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節(jié)省投資的智能建筑能量計(jì)量方案 【摘要】由于在智能建筑中，節(jié)能問(wèn)題是最重要的問(wèn)題之一。而HVAC（采暖、通風(fēng)和空調(diào)）系統(tǒng)消耗的能源要占到大樓消耗能源的很大一部分。因此，我們有必要來(lái)關(guān)注樓宇自控系統(tǒng)中能量的計(jì)量問(wèn)題。以及在按照BACnet標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的樓宇自控系統(tǒng)中，對(duì)如何設(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)又合理的能量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，提出了我們的看法。 【關(guān)鍵詞】智能建筑 BACnet標(biāo)準(zhǔn) 樓宇自控系統(tǒng) 節(jié)能 能量計(jì)量 　　節(jié)能可以說(shuō)是樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)和歸宿。眾所周知，在智能建筑中，HVAC（采暖、通風(fēng)和空調(diào)）系統(tǒng)所耗費(fèi)的能量要占到大樓消耗的總能量的極大部分比例，大致在50%～60%左右。特別是冷凍機(jī)組、冷卻塔、循環(huán)水泵和空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組，都是耗能大戶。采用最優(yōu)化的節(jié)能控制模式來(lái)滿足大樓的功能要求，不僅為物業(yè)管理帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益，而且還可使系統(tǒng)在較佳的工況下運(yùn)行，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。節(jié)能在樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用管理中，是一個(gè)永恒的課題。節(jié)能的思想應(yīng)該貫穿于工作之始終。 　　 國(guó)家建設(shè)部頒布的《民用建筑節(jié)能管理規(guī)定》（2000年10月1日起施行）中明確指出，國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展在建筑物的采暖和空調(diào)工程中采用節(jié)能技術(shù)（產(chǎn)品），供熱采暖系統(tǒng)溫度調(diào)控和分戶熱量計(jì)量技術(shù)與裝置等。 　　 在《建筑技術(shù)政策綱要》（1996～2010）中也明確指出，研究開(kāi)發(fā)用戶可自行調(diào)節(jié)的按實(shí)耗熱量計(jì)量的儀表、采暖系統(tǒng)、節(jié)能型供熱制冷系統(tǒng)設(shè)備。加強(qiáng)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)化工作，包括民用建筑采暖能耗檢測(cè)，空調(diào)能耗檢測(cè)等通用檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)等。 　　 我國(guó)第一部“熱量表”標(biāo)準(zhǔn)“CJ 128－2000”也已于200l年6月正式頒布執(zhí)行了。 　　 本文僅對(duì)智能建筑中的能量（熱量或冷量）的計(jì)量，進(jìn)行一些探討，以引起業(yè)界同行們的注意，使得節(jié)能問(wèn)題成為從招標(biāo)開(kāi)始，在設(shè)計(jì)、工程的施工、驗(yàn)收和工程等級(jí)的評(píng)估方面，都能作為一個(gè)重要的問(wèn)題來(lái)看待。 　　 我們先來(lái)看一個(gè)例子。在美國(guó)舊金山市，很多聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)所在的450 Golden Gate Avenue（Phillip Burton Federal Building），這座建筑，有22層，建筑面積13萬(wàn)護(hù)，是舊金山市第二大辦公大樓，是一座老建筑。在由ASHRAE（美國(guó)采暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)）提出的BACnet協(xié)議，并迅速被批準(zhǔn)為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)后，該建筑即被選為BACnet示范工程，按照BACnet協(xié)議來(lái)改造該建筑，工程項(xiàng)目的名稱就是“450 Golden Gate Project”，大約有4～5家供應(yīng)商參與此工程，由BACnet協(xié)議保證這些廠商之間的產(chǎn)品的互操作性，使其能協(xié)調(diào)一致地工作，該建筑共有1000多個(gè)DDC控制器，在1998年底完工并交付使用，并通過(guò)了嚴(yán)格的測(cè)試。