建筑节能的途径及节能控制分析
1 关于节能要求的背景资料
1.1 国情需要
我国是一个能源消耗大国，尤其是对电力的需求显得尤为迫切，每年冬夏季，全国很多地方都闹“电荒”，目前，中国正面临着长期性的电力短缺和紧张。相关研究报告指明：中国目前的电力缺口是９．９３％，到２０１５年将剧增至１５％.并且，中国的电力来源的结构（见表1）也对未来的电力市场造成了巨大的潜在的威胁。
从表1可以看出，火力发电是中国电力的最主要来源。火力发电的原料是煤，但中国已由原来最大的煤炭生产国和消费国转变为进口国，电力成本也因此不断上扬。随着电力的普及，即使接近亚洲市场的平均电力使用水平，也都会使中国的电力市场不堪重负。
1.2 国家关于节能的立法
１９８６年我国颁布第一部建筑节能标准《北方寒冷地区建筑节能标准》。
早在１９９５年5月，建设部就颁发了《建设部建筑节能九五“计划和２０１０年规划》，１９９７年１１月１１日，第八届全国人民代表大会常务委员会第２８次会议又通过了《中华人民共和国节约能源法》，节能已经成为我国经济和社会发展的一项长远战略方针。１９９８年１月１日起执行《中华人民共和国节约能源法》。
针对民用建筑，在２０００年２月１８日的中华人民共和国建设部部长令第７６号中宣布自２０００年１０月１日起施行《民用建筑节能管理规定》。
２００５年７月１日起实施《公共建筑节能设计标准》ＧＢ５０１８９－２００５，这是我国批准颁布的第一部公共建筑节能设计的综合性国家标准。
由此可以看出，节约能源已经成为我国的重要国策之一。在能源法中所称的节能，是指加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，减少从能源生产到消费各个环节中的损失和浪费，更加有效、合理地利用能源。为了推动全社会开展节能降耗，缓解能源瓶颈对经济发展的制约，建设节能型社会，促进社会可持续发展，节能技术改造已经成为当前一项极其紧迫的任务。
《公共建筑节能设计标准》的颁布施行，标志着我国建筑节能工作在民用建筑领域的全面铺开，对我国的建筑节能工作将发挥重要的作用。
2 大型建筑运行能耗的构成分析
表2是从某资料获取美欧国家建筑物能耗分配比例综合统计表，从中可以看出：一栋建筑内，暖通空调是最大的耗能大户。所以，采用良好的节能控制措施，对节约能源，降低运行费用十分重要。
资料《上海的建筑节能与空调冷热源》中也针对办公性质的建筑分析了其能源消费的构成。
办公楼耗电量构成：由上述统计数据的分析可以看出，在建筑运行过程中，其能源消耗的途径是建筑内的各类机电设备，而其中大部分又是照明部分和空调部分的能耗。因此，建筑节能需要针对建筑物使用过程中的供暖、通风、空调、照明的能耗进行控制，特别是其中的暖通空调和建筑照明的节能潜力最大。
对于政府办公楼、大型公共设施、大型商业项目，节能降耗不仅是相应国家号召，顺应国家政策，更是与建筑运营管理部门切身利益息息相关，这不仅能降低运行费用，而且能延长设备使用寿命，不仅具有明显的经济效益，更具有深远的社会效益。
3 建筑节能途径分析
通过前面的数据可以看出，对于建筑节能而言，除了从建筑和结构和机电设备的选型和设计上考虑节能，例如采用太阳能建筑一体化，外墙保温技术、地源热泵等一系列技术外，建筑节能的关键在于节电，而节电的核心是节约建筑机电设备节能和照明的节能。
对于建筑节能，根据国际专业能源公司长期实践摸索，已经对建筑的节能的有了理论的总结。
第一层面：管理层面。通过专门的智能控制系统，让对设备的能耗进行有效的控制，建筑机电设备智能监控系统（楼宇自控系统），智能照明控制系统的采用，这样可保证在管理层面可以非常清楚地了解到建筑运行实际需要的能源，使设备按照建筑实际的需求的能源进行经济地运行。
