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1、空调系统控制中的节能措施加拿大Delta北京代表处王 巍【摘要】本文介绍了楼宇自控产品专业制造商Delta controls总结多年能源管理及咨询方面的经验和施工、调试过程中遇到的一些问题而得的，一套暖通空调系统控制中的行之有效的节能措施，对冷热源系统、空调系统及VAV系统的节能控制进行了详细的论述。【关键词】空调控制 经验 节能措施随着我国经济建设的发展，商用建筑（写字楼、宾馆、饭店、大中型商场等）大量兴建，而这些采用中央空调的商用建筑普遍存在着高能耗的问题；这将会导致能源供应紧张的局面加剧，给经济的持续发展带来不利影响。在采用中央空调的建筑中，中央空调能耗一般要占去整个建筑总能耗的50左右
2、，在商场和综合大楼中，这一数字更可能高达60以上。因此，节约商业建筑空调能耗是刻不容缓的。空调系统的能耗主要由两部分构成，一是为了供给空气处理设备所需冷量和热量而产生的冷热源能耗，如压缩式制冷机的电耗，吸收式制冷机的蒸汽或燃气消耗，锅炉的燃煤、燃油、燃气或电能消耗等；一是风机和水泵为房间送风和输送空调循环水时消耗的电能。通过楼宇自动化系统（BAS）实现对空调末端设备的节能自动控制当空调负荷发生变化时，采集相关参数值并代入运算，根据运算结果改变冷水机组工作状态、冷冻（温）水和冷却水流量以及冷却塔风机的风量，确保冷水机组始终工作在效率最佳状态，使主机始终处于高转换效率的最佳运行工况，可以达到节能的
3、目的。另外，通过BAS对中央空调系统末端的新风机、空调机乃至风机盘管等装置进行状态监视并进行“精细化”控制，也就是利用DDC（直接数字控制器）对检测的相关量值进行PID（比例、积分、微分）运算，实现对上述设备的PID控制，也可收到一定的节能效果，同时创造舒适的环境。本文将介绍Delta controls根据多年建筑节能及能源管理的施工、调试的经验总结出的一套行之有效的空调系统控制中的节能措施，为建筑节能乃至全社会的可持续发展提供助力。1 供回水温差控制令冷水系统或热水系统保持供回水处于大温差（避免温差过小）状态是一项具备明显经济优势的节能措施。中央站（冷水机组、锅炉或板换）冷水或热水的供应流量
4、会因空调末端负荷大小的变化而变化，空调末端负荷大小的变化受温差（室外温度与空调送风温度）的影响较为明显。定流量空调系统中该“因变而变”的现象且较为显著。事实上，为了适应末端流量变化的需求，往往出现冷水或热水会一如既往的经供水管道、风机盘管、回水管道流走。但是，大部分时候，这些冷水或热水是过量的，也就是说，中央站（冷水机组、锅炉或板换）并没有进行应有的减小流量方面的调节。这样的话，定流量空调系统中，中央站（冷水机组、锅炉或板换）缺少应有的节能措施，从而难以制造相应的节能效益。变流量空调系统正是为了解决上述中，定流量系统难以根据末端负荷的变化调节流量而造成的能源浪费，这一问题而被设计出来并得到应用
5、的，但是现在已经有针对该问题进行有效解决的设备和设计方案。（1）去除空调水的供回水旁通支路设计在当下这个网络数字DDC控制和VFD控制盛行的时代，当今的冷水机组和热水锅炉已具备视负荷大小进行功率调整的能力，空调水系统无需考虑旁通设计。如设备选择合理，完全可以消除供水系统和回水系统混合的现象，保证所有的空调供水在任何时间只进入负载设备。（2）水泵分组去除供回水旁通支路并不意味着只需一组冷冻水泵即可完成工作。在大型的供水系统中采用一次泵/提升泵成组设计将会使系统非常高效，并且可以大幅降低备份系统建设的实施成本；同时，现代化的基于网络的控制系统将使泵组的运行得到有效的控制。（3）对每个负载进行温差监
