5.3 楼宇建筑节能控制设计
楼宇建筑的节能控制，除建筑结构需要采取节能设计外，BAS系统的机电设备和公共照明系统的节能措施也是节能降耗的关键。应从选用高效、节能的用电设备和节能设计方案着手，通过管理层面的智能自动控制系统，对楼宇机电设备的实际能源消耗进行有效检测和监控。按照实际需求实施最经济的运行方式。
5.3.1 空调、新风、冷热源系统的节能措施
1.舒适性空调的效果指标
系统应满足GB/T 50019—2003《采暖通风与空气调节设计规范》国家标准要求。表5-6是冬季和夏季室内舒适性空调的效果指标。
表5-6 冬季和夏季室内舒适性空调的效果指标
2.空调系统节能设计
空调系统是建筑中的能耗大户。在保证建筑物内舒适环境的前提下，空调系统节能设计是实现建筑物最大限度降低能耗的重要手段。
（1）空调系统实施最佳的启/停控制。根据楼宇空间的使用时间、使用功能、气候变化等状况，对空调系统实施最佳启/停控制。利用建筑物的热惰性，可以维持空气参数的缓慢变化，比如下班前提前关闭空调系统，从而节省能耗。
在起动暖通空调系统工作时，在最短的时间内达到所需要的舒适度。最佳停止控制是最佳起动的逆过程，在工作区域停止使用空调前的合适时刻停止空调设备运转，仍能达到最低的舒适度要求，其目标是使空调设备的运行时间最短、能耗最低。
（2）采用全新的新风运行模式。图5-14是采用全新的新风判定技术的室外新风控制计算图。
根据能量守恒和湿量守恒原理：
图5-14 室外新风控制计算图
t—空气温度（℃） h—空气比焓量（热容量）（kJ/kg） G—空气流量（kg/s） Φ—RH相对湿度（%） d—含湿量（g/kg·da）
室内混合空气流量G=室外空气流量G1+室内空气流量G2 （5-1）
室内空气含湿量Gd=室外空气含湿量G1d1+室内空气含湿量G2d2 （5-2）
室内空气比焓量Gh=室外空气比焓量G1h1+室内空气比焓量G2h2 （5-3）
将式（5-1）代入式（5-2）和式（5-3），可得
式（5-4）和式（5-5）代表通风过程中混合状态变化的直线方程，如图5-15中AC段所示。设A点为室内状态点，C点为室外状态点，B点为混合后的室内状态点。显然，B点会因通风量的大小在AC上移动，通风量增加则趋近于C点。
按照大区间公共场所温湿度的上、下限（t=20～24℃；相对湿度Φ=45%～60%RH），在图5-16所示的焓湿图上构成一个区域。将检测到的室内外温湿度参数，在焓湿图上找到相应两状态点，然后用一条直线把两状态点连接起来。当直线经过温湿度给定地区时，则可以通风。此时，室内空气状态将沿直线向室外状态点移动，移动距离则取决于通风量的大小。当直线不经过温湿度给定区域时，则不能通风。
图5-16中A点为室内状态点，C、C′点为两个室外状态点，AC是可以执行的通风过程，AC′为不能执行的通风过程。当室外新风满足通风条件时，采用全新风方式对室内进行通风。此时，空调系统不再消耗人工冷源，完全利用自然冷源即可完成空气处理过程，能耗点仅集中在风机运行功率上面。
图5-15 空气焓湿图
图5-16 公共场所温湿度上、下限的焓湿图
（3）室内温度浮动控制策略。当夏季室外温度为36℃时，维持室内恒定的温湿度（如夏季23℃、50%RH）不变，往往会导致室内外出现较大的温差（温差为13℃）。人长时间停留在不变的低温环境和遇到室内外温差的较大突变时，往往会引起皮肤汗腺收缩、血流不畅、神经功能紊乱等“空调病”，同时空调系统的运行能耗也会大大提高。若采用室外新风温度补偿调节策略，可以使室内温度随着室外空气温度的变化而改变，适当提高夏季室内空气温度和降低冬季的室内空气温度，为室内提供健康、舒适的动态热环境，同时为空调制冷系统带来显著的节能效果。由此可见，采用室外新风温度补偿调节方案可获得较好的节能效果。
