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当代智能绿色建筑节能及优化方法

2015/4/29 23:51:37??????点击:

      从可持续发展理论出发,建筑节能的关键又在于提高能量效率,因此无论制订建筑节能标准还是从事具体工程项目的设计,都应把提高能量效率作为建筑节能的着眼点。智能建筑也不例外,业主建设智能化大楼直接动因就是在高度现代化、高度舒适的同时能实现能源消耗大幅度降低,以达到节省大楼营运成本的目的。依据我国可持续建筑原则和现阶段国情特点,能耗低且运行费用最低的可持续建筑设计包含了以下技术措施:①节能;②减少有限资源的利用,开发、利用可再生资源;③室环境的人道主义;④场地影响最小化;⑤艺术与空间的新主张;⑥智能化。

20世纪70年代爆发能源危机以来,发达国家单位面积的建筑能耗已有大幅度的降低。与我国北京地区采暖度日数相近的一些发达国家,新建建筑每年采暖能耗已从能源危机前的300kWh/m2降低至现在的150kWh/m2左右。预计在今后不会很长的时间内,建筑能耗还将进一步降低至30~50kWh/m2。

  创造健康、舒适、方便的生活环境是人类的共同愿望,也是建筑节能的基础和目标,为此,21世纪的智能型节能建筑应该是:①冬暖夏凉;②通风良好;③光照充足。尽量采用自然光,天然采光与人工照明相结合;④智能控制。采暖、通风、空调、照明、家电等均可由计算机自动控制,既可按预定程序集中管理,又可局部手工控制,既满足不同场合下人们不同的需要,又可少用资源。

  1.节能的现状及发展方向

  1.1建筑节能现状

  虽然建设智能化大楼直接动因就是在高度现代化、高度舒适的同时能实现能源消耗大幅度降低,以达到节省大楼营运成本的目的。然而实际上在智能化目标定位中明确提出节能要求的不多,建成的确有节能功效的智能建筑更是罕见。

  主要原因有以下几点:房地产投资商认为能源建设是政府业绩和投资环境的标志之一,建筑节能看不见摸不着,所以宁可在建筑的豪华和设施的先进性上花巨资,也不愿为节能多花一分钱;系统与设备、设备与设备之间的控制集成成功率不高,相关系统结合“接口”界面如通信协议、网络构架的标准化、统一性不够;物业管理水平跟不上,运行优化无从谈起;没有从通过可再生资源利用技术来提高建筑的可持续性战略高度重视智能建筑的节能;缺少正确有效的建筑设备能耗评估方法,限制了智能建筑节能研究更好地开展。

  1.2建筑节能的发展方向

  中国的建筑节能工作已经走过了20多年的艰苦路程。在市场经济的推动下,随着住房体制改革的前进,房屋用能费用理所当然地要由住房承担,节约建筑用能势必逐渐成为广大居民的自觉要求,加上改善大气环境愈来愈迫切,要求减轻建筑用能带来的污染,建筑节能将是大势所趋、人心所向,是国家民族利益的需要。

  智能建筑节能是一门新兴科学,与原有专业分工不同,它包含有建筑、施工、采暖、通风、空调、电器、家电、建材、热工、能源、环境、检测、计算机软件等许多专业内容,是许多专业学科边缘交叉结合形成的,在社会需要的推动下,许多高等院校、科研院所和生产单位都在围绕不同方面进行研究开发,正在出现蓬勃发展的新局面。

  2.建筑建筑节能分析和评价原则

  2.1做好智能建筑的节能规划

  节能规划要从可持续发展的战略高度出发,采用新方法、新思路。节能要从原先的拾遗补缺,变为在技术经济分析可行后优先考虑的方案,要以提高能源利用效率和利用效益为中心。总的节能目标要根据经济发展、能源平衡、能源消费弹性系数和节能率来编制。建筑节能方面,建筑物的设计和建造应当依照有关法律、行政法规的规定,采用节能型的建筑结构、材料、器具和产品,提高保温隔热性能,减少采暖、制冷、照明的能耗,逐步开展建筑物的节能认证。

  目前,建筑节能标准可以分为两大类,即规定性标准和效益型的标准。规定性的节能标准给出一定的节能指标要求,如外墙的最大传热系数和最大窗墙比等;效益型的节能标准对一些指标并不规定过死,只要所设计的建筑物总能耗满足标准要求即可,所以设计人员有更大的设计灵活性。

