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當代智能綠色建筑節能及優化方法

2015/4/29 23:51:37??????點擊:

      從可持續發展理論出發,建筑節能的關鍵又在于提高能量效率,因此無論制訂建筑節能標準還是從事具體工程項目的設計,都應把提高能量效率作為建筑節能的著眼點。智能建筑也不例外,業主建設智能化大樓直接動因就是在高度現代化、高度舒適的同時能實現能源消耗大幅度降低,以達到節省大樓營運成本的目的。依據我國可持續建筑原則和現階段國情特點,能耗低且運行費用最低的可持續建筑設計包含了以下技術措施:①節能;②減少有限資源的利用,開發、利用可再生資源;③室環境的人道主義;④場地影響最小化;⑤藝術與空間的新主張;⑥智能化。

20世紀70年代爆發能源危機以來,發達國家單位面積的建筑能耗已有大幅度的降低。與我國北京地區采暖度日數相近的一些發達國家,新建建筑每年采暖能耗已從能源危機前的300kWh/m2降低至現在的150kWh/m2左右。預計在今后不會很長的時間內,建筑能耗還將進一步降低至30~50kWh/m2。

  創造健康、舒適、方便的生活環境是人類的共同愿望,也是建筑節能的基礎和目標,為此,21世紀的智能型節能建筑應該是:①冬暖夏涼;②通風良好;③光照充足。盡量采用自然光,天然采光與人工照明相結合;④智能控制。采暖、通風、空調、照明、家電等均可由計算機自動控制,既可按預定程序集中管理,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.節能的現狀及發展方向

  1.1建筑節能現狀

  雖然建設智能化大樓直接動因就是在高度現代化、高度舒適的同時能實現能源消耗大幅度降低,以達到節省大樓營運成本的目的。然而實際上在智能化目標定位中明確提出節能要求的不多,建成的確有節能功效的智能建筑更是罕見。

  主要原因有以下幾點:房地產投資商認為能源建設是政府業績和投資環境的標志之一,建筑節能看不見摸不著,所以寧可在建筑的豪華和設施的先進性上花巨資,也不愿為節能多花一分錢;系統與設備、設備與設備之間的控制集成成功率不高,相關系統結合“接口”界面如通信協議、網絡構架的標準化、統一性不夠;物業管理水平跟不上,運行優化無從談起;沒有從通過可再生資源利用技術來提高建筑的可持續性戰略高度重視智能建筑的節能;缺少正確有效的建筑設備能耗評估方法,限制了智能建筑節能研究更好地開展。

  1.2建筑節能的發展方向

  中國的建筑節能工作已經走過了20多年的艱苦路程。在市場經濟的推動下,隨著住房體制改革的前進,房屋用能費用理所當然地要由住房承擔,節約建筑用能勢必逐漸成為廣大居民的自覺要求,加上改善大氣環境愈來愈迫切,要求減輕建筑用能帶來的污染,建筑節能將是大勢所趨、人心所向,是國家民族利益的需要。

  智能建筑節能是一門新興科學,與原有專業分工不同,它包含有建筑、施工、采暖、通風、空調、電器、家電、建材、熱工、能源、環境、檢測、計算機軟件等許多專業內容,是許多專業學科邊緣交叉結合形成的,在社會需要的推動下,許多高等院校、科研院所和生產單位都在圍繞不同方面進行研究開發,正在出現蓬勃發展的新局面。

  2.建筑建筑節能分析和評價原則

  2.1做好智能建筑的節能規劃

  節能規劃要從可持續發展的戰略高度出發,采用新方法、新思路。節能要從原先的拾遺補缺,變為在技術經濟分析可行后優先考慮的方案,要以提高能源利用效率和利用效益為中心??偟墓澞苣繕艘鶕洕l展、能源平衡、能源消費彈性系數和節能率來編制。建筑節能方面,建筑物的設計和建造應當依照有關法律、行政法規的規定,采用節能型的建筑結構、材料、器具和產品,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能認證。

