智能建筑空调节能技术

智能建筑空调节能技术1.空调节能意义重大空气调节是智能建筑创造舒适高效工作和生活环境所不可或缺重要环节。

智能建筑中，HVAC各系统监控点数量常常占全楼监控点总数50%以上；HVAC各系统耗电量常常占全楼总耗电量50%以上。

由此可见，HVAC各系统智能建筑一次投资和运行费用中占有极其重要位置。

不少建筑物中，或建筑物建设阶段，BMS（楼宇管理系统）本身常常是整个智能化楼宇管理系统（IBMS）主导成分，而HVAC各系统控制部分又是BAS或BMS系统主导成分；这类建筑，HVAC控制系统位置就更是举足轻重。

智能建筑中实现节电节能，特别是耗电耗能大户──空调实现节电节能，本应是业主投资计算机控制（亦建筑具有“智能化”）所能期待主要回报内容之一；目前国内智能建筑建设中，真正能做到这一点是凤毛麟角。

也就是说，极少数智能建筑（屈指可数！）实现了节电节能，大多数智能建筑并没有实现节电节能这一理应实现回报。

其中原委，正是本文要探讨内容。

2.工程现状问题颇多2·1空调及其控制系统运行情况远不理想由北京市科协下达“智能建筑软课题”。

曾对智能建筑国内外发展状况和技术内涵进行过调查研究。

一年零三个月（1996.3-1997.6）时间内，组织了北京工业大学及兄弟院校，从事自控、计算机、通讯、空调方面教授、专家，对北京65座大楼进行了普查；对北京京信大厦、京诚大厦、中化大厦、长安俱乐部、远南饭店、发展大厦、徐州中房大厦、上海博物馆、上海市政府大厦、上海金茂大厦、郑州期货商城等建筑物进行了实考察。

用户对楼宇自控系统运行情况评价是：满意仅占30%，一般占40%，差竟占到30%。

调查中发现：除少数建筑物技术先进、运行良好外，普遍存着各种各样问题：有技术不先进，有运行中存严重缺陷，有根本不能开通。

经投入巨资设计安装计算机控制系统，根本不能开通，运行一段时间后这样那样故障而被拆除，这不能不说是一种严重教训，有关各方都应正视问题、认真分析原因并采取切实有效措施，避免重复发生。

应该指出，空调及其控制系统运行中出现问题并非我们国家所独有。

一位英国专家，Bu ilding Energy Management Systems（建筑能量管理系统）一书作者，G.J.Levermore他著作前言中写到：“我确实经常询问设计人员、用户和学生们，他们是否知道任何建筑物调试后运行良好，回答是极为稀少。

我希望我书会帮助减轻此类问题。

”我国智能建筑中，发展极为迅速，而市场管理和技术管理等方面又存着一定程度混乱，所暴露出来问题就更广、更深、更严重一些。

2·2空调自控设计与空调设计严重脱节智能建筑中，空调自控系统工程实施，目前大体上下列工程步骤：由土建设计院暖通空调专业人员进行空调设计，并提出空调自控要求，有设计院自控专业人员进行空调自控设计，由自控设备厂商进行控制部分方案设计和施工图设计，并由自控设备厂商进行控制部分安装调试，然后移交给物业管理部门进行运行管理。

上述工程环节中，需涉及单位包括设计院，土建施工单位，设备安装单位，自控厂商等，当然还有起决定和控制作用业主。

这其中本应形成密切配合，一环扣一环，平滑运转链条，实践证明：其中各个重要环节常常严重脱节，遗留后患，并给楼宇自动化系统正常运行和节能效果带来严重问题。

脱节现象常常表现为：（1）设计院暖通空调专业人员对自控专业提要求往往深度不够：一般均未提供全年工况划分，相应空气处理过程焓湿图，各种工况下各种执行机构动作要求及工作状态，工况转换边界条件等。

（2）设备安装单位设备安装工作未按规程进行，安装完毕之后对各个风系统和水系统并未进行认真测试和平衡。

（3）自控设备供应厂商，竞标时，往往“什么工作都能做”；但工程实施时，缺乏必要专业人才，工程人员比例严重不足，无力针对具体工程进行具体分析，常常凭借一些“copy”来东西未经消化来应付工程。

自控设备厂商调试工作也普遍不到位：比如针对建筑物特性和具体管网特征一些参数选择粗糙，夏季、冬季和过度季节等不同空调工况普遍未进行足够调试等。

（4）业主对楼宇能量管理系统（BEMS）安排，它节能潜力，它运行中可能出现问题往往心中无数，空调设计和空调自控设计中重大方案问题往往缺乏判断能力，亦未组织必要论证。

有些投资者已建和建智能建筑BEMS方面屡屡发生问题处于几乎盲目状态。

智能建筑建成之后，可以节电节能，可以极大提高运行管理水平，大量减少维护管理人员；但应该指出是：对维护管理人员素质要求高了。

特别是业主必须选择一个合格设备运行负责人，他（她）应该了解HVAC各系统及其控制系统运行原理。

必要投资之后，管理就至关重要。

业主可以建设初期就注意选择和培养管理人才。

必要时，亦可建设过程各个环节全过程（从设计方案到系统运行）聘请技术专家以避免盲目性。

3.设计体制有待调整3.1. 动态设计和稳态设计传统暖通空调设计，本质上是一种稳态设计，它是以室内外稳定状态为基础进行设计。

比如空调负荷计算：室内条件是室内设计温度和湿度，室外条件是每年平均不保证50小时室外温度和湿度统计值（某种人为规定极值条件），此基础上计算出房间空调设计负荷，并成为整个空调设计基础。

