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摘要:本文针对高层建筑暖通空调能耗过高的现实状况,重点探讨了高层建筑暖通空调的控制系统及其节能技术的应用。首先简要分析了我国高层建筑暖通空调能耗控制的现状,在此基础上重点探讨了基于PID参数整定的控制系统原理,并给出了具体的高层建筑暖通空调节能技术的应用措施与策略。
关键词:高层建筑；暖通空调；设计；探讨
中图分类号: TU972文献标识码：A文章编号：
高层建筑暖通空调能耗过高已经是不争的事实,如何对高层建筑暖通空调的高能耗实施遏制和管理,除了需要改进空调的运行模式之外,还需要设计切实有效且稳定可靠的控制系统,对暖通空调实施节能控制,才能够有效的降低高层建筑暖通空调的能耗,切实响应国家节能减排的号召,更多的暖通空调能耗控制技术有待于广大技术人员在实际开发中的共同努力,才能够最终实现国家节能减排的伟大目标。
1 高层建筑暖通空调能耗现状分析
1.1 高层建筑暖通空调能耗特点
纵观近几年国内高层建筑暖通空调的运行数据和能耗数据,高层建筑暖通空调的能耗呈现出以下几个特点。
1.1.1 能耗过高。随着中央空调的普及,很多高层建筑都安装了中央暖通空调,而中央暖通空调的巨大功率,使得高层建筑能耗特别高。据统计,在高层建筑的各项能耗中,暖通空调能耗已经占到了30%甚至更高,而暖通空调能耗通过合理设计控制系统及运行模式,其能耗至少可以下降8-10个百分点。由此可见,研究面向高层建筑的暖通空调控制系统具有显著的节能减排意义。
1.1.2 能耗季节性规律明显。随着季节的变换,高层建筑暖通空调在夏、冬两季明显能耗过高,这对于城市热岛效应的加剧有一定影响,因此,暖通空调控制系统应当结合季节变换的规律特点,有针对性的对暖通空调能耗进行控制和限制。
1.1.3 空调负荷运行平稳。一般高层建筑多是面向办公楼、写字楼等应用场合的,这一类场合,其暖通空调的开放时间固定在8点至19点,在这一段时间范围内,空调的运行负荷几乎是不会发生变化的,因此对于空调而言,其负荷是平稳的。
1.2 高层建筑暖通空调控制系统及技术应用现状
对于国内高层建筑暖通空调的控制系统技术的应用发展,大致经历了以下几个发展阶段:
1.2.1 PID控制阶段。PID调节控制是最早出现的,也是最传统的暖通空调控制技术之一,也是应用最为成功的控制技术。PID控制系统能够对空调的能耗进行跟踪反馈,适时调节系统的各项参数,能够获得较为稳定和可靠的控制效果,因此直到今天,PID控制系统仍然是暖通空调应用最为广泛的控制系统之一。
1.2.2 模糊控制阶段。随着中央暖通空调的出现,以及舒适性的需求,对于暖通空调的控制要求越来越高,希望控制的精度也越来越高,因此出现了模糊控制技术。模糊控制技术利用神经网络和数学模糊集的理念,将对暖通空调的状态控制进行状态集的定义,实施模糊逻辑控制,能够大幅减少能耗消耗,提高空调运行效率。
1.2.3 网络化控制阶段。随着计算机网络技术的飞速发展,很多高层建筑要求对暖通空调实施远程化控制、网络化控制,这就需要对暖通空调进行网络化控制系统的设计研究。尽管目前网络化控制暖通空调还处于起步研究阶段,但是其稳定可靠的控制性能、显著的节能效果使之得到了快速的研究和应用发展。
2 暖通空调系统的类型
