發布時間：2021-11-30所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要 從暖通空調設備運行能耗的基本關系分析得出節能控制的關鍵點：減少負荷需求，提高運行效率和減少運行時間。暖通空調設備的控制方式主要有就地手動、遠程手動和自動控制等，從便于運行管理和節能優化的角度，推薦大型公共建筑采用直接數字控制系統。介紹了 GB50189
摘要 從暖通空調設備運行能耗的基本關系分析得出節能控制的關鍵點：減少負荷需求，提高運行效率和減少運行時間。暖通空調設備的控制方式主要有就地手動、遠程手動和自動控制等，從便于運行管理和節能優化的角度，推薦大型公共建筑采用直接數字控制系統。介紹了 GB50189—2015《公共建筑節能設計標準》對鍋爐房、換熱機房、冷熱源機房和全空氣空調系統等節能控制的設計要求，以及對于節能監測和計量的相關要求。
關鍵詞 節能控制 控制要求 能耗監測 公共建筑 標準
為了實現暖通空調系統的正常運行，對設備均應配置一定的控制手段。設備運行控制的效果，不僅影響暖通空調系統的效果(如室內溫度狀況)，而且直接影響系統的運行能耗。因此，對于暖通空調系統能耗占比較大的公共建筑，更應重視節能控制問 題。GB50189—2015《公共建筑節能 設計標準》[1](以下簡稱2015年版《標準》)從節能控制的基本要求、控制實現方式及能耗監測計量需求出發，對暖通空調系統的監測、控制與計量設計要求進行了規定。
1)適應用戶的需求變化，減小設備的運行負荷
建筑圍護結構熱工性能的提高是減小建筑冷熱負荷的一項重要手段。暖通系統中，末端設備在無人狀態下關閉就可以減小冷負荷、減小水流量和水管阻力、減小風量和風管阻力，相應地減少制冷機、水泵和風機的運行能耗。
2)提高設備的運行效率
影響設備運行效率的相關因素較多，設備型式和制造工藝是關鍵性的內因，而運行參數的變化則是重要的外因。例如，制冷機的運行效率還與冷水和冷卻水的溫度有直接關系，水泵的運行效率與運行工況點即管網阻力特性有直接關系。因此，控制時優化系統的運行參數和運行工況對運行節能有很大影響。
3)減少設備的運行時間
例如，有使用需要時開啟相應的暖通空調設備，人員離開后及時關閉。對于空調末端設備設置有人啟停控制或隨室溫自動調控裝置，可以實現這一要求。
公共建筑中，暖通空調系統的節能設計措施主要包括：空調系統按用戶需求劃分，末端設備可單獨啟停;提高鍋爐、制冷機/熱泵的性能系 數，改 善輸配系統的水力特性，確保水泵(風機)高效運行;房間設置室溫調控裝置或者末端設備能根據使用時間或者有人與否進行啟停控制，等等。
2 控制實現方式
為實現以上控制要求，需要配置必要的硬件設備和采取相應的控制措施。因為系統設計時，設備規格型號的選擇需要滿足設計負荷(即最大負荷)的要求，而實際運行中負荷需求是變化的。根據統計，暖通空調系統達到設計負荷的運行時間占比不到5%，而在 負 荷 率60%以下的運行時間占 50%以上[2-3]。因此，采用能夠隨著負荷變化調節設備輸出的措施是節能控制的前提。例如風機、水泵等的電動機配置變頻器，水管路設置連續調節的電動閥，末端設備設置通斷控制閥等。而變頻器和自動控制閥等執行器的設計選型要點可參見《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范技術指南》[4]，不再贅述。
設備控制方式可分為：
1)就地手動控制，如在現場直接扳動閥門執行器，或者在風機、水泵的電氣控制箱(柜)上按動啟停按鈕。