1）最小新风量控制。为符合国家健康卫生标准，减少空气中二氧化碳的浓度，空调系统需要引入室外新鲜空气（新风）。新风量一般定在送风量的20%～30%。通过检测室内二氧化碳的浓度并与健康卫生标准对比，动态确定新风量输入。
2）提前预冷和关闭新风。对于办公楼类建筑，为使工作人员到达室内时温度较为舒适，要提前开启空调阀，同时关闭所有新风阀，减少空调能量消耗。
3）用清凉空气吹洗整个建筑物。在夏季，可利用凌晨清新的凉空气，开大新风阀，关闭冷冻水阀门，用清凉空气吹洗整个建筑物，冷却建筑结构白天所吸收的热量，减少冷冻机的冷负荷量。
4）焓差控制。根据室内的空气质量与焓值来控制送排风量。在夏季，由于在黎明前室外空气比室内空气温度低，空气品质也较好，系统自动引入较为凉爽的室外新风，最大限度地利用自然能量和清洁的大气来置换建筑物内污浊的空气。
注意：焓H（Heat capacity）物质的热容量，单位为千焦耳/千克（kJ/kg）。
（4）动态控制冷冻站设备台数。建筑物的机电设备中制冷、换热系统的耗能最大，对其运行的监控管理直接影响到每日消耗的电量。利用实测所需冷（热）负荷，控制冷机运行台数，动态决定投运的冷机台数，避免低负荷运行，根据开启的冷水机组台数，可合理控制外围设备开启的台数（冷冻泵、冷却泵、冷却塔等）。这样既可以起到节能的效果又可以对制冷机系统起到合理的保护作用，延长系统使用寿命。
在冷冻水供水管道上设置流量计，测量冷冻水供水的流量，并与测出的冷冻水供、回水的温差值一起进行计算，以此获得末端的总负荷（Q值）。
Q=C×M×（T1-T2） （5-6）
式中，T1：回水总管温度；T2：供水总管温度；M：水流量；C：系数。
当负荷（Q值）大于第一台机组设计冷量的20%（可根据实际情况修改）时，起动第二台机组运行。
（5）冷热源设备分组控制。通常，冷水机组、水泵、冷却塔是并联方式运行的，每台冷水机组的冷却水进水支管加装电动蝶阀，用于冷水机组停止运行时切断冷却水水路；每台冷却塔的进水支管加装电动蝶阀，用于冷却塔停止运行时切断水路；此外，每台冷水机组的冷冻水回水支管加装电动蝶阀，用于冷水机组停止运行时切断冷冻水水路。因此，用阀门配合每台机组的启/停，可节省能源消耗。
当冷却塔台数较多时，可采用分组控制。通过监控冷却水供回水温度、冷却塔开机台数以及冷机能效比特性，制定最优冷却塔运行策略，在大幅降低冷却塔本身风机耗电的同时，减少冷却塔电动机的启/停磨损，降低维护成本。
（6）优化空调系统与冷冻站联机节能控制。空调制冷设备的容量配置一般均按最大负荷需求选择，然而全年处于最大负荷状态下的时间却很少。当空调负荷变小时，冷水机组应随之进行调节，才能避免产生大马拉小车的问题。为此将空调机组与冷冻站结合起来，采用联机运行节能方案，为冷冻站提供冷量调节和空调机组的舒适度调节开创了综合节能控制方案。
（7）软件策略与节能效果对比。根据空调末端设备的负荷需求情况改变冷冻水的供水温度，提供对所有空调末端表冷阀的开度情况进行综合分析的控制策略。比如所有空调末端表冷阀中最大开度才70%，表明此时冷冻供水温度太低，应提高冷冻供水温度。具体软件流程图如图5-17所示。
图5-17 控制软件流程图和节能效果对比
从节能效果对比图中可以看出，在同样制冷量的需求条件下，采用8℃的冷冻供水温度比采用7℃时可以提高节能效果8%左右，而且表冷阀开度均有所增大，空调换热盘管换热效率更高。
（8）空调系统全年多工况节能控制。全年多工况温湿节能控制策略是根据全年某一时刻室内的热湿负荷特性和当地室外气象条件，自动将全年分成若干个工况区域，每个工况区域内制订出一个最合理、最节能的温湿度控制模型，找准各区温湿度控制回路的执行机构，保证全年各时刻的温湿度环境都能满足要求，达到空调系统的最佳节能运行方案。
