基于樓宇自動化系統設備節能管理的研究

倪燕欣(國家大劇院， 北京 100031)

國家大劇院是國家級表演藝術中心，擁有獨特的殼體結構和21.75萬m2的巨大空間。作為智能建筑的重要構成部分，國家大劇院的樓宇自動化系統秉承了智能、全面的設計理念，經過不斷地完善和改造，不但滿足建筑設備智能化的基本要求，為大型公共空間提供舒適、宜人的環境，并且通過不斷完善的優化控制策略在建筑節能方面發揮了一定的作用。

1 重點耗能機電設備概況

國家大劇院主要用能設備包括制冷機組、熱水循環泵、空調主機、空調循環泵、功率放大器及電機等。暖通空調系統、變配電及通風系統屬于國家大劇院的環境用能。公共照明系統也是另一項重要耗能設備。樓宇自動化系統對于這些高耗能設備的運行及控制方式起著主要作用，其是否科學合理將直接影響到大劇院的能源消耗。

1.1 冷源與熱源設備

國家大劇院冷源采用4臺制冷量為1100RT的離心式冷水機組和1臺300RT雙機頭螺桿式冷水機組。空調冷負荷約為15 000kW。空調冷水一級泵與冷水機組相對應設置和控制，為定流量運行。一次熱源由市政熱力網提供，空調采暖最大熱負荷約為10 000kW。通過4臺即熱式熱交換器和空調采暖熱水一級泵，供應空調采暖用熱水。二級設置3套循環泵系統，變流量運行，分別為風機盤管系統、空氣處理機組系統、輻射地板系統。

1.2 空調通風

國家大劇院的空調機組是針對不同功能區域的不同采暖通風功能而分別設置。對于歌劇院、戲劇場、音樂廳和小劇場的觀眾廳和演播室等溫濕度要求較為嚴格的空間，采用具有再加熱功能和加濕功能的全空氣處理機；對于南、北水下廊道、公共大廳、花瓣廳、橄欖廳、各劇場公共休息廳和休息環廊等部位濕度要求不高的區域，使用不具除濕或加濕功能的全空氣處理機；對于空間較大的內區包括辦公區采用風機盤管加新風機組的形式。空調通風系統將室外新鮮空氣經過加熱/制冷、過濾等一系列處理由空調處理機送進室內；將室內廢氣通過各支路排風機送入結構基礎層中的總排風通路匯合，最后從總排煙機房的總排風口排出。

1.3 公共照明

在國家大劇院幻彩迷人的公共空間里，各類功能照明形態各異，燈具種類繁多。有水下廊道的柱形燈、歌劇院頂層龍形燈、下照式射燈、橄欖廳四周與白玉墻融為一體的日光燈帶、歌劇院環廊玻璃吊片燈、戲劇場導軌燈、蛇形燈、支架燈等；還有鑲嵌在殼體上的蘑菇燈，室外園林照明等。光源有金屬鹵化物燈、鹵鎢燈、熒光燈、LED燈等。這些公共照明都是根據自控系統的設定程序，或根據演出時間，或根據某區域光照度自動開關。

2 建立機電設備的管理中心

經過幾年時間的實踐運行探索，國家大劇院逐步建成了一套穩定、高效的樓宇自控系統，實現了對建筑物機電設備的集中管理，是集監視、控制、預警、警告等多項功能于一身、集專業經驗與智能技術于一身、集先進的網絡通訊技術與自動化技術于一身的具有精細化管理模式的設備管理中心。

樓宇自控中控室是機電設備指揮調度中心，網絡構架由C/S升級為B/S模式，所有設備運行狀態于工作站上一目了然，警告信息彈出報警，設備運行按照日程設定自動啟停，末端設備根據程序判斷自動調節，反饋回來的各類參數作為調節判斷的依據。

3 樓宇自動化系統在設備節能管理上發揮的作用

對于設備的節能管理，重點在于兩大主要監控對象：空調系統和照明系統。而具體管理手段和措施，是在運行過程中依據大劇院的建筑特點和特殊要求逐步摸索而來。利用樓宇自動化系統的數據采集、數據顯示、報表統計和警告等功能，完成或協助完成各類設備的運行管理、維護維修和節能管理。

3.1 公共照明節能控制

國家大劇院公共照明整體控制遵循演出時段和參觀開放時段不同模式的原則。

1)區域光照度控制

國家大劇院南、北水下廊道和玻璃穹頂的特殊建筑結構使得環境照度受室外光照射影響較大。為了更好地節能，同時為了避免陰天影響白天參觀時段各區域的基本照度，通過安裝在不同區域的照度傳感器采集光照度信息，DDC控制器接收到光照度數據之后和設定的閾值進行比較，如果光照度值小于等于閾值則部分受控燈具打開，如果光照度值大于閾值則受控燈具關閉。

2)演出保障

國家大劇院演出多在晚間。劇場四周的功能照明在該劇場有演出時依次開啟，在觀眾進場時開啟那些表達空間形態、營造環境氣氛的燈具，營造大劇院的空間視覺效果。當穹頂遠離夕陽的照射或陰天下雨光線暗淡，光感值下降到閾值時開啟筒燈等基礎照明。

