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的工作和生活环境所不可或缺的重要环节。在智能建筑中，HVAC各系统的监控点数量常常占全楼监控点总数的50%以上；HVAC各系统的耗电量常常占全楼总耗电量的50%以上。由此可见，HVAC各系统在智能建筑的一次投资和运行费用中占有极其重要的位置。

在不少建筑物中，或在建筑物的建设阶段，BMS（楼宇管理系统）本身常常是整个智能化楼宇管理系统（IBMS）的主导成分，而HVAC各系统的控制部分又是BAS或BMS系统的主导成分；对于这类建筑，HVAC控制系统的位置就更是举足轻重。

在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（亦即使建筑具有“智能化”）所能期待的主要回报内容之一；然而目前国内在智能建筑的建设中，真正能做到这一点的是凤毛麟角。也就是说，只有极少数智能建筑（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的回报。其中原委，正是本文要探讨的内容。

2、工程现状问题颇多

2.1空调及其控制系统的运行情况远不理想

由北京市科协下达的“智能建筑软课题”。曾对智能建筑的国内外发展状况和技术内涵进行过调查研究。在一年零三个月（1996.3-1997.6）的时间内，组织了北京工业大学及兄弟院校，从事自控、计算机、通讯、空调方面的教授、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地考察。

用户对楼宇自控系统运行情况的评价是：满意的仅占30%，一般的占40%，差的竟占到30%.在调查中发现：除少数建筑物技术先进、运行良好外，普遍存在着各种各样的问题：有的技术不先进，有的在运行中存在严重缺陷，有的根本不能开通。

经投入巨资设计安装的计算机控制系统，如果根本不能开通，或者在运行一段时间后由于这样那样的故障而被拆除，这不能不说是一种严重的教训，有关各方都应正视问题、认真分析原因并采取切实有效的措施，避免重复发生。

应该指出，空调及其控制系统在运行中出现问题并非我们国家所独有。一位英国专家，BuildingEnergyManagementSystems（建筑能量管理系统）一书的作者，G.J.Levermore在他著作的前言中写到：“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在调试后运行良好，然而回答是极为稀少。我希望我的书会帮助减轻此类问题。”

在我国的智能建筑中，由于发展极为迅速，而市场管理和技术管理等方面又存在着一定程度的混乱，因此所暴露出来的问题就更广、更深、更严重一些。

2.2空调自控设计与空调设计严重脱节

在智能建筑中，空调自控系统的工程实施，目前大体上经过下列工程步骤：由土建设计院的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的方案设计和施工图设计，并由自控设备厂商进行控制部分的安装调试，然后移交给物业管理部门进行运行管理。

在上述的工程环节中，需涉及的单位包括设计院，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的业主。这其中本应形成密切配合，一环扣一环的，平滑运转的链条，然而，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的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的要求往往深度不够：一般均未提供全年工况划分，相应的空气处理过程焓湿图，各种工况下各种执行机构的动作要求及工作状态，工况转换的边界条件等。

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

（3）自控设备供应厂商，在竞标时，往往“什么工作都能做”；但在工程实施时，或者缺乏必要的专业人才，或者工程人员比例严重不足，因而无力针对具体工程进行具体分析，常常凭借一些“copy”来的东西甚至未经消化来应付工程。自控设备厂商的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的一些参数选择粗糙，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）的安排，它的节能潜力，它在运行中可能出现的问题往往心中无数，对于空调设计和空调自控设计中的重大方案问题往往缺乏判断能力，亦未组织必要的论证。有些投资者对于已建和在建的智能建筑BEMS方面屡屡发生的问题甚至处于几乎盲目状态。

智能建筑建成之后，不仅可以节电节能，而且可以极大的提高运行管理水平，大量的减少维护管理人员；但应该指出的是：对维护管理人员的素质要求高了。特别是业主必须选择一个合格的设备运行负责人，他（她）应该了解HVAC各系统及其控制系统的运行原理。

必要的投资之后，管理就至关重要。业主可以在建设初期就注意选择和培养管理人才。必要时，亦可在建设过程的各个环节以至全过程（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

传统的暖通空调设计，本质上是一种稳态设计，它是以室内外的稳定状态为基础进行设计的。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小时的室外温度和湿度的统计值（某种人为规定的极值条件），在此基础上计算出房间空调设计负荷，并成为整个空调设计的基础。各种风系统和水系统的水力平衡计算，也主要是为了选择风机或泵的大小，一般计值（某种人为规定的极值条件），在此基础上计算出房间空调设计负荷，并成为整个空调设计的基础。各种风系统和水系统的水力平衡计算，也主要是为了选择风机或泵的大小，一般很少进行详细的运行分析，且常常是凭经验用估算来完成的。

