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節(jié)省投資的智能建筑能量計量方案 【摘要】由于在智能建筑中，節(jié)能問題是最重要的問題之一。而HVAC（采暖、通風和空調）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，我們有必要來關注樓宇自控系統(tǒng)中能量的計量問題。以及在按照BACnet標準設計的樓宇自控系統(tǒng)中，對如何設計出既經濟又合理的能量計費系統(tǒng)，提出了我們的看法。 【關鍵詞】智能建筑 BACnet標準 樓宇自控系統(tǒng) 節(jié)能 能量計量 　　節(jié)能可以說是樓宇自動控制系統(tǒng)的出發(fā)點和歸宿。眾所周知，在智能建筑中，HVAC（采暖、通風和空調）系統(tǒng)所耗費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。特別是冷凍機組、冷卻塔、循環(huán)水泵和空調機組、新風機組，都是耗能大戶。采用最優(yōu)化的節(jié)能控制模式來滿足大樓的功能要求，不僅為物業(yè)管理帶來很大的經濟效益，而且還可使系統(tǒng)在較佳的工況下運行，從而延長設備的使用壽命。節(jié)能在樓宇自動控制系統(tǒng)的設計、制造、安裝和使用管理中，是一個永恒的課題。節(jié)能的思想應該貫穿于工作之始終。 　　 國家建設部頒布的《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，國家鼓勵發(fā)展在建筑物的采暖和空調工程中采用節(jié)能技術（產品），供熱采暖系統(tǒng)溫度調控和分戶熱量計量技術與裝置等。 　　 在《建筑技術政策綱要》（1996～2010）中也明確指出，研究開發(fā)用戶可自行調節(jié)的按實耗熱量計量的儀表、采暖系統(tǒng)、節(jié)能型供熱制冷系統(tǒng)設備。加強建筑節(jié)能標準化工作，包括民用建筑采暖能耗檢測，空調能耗檢測等通用檢測方法標準等。 　　 我國第一部“熱量表”標準“CJ 128－2000”也已于200l年6月正式頒布執(zhí)行了。 　　 本文僅對智能建筑中的能量（熱量或冷量）的計量，進行一些探討，以引起業(yè)界同行們的注意，使得節(jié)能問題成為從招標開始，在設計、工程的施工、驗收和工程等級的評估方面，都能作為一個重要的問題來看待。 　　 我們先來看一個例子。在美國舊金山市，很多聯(lián)邦政府機構所在的450 Golden Gate Avenue（Phillip Burton Federal Building），這座建筑，有22層，建筑面積13萬護，是舊金山市第二大辦公大樓，是一座老建筑。在由ASHRAE（美國采暖、制冷和空調工程師協(xié)會）提出的BACnet協(xié)議，并迅速被批準為美國國家標準后，該建筑即被選為BACnet示范工程，按照BACnet協(xié)議來改造該建筑，工程項目的名稱就是“450 Golden Gate Project”，大約有4～5家供應商參與此工程，由BACnet協(xié)議保證這些廠商之間的產品的互操作性，使其能協(xié)調一致地工作，該建筑共有1000多個DDC控制器，在1998年底完工并交付使用，并通過了嚴格的測試。由美國政府服務管理總局（U.S. General Services Administration，簡稱GSA）負責管理該建筑。改造后的建筑，其能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，簡稱EMS）的運行費用，每年平均節(jié)約50萬美元以上。這是一個在樓宇自動控制系統(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)的相關標準的大規(guī)模應用的首例，可以說在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，可以有一種方法來進行能量計量： 1 采用專用的能量計量子系統(tǒng) 　　 目前實際工程中采用得較普遍也是比較有名的就是法國的Schlumberger公司的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的應用框圖如圖1所示。 圖1 Schlumberger公司的專用能量計量系統(tǒng) 　　從圖2可看出，冷凍水經過供水管進入空調器（或其他消耗冷量的設備）后，再從回水管作為回水出來，通過供水溫度計、回水溫度計和流量計，分別測得該時刻3個數(shù)據(jù)Tin，Tout和qv，數(shù)據(jù)采集單元中含有一個積分儀，在該積分儀上，就可直接讀出累計消耗的冷量。同時可通過M－BUS把數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)集中器，進行統(tǒng)計，最后通過RS232口，把數(shù)據(jù)匯總后，送到樓宇自動控制系統(tǒng)。