各种风系统和水系统水力平衡计算，也主选择风机或泵大小，一般很少进行详细运行分析，且常常是凭经验用估算来完成。

暖通空调系统自动控制系统设计，特别是暖通空调系统计算机控制系统设计，是建立系统日常运行基础上，也就是说，本质上是一种非稳态动态设计。

计算机控制系统要求动态分析资料，而暖通空调设计提供是有限稳态数据──这大约是当前智能建筑建设中，暖通空调系统设计与暖通空调系统控制系统设计严重脱节重要原因。

这种情况是历史原因形成，且并非我们国家所独有。

一位美国专家，Direct Digital Con trols for HVAC Systems（用于暖通空调DDC控制）一书作者，T.B.Hartman书中写到：“DDC技术发展而提供改进HVAC系统机会，建筑设备系统设计中，很少被充分研究。

建筑业中大多数设计工作，是来自于估算，而严格分析。

打破现有设计原则想法和行动，仍然被认为是冒险。

使用高性能控制设计，要求设计者反复考虑，如何使系统最有效组成，而这种思考对广泛应用估算原则是一种挑战。

”3.2. 高性能设计和知识更新我国智能建筑当前设计体制中，一般情况是：土建设计院暖通空调专业人员做暖通空调系统设计，且由自控专业人员做暖通空调系统控制系统设计。

但其中控制系统设计，一般没有达到施工图设计深度，而要控制设备厂商或集成商重新做“弱电”方案设计和其后施工图设计。

目前有设计院提出做计算机控制（即“智能”一部分）设计要求，有设计院做了一些尝试，有设计院则为此做着技术准备。

以长远来说，土建设计院承担“智能”部分设计也许是具有竞争力，但就目前情况来看，“智能”部分设计仍然是自控设备厂商和系统集成厂商天。

T.B.Hartman提出一种“High-Performance Systems”(高性能控制系统)概念：使设计人员从气动控制限制所需要简单稳态控制中解放出来，采用先进技术进行动态控制。

这种高性能控制系统设计，比传统设计方法精细多，但它有极为可观节能回报。

高性能系统设计是建筑动态分析基础上。

设计者选择评估高性能设计方案工具，必须能够恰当、准确预测建筑物实际运行条件下热流和能耗。

也就是说，必须能够提供动态结论。

T.B.Hartman对国外咨询公司描述，我们设计人员和设计院可做为借鉴和参考：“想做高性能设计公司，必须更好、不断使自己设计人员DDC技术出现而进行知识更新。

我经验是：极少有公司愿意承担这个任务。

很多公司倾向于过高估计他们对先进技术知识和理解。

人们很少能听到，设备设计公司经理承认他们缺乏先进控制技术以进行高性能设计，但极少数公司具备这种能力。

做为对进行高性能设计任何考虑起点，就是这些设计院长们认识到需要获取知识和技术确保设计目标能够全部实现。

”4.能量分析方法依旧智能建筑HVAC系统研究、设计和运行管理中，需要一种工具评估或预测建筑物实际运行条件下全年能耗──这就是所谓“建筑能量分析”方法（Building Energy Analyses）。

建筑能量分析方法是ASHRAE（美国采暖冷冻空调工程师协会）自70年代中期，建筑物热状态计算机数学模拟技术基础上发展起来。

建筑能量分析方法技术复杂，程序庞大；从一开始，即有很多学者致力于简化方法研究，适应不同场合、不同范围和不同精度要求，（作者也曾参与1985年丹麦第一届暖通世界大会上建筑能量分析方法自由论坛：Workshop──“Is the simplified method good enough?”），并由此产生了大量简化方法及其分类。

但总来说，有代表性仍然是详细逐时模拟方法。

建筑能量分析方法主要技术，包括建筑物热模拟，建筑设备（包括冷热源）热模拟，以及动态气象资料等，有代表性典型程序，是美国能源局DOE-2和美国陆军研究院BLAST 等。

1982年美国加州大学LBL实验室A.H.Rosenfeld教授北京第一届中美能源环境会议上，提出了“建筑节能技术与中国公寓式住宅能耗问题”论文，其中采用美国DOE程序，采用上海和北京气象资料，对中国公寓式住宅采暖能耗问题做了分析，并提出了节能建议。

此后，我国学者国内也对建筑物逐时模拟方法应用做了探索。

建筑能量分析方法核心是一组反映房间热特性热平衡方程式。

房间是由维护结构所形成空间，由外墙、外门、内墙、内门、面、楼板、顶棚系统和窗子系统等组成维护结构把室内室外隔成了两个气候环境。

太阳辐射和室外气温变化等因素，辐射、对流和传导三种形式作用于维护结构；维护结构本身既有热阻又有热容，它自身调节作用后把室内外环境变化因素联结一起；而室内环境也有人体、照明、设备等发热发湿因素影响着热平衡，各墙、窗、家具表面之间以及各表面与空气之间也辐射和对流交换着热量。

此外，空气渗透和通风空调系统又把室内和室外环境联结一起。

这种室内、维护结构、室外三个部分，辐射、传导、对流三种形式相互作用相互影响而不断变化错综复杂局面，构成了实际建筑热过程复杂图象。

上述方程组是建筑物动态负荷分析基础，也是建筑物空调自控设计基础。

实现空调节能根本途径，就巧妙利用室外条件、维护结构、室内条件和空调设备相互作用关系，既创造出舒适高效室内环境，而同时又实现大幅度节能目。

5.结束语调查表明：已建成智能建筑中空调自控系统运行出现一定程度问题相当普遍，根本未能开通或运行一段时间后被拆除例子也屡见不鲜。

对问题剥离分析表明：业主认识和安排──HVAC系统设计──施工安装──HVAC控制系统设计安装──调试──运行，各个环节常常出现严重脱节现象；其中自控设备厂商设计和调试中不到位常常引起严重后果。