2)遠程手動控制，如在控制中心的操作屏幕上進行閥門開關或開度的調整以及風機、水泵的開關或頻率的調整。
3)自動啟停控制，包括按照設定的使用時間表進行開關機，例如下班時段自動關機;還包括按照設定的邏輯關系與相關設備按一定順序執行啟停動作，如制冷機啟動時，需要先打開相關水閥、冷水泵、冷卻塔和冷卻水泵
4)自動調節控制，如根據設定的算法計算出閥門開度或電動機頻率等信號輸送到被控設備進行動作，以保證被控環境參數達到設定值，例如空調機組的水閥控制和水系統的冷水泵控制等。該方式對自控元件的硬件配置和軟件編程均有較高的技術要求，是節能控制的關鍵部分。
從運行管理和節能優化角度，要求對大型設備建立檔案，記錄系統的運行狀況。只有采用遠程監測、調節優化和集中管理的自控方式時，才可以將所有信息輸出和存儲，進行統計、分析和診斷，有利于持續地運行改進和節能優化。該方式通常采用基于計算機芯片的建筑設備監控系統來實現，即采用傳感器、執行器、控制器、人機界面、數據庫、通訊網絡、管線等將被控對象連接起來，并配有定制編程的軟件進行監視、控制和管理。初投資比前3種方式高，但實現的功能更多。可以大大減少運行操作人員的工作量，提高運行質量，方便維護管理。
2015年版《標 準》第4.5.1條規 定：對 于 建 筑面積大于20000m2 的公共建筑，使用全空氣調節系統時，為操作管理方便和運行節能，推薦采用直接數字控制(DDC)系統，即 現 場 的 檢 測 儀 表 可 輸出數字信號、被控設備的執行機構也能接收數字信號，現場設備通過信號線纜與編制了自控算法(可接收和輸出數字信號)的計算機連接，可接收遠程手動、自動啟停和自動調節控制的指令。采用這種方式后，可 以 根 據 使 用 需 要 編 制 軟 件 進 行 數 據 統計、分析與診斷等，有利于運行參數優化和系統節能。控制的內容包括參數檢測、參數與設備狀態顯示、自動調節與控制、工況自動轉換、能量計量以及中央監控與管理等，設計時采用哪些檢測與監控內容和方式，應根據系統節能目標、建筑物功能、系統類型、運行時間和工藝對管理的要求等因素，經技術經濟比較確定。
3 暖通空調系統的節能控制設計要求
2015年版《標準》第4.5.5，4.5.7條分別對鍋爐房和換熱機房、冷熱源機房提出節能控制的設計要求，基本包含下面幾個層次：
1)相關設備的聯鎖和順序啟停，對大型設備(鍋爐、制冷機)進行必須的安全保護，以避免不必要的或者人員忘記導致的附屬設備長時間運行。
2)冷/熱水供水溫度和流量的調節，即質調節和量調節。從節能角度，量調節更為直接和有效，而質調節會影響冷熱源設備的運行效率，同時對流量的需求和末端設備的運行性能也會產生影響，需要在保證受控環境參數滿足要求的條件下，將系統整體運行能耗作為節能目標進行綜合分析。通常情況下，系統的量調節可以實時控制，而質調節不宜實時改變，應以量調節為主、輔以分階段的質調節，既有利于運行節能，又可保證設備穩定，簡單易行。
3)水泵(風 機)的 臺 數 和 轉 速 控 制，需 要 與 輸配管網的水 力 特 性 相 配 合，達到水泵運行效率最高，即運行在最節能的工況點。
4)制冷機/熱 泵(鍋 爐)的 出 力 應 根 據 實 際 負荷需求調節，通常由制冷機/熱泵自帶的控制單元實現，即在保證設定的供水溫度下，根據冷負荷調節制冷機出力。因此，在制冷站群控時，要求制冷機的控制單元能與自控系統通訊，以便系統給定啟動臺數和設定出水溫度等參數。