由美國(guó)政府服務(wù)管理總局（U.S. General Services Administration，簡(jiǎn)稱GSA）負(fù)責(zé)管理該建筑。改造后的建筑，其能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，簡(jiǎn)稱EMS）的運(yùn)行費(fèi)用，每年平均節(jié)約50萬(wàn)美元以上。這是一個(gè)在樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)中，節(jié)能取得重大成果的例子之一。是BACnet協(xié)議作為樓宇自控系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)模應(yīng)用的首例，可以說(shuō)在BACnet協(xié)議的歷史上，是具有重大意義的成功例子之一。 　　 在BACnet系統(tǒng)中，可以有一種方法來(lái)進(jìn)行能量計(jì)量： 1 采用專用的能量計(jì)量子系統(tǒng) 　　 目前實(shí)際工程中采用得較普遍也是比較有名的就是法國(guó)的Schlumberger公司的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的應(yīng)用框圖如圖1所示。 圖1 Schlumberger公司的專用能量計(jì)量系統(tǒng) 　　從圖2可看出，冷凍水經(jīng)過(guò)供水管進(jìn)入空調(diào)器（或其他消耗冷量的設(shè)備）后，再?gòu)幕厮茏鳛榛厮鰜?lái)，通過(guò)供水溫度計(jì)、回水溫度計(jì)和流量計(jì)，分別測(cè)得該時(shí)刻3個(gè)數(shù)據(jù)Tin，Tout和qv，數(shù)據(jù)采集單元中含有一個(gè)積分儀，在該積分儀上，就可直接讀出累計(jì)消耗的冷量。同時(shí)可通過(guò)M－BUS把數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)集中器，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最后通過(guò)RS232口，把數(shù)據(jù)匯總后，送到樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)。完成冷量計(jì)量。上述裝置也可用來(lái)測(cè)試和計(jì)量熱能。 圖2 數(shù)據(jù)采集單元方框圖 　　這種方案的優(yōu)點(diǎn)是它自成體系，對(duì)于每一個(gè)能量的測(cè)試計(jì)量單元，就像每家、每戶的電表、水表一樣，每家、每戶可以清楚地知道自己所消耗的能量，只要每個(gè)能耗單位的價(jià)格已知，就立即可知道所需付的金額。因此，對(duì)于要精確測(cè)定每個(gè)耗能單元的耗能情況，并由此進(jìn)行結(jié)算時(shí)，這種方案應(yīng)是一種方便而可行的辦法，對(duì)于任何樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)都可以采用。目前，國(guó)內(nèi)已有類似設(shè)計(jì)思想的產(chǎn)品（冷／熱量表）在研制。 2 采用BACnet系統(tǒng)的分布式控制方案 　　 如果樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)采用通用的BACnet系統(tǒng)方案，就可以全面地靈活地設(shè)計(jì)和規(guī)劃控制方案，做到既經(jīng)濟(jì)又合理，并可充分地滿足業(yè)主的各種要求。 　　 首先，我們不妨來(lái)分析一下用戶在這方面的需求。在一幢智能大廈中，要像電表或水表一樣，做到每戶（每個(gè)房間）都要精確地測(cè)定和計(jì)量熱能（或冷能）的消耗情況，并由此得出每戶（每個(gè)房間）應(yīng)支付的費(fèi)用，雖然在技術(shù)上是做得到的，但實(shí)際上是很困難的。因?yàn)橐淮敝悄艽髲B，至少有幾百個(gè)房間，按照第一種方案，就要幾百個(gè)數(shù)據(jù)采集單元，按目前的價(jià)格，平均每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元需要人民幣數(shù)千元，甚至近萬(wàn)元，這樣僅僅能量（熱量或冷量）計(jì)量裝置的初期投資就是非常巨大的，是大部分業(yè)主難以接受的。 　　 既然精確的計(jì)量需要耗費(fèi)較大的一次性投資，目前也尚無(wú)這種必要。因此一種靈活的折衷方案就在各方面（包括業(yè)主）的考慮之中。 