當(dāng)代智能綠色建筑節(jié)能及優(yōu)化方法
從可持續(xù)發(fā)展理論出發(fā)，建筑節(jié)能的關(guān)鍵又在于提高能量效率，因此無論制訂建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)還是從事具體工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，都應(yīng)把提高能量效率作為建筑節(jié)能的著眼點(diǎn)。智能建筑也不例外，業(yè)主建設(shè)智能化大樓直接動因就是在高度現(xiàn)代化、高度舒適的同時能實(shí)現(xiàn)能源消耗大幅度降低，以達(dá)到節(jié)省大樓營運(yùn)成本的目的。依據(jù)我國可持續(xù)建筑原則和現(xiàn)階段國情特點(diǎn)，能耗低且運(yùn)行費(fèi)用最低的可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)包含了以下技術(shù)措施：①節(jié)能;②減少有限資源的利用，開發(fā)、利用可再生資源;③室環(huán)境的人道主義;④場地影響最小化;⑤藝術(shù)與空間的新主張;⑥智能化。
20世紀(jì)70年代爆發(fā)能源危機(jī)以來，發(fā)達(dá)國家單位面積的建筑能耗已有大幅度的降低。與我國北京地區(qū)采暖度日數(shù)相近的一些發(fā)達(dá)國家，新建建筑每年采暖能耗已從能源危機(jī)前的300kWh/m2降低至現(xiàn)在的150kWh/m2左右。預(yù)計(jì)在今后不會很長的時間內(nèi)，建筑能耗還將進(jìn)一步降低至30~50kWh/m2。
創(chuàng)造健康、舒適、方便的生活環(huán)境是人類的共同愿望，也是建筑節(jié)能的基礎(chǔ)和目標(biāo)，為此，21世紀(jì)的智能型節(jié)能建筑應(yīng)該是：①冬暖夏涼;②通風(fēng)良好;③光照充足。盡量采用自然光，天然采光與人工照明相結(jié)合;④智能控制。采暖、通風(fēng)、空調(diào)、照明、家電等均可由計(jì)算機(jī)自動控制，既可按預(yù)定程序集中管理，又可局部手工控制，既滿足不同場合下人們不同的需要，又可少用資源。
1.節(jié)能的現(xiàn)狀及發(fā)展方向
1.1建筑節(jié)能現(xiàn)狀
雖然建設(shè)智能化大樓直接動因就是在高度現(xiàn)代化、高度舒適的同時能實(shí)現(xiàn)能源消耗大幅度降低，以達(dá)到節(jié)省大樓營運(yùn)成本的目的。然而實(shí)際上在智能化目標(biāo)定位中明確提出節(jié)能要求的不多，建成的確有節(jié)能功效的智能建筑更是罕見。
主要原因有以下幾點(diǎn)：房地產(chǎn)投資商認(rèn)為能源建設(shè)是政府業(yè)績和投資環(huán)境的標(biāo)志之一，建筑節(jié)能看不見摸不著，所以寧可在建筑的豪華和設(shè)施的先進(jìn)性上花巨資，也不愿為節(jié)能多花一分錢;系統(tǒng)與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的控制集成成功率不高，相關(guān)系統(tǒng)結(jié)合“接口”界面如通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一性不夠;物業(yè)管理水平跟不上，運(yùn)行優(yōu)化無從談起;沒有從通過可再生資源利用技術(shù)來提高建筑的可持續(xù)性戰(zhàn)略高度重視智能建筑的節(jié)能;缺少正確有效的建筑設(shè)備能耗評估方法，限制了智能建筑節(jié)能研究更好地開展。
1.2建筑節(jié)能的發(fā)展方向
中國的建筑節(jié)能工作已經(jīng)走過了20多年的艱苦路程。在市場經(jīng)濟(jì)的推動下，隨著住房體制改革的前進(jìn)，房屋用能費(fèi)用理所當(dāng)然地要由住房承擔(dān)，節(jié)約建筑用能勢必逐漸成為廣大居民的自覺要求，加上改善大氣環(huán)境愈來愈迫切，要求減輕建筑用能帶來的污染，建筑節(jié)能將是大勢所趨、人心所向，是國家民族利益的需要。
智能建筑節(jié)能是一門新興科學(xué)，與原有專業(yè)分工不同，它包含有建筑、施工、采暖、通風(fēng)、空調(diào)、電器、家電、建材、熱工、能源、環(huán)境、檢測、計(jì)算機(jī)軟件等許多專業(yè)內(nèi)容，是許多專業(yè)學(xué)科邊緣交叉結(jié)合形成的，在社會需要的推動下，許多高等院校、科研院所和生產(chǎn)單位都在圍繞不同方面進(jìn)行研究開發(fā)，正在出現(xiàn)蓬勃發(fā)展的新局面。
2.建筑建筑節(jié)能分析和評價原則
2.1做好智能建筑的節(jié)能規(guī)劃