對于冷水機組的臺數控制，推薦采用冷量優化控制。冷水機組是暖通空調系統中能耗最大的單體設備，其臺數控制的基本原則是保證系統冷負荷要求，節能目標是使設備盡可能運行在高效區域。冷水機組的最高效率點通常位于該機組的某一部分負荷區域，因此采用冷量控制方式有利于運行節能。但是，由于監測冷量的元器件和設備價格較高，因此在有條件時(如采用了 DDC 控制系統時)可采用此方式。對于一級泵系統制冷機定流量運行時，冷量控制可以簡化為對供回水溫差的控制;當供水溫度不調節時，也可簡化為對總回水溫度的控制，工程中需要注意簡化方法的使用條件。
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對于循環水泵的臺數控制，推薦采用臺數優化控制。水泵運行應保證系統水流量和供水壓力/供回水壓差的要求，節能目標是使設備盡可能運行在高效區域，而水泵的最高效率點通常位于某一部分流量區域，因此采用流量控制方式有利于運行節能。對于一級泵系統(制冷機定流量運行)和二級泵系統，一級泵臺數與制冷機臺數相同，根據聯鎖控制即可實現;對于一級泵系統制冷機變流量運行時的一級泵臺數控制和二級泵系統中的二級泵臺數控制，推薦采用流量控制。由于價格較高且對安裝位置有一定要求，選擇流量和冷量的監測儀表時應統一考慮。
對于設置了變頻器的并聯水泵，應該多臺水泵同頻率調節。水泵的臺數和頻率的控制調節，應根據水路的阻力特性按照運行效率最優(即節能)原則確定。例如3臺并聯水泵，設計工況選為水泵的高效工 作 點，即 設 計 總 流 量 為 300%，若 僅 需 要180%流量，為 設 計 總 流 量 的60%，此時 如 果 管 路阻力特性不變，需要的揚程約為設計值的36%，此時仍開3臺泵，每臺轉速(流量)為設計值的60%，則水泵工作點仍為該轉速下的效率最高點;而如果管路阻抗加大(由于水閥調節等原因)，需要的揚程仍保持或接近設計揚程，則開2臺泵，每臺轉速(流量)為設計值的90%，工作點可能比開3臺泵更接近效率最高點。因此，推薦根據系統所需流量和揚程(結合壓差測量)確定水泵工作點，與水泵曲線的高效區進行比較，控制其運行臺數，使水泵工作在高效區域，達到節能的效果。
對于二級泵系統，水泵變速控制才能達到節能要求。實際工程中，有壓力/壓差控制和溫 差 控 制等不同方式，溫差的測量時間滯后較長，壓差方式的控制效果相對穩定。而壓差測點的選擇通常有2種：一是取水泵出口主供、回水管道的壓力信號，由于信號點的距離近，易于實施;二是取二級泵環路中最不利末端回路支管上的壓差信號。由于運行調節中最不利末端會發生變化，因此需要在有代表性的分支管道上各設置一個，其中有一個壓差信號未能達到設定要求時，提高二級泵的轉速，直到滿足為止;反之，如所有的壓差信號都超過設定值，則降低轉速。顯然，第2種方法所得到的供回水壓差更接近空調末端設備的使用要求，因此在保證使用效果的前提下，運行節能效果較第1種更好，但信號傳輸距離遠，要有可靠的技術保證。但若壓差傳感器設置在水泵出口并采用可以根據末端運行情況調節壓差設定值的方法，則可兼具2種方法的優點。因此，推薦優先采用壓差設定值優化調節方式，以發揮變速水泵的節能優勢。
2015年版《標準》第4.5.8條對全空氣空調系統提出節能控制的設計要求，包括以下幾方面：
1)風閥、水閥等與風機的啟停聯鎖，風機啟停時間的定時控制或優化調整，全新風系統的送風末端在使用者離開后延時關閉，這些措施既可以減少末端設備的運行時間，又減小輸配和冷熱源系統的負荷需求，有利于進一步節能。
需要說明的是，風機運行時間優化包括提前啟動(預冷/熱)或者夜間通風(蓄冷/熱)等，風機能耗沒有減少，但是有利于減小冷熱負荷，應在綜合考慮風機和冷熱源及輸配系統的能耗前提下，找到運行節能的最佳工況。