  2.2目前智能经济性分析应坚持节能原则

  对智能建筑进行技术经济性分析是评价智能建筑节能效益的依据。技术经济就是用尽可能少的劳动消耗和劳动占用为社会提供更多、更好的使用价值,即要求以最少的劳动消耗和劳动占用,而取得最大的经济效益。一个建设项目的设计,从资源利用、工艺流程、总体布置、设备选型到能源消耗及工程效益无不关系到技术经济,所以技术经济在工程设计中所占的地位自然是十分重要的。不重视技术经济的分析研究和评价,或者不始终做好技术经济工作,就会导致建成投产的项目效益不高,花了不少投资而没有达到预期的效益。

 2.3采用层次分析法对智能建筑的综合评价也离不开节能原则

  层次分析法常常被用在对智能建筑的综合评价中。层次分析法是系统工程学中一种能处理具有复杂因素在内的技术、经济和社会问题,这些问题往往很难用定量的模型或模拟来分析,因为其中所含定性因素很多,而且需要考虑决策者的心理因素、知识经验和决策水平等。层次分析法能通过建立所谓判断矩阵的过程,逐步分层地将众多的复杂因素和决策者的个人因素综合起来,进行逻辑思维,然后用定量的形式表示出来,从而使复杂问题从定性的分析向定量结果转化。

  利用层次分析法对智能建筑评价采用以下评价准则:①满足用户需要的程度;②建筑物的节能程度;③建筑物使用者舒适性;④建筑物管理者管理的方便程度;⑤在现有基础上进行扩充的可能性;⑥整个智能建筑的性能价格比。

  3.建筑BAS控制方案的优化

  3.1智能建筑能量控制与管理系统的优化

  智能建筑楼宇自控系统将建筑内所有设备集成一个系统,实现信息共享,进行综合管理,其作用和效益是巨大的,要实现这些作用和效益,就必须实施优化,建筑智能化工程的最优化设计与常规设计相比,有以下特点:①可以从系统的各种可能结构和参数中找到最佳匹配,使整体效能最佳,从而提高系统的效率,降低投资和运行费用;②可以对系统及其过程进行定量化的状态模拟,减少控制环节,提高可靠性与稳定性,发生故障概率降到最低可能限度,系统响应输出最优化;③它有不变条件下的优化控制及优化控制条件的两种型式,通过优化控制方案达到节能目的的是一种“主动节能”,它有别于墙体结构、门窗的形式和设置的改造的“被动节能”。

  3.2基于节能策略的智能建筑BA系统优化方法(主要针对空调系统)

  3.2.1节能策略的优化

  PID控制。空气处理机的DDC通常采用PID控制,选择合适的PID参数对空调系统的稳定运行是非常关键的。PID系数高,空调对室内温度波动的反应特性曲线陡,达到设定温度的过渡过程较短;相反PID系数低,达到设定温度的过渡过程较长。但并不是PID系数越高越好,否则易引起DDC控制系统失稳,表现为室内温度的振荡和水侧的电动调节阀周期性的来回运动无法在固定开度上运行。

  PID的影响对于影剧院等大热惯性空调场合,靠高的PID系数来提高空调机组对负荷变化的响应速度是不足以解决问题的。这时可以采用双级控制,即分别在空调的送风道和室内安装温度传感器,室内的温度设定由主DDC控制器完成,水阀的驱动由副DDC根据风道温度传感器和主DDC的指令完成,由于风道温度变化速度快于房间温度的变化,这一控制方式加速了系统对温度波动的响应。

  必须注意的是,为防止水阀被人为关死或水系统供水不足等异常情况对控制系统产生影响,副DDC通常只需采用比例控制算法(P),不可加入积分分量(I)。在实际的工程设计中,BA系统对空调的节能控制有多种手段可以采用,例如室内外焓值比较法、二氧化碳等污染物浓度检测法确定新风量,基于日程表的定时操作等。工程设计中可以视需要灵活运用,以达到最优的效果。例如办公、商场等场合,夏秋季在清晨时通过程序启动空气处理机(或新风机),利用室外凉爽空气对室内全面换气预冷,既节约新风能耗又提高了室内空气质量。