  目前,建筑節能標準可以分為兩大類,即規定性標準和效益型的標準。規定性的節能標準給出一定的節能指標要求,如外墻的最大傳熱系數和最大窗墻比等;效益型的節能標準對一些指標并不規定過死,只要所設計的建筑物總能耗滿足標準要求即可,所以設計人員有更大的設計靈活性。

  2.2目前智能經濟性分析應堅持節能原則

  對智能建筑進行技術經濟性分析是評價智能建筑節能效益的依據。技術經濟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,而取得最大的經濟效益。一個建設項目的設計,從資源利用、工藝流程、總體布置、設備選型到能源消耗及工程效益無不關系到技術經濟,所以技術經濟在工程設計中所占的地位自然是十分重要的。不重視技術經濟的分析研究和評價,或者不始終做好技術經濟工作,就會導致建成投產的項目效益不高,花了不少投資而沒有達到預期的效益。

 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。層次分析法是系統工程學中一種能處理具有復雜因素在內的技術、經濟和社會問題,這些問題往往很難用定量的模型或模擬來分析,因為其中所含定性因素很多,而且需要考慮決策者的心理因素、知識經驗和決策水平等。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雜因素和決策者的個人因素綜合起來,進行邏輯思維,然后用定量的形式表示出來,從而使復雜問題從定性的分析向定量結果轉化。

  利用層次分析法對智能建筑評價采用以下評價準則:①滿足用戶需要的程度;②建筑物的節能程度;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在現有基礎上進行擴充的可能性;⑥整個智能建筑的性能價格比。

  3.建筑BAS控制方案的優化

  3.1智能建筑能量控制與管理系統的優化

  智能建筑樓宇自控系統將建筑內所有設備集成一個系統,實現信息共享,進行綜合管理,其作用和效益是巨大的,要實現這些作用和效益,就必須實施優化,建筑智能化工程的最優化設計與常規設計相比,有以下特點:①可以從系統的各種可能結構和參數中找到最佳匹配,使整體效能最佳,從而提高系統的效率,降低投資和運行費用;②可以對系統及其過程進行定量化的狀態模擬,減少控制環節,提高可靠性與穩定性,發生故障概率降到最低可能限度,系統響應輸出最優化;③它有不變條件下的優化控制及優化控制條件的兩種型式,通過優化控制方案達到節能目的的是一種“主動節能”,它有別于墻體結構、門窗的形式和設置的改造的“被動節能”。

  3.2基于節能策略的智能建筑BA系統優化方法(主要針對空調系統)

  3.2.1節能策略的優化

  PID控制??諝馓幚頇C的DDC通常采用PID控制,選擇合適的PID參數對空調系統的穩定運行是非常關鍵的。PID系數高,空調對室內溫度波動的反應特性曲線陡,達到設定溫度的過渡過程較短;相反PID系數低,達到設定溫度的過渡過程較長。但并不是PID系數越高越好,否則易引起DDC控制系統失穩,表現為室內溫度的振蕩和水側的電動調節閥周期性的來回運動無法在固定開度上運行。

  PID的影響對于影劇院等大熱慣性空調場合,靠高的PID系數來提高空調機組對負荷變化的響應速度是不足以解決問題的。這時可以采用雙級控制,即分別在空調的送風道和室內安裝溫度傳感器,室內的溫度設定由主DDC控制器完成,水閥的驅動由副DDC根據風道溫度傳感器和主DDC的指令完成,由于風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對溫度波動的響應。

  必須注意的是,為防止水閥被人為關死或水系統供水不足等異常情況對控制系統產生影響,副DDC通常只需采用比例控制算法(P),不可加入積分分量(I)。在實際的工程設計中,BA系統對空調的節能控制有多種手段可以采用,例如室內外焓值比較法、二氧化碳等污染物濃度檢測法確定新風量,基于日程表的定時操作等。工程設計中可以視需要靈活運用,以達到最優的效果。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(或新風機),利用室外涼爽空氣對室內全面換氣預冷,既節約新風能耗又提高了室內空氣質量。

  3.2.2控制權的優化

  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、通風系統的參數的設定功能放置在現場可能更符合使用者的需要。DDC本身并不提供這樣的功能,需要專門部件來實現。