为满足室内全年的温湿度环境要求，空调系统配备了很多热湿处理手段，常见的有表冷阀（降温除湿）、加热阀（升温）、加湿阀、新风/排风阀、风机变频、喷淋室等，如图5-18所示。
这些热湿处理手段应根据全年室外空气负荷变化以及室内热负荷的波动合理配合使用，才能既满足室内热环境要求，又能达到空调节能效果。
5.3.2 通风系统节能设计
排风中所含的能量十分可观，合理回收利用空调排风能量可以取得良好的节能效益和环境效益。当房间内人员密度变化较大时，如果一直按照设计的较大人员密度供应新风，将浪费较多的冷、热能源。我国已有采用新风需求控制的建筑，如上海浦东国际机场候机大厅。
图5-18 空调系统配备的热湿处理手段
如果只变新风量、不变排风量，有可能造成室内部分时间负压，反而增加能耗，因此排风量也应适应新风量的变化，以保持房间的正压。
新风量大于或等于4000m3/h的空气调节系统，且新风与排风的温度差大于或等于8℃时；应设有独立新风和排风的系统。
根据不同区域的通风要求，按照时间程序自动控制送/排风机，或者根据CO2的浓度高低控制地下车库的通风；根据温湿度的高低控制地下车库和变电站的通风；根据室内空气质量的好坏控制公共场所及会议室的通风；根据室内外的温度比较确定是否通风。这些措施通过现场DDC控制器分析判定后，实现最佳启/停和最佳节能控制。
设计时除考虑新风与排风的温度差外，过渡季使用空调的时间占全年空调总时间的比例也是影响排风热回收装置的重要因素。过渡季时间越长，相对来说全年回收的冷、热量越小。
在人员密度相对较大且变化较大的房间，宜采用新风需求控制。即根据室内CO2浓度的检测值来决定增加或减少新风量，使CO2的浓度始终维持在卫生标准规定的限值内。
5.3.3 给水排水系统节能设计
对建筑物内的给水排水设备，包括水泵、水阀、水池、水箱等进行联网集中监控，实现最佳启/停和变频节能控制，同时可以按照峰谷电价时间段，进行水泵时间程序启/停。最大限度地节约电力消耗。
5.3.4 照明用电节能设计
公共照明系统有室外景观照明，建筑泛光照明和室内照明等。照明系统采用专门的照明配电回路进行供电。室内公共照明和室内照明主要是以荧光灯、节能灯为主的照明负载，而泛光照明和景观照明则是以金卤灯和高压钠灯为主的照明负载，均采用绿色高效率的光源。可通过楼宇自控系统对其进行管理，将节能运行策略贯彻到照明控制系统中。
从表5-1给出的用电消耗构成表中可以看出，照明节能是节能措施中的重要内容之一。采用楼宇自控系统对照明控制系统进行控制和节能管理，可以根据各照明区域的特点来编写照明管理程序，通过时间、日光照度、人体感应控制等手段，根据实际应用要求，灵活设定各种应用模式和程序。对于一些特殊区域，如地下停车场，可以根据车辆进出的流量模式自动调节照明区域的照度，实现能耗的降低。
为节约电能源，根据气候和日照情况，编制照明日程时间表，采用不同的照明控制模式，将灯光照明亮度分为两个不同的等级，可组成三个不同的照度供不同时间段使用，最大限度地节约电力。
5.3.5 供配电系统节能设计
采用专门的变配电监管系统对变电设备、供电设备、配电设备、电力负荷等实现远距离测量、集中监视与用电负荷的优化控制操作。在PMCS系统和楼宇自控系统的中央管理站可以随时发现与处理事故，减少停电时间，各种遥测数据、分合闸操作、开关检修及系统事故均可存盘保存，并可以打印记录，从而减轻值班人员的劳动强度。通过遥测和遥控可以通过节能管理软件合理调配负荷，实现优化运行，有效节约电能，并有高峰与低谷用电记录，从而为能源管理提供了必要条件。
在建筑物进入夜间运转时，为了保证维持最基本的要求而对各个能源单元进行管理。能源管理在保证建筑物最低照度和通风率的同时，仍要确保安防、消防等系统正常运行。例如，为降低变压器组夜间无谓的空载损耗，将负荷集中切换到一台变压器上。