6、测一旦空调分水支路或三通阀门已经安装，造成低温差问题的唯一源头就只能是HVAC末端冷冻水的供水直接流进回水。要解决这一问题，需在空调设备的回水管路安装温度传感器，并使用回水温度做为阀门控制的条件参数；如果回水温度接近设定值，即对阀门的开度加以限制。如此不但可有效解决低温差的问题，同时还对提高设计人员阀门规格选择的灵活性有所帮助。2 AHU节能控制节能控制的关键问题是能否“使用室外新风来实施无功耗制冷”。在实现“使用室外新风来实施无功耗制冷”的过程中，两个应用较多的技术是干球温度切换和焓值控制。其中干球温度切换是指以室外干球温度为上限，根据气候条件在2326之间调节温度设定点。该技术使用简单，故
7、障排查容易，仅需要一个室外温度传感器即可实现应用。但是，仅依靠一个室外温度传感器可能会因工作条件的影响（如阳光直射影响）而无法满足应用的需要。安装多点位的室外温度传感器进行温度采集，通过取平均值或最小值的方式进行处理是可行的方法；同时，多传感器的安装使用也可以提升信号的可靠性。此外，在系统中引入GCL+（编程语言）可实现在计算前检测传感器是否处于故障状态，从而在事前确定是否将其检测结果纳入计算过程。以上显著的技术优势决定了干球温度切换可以适用于大型建筑群的系统。然而，尽管干球温度切换实施成本低廉，但它的工作特点决定了它不适用于高湿度的气候区域。在这些区域，应采用焓值切换作为比较室外新风和室内回
8、风的全热量（焓值），选择热量低的风源为主要风源的处理方式。在大型系统或变回风（热负荷变化明显）的空调系统中，可以采用监测空气焓值，根据监测值控制节能动作的技术手段；在较小型的系统或回风湿度没有明显变化的系统中，可以根据空气焓值的监测值来进行焓值的稳定性控制；在很多节能装置中，常进行风量控制用来保证所需的室外新风量。风量的测量的方式方法是多种多样的，而控制实现的目标都是类似的：在保证最小新风的前提下，实现温度的舒适性控制。满足风量需求的前提下的干球温度切换的控制流程（空气侧）如下： 在送风风机关机/预热（冷）时段、夜间低温保护或手动强制模式下，保证新风风门全关； 对新风风门、回风风门、排风风门的
9、开度进行PID调节，维持混风温度处于温度设定点； 在制冷模式下设置混风温度为较排风设定温度低1.2，在制热模式下设置混风温度等于排风设定温度； 当室外新风温度高于温度上限值（初始值为24，可调整）时，在CO2条件控制下保证室外新风量最小； 回风风阀开度由送风静压控制时，调节新风风阀维持混风温度处于设定点。其中的两个技术关键点是建筑室内静压控制（忽略新风风门开度的影响，模拟调节混风风门开度）和根据排风温度调整混风温度设定点（在不同的现场模式下采用不同的温度补偿量）。3 夜间换风（无功耗或微功耗）制冷夜间换风被用于建筑使用前的预冷，要求室外新风阀和排风阀全部打开，回风阀完全关闭。如果需要进行气流跟
10、踪监测，则要保证送风风量不大于回风机风量，将建筑静压设定点设为零。VAV BOX的流量至少应该设为最大风量的50%；如果能维持有足够的风量分配给所有的VAV BOX，那么每个VAV BOX都应该以最大风量运行这将显著减少对风机功率的需求，并停止风道静压重新设定，保证风机能够维持低速运行。夜间换风特别适合于对建筑外区的预冷，也适用于建筑内区。如果某些个别区域的换风效果已经超过设定的要求，这些区域的风机应该恢复到闲置状态（关闭），以防出现过冷的情况。而在进行区域换气时，再热设备必须处于锁定停止状态。在满足以下条件时，可激活换风模式： 室外空气的干球温度至少低于外区平均空间温度10； 外区的平均空间