完成冷量計量。上述裝置也可用來測試和計量熱能。 圖2 數(shù)據(jù)采集單元方框圖 　　這種方案的優(yōu)點是它自成體系，對于每一個能量的測試計量單元，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，只要每個能耗單位的價格已知，就立即可知道所需付的金額。因此，對于要精確測定每個耗能單元的耗能情況，并由此進行結算時，這種方案應是一種方便而可行的辦法，對于任何樓宇自動控制系統(tǒng)都可以采用。目前，國內已有類似設計思想的產品（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計和規(guī)劃控制方案，做到既經濟又合理，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（每個房間）都要精確地測定和計量熱能（或冷能）的消耗情況，并由此得出每戶（每個房間）應支付的費用，雖然在技術上是做得到的，但實際上是很困難的。因為一幢智能大廈，至少有幾百個房間，按照第一種方案，就要幾百個數(shù)據(jù)采集單元，按目前的價格，平均每個數(shù)據(jù)采集單元需要人民幣數(shù)千元，甚至近萬元，這樣僅僅能量（熱量或冷量）計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。 　　 既然精確的計量需要耗費較大的一次性投資，目前也尚無這種必要。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 　　我們來看圖3，這是BACnet系統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)采集方框圖，對于需要計量和核算的范圍，可以從單個房間擴大到一個區(qū)域（譬如說，一層樓或一層樓再分為兩個區(qū)或四個區(qū)），在這個區(qū)域的總供水管和總回水管上各安裝一只溫度計，另外還需安裝一只流量計就可以了（溫度計是溫度傳感器的簡稱）。把所采集的該時刻3個模擬量數(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讀得。水的密度也是溫度的函數(shù)。 　　 該積分公式的具體計算可用矩形法、梯形法、精確些。辛普森（Simpson）公式進行計算，時間計算步長可以是若干秒，可以根據(jù)BACnet標準所定義的日程表對象（Schedule），結合起來，就可得出結果。再通過BACnet的MS／TP總線傳送到工作站（Work station），存入數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)管理員就可以從系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中直接取得相應的數(shù)據(jù)，再進行必要的分配與調整．乘上單價，打印出報表來，就可以了。 　　 因為流量計的價格與口徑大小的關系，不僅僅是比例關系，幾乎成為平方的比例關系。為了進一步降低一次性投資，還可以采取一些措施，譬如說，在不影響使用的條件下，用變徑的方法，適當減小安裝流量計部分的供水管的尺寸，盡量選用口徑小一些的流量計，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之間并沒有有效負載，僅僅是冷凍水在管道中流動而引起的自然損耗，因此這兩者之間可以近似地用簡單的線性關系來表達： 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，用實驗方法測定；如果距離短或管道保溫條件好，也可忽略不計）； 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），這樣就可用簡單的方法得到Tin，所以在每個數(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，進一步降低了成本。 　　 本方案的優(yōu)點是一目了然的，它是精確性和實用性的比較完美的結合。配置靈活方便，不需要專門的能量計量系統(tǒng)，大大降低了工程的造價。這里也充分顯示出按照BACnet標準制造與安裝的樓宇自動控制系統(tǒng)的巨大威力和優(yōu)越性。 　　 應該說，節(jié)能是智能建筑的關鍵問題之一，而且是一個非常復雜的問題，值得我們對它做深入的研究。由于建筑物的個性不同，往往難以進行有效的比較，因此如何不僅從定性方面來看，而且如果能從定量方面來進行分析。顯然，能量的計量僅僅是智能建筑設計中節(jié)能措施的第一步，在其設計與交付使用后的物業(yè)管理的過程中，尚有大量的課題需要我們去做深入的研究，我們將在今后的文章中，再對此作進一步的論述。