節(jié)能規(guī)劃要從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度出發(fā)，采用新方法、新思路。節(jié)能要從原先的拾遺補(bǔ)缺，變?yōu)樵诩夹g(shù)經(jīng)濟(jì)分析可行后優(yōu)先考慮的方案，要以提高能源利用效率和利用效益為中心。總的節(jié)能目標(biāo)要根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源平衡、能源消費(fèi)彈性系數(shù)和節(jié)能率來編制。建筑節(jié)能方面，建筑物的設(shè)計(jì)和建造應(yīng)當(dāng)依照有關(guān)法律、行政法規(guī)的規(guī)定，采用節(jié)能型的建筑結(jié)構(gòu)、材料、器具和產(chǎn)品，提高保溫隔熱性能，減少采暖、制冷、照明的能耗，逐步開展建筑物的節(jié)能認(rèn)證。
目前，建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)可以分為兩大類，即規(guī)定性標(biāo)準(zhǔn)和效益型的標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)定性的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)給出一定的節(jié)能指標(biāo)要求，如外墻的最大傳熱系數(shù)和最大窗墻比等;效益型的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對一些指標(biāo)并不規(guī)定過死，只要所設(shè)計(jì)的建筑物總能耗滿足標(biāo)準(zhǔn)要求即可，所以設(shè)計(jì)人員有更大的設(shè)計(jì)靈活性。
2.2目前智能經(jīng)濟(jì)性分析應(yīng)堅(jiān)持節(jié)能原則
對智能建筑進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析是評價智能建筑節(jié)能效益的依據(jù)。技術(shù)經(jīng)濟(jì)就是用盡可能少的勞動消耗和勞動占用為社會提供更多、更好的使用價值，即要求以最少的勞動消耗和勞動占用，而取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。一個建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，從資源利用、工藝流程、總體布置、設(shè)備選型到能源消耗及工程效益無不關(guān)系到技術(shù)經(jīng)濟(jì)，所以技術(shù)經(jīng)濟(jì)在工程設(shè)計(jì)中所占的地位自然是十分重要的。不重視技術(shù)經(jīng)濟(jì)的分析研究和評價，或者不始終做好技術(shù)經(jīng)濟(jì)工作，就會導(dǎo)致建成投產(chǎn)的項(xiàng)目效益不高，花了不少投資而沒有達(dá)到預(yù)期的效益。
2.3采用層次分析法對智能建筑的綜合評價也離不開節(jié)能原則
層次分析法常常被用在對智能建筑的綜合評價中。層次分析法是系統(tǒng)工程學(xué)中一種能處理具有復(fù)雜因素在內(nèi)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會問題，這些問題往往很難用定量的模型或模擬來分析，因?yàn)槠渲兴ㄐ砸蛩睾芏?，而且需要考慮決策者的心理因素、知識經(jīng)驗(yàn)和決策水平等。層次分析法能通過建立所謂判斷矩陣的過程，逐步分層地將眾多的復(fù)雜因素和決策者的個人因素綜合起來，進(jìn)行邏輯思維，然后用定量的形式表示出來，從而使復(fù)雜問題從定性的分析向定量結(jié)果轉(zhuǎn)化。
利用層次分析法對智能建筑評價采用以下評價準(zhǔn)則：①滿足用戶需要的程度;②建筑物的節(jié)能程度;③建筑物使用者舒適性;④建筑物管理者管理的方便程度;⑤在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充的可能性;⑥整個智能建筑的性能價格比。
3.建筑BAS控制方案的優(yōu)化
3.1智能建筑能量控制與管理系統(tǒng)的優(yōu)化
智能建筑樓宇自控系統(tǒng)將建筑內(nèi)所有設(shè)備集成一個系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息共享，進(jìn)行綜合管理，其作用和效益是巨大的，要實(shí)現(xiàn)這些作用和效益，就必須實(shí)施優(yōu)化，建筑智能化工程的最優(yōu)化設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，有以下特點(diǎn)：①可以從系統(tǒng)的各種可能結(jié)構(gòu)和參數(shù)中找到最佳匹配，使整體效能最佳，從而提高系統(tǒng)的效率，降低投資和運(yùn)行費(fèi)用;②可以對系統(tǒng)及其過程進(jìn)行定量化的狀態(tài)模擬，減少控制環(huán)節(jié)，提高可靠性與穩(wěn)定性，發(fā)生故障概率降到最低可能限度，系統(tǒng)響應(yīng)輸出最優(yōu)化;③它有不變條件下的優(yōu)化控制及優(yōu)化控制條件的兩種型式，通過優(yōu)化控制方案達(dá)到節(jié)能目的的是一種“主動節(jié)能”，它有別于墻體結(jié)構(gòu)、門窗的形式和設(shè)置的改造的“被動節(jié)能”。