11、温度高于占用状态冷却设定点5； 在建筑被占用之前6个小时以内。实施夜间换风能节约多少能源呢？这取决于进行夜间换风当时的气候条件（自然冷却的时间越长，耗能越少）、公共设施耗能（如果按需供电，能节省得更多）和内部负荷需求。但是，采用夜间换风控制策略的附加费用几乎可以忽略不计，因为所有的硬件设备很可能早就存在了。可以利用趋势分析和累计法，对夜间换风时段的风机能量消耗及预估的冷却节能效果进行跟踪。此外，夜间换风也对保证室内空气质量满足要求有所帮助。通过换风能够清除建筑内的臭气、烟和其他空气污染物。4 空调冷/热水供水温度再设定重新设定加热水和制冷水的温度设定点以满足系统负荷要求是自气动控制时代就有的一
12、种控制策略；然而与气动控制系统不同，DDC系统可以用精确的区域负荷驱动技术来实现对设定点的重新设定。采用根据加热阀的开度对热水供水温度进行再设定的控制方法，可保证系统只在有加热需求时执行开阀命令（以供水温度为依据）。冷冻水供水温度再设定也可采用同样的方法，即只在有制冷需求时，调节冷冻水阀开度，再根据冷冻水阀的开度来进行对冷冻水供应温度的再设定。为什么要重新设定供水温度呢？因为这样做可以减少传输和待命损耗，允许阀门工作在接近于其“最佳状态”的位置上。对于冷冻水系统，冷冻水供水温度每提高1，冷机效率就能够提高大约1%。例如：当项目中投运的HVAC末端设备足够少、空调负荷足够小时，势必导致HVAC空
13、调末端总体冷/热水能量需求偏小，造成空调的水阀开度过小，直接造成冷/热水流量偏小，甚至低于一台水泵最低频率下的流量。如果，这个流量依然大于需求流量，那么，会造成过量的冷/热水经供水管、盘管流回回水管的现象。这时，空调冷/热水供水温度再设定就变得十分必要了。而在这种情况下，如果冷热媒的供水温度可调节比如，在夏季，将其自7提升至9，就会得到一个可喜的效果小能量、大流量，最大程度地避免了小流量现象引起的直流现象。因此，BMS（Building Manage System）必须具备设定冷冻水或空调热水供水温度的功能。BMS可以通过以下方法实现空调冷/热水供水温度的再设定：1) VAV BOX根据末端风
14、阀阀位状态计算出所需的最佳冷却量，从而将VAV风扇速率、风道静压设得尽可能低。2) 在不会导致区域过分加热的前提下，将VAV送风温度设定得尽可能低曲线降低，直到至少一个区域（区域数可调整）要求充分加热。引入阀门执行器（尤其是三态阀）的开度反馈、实施加热指令（模拟控制阀）控制是实现这一目标的两种方式。当可使用自然冷却时，将送风温度再设定到可能的最低值。3) 在满足冷冻水散热最大需求的前提下，将冷冻泵压差、泵速设的尽可能低曲线降低直到至少一个阀门处于全开状态（最多不能超过可调整的设定数量）。4) 在保证最多只有不超过一个冷冻水阀门全开的前提下，将冷冻水供水温度设定得尽可能高。5) 在满足换热器最大
15、换热需求的前提下，将热水泵压差、泵速设定得尽可能低曲线降低直到至少一个阀门处于全开状态。6) 在保证最多只有不超过一个调节阀全开的前提下，将热水供水温度设定得尽可能低。以上列出的所有再设定都要基于以下两个原则： 泵和风扇的运行速率最小化（通常约为额定功率的20%）； 冷冻水和热水流量需求在保证冷机、锅炉正常工作的前提下最小化。这样做的目的是减少总的能源消耗。对关键部分的能源消耗进行监测和趋势分析可以给控制策略的调整提供很好的支持。监测设备的输出功率是一个有效途径。根据冷机提供的功率监测值，再加上对锅炉功率的检测，可以实现对能源系统完整的监测。5 变静压控制在VAV空调机组风机的转速控制中，一般
