浅谈智能建筑中暖通空调系统的设计与应用

摘要：智能建筑是当前建筑业的新朝向，智能建筑中楼宇自动控制系统可有效降低暖通空调系统这一耗能大户的耗能，有效的实现节能降耗的目的。

关键词：智能建筑；暖通空调；PMV

Abstract: intelligent building is a new orientation in the construction industry, intelligent building and building automatic control system can effectively reduce the energy consumption of the major energy-consuming of HVAC system, to achieve the purpose of energy saving and effective.

Keywords: intelligent building; HVAC; PMV

中途分类号TU96+2 文献标识码：A

1 引言

随着改革开放的深入，国民经济得到了飞跃式的发展，随着国内城市化进程的加快，“一宅一户”的建筑显然不能满足现代化生活的需求，一些高层建筑不断耸起。其中大部分为商用的办公楼，且同时拥有智能化的设施。

新时期计算机技术和信息技术的广泛应用，已使得其在新型建筑中发挥着重要作用，“智能建筑”成了21世纪的必需品。值得注意的是，随着人们生活水平的提高，空调的高峰用电增长迅猛。相关数据显示，空调作为高层楼宇中的必须品，其耗电量占建筑平均耗电量的60%左右。发达国家的经验告诉我们，经济越发展，生活水平越高，其能源的消耗就越大。如欧美一些发达国家中，其建筑能耗接近国家总能耗的30%。然而，我们如今已走在了一个能源匮乏的时代，建筑的节能应值得我们给予高度的重视，值得庆幸的是，越来越多的人已经意识到节能减排的重要性。尤其是21世纪的新产物——“智能建筑”，更是顺应了节能减排的主体思想，同时也成为国内建筑业发展的重要方向，智能建筑楼宇自控系统作为新时期高层建筑节能的主要研究平台、实施手段和检测工具，已成为当前重要的研究课题。

2 空调系统的节能控制设计

2.1 智能建筑内的温度标准确定

夏季温度过低和冬季温度过高不但容易造成资源的浪费，同时还会让人觉得不舒适。合理的室温，对空调系统机能也起到非常重要的作用。楼宇自控系统可将智能建筑内的所有设备进行统一化的集成管理，同时实现信息的共享，效益及作用巨大。

2.1.1夏季暖通空调供冷情况

夏天空调围护结构负荷是节能表现的一部分，室温对空调负荷影响主要表现在围护结构负荷的变化方面。如表-1所示，它是国内目前部分城市不同室内温度的空调能耗比较。从表-1不难看出，舒适度许可的条件下，通过适当提高空调的温度也可达到明显的降耗效果，对于办公楼、宾馆等维护结构负荷较大的现代智能建筑，通过适当缩小室内外的温差也可有效实现降耗的功能。如将室温从26℃调整为28℃，可减少20%左右的冷负荷。

表-1 不同室温下空调能耗比较

2.1.2冬天暖通空调供暖的情况

智能建筑冬天供暖设计主要采用稳态传热的基本原理进行计算，室温对负荷的影响可清晰直观的看到，温度舒适许可情况下，通过将室温适度降低，降耗的效果同样很明显。

2.2 基于人体热舒适性指标PMV的控制器

人类对暖通空调系统从基础的保障健康要求，到高级的节能舒适要求，而基于人体热舒适性指标PMV的控制系统正是符合这一发展规律，该控制系统主要有3个环路（如图-1所示），负责实现室内空气质量的控制：首先是基于人体热舒适性指标PMV的热环境控制，然后是系统能耗的基本控制，其次是在保证舒适健康的前提下，将利用率达到最优化，从而实现节能的目的。

图-1 基于人体热舒适性指标PMV的暖通空调控制系统框架图

由图-1不难看出，控制器内环主要用来完成室内空气质量的闭环控制；其工作原理为控制器通过调节新风量从而来改善室内的空气质量，同时通过检测室内污染物浓度和二氧化碳浓度来给控制器反馈信息；可采用PID调节进行具体控制。

环路2是控制器的核心，该环路主要根据人体舒适性的指标PMV，从而实现对环境参数的调控；控制器通过平均辐射温度，调节空气温度，空气温度和空气相对流度，从而来调节PMV的值，其值越接近零，人体会感觉越舒适；影响人体舒适性的参数共6个，其中平均辐射温度、调节空气温度、空气温度、空气相对流度，通过传感器测量而得，而空调环境中服装热阻值和人的活动量M均不能进行测量，对于这两个参数通常采用人工估算进行输入，人体服装热阻值和空调环境人的活动量M，其经验数据估算可参见表-2和表-3所示。

环路3，也即是最外层的环路，主要是系统能耗的控制，该环路与内环协同工作，不但确保人体舒适性PMV指标等于零，同时还要保证空调系统能耗达到最低。系统能耗函数表示为，与平均辐射温度、调节空气温度、空气温度、空气相对流度均有关。

表-2 人体穿着服装和热阻值对照表

表-3 人体活动量与新陈代谢的对照表

2.3 合理选择冷冻机规模

相关数据显示，目前国内高层建筑配备的冷冻机的组装机容量普遍偏大，这也是造成能源浪费的主要原因之一。制冷机规模的过大，使其运行费用过高，机组能效降低，同时导致室内温度过低，不但浪费了能耗而且还会影响人体正常舒适度。由此可见合理的选择冷冻机的规模不但能有效节约能耗，同时还可有效降低投资运行成本。

2.4 新风量的选择

通常根据室内允许的CO2浓度来确定新风量的大小，CO2允许的浓度值为1000×10-6，计算得出，每人所需新风量应为30～40m3/h。如果以此为指标，除考虑它对人体带来的危害，同时还应考虑废气、温度、粉尘等污染因素。因此我们在考虑气体之外的其他不良因素下，可将减少新风量考虑进来。同时在满足ASHRAE（美国空调标准）的规定下，将新风量直接减少到10～13m3/h。