3.2基于節(jié)能策略的智能建筑BA系統(tǒng)優(yōu)化方法(主要針對空調(diào)系統(tǒng))
3.2.1節(jié)能策略的優(yōu)化
PID控制?？諝馓幚頇C(jī)的DDC通常采用PID控制，選擇合適的PID參數(shù)對空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是非常關(guān)鍵的。PID系數(shù)高，空調(diào)對室內(nèi)溫度波動的反應(yīng)特性曲線陡，達(dá)到設(shè)定溫度的過渡過程較短;相反PID系數(shù)低，達(dá)到設(shè)定溫度的過渡過程較長。但并不是PID系數(shù)越高越好，否則易引起DDC控制系統(tǒng)失穩(wěn)，表現(xiàn)為室內(nèi)溫度的振蕩和水側(cè)的電動調(diào)節(jié)閥周期性的來回運(yùn)動無法在固定開度上運(yùn)行。
PID的影響對于影劇院等大熱慣性空調(diào)場合，靠高的PID系數(shù)來提高空調(diào)機(jī)組對負(fù)荷變化的響應(yīng)速度是不足以解決問題的。這時可以采用雙級控制，即分別在空調(diào)的送風(fēng)道和室內(nèi)安裝溫度傳感器，室內(nèi)的溫度設(shè)定由主DDC控制器完成，水閥的驅(qū)動由副DDC根據(jù)風(fēng)道溫度傳感器和主DDC的指令完成，由于風(fēng)道溫度變化速度快于房間溫度的變化，這一控制方式加速了系統(tǒng)對溫度波動的響應(yīng)。
必須注意的是，為防止水閥被人為關(guān)死或水系統(tǒng)供水不足等異常情況對控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響，副DDC通常只需采用比例控制算法(P)，不可加入積分分量(I)。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，BA系統(tǒng)對空調(diào)的節(jié)能控制有多種手段可以采用，例如室內(nèi)外焓值比較法、二氧化碳等污染物濃度檢測法確定新風(fēng)量，基于日程表的定時操作等。工程設(shè)計(jì)中可以視需要靈活運(yùn)用，以達(dá)到最優(yōu)的效果。例如辦公、商場等場合，夏秋季在清晨時通過程序啟動空氣處理機(jī)(或新風(fēng)機(jī))，利用室外涼爽空氣對室內(nèi)全面換氣預(yù)冷，既節(jié)約新風(fēng)能耗又提高了室內(nèi)空氣質(zhì)量。
3.2.2控制權(quán)的優(yōu)化
通常BA遵從的是中央控制站集中管理的原則，有時也有其不便的一面。在某些場合(如會議室)將空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)的參數(shù)的設(shè)定功能放置在現(xiàn)場可能更符合使用者的需要。DDC本身并不提供這樣的功能，需要專門部件來實(shí)現(xiàn)。
例如HoneywellT7780A數(shù)字顯示墻掛式Lon分站，可以在液晶面板上顯示房間的溫度，通過4個按鈕完成設(shè)定房間溫度，風(fēng)機(jī)速度、啟動/停止風(fēng)機(jī)等功能，并能通過LonTalk總線驅(qū)動空調(diào)箱的DDC控制器執(zhí)行相應(yīng)的動作。這類功能接近VRV控制面板的設(shè)定器給房間的使用者帶來極大的便利和舒適性，必要時應(yīng)積極采用。
3.2.3直接數(shù)字控制器(DDC)的優(yōu)化
主流BA系統(tǒng)供貨商都能提供大、中、小不同處理能力的DDC，冷凍機(jī)房、熱力站監(jiān)控點(diǎn)是密集場合應(yīng)優(yōu)先采用大型控制器，以減少故障率和控制器間的通訊。這種控制器的典型特征是有強(qiáng)大的處理器(如摩托羅拉的68302)和1MB以上的RAM，尤其是能夠和I/O擴(kuò)展模塊連接達(dá)到輸入輸出功能的擴(kuò)展。
列如SIEMENSMBC可以掛接40個I/O模塊，TrendIQ251控制器允許有8x16點(diǎn)的接口擴(kuò)展能力。對空氣處理機(jī)、新風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)一般采用中型或小型的控制器即可。近年來，可編程邏輯控制器件(PLC)進(jìn)步很快，其應(yīng)用不再局限于工業(yè)場合，在空調(diào)通風(fēng)的現(xiàn)場設(shè)備控制工程中不應(yīng)將其排斥在外。
3.2.4關(guān)于BACnet和LonWorks的支持
