【摘　要】本文介紹了樓宇自控產(chǎn)品專業(yè)制造商Delta controls總結(jié)多年能源管理及咨詢方面的經(jīng)驗和施工、調(diào)試過程中遇到的一些問題而得的，一套暖通空調(diào)系統(tǒng)控制中的行之有效的節(jié)能措施，對冷熱源系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)及VAV系統(tǒng)的節(jié)能控制進行了詳細的論述。

 

【關(guān)鍵詞】空調(diào)控制  經(jīng)驗  節(jié)能措施

 

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，商用建筑（寫字樓、賓館、飯店、大中型商場等）大量興建，而這些采用中央空調(diào)的商用建筑普遍存在著高能耗的問題；這將會導(dǎo)致能源供應(yīng)緊張的局面加劇，給經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展帶來不利影響。在采用中央空調(diào)的建筑中，中央空調(diào)能耗一般要占去整個建筑總能耗的50％左右，在商場和綜合大樓中，這一數(shù)字更可能高達60％以上。因此，節(jié)約商業(yè)建筑空調(diào)能耗是刻不容緩的。

 

空調(diào)系統(tǒng)的能耗主要由兩部分構(gòu)成，一是為了供給空氣處理設(shè)備所需冷量和熱量而產(chǎn)生的冷熱源能耗，如壓縮式制冷機的電耗，吸收式制冷機的蒸汽或燃氣消耗，鍋爐的燃煤、燃油、燃氣或電能消耗等；一是風機和水泵為房間送風和輸送空調(diào)循環(huán)水時消耗的電能。

通過樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）實現(xiàn)對空調(diào)末端設(shè)備的節(jié)能自動控制——當空調(diào)負荷發(fā)生變化時，采集相關(guān)參數(shù)值并代入運算，根據(jù)運算結(jié)果改變冷水機組工作狀態(tài)、冷凍（溫）水和冷卻水流量以及冷卻塔風機的風量，確保冷水機組始終工作在效率最佳狀態(tài)，使主機始終處于高轉(zhuǎn)換效率的最佳運行工況，可以達到節(jié)能的目的。

 

另外，通過BAS對中央空調(diào)系統(tǒng)末端的新風機、空調(diào)機乃至風機盤管等裝置進行狀態(tài)監(jiān)視并進行“精細化”控制，也就是利用DDC（直接數(shù)字控制器）對檢測的相關(guān)量值進行PID（比例、積分、微分）運算，實現(xiàn)對上述設(shè)備的PID控制，也可收到一定的節(jié)能效果，同時創(chuàng)造舒適的環(huán)境。

 

本文將介紹Delta controls根據(jù)多年建筑節(jié)能及能源管理的施工、調(diào)試的經(jīng)驗總結(jié)出的一套行之有效的空調(diào)系統(tǒng)控制中的節(jié)能措施，為建筑節(jié)能乃至全社會的可持續(xù)發(fā)展提供助力。

令冷水系統(tǒng)或熱水系統(tǒng)保持供回水處于大溫差（避免溫差過�。�狀態(tài)是一項具備明顯經(jīng)濟優(yōu)勢的節(jié)能措施。

 

中央站（冷水機組、鍋爐或板換）冷水或熱水的供應(yīng)流量會因空調(diào)末端負荷大小的變化而變化，空調(diào)末端負荷大小的變化受溫差（室外溫度與空調(diào)送風溫度）的影響較為明顯。定流量空調(diào)系統(tǒng)中該“因變而變”的現(xiàn)象且較為顯著。事實上，為了適應(yīng)末端流量變化的需求，往往出現(xiàn)冷水或熱水會一如既往的經(jīng)供水管道、風機盤管、回水管道流走。但是，大部分時候，這些冷水或熱水是過量的，也就是說，中央站（冷水機組、鍋爐或板換）并沒有進行應(yīng)有的減小流量方面的調(diào)節(jié)。這樣的話，定流量空調(diào)系統(tǒng)中，中央站（冷水機組、鍋爐或板換）缺少應(yīng)有的節(jié)能措施，從而難以制造相應(yīng)的節(jié)能效益。變流量空調(diào)系統(tǒng)正是為了解決上述中，定流量系統(tǒng)難以根據(jù)末端負荷的變化調(diào)節(jié)流量而造成的能源浪費，這一問題而被設(shè)計出來并得到應(yīng)用的，但是現(xiàn)在已經(jīng)有針對該問題進行有效解決的設(shè)備和設(shè)計方案。