第二层面，负荷层面，建议首先在负载的选型上进行控制，选用高效、节能的用电设备，从根本上进行节能；其次是对用电设备进行节能控制，保证设备运行和使用的高效和节能。
照明用电：政府办公楼、大型公共设施、大型商业类的建筑，其照明用电是相当可观的，照明主要集中有室外景观，建筑泛光照明和室内照明、公共区域照明，一般室内公共照明和室内照明主要是以荧光灯、节能灯为主的照明负载，而大楼泛光照明和景观照明则是以金卤灯和高压钠灯为主的照明负载，照明灯具均需采用绿色高效率的光源。大楼能耗及用电量的组成见表3。
机电设备动力用电：政府办公楼、大型公共设施、大型商业项目一般都配备了中央空调系统，中央空调系统很多新型工艺本身就属于节能环保的设计，例如地源空调系统，变风量空调系统，能量回收空调系统，可从空调设计工艺上进行了节能，空调系统的配电也将采用专用动力配电回路供电，这是整个用电负荷的主要组成部分。
建筑中的中央空调系统、给水泵，这些动力负载一般都是中大功率的设备，这些设备都是建筑里的能耗大户，这些负载一般都是电机负载，其中很多设备已经采用了成套的自动变频控制或成套独立控制系统。
下文分别针对这两个层面的节能控制措施进行说明，以便使政府办公楼、大型公共设施、大型商业类建筑将来运营中参考其中的一些节能措施，尽可能使建筑运营处于经济、节能模式下运行。
4 楼宇自控系统节能控制措施
楼宇自控系统主要的功能之一就是可以尽可能地节约能源，针对不同的受控设备，采用相应的节能控制技术或控制策略实现节能运行，下面就楼宇自控系统的新型节能控制技术和控制策略进行说明。
4.1 楼宇自控系统的最新节能技术
4.1.1 控制器内置节能控制程序
随着技术的不断进步，有的楼宇自控系统厂家为了更好地保护客户利益，已经将一些通用的节能控制程序内置在控制器中，例如西门子公司的ＡＰＯＧＥＥ（顶峰）系统旗下的ＰＸＣ系列控制器，只需输入简单参数后即可执行节能控制程序，具体节能程序包括：
（1）自动日光节约时间切换；
（2）基于日历的计划列表；
（3）计划表；
（4）经济节能控制；
（5）设备计划列表、优化和顺序列表；
（6）事件计划列表；
（7）假日计划列表；
（8）夜间低温设定控制；
（9）尖峰需求显示（ＰＤＬ）；
（10）启停事件最优控制（ＳＳＴＯ）；
（11）临时强制计划表。
控制器内置节能控制算法是对用户非常好的一个功能，而且目前作为一种技术发展趋势，相信越来越多的厂家会采用这一项技术。
4.1.2 更先进的控制算法―自适应控制算法
随着计算机和控制技术的不断进步，ＤＤＣ控制器也有了很大的提高，目前楼宇自控行业主流的控制器是３２位ＣＰＵ的ＤＤＣ控制器，并且具有超大内存，这就为更先进和复杂的控制算法提供了硬件基础。
自适应控制是一个复杂的闭环循环控制算法。自适应控制能自动校正参数以补偿机械的系统/负载/季节性变化；它提供ＰＩＤ控制较传统的更高效，拥有更好的鲁棒性，更快和更稳定的控制。与ＰＩＤ控制相比，自适应控制在动态非线性系统中的响应时间，保持稳态和减少错误方面有出色的表现。
西门子ＡＰＯＧＥＥ楼控系统的各种控制器中，包括了由Ｃｙｂｏｓｏｆｔ开发的基于无模型自适应控制技术的自适应控制算法。
（1）自适应控制的特点
能连续的对系统特性的变化做出调整，且易于操控。
1）非线性循环
2）如多输出的送风温度控制的复杂应用
无模型―由于不需要复杂的建模过程，所以响应时间更快，具有更匹配的控制性能。
降低培训成本，提高员工的生产力，减少人为错误的几率；
自动对季节性和机械特性的变化做出调整―非手动季节性调整。
3）更好的调节回路实现节能减少调节次数
4）减少偏移量
延长阀门和执行器的生命周期。
5）减少由循环引起的磨损和破裂
6）减少末端设备的维护、修理和置换成本。