BACnet和LonWorks的提出是為了在不同層面解決控制系統(tǒng)的互聯(lián)互操作問題。LonWorks采用現(xiàn)場總線控制技術(shù)(FCS)，突破了以往的集散型控制技術(shù)(DCS)，它的提出是BA技術(shù)的一次飛躍，是今后BAS發(fā)展的技術(shù)趨勢。但目前受到各種條件限制LonWorks技術(shù)優(yōu)勢還不能完全發(fā)揮出來，工程實(shí)現(xiàn)并不完善。若自控系統(tǒng)規(guī)模不是很龐大，最好不用全面采用LonWorks技術(shù)。如果仔細(xì)分析目前主流的BA產(chǎn)品，會發(fā)現(xiàn)其實(shí)它們在不同程度上部分采用或部分支持現(xiàn)場總線技術(shù)，這種取長補(bǔ)短的混合模式在當(dāng)前是切合工程實(shí)際的，可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)的平穩(wěn)過渡。
BACnet由美國ASHRAE制定并頒布，是現(xiàn)行美國國家標(biāo)準(zhǔn)及歐共體預(yù)備標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用BACnet協(xié)議，可以使空調(diào)冷熱源主機(jī)自帶的控制器直接進(jìn)入BAS控制網(wǎng)絡(luò)。但實(shí)施中應(yīng)注意空調(diào)主機(jī)和BA供貨商對BACnet的支持程度和技術(shù)協(xié)調(diào)，目前非標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通訊格式仍大量存在于主機(jī)設(shè)備中。總之，在設(shè)計(jì)BA系統(tǒng)的過程中切不可一味追求技術(shù)的先進(jìn)性。
3.2.5控制網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化
在滿足擴(kuò)展性和靈活性的前提下，控制網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡化、清晰，無論基于RS485總線或基于LonTalk總線的控制網(wǎng)絡(luò)都是如此。分支、分級多的網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜、可靠性低。LonTalk總線在理論上可以組成任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，這種布線設(shè)計(jì)的隨意性如果運(yùn)用不當(dāng)，在工程實(shí)踐中仍然是有技術(shù)風(fēng)險的，并可能增加系統(tǒng)的投資。小型工程盡可能運(yùn)用基于RS485總線的控制網(wǎng)絡(luò)，采用“手拉手”的布線方式，大型工程可以考慮樓層網(wǎng)絡(luò)分級。
3.2.6BAS監(jiān)控中心
BAS監(jiān)控中心監(jiān)控整個空調(diào)、通風(fēng)、動力系統(tǒng)，一般與消防控制、安保監(jiān)控等合用一室。由于該機(jī)房通常遠(yuǎn)離冷凍機(jī)房、鍋爐房，在這里遠(yuǎn)程操作這些關(guān)鍵設(shè)備是不合適的。推薦的做法是在凍機(jī)房和鍋爐房現(xiàn)場控制室另設(shè)置一臺監(jiān)控分站，由該分站負(fù)責(zé)冷凍機(jī)、鍋爐監(jiān)控功能，并且該分站功能受權(quán)局限為冷熱源設(shè)備。
4.結(jié)束語
智能建筑節(jié)能是一門新興科學(xué)，與原有專業(yè)分工不同，它包含建筑、施工、采暖、通風(fēng)、空調(diào)、電器、家電，建材、熱工、能源、環(huán)境、檢測、計(jì)算機(jī)軟件等許多專業(yè)內(nèi)容，是許多專業(yè)學(xué)科邊緣交叉并結(jié)合形成的。對智能建筑的分析和評價應(yīng)堅(jiān)持節(jié)能的原則，確立智能建筑能量管理與控制系統(tǒng)優(yōu)化的基本出發(fā)點(diǎn)、優(yōu)化原則及技術(shù)措施對于智能建筑節(jié)能實(shí)現(xiàn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
BAS系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能建筑節(jié)能的有效途徑之一。智能建筑BAS控制方案的優(yōu)化是整個智能建筑節(jié)能優(yōu)化方案實(shí)施的具體體現(xiàn)，它包含了建筑物內(nèi)部主要耗能單元的節(jié)能優(yōu)化。通過對BA控制系統(tǒng)(主要是暖通空調(diào)系統(tǒng))的傳感器、執(zhí)行器、控制器、網(wǎng)絡(luò)等若干環(huán)節(jié)的探討，力圖使BA系統(tǒng)更好地服務(wù)于受控的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，最大限度地節(jié)約能源。