暖通空调系统的自动控制系统的设计，特别是暖通空调系统的计算机控制系统的设计，是建立在系统日常运行的基础上的，也就是说，本质上是一种非稳态的动态设计。计算机控制系统要求动态分析资料，而暖通空调设计提供的是有限的稳态数据──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的重要原因。

这种情况是历史原因形成的，且并非我们国家所独有。一位美国专家，DirectDigitalControlsforHVACSystems（用于暖通空调的DDC控制）一书的作者，T.B.Hartman在书中写到：“由于DDC技术的发展而提供的改进HVAC系统的机会，在建筑设备系统的设计中，很少被充分研究。建筑业中的大多数设计工作，是来自于估算，而不是严格分析。打破现有设计原则的想法和行动，仍然被认为是冒险。使用高性能控制的设计，要求设计者反复考虑，如何使系统最有效的组成，而这种思考对广泛应用的估算原则是一种挑战。”

3.2高性能设计和知识更新

在我国智能建筑当前的设计体制中，一般的情况是：土建设计院的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的控制系统设计。但其中控制系统的设计，一般没有达到施工图设计的深度，而要控制设备厂商或集成商重新做“弱电”方案设计和其后的施工图设计。

目前有的设计院提出做计算机控制（即“智能”的一部分）设计的要求，有的设计院做了一些尝试，有的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的，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的天地。

T.B.Hartman提出一种“High-PerformanceSystems”（高性能控制系统）的概念：使设计人员从气动控制的限制所需要的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得多，但它有极为可观的节能回报。

高性能系统的设计是建筑在动态分析的基础上的。设计者选择评估高性能设计方案的工具，必须能够恰当的、准确的预测建筑物在实际运行条件下的热流和能耗。也就是说，必须能够提供动态结论。

T.B.Hartman对国外咨询公司的描述，我们的设计人员和设计院可做为借鉴和参考：“想做高性能设计的公司，必须更好地、不断地使自己的设计人员由于DDC技术的出现而进行知识更新。我的经验是：极少有公司愿意承担这个任务。很多公司倾向于过高地估计他们对先进技术的知识和理解。人们很少能听到，设备设计公司的经理承认他们缺乏先进控制技术以进行高性能设计，但只有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的起点，就是这些设计院长们认识到需要获取知识和技术以便确保设计目标能够全部实现。”

4、能量分析方法依旧

在智能建筑HVAC系统的研究、设计和运行管理中，需要一种工具以便评估或预测建筑物在实际运行条件下的全年能耗──这就是所谓“建筑能量分析”方法（BuildingEnergyAnalyses）。

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，在建筑物热状态计算机数学模拟技术的基础上发展起来的。建筑能量分析方法技术复杂，程序庞大；因此从一开始，即有很多学者致力于简化方法的研究，以便适应不同场合、不同范围和不同精度的要求，（作者也曾参与1985年丹麦第一届暖通世界大会上关于建筑能量分析方法的自由论坛：Workshop──“Isthesimplifiedmethodgoodenough？”），并由此产生了大量的简化方法及其分类。但总的来说，有代表性的仍然是详细的逐时模拟的方法。

建筑能量分析方法的主要技术，包括建筑物的热模拟，建筑设备（包括冷热源）的热模拟，以及动态气象资料等，有代表性的典型程序，是美国能源局的DOE-2和美国陆军研究院的BLAST等。1982年美国加州大学LBL实验室A.H.Rosenfeld教授在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的能耗问题”的论文，其中采用美国DOE程序，采用上海和北京的气象资料，对中国公寓式住宅的采暖能耗问题做了分析，并提出了节能建议。此后，我国学者在国内也对建筑物逐时模拟方法的应用做了探索。

建筑能量分析方法的核心是一组反映房间热特性的热平衡方程式。房间是由维护结构所形成的空间，由外墙、外门、内墙、内门、地面、楼板、顶棚系统和窗子系统等组成的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，通过辐射、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，它通过自身的调节作用后把室内外环境的变化因素联结在一起；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，而且各墙、窗、家具表面之间以及各表面与空气之间也通过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在一起。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的错综复杂的局面，构成了实际建筑热过程的复杂图象。

上述方程组是建筑物动态负荷分析的基础，也是建筑物空调自控设计的基础。实现空调节能的根本途径，就在于巧妙地利用室外条件、维护结构、室内条件和空调设备的相互作用关系，既创造出舒适高效的室内环境，而同时又实现大幅度节能的目的。

5、结束语

调查表明：已建成的智能建筑中空调自控系统的运行出现一定程度的问题相当普遍，根本未能开通或运行一段时间后被拆除的例子也屡见不鲜。对问题的剥离分析表明：业主的认识和安排──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的现象；其中自控设备厂商在设计和调试中不到位常常引起严重后果。业主可以聘请专家加强全过程的监督管理，确保建成HVAC各系统起码能够正常运行，进而追求实现一定程度的节能，在此基础上再实现运行的全面优化，以便达到最大限度的节能效果。