暖通空调系统种类繁多，但是基本原理都是相通的。其常见的几种类型是：全空气系统、空气一水系统和全水系统。另外还有：分散式供冷或供暖、热泵系统、热回收系统和蓄冷。全空气系统：在这类系统中，空调空间的所有要求（如加热、加湿、冷却及除湿等）都靠送风来满足。空气- 水系统：这类系统通常是用冷水带走空调空间的大多数显热负荷，而用空气提供通风以保证空气质量并带走由于空间的潜热负荷造成的湿气，当然空气也提供一些额外的显热冷却。全水系統：这类系统指那些具有风机一盘管、组合通风装置或重力循环式室内末端的系统，未调节的流通空气通过墙上的通风口送入或渗入。其最大的优点在于能够适应许多建筑物空气调节要求，并且可灵活地应用在空调系统的改造中。
3 高层建筑暖通空调控制系统及其节能措施的应用
3.1 控制系统的设计研究
对于中央暖通空调的控制系统而言,传统的控制系统没有考虑到设备启动阶段的能耗以及运行阶段的能耗问题,因此近几年发展起来的暖通空调控制系统都是以变频器软启动暖通设备,以降低暖通空调的能耗。尽管软启动能够有效降低暖通空调的启动能耗,但是在运行阶段,暖通空调还是需要依靠控制系统的控制模式实现运行,因此有必要对控制系统加以研究。这里重点基于PID参数整定实现的控制系统。基于PID实现的节能控制系统的设计思想是,对于长时间处于轻载甚至空载的暖通设备,通过自寻优程序的在线搜索,来自适应地降低电动机的定子端电压,找出电动机在相应负载下的最佳节能工作点,使电动机能够尽量处于最优的节能工作状态。在保证异步电动机能够正常工作的前提下,电机降压过程中转速会略有变化。所以电机节能控制的假定前提是:异步电动机工作时对转速的要求不太严格,且处于轻载甚至空载的时间相对比较多,以电机电流作为PID整定参数,并实现闭环反馈控制,能够在很大程度上降低暖通空调设备的能耗。
3.2 高层建筑暖通空调的节能措施
现在一般的高层建筑普遍采用中央供暖空调,中央供暖空调最大的特点就是取暖效果较好,但是功率非常大,因此对于高层建筑而言,采取一定的节能技术措施还是十分有必要的。通常而言,主要从以下几个方面入手实施中央供暖空调的节能应用：
3.2.1 采用变频设备降低空调启动能耗与运行能耗。
由于中央供暖空调功率巨大,启动阶段电流很高,造成很高的能耗值,因此借助于变频设备降低中央供暖空调的启动频率,从而降低启动阶段的能耗,同时借助于变频设备能够改善空调运行期间的电流平稳度,大大降低中央空调的能耗。
3.2.2 改善空调机组运行模式。
过去的中央暖通空调控制模式很简单,单纯启停控制,这种运行模式十分费电,而且对于暖通空调本身而言,也降低了自身的工作效能,其实可以依靠变频设备分组运行暖通设备,保持正在工作的空调冷水机组满负荷运行。当蒸发器的出水温度在其设定值的允许偏差范围内上下波动时,群控控制柜不应启动另一台冷水机组。只有蒸发器的出水温度超出了设定值允许的偏差上限且其水流量超过了该机组允许最大流量时才可自动启动下一台机组。这样既能够提高设备的工作效能,同时也能够大幅降低建筑暖通设备的能耗。当然,暖通空调的节能还需要依靠广大业主的共同努力,例如夏季空调温度不宜设定太低,冬季温度不宜设定太高等等,只有广大业主自发共同努力,才能够实现中央暖通空调的真正节能目的。
4 结语
据2011年官方统计数字显示,我国能源对外依存度已经超过了60%,这无疑暴露出我国是一个能耗大国,国内的能源已经不足以满足社会生产的需求了,因此在这样的背景下,国家发改委提出了节能减排的口号,号召降低能耗排放。而在我国的各项能源消耗中,建筑暖通空调消耗一直是能源消耗的大头,据统计,截止2011年,我国高层建筑暖通空调能耗已经成为了建筑能耗的头牌。因此,必须要通过合理设计建筑暖通空调的控制系统实现对暖通空调能耗的控制。
参考文献：
[1] 周志强 .中国能源现状、发展趋势及对策[J].能源与环境,2008(6):9～10.