自适应控制是为变量型系统、非线性系统、彻底改变ＰＩＤ控制的折衷方法而设计的。
（2）自适应控制如何运作
自适应控制是基于ＣｙｂｏＳｏｆｔ的无模型自适应控制专利软件开发的，以多层神经网络为基础的控制程序。自适应控制并非基于ＰＩＤ的“自动调谐”，它也没有利用任何ＰＩＤ控制技术。
无模型自适应控制技术易于嵌入和配置。其神经网络技术允许控制器学习记忆，继而提高性能。
自适应控制对系统的性能、响应时间、设定值错误作连续的测量。神经网络对新的运行条件作动态的调整，同时继续对其性能作重新的测算，创造了“学习型记忆”的连续调整的方法。通过连续不断的对系统作调整，自适应控制能提供匹配的控制性能。
当然，自适应控制也需要一些基本条件，需要暖通空调专业提供一些基本数据，以便进行参数的设置，否则该算法实现起来有一定难度。
4.2 空调控制系统可以采用的节能控制策略
空调系统是建筑中的能耗大户。应合理地控制空调设备的运行，在保证建筑物内舒适环境的前提下最大程度地降低能耗。自控系统工程商在实施中，一般需要根据空调系统的工艺要求，结合工艺要求采用一定的节能控制策略，这样可以在满足空调系统运行工艺要求的前提下进行节能，常见的节能控制策略主要包括以下几点。
4.2.1 最优启/停控制
在启动暖通空调系统工作时，在最短的时间内达到所需要的舒适度。而最优停止控制是最优启动的逆过程，在工作区域停止使用前的合适时刻停止空调设备的运转，仍能达到最低的舒适度要求，其目标是使设备系统工作时间最短、能耗最低。空调制冷系统往往是建筑能耗最大的地方。
4.2.2 室内温度浮动（新风补偿）控制
一般来讲，维持室内恒定的温湿度（如夏季２６℃、５０％ＲＨ）不变，导致室内外较大的温差（当夏季室外温度３６℃时，温差为１０℃）。人长时间停留在不变的低温环境和遇到室内外温差的较大突变，往往会引起皮肤汗腺收缩、血流不畅、神经功能紊乱等“空调适应不全症”（俗称“空调病”），同时空调系统的运行能耗也会大大的提高。建议采用室外新风温度补偿调节策略，随着室外空气温度的变化适当提高夏季室内空气温度和降低冬季的室内空气温度，为室内提供健康、舒适的动态热环境，同时为空调制冷系统带来显著的节能效果。室外新风温度补偿调节方案及其节能效果如下，节能数学模型如下图所示。
4.2.3 最小新风量控制
为符合卫生标准，空调系统需要引进室外新鲜的空气，称为最小新风量。新风量一般定在送风量的２０％～３０％，可以检测室内二氧化碳的浓度，对比允许浓度，减少新风量的输入。
4.2.4 提前预冷关闭新风
对于办公楼类建筑，为使工作人员到达室内时温度较为舒适，要提前开机，开机时要关闭所有新风阀，以减少新风负荷的消耗。
4.2.5 夏季工况的夜间吹洗
在夏季，可利用凌晨清新的凉空气，开大新风阀，关闭冷冻水阀门，对整栋建筑进行吹洗，可以冷却建筑结构所吸收的热量，对建筑物降温，减少开机时的冷负荷量。
4.2.6 焓差控制
通过设置室内外温湿度传感器测量室内外空气的焓，根据室内空气质量与焓值来控制送排风量。
在夏季，由于在黎明前室外空气比室内空气温度低，空气品质也较好，系统可自动适时地引入较为凉爽的室外新风，最大限度地利用自然能量和清洁的大气来置换建筑物内污浊的空气。
当室外空气焓值小于室内空气焓值时，干球温度低于室内干球温度，开大新风阀，转至变新风量控制，直至最大新风量。
4.2.7 冷冻站设备台数控制
根据我们对自控系统深入的研究以及长期的施工经验，在冷冻站设置冷冻水回水流量变送器、供、回水温度传感器，可以计算出空调系统末端实际消耗冷负荷的计算方法为：
ＱＬ＝ＣＧ（ｔ２－ｔ１）
ＱＬ―冷负荷kＷ；
Ｃ―冷冻水的比热，４．１８６ＫＪ/kｇ．℃；
Ｇ―冷冻水流量，ｋｇ/ｓ；
ｔ１?ｔ２―冷冻水供、回水温度，℃.