  例如HoneywellT7780A數字顯示墻掛式Lon分站,可以在液晶面板上顯示房間的溫度,通過4個按鈕完成設定房間溫度,風機速度、啟動/停止風機等功能,并能通過LonTalk總線驅動空調箱的DDC控制器執行相應的動作。這類功能接近VRV控制面板的設定器給房間的使用者帶來極大的便利和舒適性,必要時應積極采用。

  3.2.3直接數字控制器(DDC)的優化

  主流BA系統供貨商都能提供大、中、小不同處理能力的DDC,冷凍機房、熱力站監控點是密集場合應優先采用大型控制器,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擴展模塊連接達到輸入輸出功能的擴展。

  列如SIEMENSMBC可以掛接40個I/O模塊,TrendIQ251控制器允許有8x16點的接口擴展能力。對空氣處理機、新風機、通風機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)進步很快,其應用不再局限于工業場合,在空調通風的現場設備控制工程中不應將其排斥在外。

  3.2.4關于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的互聯互操作問題。LonWorks采用現場總線控制技術(FCS),突破了以往的集散型控制技術(DCS),它的提出是BA技術的一次飛躍,是今后BAS發展的技術趨勢。但目前受到各種條件限制LonWorks技術優勢還不能完全發揮出來,工程實現并不完善。若自控系統規模不是很龐大,最好不用全面采用LonWorks技術。如果仔細分析目前主流的BA產品,會發現其實它們在不同程度上部分采用或部分支持現場總線技術,這種取長補短的混合模式在當前是切合工程實際的,可以實現技術的平穩過渡。

  BACnet由美國ASHRAE制定并頒布,是現行美國國家標準及歐共體預備標準,運用BACnet協議,可以使空調冷熱源主機自帶的控制器直接進入BAS控制網絡。但實施中應注意空調主機和BA供貨商對BACnet的支持程度和技術協調,目前非標準的數據通訊格式仍大量存在于主機設備中??傊?,在設計BA系統的過程中切不可一味追求技術的先進性。

  3.2.5控制網絡優化

  在滿足擴展性和靈活性的前提下,控制網絡的拓撲結構應盡可能簡化、清晰,無論基于RS485總線或基于LonTalk總線的控制網絡都是如此。分支、分級多的網絡管理復雜、可靠性低。LonTalk總線在理論上可以組成任意拓撲結構的網絡,這種布線設計的隨意性如果運用不當,在工程實踐中仍然是有技術風險的,并可能增加系統的投資。小型工程盡可能運用基于RS485總線的控制網絡,采用“手拉手”的布線方式,大型工程可以考慮樓層網絡分級。

  3.2.6BAS監控中心

  BAS監控中心監控整個空調、通風、動力系統,一般與消防控制、安保監控等合用一室。由于該機房通常遠離冷凍機房、鍋爐房,在這里遠程操作這些關鍵設備是不合適的。推薦的做法是在凍機房和鍋爐房現場控制室另設置一臺監控分站,由該分站負責冷凍機、鍋爐監控功能,并且該分站功能受權局限為冷熱源設備。

  4.結束語

  智能建筑節能是一門新興科學,與原有專業分工不同,它包含建筑、施工、采暖、通風、空調、電器、家電,建材、熱工、能源、環境、檢測、計算機軟件等許多專業內容,是許多專業學科邊緣交叉并結合形成的。對智能建筑的分析和評價應堅持節能的原則,確立智能建筑能量管理與控制系統優化的基本出發點、優化原則及技術措施對于智能建筑節能實現具有重要的現實意義。

  BAS系統是實現智能建筑節能的有效途徑之一。智能建筑BAS控制方案的優化是整個智能建筑節能優化方案實施的具體體現,它包含了建筑物內部主要耗能單元的節能優化。通過對BA控制系統(主要是暖通空調系統)的傳感器、執行器、控制器、網絡等若干環節的探討,力圖使BA系統更好地服務于受控的空調通風系統,最大限度地節約能源。

以上咨詢由一舟轉載

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