[2] 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2010[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[3] 高养田.空调变流量水系统设计技术发展 (之二)[J].暖 通 空 调 ,2009,39(10):92～ 101.
关键词:高层建筑；暖通空调；设计；探讨
中图分类号: TU972文献标识码：A文章编号：
高层建筑暖通空调能耗过高已经是不争的事实,如何对高层建筑暖通空调的高能耗实施遏制和管理,除了需要改进空调的运行模式之外,还需要设计切实有效且稳定可靠的控制系统,对暖通空调实施节能控制,才能够有效的降低高层建筑暖通空调的能耗,切实响应国家节能减排的号召,更多的暖通空调能耗控制技术有待于广大技术人员在实际开发中的共同努力,才能够最终实现国家节能减排的伟大目标。
1 高层建筑暖通空调能耗现状分析
1.1 高层建筑暖通空调能耗特点
纵观近几年国内高层建筑暖通空调的运行数据和能耗数据,高层建筑暖通空调的能耗呈现出以下几个特点。
1.1.1 能耗过高。随着中央空调的普及,很多高层建筑都安装了中央暖通空调,而中央暖通空调的巨大功率,使得高层建筑能耗特别高。据统计,在高层建筑的各项能耗中,暖通空调能耗已经占到了30%甚至更高,而暖通空调能耗通过合理设计控制系统及运行模式,其能耗至少可以下降8-10个百分点。由此可见,研究面向高层建筑的暖通空调控制系统具有显著的节能减排意义。
1.1.2 能耗季节性规律明显。随着季节的变换,高层建筑暖通空调在夏、冬两季明显能耗过高,这对于城市热岛效应的加剧有一定影响,因此,暖通空调控制系统应当结合季节变换的规律特点,有针对性的对暖通空调能耗进行控制和限制。
1.1.3 空调负荷运行平稳。一般高层建筑多是面向办公楼、写字楼等应用场合的,这一类场合,其暖通空调的开放时间固定在8点至19点,在这一段时间范围内,空调的运行负荷几乎是不会发生变化的,因此对于空调而言,其负荷是平稳的。
1.2 高层建筑暖通空调控制系统及技术应用现状
对于国内高层建筑暖通空调的控制系统技术的应用发展,大致经历了以下几个发展阶段:
1.2.1 PID控制阶段。PID调节控制是最早出现的,也是最传统的暖通空调控制技术之一,也是应用最为成功的控制技术。PID控制系统能够对空调的能耗进行跟踪反馈,适时调节系统的各项参数,能够获得较为稳定和可靠的控制效果,因此直到今天,PID控制系统仍然是暖通空调应用最为广泛的控制系统之一。
1.2.2 模糊控制阶段。随着中央暖通空调的出现,以及舒适性的需求,对于暖通空调的控制要求越来越高,希望控制的精度也越来越高,因此出现了模糊控制技术。模糊控制技术利用神经网络和数学模糊集的理念,将对暖通空调的状态控制进行状态集的定义,实施模糊逻辑控制,能够大幅减少能耗消耗,提高空调运行效率。
1.2.3 网络化控制阶段。随着计算机网络技术的飞速发展,很多高层建筑要求对暖通空调实施远程化控制、网络化控制,这就需要对暖通空调进行网络化控制系统的设计研究。尽管目前网络化控制暖通空调还处于起步研究阶段,但是其稳定可靠的控制性能、显著的节能效果使之得到了快速的研究和应用发展。
2 暖通空调系统的类型
暖通空调系统种类繁多，但是基本原理都是相通的。其常见的几种类型是：全空气系统、空气一水系统和全水系统。另外还有：分散式供冷或供暖、热泵系统、热回收系统和蓄冷。全空气系统：在这类系统中，空调空间的所有要求（如加热、加湿、冷却及除湿等）都靠送风来满足。空气- 水系统：这类系统通常是用冷水带走空调空间的大多数显热负荷，而用空气提供通风以保证空气质量并带走由于空间的潜热负荷造成的湿气，当然空气也提供一些额外的显热冷却。全水系統：这类系统指那些具有风机一盘管、组合通风装置或重力循环式室内末端的系统，未调节的流通空气通过墙上的通风口送入或渗入。其最大的优点在于能够适应许多建筑物空气调节要求，并且可灵活地应用在空调系统的改造中。