2)空調區域的溫度設定值在夏季調高、冬季調低，可以減小系統的負荷，減少設備的運行時間，有利于運行節能。另外有研究結果表明，室內外溫差過大容易使人產生空調癥等。因此建議有條件時，根據室外氣象參數調節室內溫度的設定值。
3)全空氣 系 統 過 渡 季 節 利 用 新 風 免 費 供 冷，可以減少系統的冷熱負荷，減少冷熱源和水泵等設備的運行時間。在空調機組處調節新、回風閥的開度可以有效調節新風比，無論風機是否變頻都可有效利用新風的冷量，是較簡單而有效的節能措施。
為盡量減少設備的運行時間，2015年版《標準》第4.5.9～4.5.12條分別對風機盤管、排除余熱的通風系統、地下車庫排風系統和間歇運行的空調系統提出節能控制的設計要求，即末端設備按需使用、盡量減少運行時間，從而減少耗電量，同時輸配系統和冷熱源也減少了負荷，更有利于系統節能。
4 暖通空調系統中的能耗監測與計量
為了實現控制功能，必須對暖通空調系統的運行狀況和環境參數等進行監測。另一方面，從建筑節能工作的需要出發，為了加強建筑用能的量化管理，也必須對能耗參數進行監測與計量。2015年版《標準》第4.5.8條為強制性條文，在鍋爐房、換熱機房和制冷機房等能耗集中處應設置能耗計量，計量內容包括：1)燃料的消耗量;2)制冷機的耗電量;3)集中供熱系統的供熱量;4)補水量。采用區域性冷熱源時，在每棟建筑的冷熱源入口處應設置冷(熱)量計量裝置;采用集中供暖空調系統時，不同使用單位或區域宜分別設置冷量和熱量計量裝置。
在設計中，暖通空調專業應在水管布置上考慮安裝冷熱量表的位置和空間，同時需要向相關專業提出設置電表、水表、燃氣(油、煤)計量裝置的要求。應能計量機房的總用能和總輸出能量，儀表布置在總管還是分支管路上需根據具體設計確定。冷熱量的測量通常采用供回水流量與溫差相乘方式得到，冷熱量表中的一對溫度傳感器應經過標定，而且含積分計算器件，可直接輸出冷熱量結果，測量誤差可根據產品說明書確定。通常冷熱量表需要安裝在直管段的水流穩定區域，且前后與局部阻力部件有一定距離。冷熱量表的測量結果可以輸出，除冷熱量數據外，也可以得到流量和溫差的數據。
需要注意的是，用于結算的計量器具，其檢定、制造、修理、銷售和使用都應遵守《中華人民共和國計量法》的規定，且計量檢定證書應在檢定的有效期內。
此外，為了核算被測設備的運行性能，進行經濟性和故障診斷分析，同時也分析建筑能耗構成，尋找節能途徑，需要進行必要的能耗監測。我國目前只有分項能耗監測(電計量)的要求，而對于大型設備的能耗監測尚無明確的規定，香港地區的相關規定可供參考：對于單位用能功率不小于100kW 的冷熱源設備，應監測其消耗的電或油/氣/熱量和提供的冷熱量;對于單臺用電功率不小于30kW 的冷水泵和冷卻水循環泵，應監測其耗電量和水流量。同樣也可以核算耗電輸冷(熱)比是否達到設計要求。
5 結論
5.1 從能源消耗的角度分析，節能設計的關鍵措施為：減小建筑圍護結構冷熱負荷，系統劃分與使用相匹配，選用高效節能的設備。
5.2 從運行節能出發，自控節能設計的關鍵措施為：減少運行時間，優化運行參數以降低負荷需求和提高設備運行效率。
5.3 從節能控制和能耗監測角度來看，建筑設備監控系統是一項必備的措施，但是對其分析診斷等功能要提出更高的要求。——論文作者：趙曉宇
參考文獻：
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