  3.2.2控制权的优化

  通常BA遵从的是中央控制站集中管理的原则,有时也有其不便的一面。在某些场合(如会议室)将空调、通风系统的参数的设定功能放置在现场可能更符合使用者的需要。DDC本身并不提供这样的功能,需要专门部件来实现。

  例如HoneywellT7780A数字显示墙挂式Lon分站,可以在液晶面板上显示房间的温度,通过4个按钮完成设定房间温度,风机速度、启动/停止风机等功能,并能通过LonTalk总线驱动空调箱的DDC控制器执行相应的动作。这类功能接近VRV控制面板的设定器给房间的使用者带来极大的便利和舒适性,必要时应积极采用。

  3.2.3直接数字控制器(DDC)的优化

  主流BA系统供货商都能提供大、中、小不同处理能力的DDC,冷冻机房、热力站监控点是密集场合应优先采用大型控制器,以减少故障率和控制器间的通讯。这种控制器的典型特征是有强大的处理器(如摩托罗拉的68302)和1MB以上的RAM,尤其是能够和I/O扩展模块连接达到输入输出功能的扩展。

  列如SIEMENSMBC可以挂接40个I/O模块,TrendIQ251控制器允许有8x16点的接口扩展能力。对空气处理机、新风机、通风机一般采用中型或小型的控制器即可。近年来,可编程逻辑控制器件(PLC)进步很快,其应用不再局限于工业场合,在空调通风的现场设备控制工程中不应将其排斥在外。

  3.2.4关于BACnet和LonWorks的支持

  BACnet和LonWorks的提出是为了在不同层面解决控制系统的互联互操作问题。LonWorks采用现场总线控制技术(FCS),突破了以往的集散型控制技术(DCS),它的提出是BA技术的一次飞跃,是今后BAS发展的技术趋势。但目前受到各种条件限制LonWorks技术优势还不能完全发挥出来,工程实现并不完善。若自控系统规模不是很庞大,最好不用全面采用LonWorks技术。如果仔细分析目前主流的BA产品,会发现其实它们在不同程度上部分采用或部分支持现场总线技术,这种取长补短的混合模式在当前是切合工程实际的,可以实现技术的平稳过渡。

  BACnet由美国ASHRAE制定并颁布,是现行美国国家标准及欧共体预备标准,运用BACnet协议,可以使空调冷热源主机自带的控制器直接进入BAS控制网络。但实施中应注意空调主机和BA供货商对BACnet的支持程度和技术协调,目前非标准的数据通讯格式仍大量存在于主机设备中。总之,在设计BA系统的过程中切不可一味追求技术的先进性。

  3.2.5控制网络优化

  在满足扩展性和灵活性的前提下,控制网络的拓扑结构应尽可能简化、清晰,无论基于RS485总线或基于LonTalk总线的控制网络都是如此。分支、分级多的网络管理复杂、可靠性低。LonTalk总线在理论上可以组成任意拓扑结构的网络,这种布线设计的随意性如果运用不当,在工程实践中仍然是有技术风险的,并可能增加系统的投资。小型工程尽可能运用基于RS485总线的控制网络,采用“手拉手”的布线方式,大型工程可以考虑楼层网络分级。

  3.2.6BAS监控中心

  BAS监控中心监控整个空调、通风、动力系统,一般与消防控制、安保监控等合用一室。由于该机房通常远离冷冻机房、锅炉房,在这里远程操作这些关键设备是不合适的。推荐的做法是在冻机房和锅炉房现场控制室另设置一台监控分站,由该分站负责冷冻机、锅炉监控功能,并且该分站功能受权局限为冷热源设备。

  4.结束语

  智能建筑节能是一门新兴科学,与原有专业分工不同,它包含建筑、施工、采暖、通风、空调、电器、家电,建材、热工、能源、环境、检测、计算机软件等许多专业内容,是许多专业学科边缘交叉并结合形成的。对智能建筑的分析和评价应坚持节能的原则,确立智能建筑能量管理与控制系统优化的基本出发点、优化原则及技术措施对于智能建筑节能实现具有重要的现实意义。

  BAS系统是实现智能建筑节能的有效途径之一。智能建筑BAS控制方案的优化是整个智能建筑节能优化方案实施的具体体现,它包含了建筑物内部主要耗能单元的节能优化。通过对BA控制系统(主要是暖通空调系统)的传感器、执行器、控制器、网络等若干环节的探讨,力图使BA系统更好地服务于受控的空调通风系统,最大限度地节约能源。

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