 

（1）去除空調(diào)水的供回水旁通支路設(shè)計

在當下這個網(wǎng)絡(luò)數(shù)字DDC控制和VFD控制盛行的時代，當今的冷水機組和熱水鍋爐已具備視負荷大小進行功率調(diào)整的能力，空調(diào)水系統(tǒng)無需考慮旁通設(shè)計。如設(shè)備選擇合理，完全可以消除供水系統(tǒng)和回水系統(tǒng)混合的現(xiàn)象，保證所有的空調(diào)供水在任何時間只進入負載設(shè)備。

 

（2）水泵分組

去除供回水旁通支路并不意味著只需一組冷凍水泵即可完成工作。在大型的供水系統(tǒng)中采用一次泵/提升泵成組設(shè)計將會使系統(tǒng)非常高效，并且可以大幅降低備份系統(tǒng)建設(shè)的實施成本；同時，現(xiàn)代化的基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)將使泵組的運行得到有效的控制。

 

（3）對每個負載進行溫差監(jiān)測

一旦空調(diào)分水支路或三通閥門已經(jīng)安裝，造成低溫差問題的唯一源頭就只能是HVAC末端冷凍水的供水直接流進回水。要解決這一問題，需在空調(diào)設(shè)備的回水管路安裝溫度傳感器，并使用回水溫度做為閥門控制的條件參數(shù)；如果回水溫度接近設(shè)定值，即對閥門的開度加以限制。如此不但可有效解決低溫差的問題，同時還對提高設(shè)計人員閥門規(guī)格選擇的靈活性有所幫助。

節(jié)能控制的關(guān)鍵問題是能否“使用室外新風來實施無功耗制冷”。在實現(xiàn)“使用室外新風來實施無功耗制冷”的過程中，兩個應(yīng)用較多的技術(shù)是干球溫度切換和焓值控制。其中干球溫度切換是指以室外干球溫度為上限，根據(jù)氣候條件在23~26℃之間調(diào)節(jié)溫度設(shè)定點。該技術(shù)使用簡單，故障排查容易，僅需要一個室外溫度傳感器即可實現(xiàn)應(yīng)用。

 

但是，僅依靠一個室外溫度傳感器可能會因工作條件的影響（如陽光直射影響）而無法滿足應(yīng)用的需要。安裝多點位的室外溫度傳感器進行溫度采集，通過取平均值或最小值的方式進行處理是可行的方法；同時，多傳感器的安裝使用也可以提升信號的可靠性。此外，在系統(tǒng)中引入GCL+（編程語言）可實現(xiàn)在計算前檢測傳感器是否處于故障狀態(tài)，從而在事前確定是否將其檢測結(jié)果納入計算過程。以上顯著的技術(shù)優(yōu)勢決定了干球溫度切換可以適用于大型建筑群的系統(tǒng)。

 

然而，盡管干球溫度切換實施成本低廉，但它的工作特點決定了它不適用于高濕度的氣候區(qū)域。在這些區(qū)域，應(yīng)采用焓值切換作為比較室外新風和室內(nèi)回風的全熱量（焓值），選擇熱量低的風源為主要風源的處理方式。

 

在大型系統(tǒng)或變回風（熱負荷變化明顯）的空調(diào)系統(tǒng)中，可以采用監(jiān)測空氣焓值，根據(jù)監(jiān)測值控制節(jié)能動作的技術(shù)手段；在較小型的系統(tǒng)或回

風濕度沒有明顯變化的系統(tǒng)中，可以根據(jù)空氣焓值的監(jiān)測值來進行焓值的穩(wěn)定性控制；

 

在很多節(jié)能裝置中，常進行風量控制用來保證所需的室外新風量。風量的測量的方式方法是多種多樣的，而控制實現(xiàn)的目標都是類似的：在保證最小新風的前提下，實現(xiàn)溫度的舒適性控制。

 

