摘要 从暖通空调设备运行能耗的基本关系分析得出节能控制的关键点：减少负荷需求，提高运行效率和减少运行时间。暖通空调设备的控制方式主要有就地手动、远程手动和自动控制等，从便于运行管理和节能优化的角度，推荐大型公共建筑采用直接数字控制系统。介绍了 GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》对锅炉房、换热机房、冷热源机房和全空气空调系统等节能控制的设计要求，以及对于节能监测和计量的相关要求。
关键词 节能控制 控制要求 能耗监测 公共建筑 标准
为了实现暖通空调系统的正常运行，对设备均应配置一定的控制手段。设备运行控制的效果，不仅影响暖通空调系统的效果(如室内温度状况)，而且直接影响系统的运行能耗。因此，对于暖通空调系统能耗占比较大的公共建筑，更应重视节能控制问 题。GB50189—2015《公共建筑节能 设计标准》[1](以下简称2015年版《标准》)从节能控制的基本要求、控制实现方式及能耗监测计量需求出发，对暖通空调系统的监测、控制与计量设计要求进行了规定。
1)适应用户的需求变化，减小设备的运行负荷
建筑围护结构热工性能的提高是减小建筑冷热负荷的一项重要手段。暖通系统中，末端设备在无人状态下关闭就可以减小冷负荷、减小水流量和水管阻力、减小风量和风管阻力，相应地减少制冷机、水泵和风机的运行能耗。
2)提高设备的运行效率
影响设备运行效率的相关因素较多，设备型式和制造工艺是关键性的内因，而运行参数的变化则是重要的外因。例如，制冷机的运行效率还与冷水和冷却水的温度有直接关系，水泵的运行效率与运行工况点即管网阻力特性有直接关系。因此，控制时优化系统的运行参数和运行工况对运行节能有很大影响。
3)减少设备的运行时间
例如，有使用需要时开启相应的暖通空调设备，人员离开后及时关闭。对于空调末端设备设置有人启停控制或随室温自动调控装置，可以实现这一要求。
公共建筑中，暖通空调系统的节能设计措施主要包括：空调系统按用户需求划分，末端设备可单独启停;提高锅炉、制冷机/热泵的性能系 数，改 善输配系统的水力特性，确保水泵(风机)高效运行;房间设置室温调控装置或者末端设备能根据使用时间或者有人与否进行启停控制，等等。
2 控制实现方式
为实现以上控制要求，需要配置必要的硬件设备和采取相应的控制措施。因为系统设计时，设备规格型号的选择需要满足设计负荷(即最大负荷)的要求，而实际运行中负荷需求是变化的。根据统计，暖通空调系统达到设计负荷的运行时间占比不到5%，而在 负 荷 率60%以下的运行时间占 50%以上[2-3]。因此，采用能够随着负荷变化调节设备输出的措施是节能控制的前提。例如风机、水泵等的电动机配置变频器，水管路设置连续调节的电动阀，末端设备设置通断控制阀等。而变频器和自动控制阀等执行器的设计选型要点可参见《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范技术指南》[4]，不再赘述。
设备控制方式可分为：
1)就地手动控制，如在现场直接扳动阀门执行器，或者在风机、水泵的电气控制箱(柜)上按动启停按钮。
2)远程手动控制，如在控制中心的操作屏幕上进行阀门开关或开度的调整以及风机、水泵的开关或频率的调整。
3)自动启停控制，包括按照设定的使用时间表进行开关机，例如下班时段自动关机;还包括按照设定的逻辑关系与相关设备按一定顺序执行启停动作，如制冷机启动时，需要先打开相关水阀、冷水泵、冷却塔和冷却水泵
4)自动调节控制，如根据设定的算法计算出阀门开度或电动机频率等信号输送到被控设备进行动作，以保证被控环境参数达到设定值，例如空调机组的水阀控制和水系统的冷水泵控制等。该方式对自控元件的硬件配置和软件编程均有较高的技术要求，是节能控制的关键部分。
从运行管理和节能优化角度，要求对大型设备建立档案，记录系统的运行状况。只有采用远程监测、调节优化和集中管理的自控方式时，才可以将所有信息输出和存储，进行统计、分析和诊断，有利于持续地运行改进和节能优化。该方式通常采用基于计算机芯片的建筑设备监控系统来实现，即采用传感器、执行器、控制器、人机界面、数据库、通讯网络、管线等将被控对象连接起来，并配有定制编程的软件进行监视、控制和管理。初投资比前3种方式高，但实现的功能更多。可以大大减少运行操作人员的工作量，提高运行质量，方便维护管理。