16、根据风道最不利端或风道长度2/3处的静压值进行风机的转速控制。VAV BOX的空气流量需求通过风道静压设定点的再调整来保证得到满足。变静压控制的工作机理是保证大多数VAV BOX处于理想工作状态（风阀没有全开），通过降低风道静压的方式，在不影响舒适度同时实现节能。Delta controls的控制手段是每5分钟监测一次是否有不少于85%的末端设备处于全开状态，根据监测结果对风道静压的工作设定点进行加减调整。更为精细的处理手段是简化空调分区，监测风阀的平均开度。风道静压控制并不是唯一的控制手段，我们可以利用末端需求的反馈直接控制VFD的频率输出，调节风机转速。此时，可将风道静压作为上限值来执行预
17、热、夜间换风、低温保护，优化控制效果。据粗略计算，2倍的风速需求需要8倍的电耗来实现。实现了VAV系统风机功率的有效控制，可以大幅减少系统的能源消耗。同时，进行送风温度的再设定也可以最大限度地减少风量需求，降低送风机送风频率。对风机电耗和再加热电耗数据的趋势记录，可以为操作人员提供排风温度设定调试的参考依据。很显然，较低的排风温度更有利于提升盘管的冷却效果。在潮湿的环境下，排风温度还受到除湿作用的影响；因此数据的记录显得尤为重要以此为依据，可使得控制措施的节能目标得到有效实现。6 变流量泵的控制对于HVAC变速泵的控制，Delta controls一般采取如下的控制方法： 用压差变送器对变速泵
18、进行控制（不直接用阀位置反馈作为控制点）； 在正向回水系统中，将压差传感器放置在最远端；在逆向回水系统中，将压差变速器在最近段和最远端各放置一个； 根据阀位置反馈对压差设定点进行重新设定，以实现能源消耗最小化； 控制水泵的PID循环速度很快，建议每秒扫描2次，因此应保证压差传感器输入点和驱动设备的模拟输出点在同一个控制器上（数据通过网络传送的速度不够快）； 保证压差传感器的精度足够高，最好达到12inH2O（英寸水柱）或0.4psig（磅/平方英寸）； 保证安装在远端管道上的压差传感器有足够高的压力等级，以便承受水击的冲击（建议选用能承受2000psig的压差传感器）。7 VAV BOX的高级
19、控制（1）风道静压监测和控制监测风道支管最不利端的静压力，控制器根据压力需求调整送风机转速来将静压力维持在设定点附近。以排气段（在所有防火阀前面）的静压作为安全控制监测值，当其达到高限值时关闭风机系统（VFD采用电气连锁实现安全关断）。监测高压开关并设置报警提示功能，在高压报警复位前风机不自动启动。风道静压设定点应该根据VAV BOX服务区域的风量需求每5分钟（时间可调整）重新设定一次：复位静压以保证最多15%的区域VAV BOX阀处于全开状态；逐渐增大设定值以保证这些区域的VAV BOX风阀全开，保证传输的平均风量至少达到那些区域风量设定值的85%。（2）排风和混风设定点控制混风温度设定点应该与送风温度设定点相协调，以保证最大程度地利用自然冷却，并满足系统最小新风量的要求。（3）VAV BOX最小风量设定每个VAV BOX的最小风量设定值都要由区域控制器根据室外新风在中央空调VAV系统空气处理器提供的当前一次新风中所占比例和VAV BOX服务区域的占用负荷进行重新计算。在试运行的时候，应该将每个区域的设计占用率输入区域控制器，用这个值来确定室外新风需求的最小风量值（每个人20CFM）。如果某个区域被启用，最小风量值应该保证新风换气次数符合设计要求（如果使用风道电加热，则最小风量至少要满足保证风道加热器运行的需要）。