滿足風量需求的前提下的干球溫度切換的控制流程（空氣側(cè)）如下：

◆  在送風風機關(guān)機/預(yù)熱（冷）時段、夜間低溫保護或手動強制模式下，保證新風風門全關(guān)；

◆  對新風風門、回風風門、排風風門的開度進行PID調(diào)節(jié)，維持混風溫度處于溫度設(shè)定點；

◆  在制冷模式下設(shè)置混風溫度為較排風設(shè)定溫度低1.2℃，在制熱模式下設(shè)置混風溫度等于排風設(shè)定溫度；

◆  當室外新風溫度高于溫度上限值（初始值為24℃，可調(diào)整）時，在CO₂條件控制下保證室外新風量最��；

◆  回風風閥開度由送風靜壓控制時，調(diào)節(jié)新風風閥維持混風溫度處于設(shè)定點。

 

其中的兩個技術(shù)關(guān)鍵點是建筑室內(nèi)靜壓控制（忽略新風風門開度的影響，模擬調(diào)節(jié)混風風門開度）和根據(jù)排風溫度調(diào)整混風溫度設(shè)定點（在不同的現(xiàn)場模式下采用不同的溫度補償量）。

夜間換風被用于建筑使用前的預(yù)冷，要求室外新風閥和排風閥全部打開，回風閥完全關(guān)閉。

 

如果需要進行氣流跟蹤監(jiān)測，則要保證送風風量不大于回風機風量，將建筑靜壓設(shè)定點設(shè)為零。VAV BOX的流量至少應(yīng)該設(shè)為最大風量的50%；如果能維持有足夠的風量分配給所有的VAV BOX，那么每個VAV BOX都應(yīng)該以最大風量運行——這將顯著減少對風機功率的需求，并停止風道靜壓重新設(shè)定，保證風機能夠維持低速運行。夜間換風特別適合于對建筑外區(qū)的預(yù)冷，也適用于建筑內(nèi)區(qū)。如果某些個別區(qū)域的換風效果已經(jīng)超過設(shè)定的要求，這些區(qū)域的風機應(yīng)該恢復(fù)到閑置狀態(tài)（關(guān)閉），以防出現(xiàn)過冷的情況。而在進行區(qū)域換氣時，再熱設(shè)備必須處于鎖定停止狀態(tài)。

 

在滿足以下條件時，可激活換風模式：

◆  室外空氣的干球溫度至少低于外區(qū)平均空間溫度10℃；

◆  外區(qū)的平均空間溫度高于占用狀態(tài)冷卻設(shè)定點5℃；

◆  在建筑被占用之前6個小時以內(nèi)。

 

實施夜間換風能節(jié)約多少能源呢？這取決于進行夜間換風當時的氣候條件（自然冷卻的時間越長，耗能越少）、公共設(shè)施耗能（如果按需供電，能節(jié)省得更多）和內(nèi)部負荷需求。但是，采用夜間換風控制策略的附加費用幾乎可以忽略不計，因為所有的硬件設(shè)備很可能早就存在了�？梢岳�用趨勢分析和累計法，對夜間換風時段的風機能量消耗及預(yù)估的冷卻節(jié)能效果進行跟蹤。

 

此外，夜間換風也對保證室內(nèi)空氣質(zhì)量滿足要求有所幫助。通過換風能夠清除建筑內(nèi)的臭氣、煙和其他空氣污染物。

重新設(shè)定加熱水和制冷水的溫度設(shè)定點以滿足系統(tǒng)負荷要求是自氣動控制時代就有的一種控制策略；然而與氣動控制系統(tǒng)不同，DDC系統(tǒng)可以用精確的區(qū)域負荷驅(qū)動技術(shù)來實現(xiàn)對設(shè)定點的重新設(shè)定。

 

采用根據(jù)加熱閥的開度對熱水供水溫度進行再設(shè)定的控制方法，可保證系統(tǒng)只在有加熱需求時執(zhí)行開閥命令（以供水溫度為依據(jù)）。冷凍水供水溫度再設(shè)定也可采用同樣的方法，即只在有制冷需求時，調(diào)節(jié)冷凍水閥開度，再根據(jù)冷凍水閥的開度來進行對冷凍水供應(yīng)溫度的再設(shè)定。

 

為什么要重新設(shè)定供水溫度呢？因為這樣做可以減少傳輸和待命損耗，允許閥門工作在接近于其“最佳狀態(tài)”的位置上。對于冷凍水系統(tǒng)，冷凍水供水溫度每提高1℃，冷機效率就能夠提高大約1%。