2015年版《标 准》第4.5.1条规 定：对 于 建 筑面积大于20000m2 的公共建筑，使用全空气调节系统时，为操作管理方便和运行节能，推荐采用直接数字控制(DDC)系统，即 现 场 的 检 测 仪 表 可 输出数字信号、被控设备的执行机构也能接收数字信号，现场设备通过信号线缆与编制了自控算法(可接收和输出数字信号)的计算机连接，可接收远程手动、自动启停和自动调节控制的指令。采用这种方式后，可 以 根 据 使 用 需 要 编 制 软 件 进 行 数 据 统计、分析与诊断等，有利于运行参数优化和系统节能。控制的内容包括参数检测、参数与设备状态显示、自动调节与控制、工况自动转换、能量计量以及中央监控与管理等，设计时采用哪些检测与监控内容和方式，应根据系统节能目标、建筑物功能、系统类型、运行时间和工艺对管理的要求等因素，经技术经济比较确定。
3 暖通空调系统的节能控制设计要求
2015年版《标准》第4.5.5，4.5.7条分别对锅炉房和换热机房、冷热源机房提出节能控制的设计要求，基本包含下面几个层次：
1)相关设备的联锁和顺序启停，对大型设备(锅炉、制冷机)进行必须的安全保护，以避免不必要的或者人员忘记导致的附属设备长时间运行。
2)冷/热水供水温度和流量的调节，即质调节和量调节。从节能角度，量调节更为直接和有效，而质调节会影响冷热源设备的运行效率，同时对流量的需求和末端设备的运行性能也会产生影响，需要在保证受控环境参数满足要求的条件下，将系统整体运行能耗作为节能目标进行综合分析。通常情况下，系统的量调节可以实时控制，而质调节不宜实时改变，应以量调节为主、辅以分阶段的质调节，既有利于运行节能，又可保证设备稳定，简单易行。
3)水泵(风 机)的 台 数 和 转 速 控 制，需 要 与 输配管网的水 力 特 性 相 配 合，达到水泵运行效率最高，即运行在最节能的工况点。
4)制冷机/热 泵(锅 炉)的 出 力 应 根 据 实 际 负荷需求调节，通常由制冷机/热泵自带的控制单元实现，即在保证设定的供水温度下，根据冷负荷调节制冷机出力。因此，在制冷站群控时，要求制冷机的控制单元能与自控系统通讯，以便系统给定启动台数和设定出水温度等参数。
对于冷水机组的台数控制，推荐采用冷量优化控制。冷水机组是暖通空调系统中能耗最大的单体设备，其台数控制的基本原则是保证系统冷负荷要求，节能目标是使设备尽可能运行在高效区域。冷水机组的最高效率点通常位于该机组的某一部分负荷区域，因此采用冷量控制方式有利于运行节能。但是，由于监测冷量的元器件和设备价格较高，因此在有条件时(如采用了 DDC 控制系统时)可采用此方式。对于一级泵系统制冷机定流量运行时，冷量控制可以简化为对供回水温差的控制;当供水温度不调节时，也可简化为对总回水温度的控制，工程中需要注意简化方法的使用条件。
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对于循环水泵的台数控制，推荐采用台数优化控制。水泵运行应保证系统水流量和供水压力/供回水压差的要求，节能目标是使设备尽可能运行在高效区域，而水泵的最高效率点通常位于某一部分流量区域，因此采用流量控制方式有利于运行节能。对于一级泵系统(制冷机定流量运行)和二级泵系统，一级泵台数与制冷机台数相同，根据联锁控制即可实现;对于一级泵系统制冷机变流量运行时的一级泵台数控制和二级泵系统中的二级泵台数控制，推荐采用流量控制。由于价格较高且对安装位置有一定要求，选择流量和冷量的监测仪表时应统一考虑。
对于设置了变频器的并联水泵，应该多台水泵同频率调节。水泵的台数和频率的控制调节，应根据水路的阻力特性按照运行效率最优(即节能)原则确定。例如3台并联水泵，设计工况选为水泵的高效工 作 点，即 设 计 总 流 量 为 300%，若 仅 需 要180%流量，为 设 计 总 流 量 的60%，此时 如 果 管 路阻力特性不变，需要的扬程约为设计值的36%，此时仍开3台泵，每台转速(流量)为设计值的60%，则水泵工作点仍为该转速下的效率最高点;而如果管路阻抗加大(由于水阀调节等原因)，需要的扬程仍保持或接近设计扬程，则开2台泵，每台转速(流量)为设计值的90%，工作点可能比开3台泵更接近效率最高点。因此，推荐根据系统所需流量和扬程(结合压差测量)确定水泵工作点，与水泵曲线的高效区进行比较，控制其运行台数，使水泵工作在高效区域，达到节能的效果。
对于二级泵系统，水泵变速控制才能达到节能要求。实际工程中，有压力/压差控制和温 差 控 制等不同方式，温差的测量时间滞后较长，压差方式的控制效果相对稳定。而压差测点的选择通常有2种：一是取水泵出口主供、回水管道的压力信号，由于信号点的距离近，易于实施;二是取二级泵环路中最不利末端回路支管上的压差信号。由于运行调节中最不利末端会发生变化，因此需要在有代表性的分支管道上各设置一个，其中有一个压差信号未能达到设定要求时，提高二级泵的转速，直到满足为止;反之，如所有的压差信号都超过设定值，则降低转速。显然，第2种方法所得到的供回水压差更接近空调末端设备的使用要求，因此在保证使用效果的前提下，运行节能效果较第1种更好，但信号传输距离远，要有可靠的技术保证。但若压差传感器设置在水泵出口并采用可以根据末端运行情况调节压差设定值的方法，则可兼具2种方法的优点。因此，推荐优先采用压差设定值优化调节方式，以发挥变速水泵的节能优势。