3 高层建筑暖通空调控制系统及其节能措施的应用
3.1 控制系统的设计研究
对于中央暖通空调的控制系统而言,传统的控制系统没有考虑到设备启动阶段的能耗以及运行阶段的能耗问题,因此近几年发展起来的暖通空调控制系统都是以变频器软启动暖通设备,以降低暖通空调的能耗。尽管软启动能够有效降低暖通空调的启动能耗,但是在运行阶段,暖通空调还是需要依靠控制系统的控制模式实现运行,因此有必要对控制系统加以研究。这里重点基于PID参数整定实现的控制系统。基于PID实现的节能控制系统的设计思想是,对于长时间处于轻载甚至空载的暖通设备,通过自寻优程序的在线搜索,来自适应地降低电动机的定子端电压,找出电动机在相应负载下的最佳节能工作点,使电动机能够尽量处于最优的节能工作状态。在保证异步电动机能够正常工作的前提下,电机降压过程中转速会略有变化。所以电机节能控制的假定前提是:异步电动机工作时对转速的要求不太严格,且处于轻载甚至空载的时间相对比较多,以电机电流作为PID整定参数,并实现闭环反馈控制,能够在很大程度上降低暖通空调设备的能耗。
3.2 高层建筑暖通空调的节能措施
现在一般的高层建筑普遍采用中央供暖空调,中央供暖空调最大的特点就是取暖效果较好,但是功率非常大,因此对于高层建筑而言,采取一定的节能技术措施还是十分有必要的。通常而言,主要从以下几个方面入手实施中央供暖空调的节能应用：
3.2.1 采用变频设备降低空调启动能耗与运行能耗。
由于中央供暖空调功率巨大,启动阶段电流很高,造成很高的能耗值,因此借助于变频设备降低中央供暖空调的启动频率,从而降低启动阶段的能耗,同时借助于变频设备能够改善空调运行期间的电流平稳度,大大降低中央空调的能耗。
3.2.2 改善空调机组运行模式。
过去的中央暖通空调控制模式很简单,单纯启停控制,这种运行模式十分费电,而且对于暖通空调本身而言,也降低了自身的工作效能,其实可以依靠变频设备分组运行暖通设备,保持正在工作的空调冷水机组满负荷运行。当蒸发器的出水温度在其设定值的允许偏差范围内上下波动时,群控控制柜不应启动另一台冷水机组。只有蒸发器的出水温度超出了设定值允许的偏差上限且其水流量超过了该机组允许最大流量时才可自动启动下一台机组。这样既能够提高设备的工作效能,同时也能够大幅降低建筑暖通设备的能耗。当然,暖通空调的节能还需要依靠广大业主的共同努力,例如夏季空调温度不宜设定太低,冬季温度不宜设定太高等等,只有广大业主自发共同努力,才能够实现中央暖通空调的真正节能目的。
4 结语
据2011年官方统计数字显示,我国能源对外依存度已经超过了60%,这无疑暴露出我国是一个能耗大国,国内的能源已经不足以满足社会生产的需求了,因此在这样的背景下,国家发改委提出了节能减排的口号,号召降低能耗排放。而在我国的各项能源消耗中,建筑暖通空调消耗一直是能源消耗的大头,据统计,截止2011年,我国高层建筑暖通空调能耗已经成为了建筑能耗的头牌。因此,必须要通过合理设计建筑暖通空调的控制系统实现对暖通空调能耗的控制。
参考文献：
[1] 周志强 .中国能源现状、发展趋势及对策[J].能源与环境,2008(6):9～10.
[2] 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2010[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[3] 高养田.空调变流量水系统设计技术发展 (之二)[J].暖 通 空 调 ,2009,39(10):92～ 101.