 

例如：當項目中投運的HVAC末端設(shè)備足夠少、空調(diào)負荷足夠小時，勢必導(dǎo)致HVAC空調(diào)末端總體冷/熱水能量需求偏小，造成空調(diào)的水閥開度過小，直接造成冷/熱水流量偏小，甚至低于一臺水泵最低頻率下的流量。如果，這個流量依然大于需求流量，那么，會造成過量的冷/熱水經(jīng)供水管、盤管流回回水管的現(xiàn)象。這時，空調(diào)冷/熱水供水溫度再設(shè)定就變得十分必要了。

 

而在這種情況下，如果冷熱媒的供水溫度可調(diào)節(jié)——比如，在夏季，將其自7℃提升至9℃，就會得到一個可喜的效果——小能量、大流量，最大程度地避免了小流量現(xiàn)象引起的直流現(xiàn)象。

 

因此，BMS（Building Manage System）必須具備設(shè)定冷凍水或空調(diào)熱水供水溫度的功能。BMS可以通過以下方法實現(xiàn)空調(diào)冷/熱水供水溫度的再設(shè)定：

1)        VAV BOX根據(jù)末端風閥閥位狀態(tài)計算出所需的最佳冷卻量，從而將VAV風扇速率、風道靜壓設(shè)得盡可能低。

2)        在不會導(dǎo)致區(qū)域過分加熱的前提下，將VAV送風溫度設(shè)定得盡可能低——曲線降低，直到至少一個區(qū)域（區(qū)域數(shù)可調(diào)整）要求充分加熱。引入閥門執(zhí)行器（尤其是三態(tài)閥）的開度反饋、實施加熱指令（模擬控制閥）控制是實現(xiàn)這一目標的兩種方式。當可使用自然冷卻時，將送風溫度再設(shè)定到可能的最低值。

3)        在滿足冷凍水散熱最大需求的前提下，將冷凍泵壓差、泵速設(shè)的盡可能低——曲線降低直到至少一個閥門處于全開狀態(tài)（最多不能超過可調(diào)整的設(shè)定數(shù)量）。

4)        在保證最多只有不超過一個冷凍水閥門全開的前提下，將冷凍水供水溫度設(shè)定得盡可能高。

5)        在滿足換熱器最大換熱需求的前提下，將熱水泵壓差、泵速設(shè)定得盡可能低——曲線降低直到至少一個閥門處于全開狀態(tài)。

6)        在保證最多只有不超過一個調(diào)節(jié)閥全開的前提下，將熱水供水溫度設(shè)定得盡可能低。

 

以上列出的所有再設(shè)定都要基于以下兩個原則：

◆  泵和風扇的運行速率最小化（通常約為額定功率的20%）；

◆  冷凍水和熱水流量需求在保證冷機、鍋爐正常工作的前提下最小化。

 

這樣做的目的是減少總的能源消耗。

對關(guān)鍵部分的能源消耗進行監(jiān)測和趨勢分析可以給控制策略的調(diào)整提供很好的支持。監(jiān)測設(shè)備的輸出功率是一個有效途徑。根據(jù)冷機提供的功率監(jiān)測值，再加上對鍋爐功率的檢測，可以實現(xiàn)對能源系統(tǒng)完整的監(jiān)測。

在VAV空調(diào)機組風機的轉(zhuǎn)速控制中，一般根據(jù)風道最不利端或風道長度2/3處的靜壓值進行風機的轉(zhuǎn)速控制。VAV BOX的空氣流量需求通過風道靜壓設(shè)定點的再調(diào)整來保證得到滿足。變靜壓控制的工作機理是保證大多數(shù)VAV BOX處于理想工作狀態(tài)（風閥沒有全開），通過降低風道靜壓的方式，在不影響舒適度同時實現(xiàn)節(jié)能。

 

Delta controls的控制手段是每5分鐘監(jiān)測一次是否有不少于85%的末端設(shè)備處于全開狀態(tài)，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對風道靜壓的工作設(shè)定點進行加減調(diào)整。更為精細的處理手段是簡化空調(diào)分區(qū)，監(jiān)測風閥的平均開度。

 