2015年版《标准》第4.5.8条对全空气空调系统提出节能控制的设计要求，包括以下几方面：
1)风阀、水阀等与风机的启停联锁，风机启停时间的定时控制或优化调整，全新风系统的送风末端在使用者离开后延时关闭，这些措施既可以减少末端设备的运行时间，又减小输配和冷热源系统的负荷需求，有利于进一步节能。
需要说明的是，风机运行时间优化包括提前启动(预冷/热)或者夜间通风(蓄冷/热)等，风机能耗没有减少，但是有利于减小冷热负荷，应在综合考虑风机和冷热源及输配系统的能耗前提下，找到运行节能的最佳工况。
2)空调区域的温度设定值在夏季调高、冬季调低，可以减小系统的负荷，减少设备的运行时间，有利于运行节能。另外有研究结果表明，室内外温差过大容易使人产生空调症等。因此建议有条件时，根据室外气象参数调节室内温度的设定值。
3)全空气 系 统 过 渡 季 节 利 用 新 风 免 费 供 冷，可以减少系统的冷热负荷，减少冷热源和水泵等设备的运行时间。在空调机组处调节新、回风阀的开度可以有效调节新风比，无论风机是否变频都可有效利用新风的冷量，是较简单而有效的节能措施。
为尽量减少设备的运行时间，2015年版《标准》第4.5.9～4.5.12条分别对风机盘管、排除余热的通风系统、地下车库排风系统和间歇运行的空调系统提出节能控制的设计要求，即末端设备按需使用、尽量减少运行时间，从而减少耗电量，同时输配系统和冷热源也减少了负荷，更有利于系统节能。
4 暖通空调系统中的能耗监测与计量
为了实现控制功能，必须对暖通空调系统的运行状况和环境参数等进行监测。另一方面，从建筑节能工作的需要出发，为了加强建筑用能的量化管理，也必须对能耗参数进行监测与计量。2015年版《标准》第4.5.8条为强制性条文，在锅炉房、换热机房和制冷机房等能耗集中处应设置能耗计量，计量内容包括：1)燃料的消耗量;2)制冷机的耗电量;3)集中供热系统的供热量;4)补水量。采用区域性冷热源时，在每栋建筑的冷热源入口处应设置冷(热)量计量装置;采用集中供暖空调系统时，不同使用单位或区域宜分别设置冷量和热量计量装置。
在设计中，暖通空调专业应在水管布置上考虑安装冷热量表的位置和空间，同时需要向相关专业提出设置电表、水表、燃气(油、煤)计量装置的要求。应能计量机房的总用能和总输出能量，仪表布置在总管还是分支管路上需根据具体设计确定。冷热量的测量通常采用供回水流量与温差相乘方式得到，冷热量表中的一对温度传感器应经过标定，而且含积分计算器件，可直接输出冷热量结果，测量误差可根据产品说明书确定。通常冷热量表需要安装在直管段的水流稳定区域，且前后与局部阻力部件有一定距离。冷热量表的测量结果可以输出，除冷热量数据外，也可以得到流量和温差的数据。
需要注意的是，用于结算的计量器具，其检定、制造、修理、销售和使用都应遵守《中华人民共和国计量法》的规定，且计量检定证书应在检定的有效期内。
此外，为了核算被测设备的运行性能，进行经济性和故障诊断分析，同时也分析建筑能耗构成，寻找节能途径，需要进行必要的能耗监测。我国目前只有分项能耗监测(电计量)的要求，而对于大型设备的能耗监测尚无明确的规定，香港地区的相关规定可供参考：对于单位用能功率不小于100kW 的冷热源设备，应监测其消耗的电或油/气/热量和提供的冷热量;对于单台用电功率不小于30kW 的冷水泵和冷却水循环泵，应监测其耗电量和水流量。同样也可以核算耗电输冷(热)比是否达到设计要求。
5 结论
5.1 从能源消耗的角度分析，节能设计的关键措施为：减小建筑围护结构冷热负荷，系统划分与使用相匹配，选用高效节能的设备。
5.2 从运行节能出发，自控节能设计的关键措施为：减少运行时间，优化运行参数以降低负荷需求和提高设备运行效率。
5.3 从节能控制和能耗监测角度来看，建筑设备监控系统是一项必备的措施，但是对其分析诊断等功能要提出更高的要求。——论文作者：赵晓宇
参考文献：
[1] 中国建筑 科 学 研 究 院.GB50189—2015 公共 建 筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2015
[2] 洪丽娟，刘传 聚.空调冷负荷时间频数及其应用[J].制冷与空调，2004，4(6)：63-65
[3] 马进，张腊春，黄朝阳.星级宾馆空调冷负荷测试及其分析[J].建筑热能通风空调，1999，18(3)：22-24
[4] 徐伟.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范技术指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2012
