温度的波动，而水侧的电动调节阀也会出现周期性的来回运动。PID参数选择的合理性，可以实现对日常非热惯性空调场合的控制。PID参数的确定一般有三种方式：如果已经知道临界点的频率，可按照直接整定的原则确定PID参数。如果已知临界频率点过程对象的幅值，就要把临界点移动到相位裕度和幅值裕度为点上来确定PID参数，可同时满足了相位裕度与幅值裕度两者的要求。做继电反馈控制实验，把控制对象一阶加纯滞后或二阶加纯滞后近似的模型计算出来，然后再按相位裕度与幅值裕度要求或灵敏度把PID计算出来。必须要提醒的是，比如在展览中心、大剧院这些大开间的建筑内，靠提高PID系数来提升机组对负荷改变的响应速度的办法是不可取的。可以将温度传感器分别安装到室内和空调送风道，由主DDC控制器来完成室内的温度设定，而副DDC就依据风道内的温度传感器以及主DDC的指令来完成对水阀的驱动。

②要提高系统对于温度波动变化的响应速度，还可以采取双级控制的办法，让室内温度的变化和风道温度的变化保持一致。在实际运用中，要根据不同的功能要求，采用适当的有效方法。比如，在商业综合体的建筑中，在夏秋季节，可以通过程序设定让系统在清晨自动启动新风机和空气处理机，达到换气遇冷的目的。新风量的控制可以通过室内外二氧化碳的浓度检测比较值来确定，通过程序日程表设置自动完成。

5.2 BA控制权的合理使用

BA一定要遵循中央控制站的集中管理，以发挥中央控制的主导作用，具体运用要视具体情况分析而定。比如综合楼的大型会议室设计，一般都要对各个房间的空调通风系数参数进行独立设置，这样更能满足各用户的个性需求。但DDC本身不具有这种分项功能，用户可通过VRV控制面板的设定器来完成操作。

5.3 控制网络的优化，并建立BAS监控中心

①设计人员必须要考虑到对系统控制网络的组成以及分支进行优化，对于基于RS485总线技术上的控制网络，要尽可能的简化其拓扑结构，可以有效提高控制网络的可靠性。小型工程的RS485总线控制网络可以采用“手拉手”布线，而大型工程建议使用楼层网络分级方式。

②BAS是智能建筑的核心控制室和中枢系统，整个暖通空调系统的运行都受其监控。而有的设计者为了节约空间，往往会将BAS监控中心和安保监控、消防控制等设计在一起，这种做法极不合理，必须给予纠正。如果在一些大型的商业建筑中，因为需要有锅炉房、冷冻机房的单独设置，这些场所往往相距较远，关键设备的操作存在一些难度，就可在锅炉房和冷冻机房的现场控制室内安装一台监控分站，专门负责锅炉以及冷冻机的监控，而且在授权上局限于冷热源设备。

6 结语

智能建筑暖通空调系统的设计，要着眼于制冷、通风和供暖的基本原理来分析，不仅要在建筑物结构、用材上有所选择，还要在空调系统中增设一些节能设备，比如传感器、变频设备、温控设备等，并且要选择好智能控制系统并不断优化，只有这样才能全面提升风机、制冷设备、水泵等的运行效率，降低能耗，使暖通空调在智能建筑中的节能性和智能性得到充分体现。