冷机的额定制冷量为ＱＮＯ，则冷机工作的台数和冷负荷的关系如下：
一台工作 ＱＬ≤１ＱＮＯ
两台工作 ＱＬ＝１ＱＮＯ～２ＱＮＯ
由于机械制冷的冷机（本工程冷水机组属于这种情况）的装机容量都在几十到几百千瓦，启动时对电网冲击很大，所以在增减冷机台数时，必须延迟一定的时间，比如１０ｍｉｎ～３０ｍｉｎ.为避免频繁启、停，需要启动第二台冷机为１ＱＮＯ＋ΔＱ。由两台减至一台时，其冷量为１ＱＮＯ－ΔＱ，设计一个不灵敏区。
通过冷机台数控制策略动态的决定投运的冷机台数，避免低负荷运行，同时根据冷水机组台数合理控制外围设备的台数（冷冻泵、冷却泵、冷却塔等）。这样既起到节能的效果又可以对冷机系统起到合理的保护作用，延长其使用寿命。当然，冷水机组台数控制策略还应结合各台冷水机组最佳制冷能效比（ＣＯＰ）进行合理编排。
在建筑设备中制冷、换热系统的耗能最大，其运行监控管理直接影响到每日消耗的电量，所以对其节能控制应给予重视。利用实测所需冷（热）负荷控制冷机运行台数，这是当今比较好的节能措施，根据经验统计，可节约运行费用约１０%～２５％.
4.2.8 水泵变频控制
在空调系统设计过程中，泵的选型是根据系统的最大负荷进行选择，泵的额定功率往往要大于设计的最大功率，导致设备选型会造成能量浪费。另外，由于受到内、外界干扰等不定因素的影响，系统的实际负荷总是不断变化的，大部分时间系统都工作在部分负荷状态。为使循环水量与负荷变化相适应，冷冻、冷却泵变频控制系统摒弃传统的采用阀门节流调节流量，避免大量能量被阀门消耗，充分考虑建筑负荷状况、管网状况、室外气象参数等多种变化的因素，对水泵采用变频处理，调节水泵转速，使水泵的流量与实际负荷相适应，达到降低泵耗、提高空调品质的目的。当然，变频系统的最低运行频率需要根据冷水机组允许的最小流量限制水泵的最低运行频率确定。水泵变频控制一般可节省４０%～６０％的水泵能耗，节省的泵耗主要包括设备选型过大引起的泵耗和变频后减少的流量所消耗的泵耗。
目前，生活供水系统大部分都已经采用成套的恒压变频供水控制方式，已经普遍考虑了节能。
4.2.9 室内温度分层控制
对于大型公共建筑，如政府办公大楼或机场、火车站、大型商场类建筑，由于考虑到人员流动通道需要，在建筑内上下层自动扶梯处存在大面积的空间连通现象，由于空气对流造成热气流上升、冷气流下沉，会影响空调系统的舒适性效果。
这种情况下，通过设置在屋顶、室内或地面的设置温度传感器可检测到室内不同空间内的温度，从而指导不同楼层空调系统改变其系统运行设定温度，例如，降低靠上楼层的设定温度，适当提高靠下楼层的设定温度等。
另外，对于不同空调系统，如位于大空间定风量空调系统，可改变末端风口的送风方向，如对于有电动球形喷口的送风末端，在夏季和冬季应调整到不同的送风方向，夏季冷风尽可能向上吹出，冬季热风尽可能吹向地面，这样可尽量减少垂直方向温度不均匀的问题。
4.3 通风系统的节能控制
楼宇自控系统是通过控制通风系统每小时送排风量的大小以达到节能的要求。
通过现场ＤＤＣ控制器对建筑内的通风设备实现联网集中控制，实现最佳启/停和最佳节能控制。
对于大功率送排风机，可采用根据室内或回风空气质量变频或定时间歇开关的工作模式，避免长期连续运行，这样不仅可满足通风工艺要求，还节约了大量能源。
5 结束语
建筑节能是一个永恒的话题，上文所提到的诸多节能技术和楼宇自控中采用的节能控制策略也仅仅是建筑节能的很小的部分，还需要从事建筑行业广大设计师的不断完善，不断丰富和创新。
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