風道靜壓控制并不是唯一的控制手段，我們可以利用末端需求的反饋直接控制VFD的頻率輸出，調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速。此時，可將風道靜壓作為上限值來執(zhí)行預(yù)熱、夜間換風、低溫保護，優(yōu)化控制效果。

 

據(jù)粗略計算，2倍的風速需求需要8倍的電耗來實現(xiàn)。實現(xiàn)了VAV系統(tǒng)風機功率的有效控制，可以大幅減少系統(tǒng)的能源消耗。

 

同時，進行送風溫度的再設(shè)定也可以最大限度地減少風量需求，降低送風機送風頻率。對風機電耗和再加熱電耗數(shù)據(jù)的趨勢記錄，可以為操作人員提供排風溫度設(shè)定調(diào)試的參考依據(jù)。很顯然，較低的排風溫度更有利于提升盤管的冷卻效果。在潮濕的環(huán)境下，排風溫度還受到除濕作用的影響；因此數(shù)據(jù)的記錄顯得尤為重要——以此為依據(jù)，可使得控制措施的節(jié)能目標得到有效實現(xiàn)。

對于HVAC變速泵的控制，Delta controls一般采取如下的控制方法：

◆  用壓差變送器對變速泵進行控制（不直接用閥位置反饋作為控制點）；

◆  在正向回水系統(tǒng)中，將壓差傳感器放置在最遠端；在逆向回水系統(tǒng)中，將壓差變速器在最近段和最遠端各放置一個；

◆  根據(jù)閥位置反饋對壓差設(shè)定點進行重新設(shè)定，以實現(xiàn)能源消耗最小化；

◆  控制水泵的PID循環(huán)速度很快，建議每秒掃描2次，因此應(yīng)保證壓差傳感器輸入點和驅(qū)動設(shè)備的模擬輸出點在同一個控制器上（數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送的速度不夠快）；

◆  保證壓差傳感器的精度足夠高，最好達到±12inH₂O（英寸水柱）或±0.4psig（磅/平方英寸）；

◆  保證安裝在遠端管道上的壓差傳感器有足夠高的壓力等級，以便承受水擊的沖擊（建議選用能承受2000psig的壓差傳感器）。

（1）風道靜壓監(jiān)測和控制

監(jiān)測風道支管最不利端的靜壓力，控制器根據(jù)壓力需求調(diào)整送風機轉(zhuǎn)速來將靜壓力維持在設(shè)定點附近。

以排氣段（在所有防火閥前面）的靜壓作為安全控制監(jiān)測值，當其達到高限值時關(guān)閉風機系統(tǒng)（VFD采用電氣連鎖實現(xiàn)安全關(guān)斷）。監(jiān)測高壓開關(guān)并設(shè)置報警提示功能，在高壓報警復(fù)位前風機不自動啟動。

風道靜壓設(shè)定點應(yīng)該根據(jù)VAV BOX服務(wù)區(qū)域的風量需求每5分鐘（時間可調(diào)整）重新設(shè)定一次：復(fù)位靜壓以保證最多15%的區(qū)域VAV BOX閥處于全開狀態(tài)；逐漸增大設(shè)定值以保證這些區(qū)域的VAV BOX風閥全開，保證傳輸?shù)钠骄�風量至少達到那些區(qū)域風量設(shè)定值的85%。

 

（2）排風和混風設(shè)定點控制

混風溫度設(shè)定點應(yīng)該與送風溫度設(shè)定點相協(xié)調(diào)，以保證最大程度地利用自然冷卻，并滿足系統(tǒng)最小新風量的要求。

 

（3）VAV BOX最小風量設(shè)定

每個VAV BOX的最小風量設(shè)定值都要由區(qū)域控制器根據(jù)室外新風在中央空調(diào)VAV系統(tǒng)空氣處理器提供的當前一次新風中所占比例和VAV BOX服務(wù)區(qū)域的占用負荷進行重新計算。在試運行的時候，應(yīng)該將每個區(qū)域的設(shè)計占用率輸入?yún)^(qū)域控制器，用這個值來確定室外新風需求的最小風量值（每個人20CFM）。如果某個區(qū)域被啟用，最小風量值應(yīng)該保證新風換氣次數(shù)符合設(shè)計要求（如果使用風道電加熱，則最小風量至少要滿足保證風道加熱器運行的需要）。