在整個劇院都無演出時只開啟應急照明。

白天開放參觀，對于觀眾參觀路線的照明同樣使用光感控制部分燈具的開啟。

3.2 末端空調機組節能控制

在保障參觀和演出時段舒適溫濕度環境的前提下，盡可能地啟用節能運行控制方式是空調節能運行管理的基本原則。國家大劇院共有空調和新風機組88臺，排風機90臺，總排煙風機16臺。樓宇自動化系統完成所有空調機組和排風機組的自動控制啟停、溫濕度的調節和空氣換氣循環的任務，自動控制與新風機組配套的排風機、車庫排風機、總排煙風機，使封閉空間的氣流組織有序地循環。公共大廳和四個劇場的環境溫濕度環境涉及室外天氣條件的判斷、冷熱源出水溫度的設定、總排煙風機運行臺數、各空氣處理機溫濕度的控制、演出時間與觀眾人數等諸多因素。樓宇自動化系統與無線測溫系統進行實時通訊，根據設定值將劇場內的無線測溫加權值作為相關調節參量，隨時調整各類設定參數，從而完成一系列的自動調節。

1)空調節能管理措施

(1)對于為公共空間服務的空調機組，原設計將回風溫度作為被控對象，通過實踐運行發現因回風溫度熱惰性大而影響控制效果。通過監測現場溫度反饋，適時調整設定溫度。將送風溫度作為受控對象，不但可提高控制效果，而且可縮短調節時間，提高效率，減少冷量多余的消耗。

圖1 空調機組的優化控制

(2)對于啟閉有規律的設備，為其設定科學的日程管理，減少人為失誤概率，提高設備運行效率。

(3)將部分空調機組的過濾網壓差報警改為微壓差檢測，將原有只檢測過濾網壓差是否大于一個數值改為監測過濾網兩端的壓差值，為更換過濾網提供科學的依據，既保證了內區對新鮮空氣要求高的新風質量，又可降低室外空氣清新時期更換過濾網的頻率，節省資金，避免資源浪費。

2)優化節能控制策略

對于國家大劇院這種高級別的演出場所，環境溫濕度要求比較嚴格，既能滿足演出劇場的溫濕度要求，又可最大限度地節能降耗是作者一直探索的課題。

1)過渡季新風閥的調節

過渡季如何充分利用室外空氣來調節送風溫濕度是作者比較關心的問題。為劇場送風的空調機組和公共空間的空調機組，在改造之前的工作方式是設定當室外溫度在18℃～22℃時自動將新風閥開為100%全新風狀態，利用室外空氣提供制冷。

為了在18℃～22℃范圍之外的過渡季仍可利用新風作為冷/熱源調整送風溫度的目的，優化了部分空調機組程序，將室外焓值與室內焓值比較，如非演出時段，自動連續調節新風閥開啟度，最大限度地利用室外新風調節送風溫度。在演出時段，在保證最小新風量的基礎上PID調節新風閥開度，以實現最大限度地節能。

2)除濕節能的優化控制策略

夏季為了保證劇場內濕度，對于六管制空調機組設定13℃露點溫度的控制目標，在此基礎上調節再熱水閥開度保證送風溫濕度。但是夏季不排除室外有高溫低濕的天氣條件，13℃的露點溫度不免有些浪費。在沒有高要求的演出時段，嘗試將混風露點值參與控制回路，與混風溫度做比較，當機組內空氣含濕量偏低時適當減小除濕量，同時熱水供應量也相對減少，在達到送風溫濕度要求的基礎上，盡可能地降低能耗。

3.3 冷熱源設備節能控制

1)冷水機組設備的節能管理

冷凍機組設備是空調系統中裝機容量最大的設備，其成套設備是否能高效運行非常重要，也是節能管理的重點。樓宇自動化系統主要控制的設備有冷熱水系統的補水泵、空調二次泵、風機盤管二次泵。通過Modbus協議讀取冷凍機參數。

通過與冷凍機的聯機通訊，設備監控系統可根據冷凍水供回水溫度、冷卻水供回水溫度、冷凍機電流百分比、出水溫度設定等參數，在幾種模式選擇的前提下，再結合室外環境計算出啟機數量，為值班人員手動操作提供參考。冷水機組及其他相關設備同樣具備控制功能，但目前的管理方式為只監不控。

圖2 空調二次水泵的優化控制

2)熱源設備的節能管理

國家大劇院熱源供應來自市政熱力熱水。通過一次管道上的熱計量表可監測熱水使用流量。熱源設備的自動控制主要為二次水泵的調節和控制。

3)二次循環水泵的節能管理

國家大劇院的冷水和熱水循環系統均為變流量運行，設備監控系統自動調整循環水泵的運行臺數和頻率以適應末端設備的換熱需求，既能保證水系統的動態平衡，還可節能降耗。

根據大劇院參觀、演出活動特點編寫控制程序：白天循環水泵在設定時間開啟并按白天壓差設定值調節水泵和臺數，夜間在規定的時間按夜間設定壓差值維持水泵循環運轉，水泵根據設定自動增加/減少臺數或者增減頻率。冷/熱水的空調二次泵均各為4臺，多數時間運行2臺，程序根據設定的組間輪換時間自動兩兩倒泵，組內的2臺水泵還可根據設定時間自動輪換運轉。

4 結束語

眾所周知，樓宇自動化系統的存在目的有三：一是提高設備運行效率；二是減少人力，提高設備管理水平；三是節能降耗。但目前國內的建筑物可將三個優勢都發揮出來的并不多見。經過幾年不斷完善與升級，國家大劇院樓宇自動化系統基本能發揮上述三個優勢，但仍有不盡人意之處。問題一：以目前的狀況來看，因硬件條件不具備，沒有電量分項計量，因此能源分項計量管理處于空白狀態。問題二：對于冷水機組的群控和市政熱力一次水等調節模式，有待于進一步摸索尋找自動控制模式與實際操作的最佳契合點。

作者希望通過努力，利用樓宇自動化系統建立一套集末端負荷數據精準采集、空調機組和冷熱源自動關聯控制、自動調整冷熱源的一次水流量、能源需求管理等功能于一身的設備管理模型，做到物盡其用，使樓宇自動化系統節能管理的優勢進一步發揮出來。