楼控系统的节能瓶颈及建筑节能的有效策略

1 前言

当前节能减排正成为各国转变经济发展方式，实现可持续发展的一种共识。中国作为一个负责任的大国，承诺“到２０２０年单位ＧＤＰ减排４０％～４５％”，其中建筑节能是节能减排的重要组成部分。目前的建筑智能化系统中，楼宇自动化（ＢＡＳ）系统本来承担着降低建筑能耗的任务，但由于当前的ＢＡＳ是从工业过程自动化系统，比如化工、造纸移植过来的，而这些工业过程与建筑环境的控制并不完全相同，因此当以节能作为ＢＡＳ的控制目标进行考核时，ＢＡＳ不能完全满足节能要求是非常合乎逻辑的。

2 ＢＡＳ系统存在的问题

虽然建筑节能是个系统工程，但建筑中的主要能耗设备都可以通过ＢＡＳ系统进行管理的，因此ＢＡＳ对建筑节能的重要性是毋庸置疑。那么为什么如此重要的ＢＡＳ系统在建筑节能方面的贡献很少，甚至根据清华大学统计的数据，运行ＢＡＳ系统的建筑能耗通常都高于没有设置ＢＡＳ系统的建筑呢？ＢＡＳ在建筑节能方面存在哪些问题，都值得思考。

2．１ 应用环境不同造成的问题

在工业过程自动化领域中，控制系统的主要作用是要按照工艺要求，严格控制工艺参数在规定的范围内，而且控制精度越高越好，因此对于工业过程，控制系统必须能够按照设定的指标实施精确控制，与节能相比控制精度是更为重要的指标。在建筑中，建筑环境的舒适度是由人体的感受决定的，而人体的感受是一个范围，为了稳定环境参数，ＢＡＳ系统无论是ＰＩＤ调节、还是频繁的启/停控制，都不可避免的造成额外的能源消耗。因此以稳定参数为控制目标的控制策略并不完全适合于建筑环境的控制。以稳定参数为关键目标的控制系统强烈依赖于传感器的精度和稳定性，而建筑环境与工业环境相比，虽然环境条件更为优越，但由于传感器设计等级不同，用于建筑环境的传感器往往更容易受到损害。在工业环境中，传感器的损害会立刻影响到系统的输出，通过输出的变化就能够很快发现故障传感器。在建筑环境中，同样是由于人体对环境感知的差异，导致对输出变化不敏感，从而无法及时发现故障。而ＢＡＳ系统还是按照设定的控制策略工作，这就会造成更多的能耗输出与浪费。

2．２ 控制策略造成的问题

传统的ＢＡＳ系统并未将节能作为其控制目标，所有控制策略都围绕着保证设备正常工作和稳定控制参数展开，ＢＡＳ系统的控制策略以稳定控制参数为主要控制目标，节能只是控制策略实施后的理论推算结果。虽然建筑中的用能设备，特别是中央空调系统也是一种典型的过程系统，但是与化工、造纸等的过程控制系统有所不同。为了获得最优的结果，工业过程要求其参数必须稳定在设定范围内，比如炼油过程中蒸馏塔的温度控制。在ＢＡＳ系统中，对各种用能设备的控制思想与此基本相同，比如组合空调器（ＡＨＵ）的控制策略，以夏季为例。当室内温度低于设定温度时，首先控制风阀执行关闭动作，减少总出风量，若风阀关闭到最小限度还不能满足室内温度的要求，则下一步控制水阀关闭动作，通过减少水流量使组合空调器的出风温度升高，以此达到将室内温度稳定在设定温度的目的，其它的用能设备基本按照这种控制思想进行设计。分析这种控制策略可以得出明确的结论，即在减少空调机组冷负荷输出的同时，风机的能耗并未减少， 由此可以看出这种控制策略的实施并不能在建筑负荷降低时减少能源的消耗。通常ＢＡＳ系统以此控制策略推算出的节能效率是与满负荷工作状态相比的结果，而实施控制时就已经表明当前的负荷低于设计的满负荷，此时的能耗应该低于满负荷状态，所以推算出的节能效率并没有科学的依据，实际的运行数据也证明了这一点。