3 智能建筑中暖通空调系统的应用

任何设计都要通过应用来验证其有效性，暖通空调的节能设计也一样。智能建筑暖通空调系统所涉及的设备多，控制参数多，往往所控制的空调设备不同，其控制方法和策略也不同。下面以某高校图书馆为例，略谈其应用效果。

3.1 工程概况

某高校图书馆总建筑面积达28900平方米，地上共4层，分别为阅览室、阅览厅、信息中心、书库及其它为图书馆服务的功能用房。地下共2层，主要作为休息大厅。图书馆作为高校科研、教学必不可少的重要组成部分之一，为确保图书馆内人员工作学习具备一个舒适环境，同时为给大量书籍数据提供一个较高质量的保存环境，必须对暖通系统进行合理控制（包括温湿度的控制）。通过楼宇自动控制系统，可有效的将图书馆内全部空调实现最佳控制和集中管理，包括空调设备的运行方式、启动时间、新风量控制、温湿度设定、防冻保护等。同时通过测量室内外空气状态的各项参数来将室内调整至最佳舒适状态，同时确保系统耗能的最小化，致力于创造一个节能、舒适、高效、安全的工作学习环境。

3.2 系统设计

图书馆内书库和阅览室采用全空气系统，检索室、服务台、信息中心、服务器房、办公室、休闲大厅等功能房间采用新风加风机盘管系统。该地区属于年温差较大的城市，因此一套良好自动控制系统不仅确保环境的舒适，而且还可有效降低能耗，因此，必须精心设计空调的自控系统。为此我们为该图书馆提供了Honeywell的XL5000EBI系统，该系统是当前最为集成化、高效能的BMS系统，比较适用于先进的管理和控制要求，同时与大楼建筑特点较为适宜。

该方案的中央控制室设立在图书馆1层监控室内，直接在监控室内实现对整楼空调设备的监控。

3.3 监控功能设置

3.3.1 空调机组主要监控内容

①室内温度检测：图书馆阅览室和书库安装室内温度传感装置。

②室内温度控制：主要根据所设定温度与回风温度的差值，对热/冷水阀开度进行调节，从而有效控制回风的温度。

③湿度控制：主要根据设定温度与回风温度差值，来有效控制加湿器的启停状态并对其进行相应检测。

④预热控制：机组启动以后，新风阀关闭，从而进行预热/预冷。

⑤对风机的运行状态进行检测，以及对其启停进行控制。

⑥出现过滤网压差报警时，也即是提醒要清洗过滤网。

⑦检测设备的自动/手动状态。

3.3.2 新风机组主要监控内容

①室内温度检测：重要功能空间与服务器、大厅房间温度传感装置实现共享，同时检测室内的温度。

②送风温度控制：主要根据设定温度和送风温度之间的差值，来对热/冷水阀的开度进行调节，并有效控制送风的温度。

③湿度的控制：主要根据设定湿度和送风湿度之间的差值，来有效控制加湿器的启停。

④出现过滤网压差报警时，也即是提醒要清洗过滤网。

⑤对风机的运行状态进行检测，以及对其启停进行控制。

⑥检测设备的自动/手动状态。

3.3.3 排风系统的主要监控内容

①有效控制排风机状态的启停，从而有效确保室内空气的新鲜度。

②风机运行状态、手自动受控状态以及故障状态的有效检测。

3.4 节能降耗的主要措施

为提高系统的管理水平，节省运行能耗，同时针对该校图书馆的特点，采取以下降耗措施：

3.4.1 设置合理的参数

冬季适当降低室内的温度，夏季适当提高室内温度设定值。如果将冬季室温从20℃降到18℃，夏季从24℃提高到26℃，那么全年可实现节约热量30%，冷量20%。

3.4.2 设置最佳启停

最佳启动：根据人员及环境使用的基本情况，提前将HAVC设备进行开启。在确保人员进入时环境能够舒适，该设备提前时间最短，就是最佳的启动时间。

最佳关机：根据人员及环境使用的基本情况，在人员离开之前最佳时间端，将HAVC设备进行关闭，这样不仅确保人员离开前舒适度的维持，而且还能提前将设备关闭，减少能耗。

3.4.3 分散功率控制

可以在电价低谷期有效使用用电设备，同时在电价峰值到来前，将选择好的设备进行关闭，从而有效减少高峰功率的负荷。

3.4.4 合理利用新风

新风能耗在空调中所占的比例很大，为实现该校图书馆对环境的基本要求，再加上阅览室通常人数变化较大，为保证每人都有一定的新风量，此方案在室内设置了二氧化碳传感装置，以此来实现新风门的自动控制，确保室内空气的新鲜程度。

4 结术语

此次对高校图书馆运用智能暖通空调系统发现，通过现代化、先进的设备管理系统可有效发挥楼宇内所有设备的先进性，不然，一座大厦需要配备一个庞大物业管理班子对电力、空调等设备进行手动操作，必然无先进性可言。精简机构、节能环保同时也是现代化经济发展的大趋势，智能暖通自控系统完全符合这一发展潮流。尤其是在能源日趋缺乏的今天，暖通空调系统作为能耗大户，通过有效的楼宇自动控制系统，不仅可以提升人体舒适度，而且还可有效降低能耗，符合当今可持续发展的理念，值得广泛推广应用。

参考文献：

[1] 戴俊. 智能建筑中VRV空调系统控制方式探讨[J].内江科技，2011，（8）：148.

[2] 吴建兵.楼宇自动化系统(Bz、S)的优化设计[D].上海:上海众慧科技实业公司，2003：103-105.