圖3 BACnet系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方框圖 　　我們來(lái)看圖3，這是BACnet系統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)采集方框圖，對(duì)于需要計(jì)量和核算的范圍，可以從單個(gè)房間擴(kuò)大到一個(gè)區(qū)域（譬如說(shuō)，一層樓或一層樓再分為兩個(gè)區(qū)或四個(gè)區(qū)），在這個(gè)區(qū)域的總供水管和總回水管上各安裝一只溫度計(jì)，另外還需安裝一只流量計(jì)就可以了（溫度計(jì)是溫度傳感器的簡(jiǎn)稱）。把所采集的該時(shí)刻3個(gè)模擬量數(shù)據(jù)輸入到該傳感器附近的DDC（直接數(shù)字控制器）中，根據(jù)熱力學(xué)第一定律的基本公式，稍加變化，就可得到下列公式： 式中：Q——從時(shí)間τ0到τ1的能耗總量（J或Wh）： hin，hout——供水、回水的焓值（J／kg）： qv——表示水的體積流量（m3／h）； p——表示水的密度（kg／m3）； τ——表示時(shí)間（h）。 　　 供水、回水的焓值分別是供水、回水溫度的函數(shù)。水的體積流量可從流量計(jì)讀得。水的密度也是溫度的函數(shù)。 　　 該積分公式的具體計(jì)算可用矩形法、梯形法、精確些。辛普森（Simpson）公式進(jìn)行計(jì)算，時(shí)間計(jì)算步長(zhǎng)可以是若干秒，可以根據(jù)BACnet標(biāo)準(zhǔn)所定義的日程表對(duì)象（Schedule），結(jié)合起來(lái)，就可得出結(jié)果。再通過(guò)BACnet的MS／TP總線傳送到工作站（Work station），存入數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)管理員就可以從系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中直接取得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行必要的分配與調(diào)整．乘上單價(jià)，打印出報(bào)表來(lái)，就可以了。 　　 因?yàn)榱髁坑?jì)的價(jià)格與口徑大小的關(guān)系，不僅僅是比例關(guān)系，幾乎成為平方的比例關(guān)系。為了進(jìn)一步降低一次性投資，還可以采取一些措施，譬如說(shuō)，在不影響使用的條件下，用變徑的方法，適當(dāng)減小安裝流量計(jì)部分的供水管的尺寸，盡量選用口徑小一些的流量計(jì)，就可以降低工程的成本。此外，由于（以夏季為例）冷凍水集水器中的水溫Tw與數(shù)據(jù)采集單元的供水溫度Tin之間并沒(méi)有有效負(fù)載，僅僅是冷凍水在管道中流動(dòng)而引起的自然損耗，因此這兩者之間可以近似地用簡(jiǎn)單的線性關(guān)系來(lái)表達(dá)： Tin = Tw kt1 式中：Tin——數(shù)據(jù)采集單元的供水溫度； Tw——冷凍水集水器中的水溫； kt——自然損耗系數(shù)（接近于0，用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定；如果距離短或管道保溫條件好，也可忽略不計(jì)）； l——從冷凍水集水器到該數(shù)據(jù)采集單元的距離；——夏季取+，冬季取-。 Tw是已知的（從冷凍水集水器中的溫度傳感器得到），這樣就可用簡(jiǎn)單的方法得到Tin，所以在每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元中可以少用一只溫度傳感器。在基本不影響精度的情況下，進(jìn)一步降低了成本。 　　 本方案的優(yōu)點(diǎn)是一目了然的，它是精確性和實(shí)用性的比較完美的結(jié)合。配置靈活方便，不需要專門的能量計(jì)量系統(tǒng)，大大降低了工程的造價(jià)。這里也充分顯示出按照BACnet標(biāo)準(zhǔn)制造與安裝的樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)的巨大威力和優(yōu)越性。 　　 應(yīng)該說(shuō)，節(jié)能是智能建筑的關(guān)鍵問(wèn)題之一，而且是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，值得我們對(duì)它做深入的研究。由于建筑物的個(gè)性不同，往往難以進(jìn)行有效的比較，因此如何不僅從定性方面來(lái)看，而且如果能從定量方面來(lái)進(jìn)行分析。顯然，能量的計(jì)量?jī)H僅是智能建筑設(shè)計(jì)中節(jié)能措施的第一步，在其設(shè)計(jì)與交付使用后的物業(yè)管理的過(guò)程中，尚有大量的課題需要我們?nèi)プ錾钊氲难芯浚覀儗⒃诮窈蟮奈恼轮?，再?duì)此作進(jìn)一步的論述。