2．３ 设计思想存在的问题

建筑能耗主要是由建筑内的用能设备消耗的，根据有关部门的统计，建筑中最大的用能设备是空调系统，其次是照明，最后是水泵、电梯等独立的用能设备。对于照明、水泵等独立的用能设备，传统的ＢＡＳ系统的控制策略是合理且有效的。但对于占到６０％建筑总能耗的空调系统而言，传统的ＢＡＳ控制思想恰恰对节能造成了不利的影响。无论何种空调系统，它都是将多个设备以系统的方式进行工作，没有一个设备能够脱离开系统独立工作，即各个设备之间存在着耦合。控制理论解决耦合采用的技术是解耦，而解耦的核心思路就是人为降低系统中设备间的相互联系，只要不影响系统的正常工作，甚至可以将系统中的设备看出完全独立工作的设备。在解耦理论指导下开发的控制策略几乎没有考虑设备变化对系统工作造成的影响，这种理论对于化工、造纸等工艺参数要求严格的工业过程是非常有意义的，但对于以节能为重要控制目标的建筑用能设备的控制，这种设计思想就存在一定的问题。

3 建筑节能的有效策略

降低建筑能耗的一个重要组成部分在于降低建筑的运行能耗，运行能耗主要是由建筑内的用能设备产生的。由于建筑耗能的目的是建立舒适的室内环境，因此建筑节能必须建立在保证建筑物舒适度的基础上。

3．１ 确定科学的能耗评价机制

ＢＡＳ系统提供的节能指标与人们的实际感受不尽相同，从上文的分析可以看出，这种理论推算与实际效果不相符的现象是合理的。尽管有这样的差异，但从ＢＡＳ提供的节能效率计算方法也有其合理之处，为什么会产生ＢＡＳ不节能的现象呢？建筑物的能耗评价机制存在问题。

建筑能耗是随外部气象参数、建筑内人员数量和建筑功能变化而变化的，讨论节能的问题首先解决能耗合理性评价机制问题。建筑环境变化必然会导致的负荷变化，因此确定任意时刻的合理建筑负荷是非常困难的。虽然很难确定不同时刻的合理建筑负荷，但是如果把能效作为评价建筑能源使用效率的指标，以能效高低作为评价用能设备的运行效率，若不考虑建筑能耗的合理性，那么就可以认为能效越高越节能。虽然能效指标相比其它指标更好的评价建筑用能状况，但如果建筑能耗中存在不合理的部分，比如存有人为浪费的能耗，能效再高也无法有效降低建筑能耗，因此需要解决建筑能耗有效性的评价问题。由于建筑物的能耗与建筑功能、人员状况等都息息相关，所以很难找到科学的模型计算出合理的建筑能耗。尽管无法计算合理能耗，但是如果通过技术和管理手段降低减少人为浪费，再通过技术手段将建筑用能设备的能效提高，即使无法达到最大的节能效果，也可以有效降低建筑能耗。

3．２ 研究新的控制策略

无论哪种控制理论，建筑节能的实现最终还必须通过控制系统予以实现。上文已经分析了传统ＢＡＳ系统在控制策略上存在的问题，所以研究适合建筑环境的控制策略对降低建筑能耗具有重要意义。

既然建筑环境与工业过程控制并不完全相同，因此需要将建筑环境的特殊性反应到建筑节能控制策略中。建筑环境与工业过程控制的不同主要体现在两个方面，一是控制目标参数比如温度、湿度不需要工业过程那么精确，二是建筑环境的优劣是由人体进行评价的，所以控制目标的设定并不能完全设定为诸如温度、湿度、照度等环境参数变量，还需要将人体的感受作为控制目标。

笔者就新的控制策略提出了建筑物能量利用效益和系统能效优化模型，通过优化建筑物能量利用效率降低建筑物中人为浪费的能耗；通过将系统额定能效设为系统能效的优化目标解决了不同负荷时系统能效最优的优化问题，同时也解决了设备相互耦合造成的问题，使整个控制策略更适应建筑环境的实际需求，相关的控制策略可见笔者以往发表的学术论文。

4 结束语

传统的ＢＡＳ系统在建筑节能上主要问题表现在设计思想、控制策略并不能完全适应建筑环境的控制要求，更加有效的建筑节能策略必须从确定科学的建筑能耗评价体系，建立符合建筑物特点的节能指导思想，研究适应建筑物特点的控制策略才能够解决传统ＢＡＳ系统存在的问题，有效降低建筑能耗。