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1、 第一章 空調自動化系統原理及接口1.0 智能建筑與空調節能 空調系統（包括冷熱源系統，通風系統，亦即通常所稱HVAC系統）及其計算機控制系統是智能建筑中必不可少的樓宇自動化系統（BAS）的重要組成部分，對于建筑物的一次投資和運行費用都有重要影響，特別是空調系統及其控制系統對智能建筑運行節電節能的突出作用應該是可以期望的對“智能”系統進行投資的重要回報內容之一。工程實踐的調查表明：目前大多數智能建筑或智能型建筑達不到節能的目的，不少建筑不能正常運行，有的BAS系統甚至從未開通。這里對造成此種情況的各工程環節：設計院設計，設備安裝，自控廠商及運行管理做了簡要分析，希望能對智能建筑的工程實踐有所幫2、助。本部分的最后提到了傳統設計方法對智能建筑設計任務不相適應的地方，針對我國工程的實際狀況，提出了空調系統及其控制系統在設計、調試和運行中三個不同層次的要求，提出了空調節能的有關環節和節能前景。1.0.1 智能建筑中空調節能舉足輕重智能建筑通常具備以計算機技術為核心的通訊網絡系統（CNS），辦公自動化系統（OAS）和樓宇自動化系統（BAS），并為建筑物內的工作人員創造一個舒適、高效的環境。因此，大面積空調以建立一個可控制的人工環境就成為智能建筑不可或缺的一個組成部分。而且，樓宇自動化系統（BAS）意味著整個建筑物的空調設備（包括冷熱源設備、通風設備，亦即HVAC設備）控制管理的計算機化；于是，3、建筑物內空調設備的計算機控制，就成了構成智能建筑特征的重要組成部分。在智能建筑中，為HVAC各系統服務的監控點數量常常占整個建筑物監控點總數的一半以上，HVAC各系統的耗電量常常占整個建筑物耗電量的一半以上。因此，空調設備和空調控制設備不僅對整個建筑物的一次投資（包括弱電系統投資）形成可觀的比例，而且對建筑物建成后的運行費用形成重要的影響。如果從建筑物整個生命周期的成本進行計算，情況就更是如此。事實上。智能建筑在運行費用方面的節省，包括節能節電和節省管理工作量和管理人員，是建筑物“智能”投資（“弱電系統”投資）的重要回報內容之一。在我國的智能建筑實踐中，已經有一年運行費用的節省超出弱電系統總投4、資的范例；但可惜的是，絕大多數的智能建筑目前還遠遠地做不到這一點。這也正是需要跟蹤探索并尋求解決辦法的重大工程實踐問題之一。1.0.2 智能建筑工程實踐的調查情況針對國內外智能建筑的發展現狀和發展前景，北京市科協下達了“智能建筑”軟課題。由北京自動化學會在一年零三個月的時間內（1996.3-1997.6），組織了北京工業大學及兄弟院校，從事自控、計算機、通訊、空調方面的教授、專家、研究生、本科生30余人，采用走訪、問卷、座談的形式對北京65座大樓進行了普查；對北京京信大廈、京誠大廈、中化大廈、長安俱樂部、遠南飯店、發展大廈、江蘇徐州中房大廈、上海博物館、上海市政府大廈、上海金茂大廈、河南鄭州期5、貨商城等建筑物進行了實地考察。這大約是自我國出現智能建筑或智能型建筑以來，針對智能建筑的發展狀況和它的內涵，所進行的一次比較全面、比較系統的調查研究。1調查表明：我國智能建筑市場存在著相當程度的混亂，技術行為不規范，智能化水平不高，用戶滿意程度不高，工程質量差，售后服務差，有的系統甚至不能開通，造成用戶投資的極大浪費。在智能建筑運行中，出現問題比較多的往往是BAS系統；而在BAS系統中，出現問題比較多的又往往是HVAC系統。主要的表現形式往往是：（）自動工作方式由于這樣那樣的原因操作不靈，（有的系統甚至從未開通過！），致使用戶長期工作于手動方式，使自動控制設備形同虛設，（不僅白白增加了投資，而6、且增加了維護負擔?。?；（）一些技術先進、能夠大量節能的系統，由于這樣或那樣的原因不能正常運行。比如在年前后安裝的VAV（變風量）系統，很多都在按定風量方式運行，且自控系統被拆除；（）承包商（系統集成廠商或控制設備廠商）所答應的系統集成功能集成不起來，致使有關HVAC設備處于孤立運行狀態。應該指出：在智能建筑運行中，BAS系統出現頗多問題的狀況并非我國所獨有，而是在其他國家和地區也不同程度的存在。年月，天津大學召開的建筑與環境工程國際會議上，一位香港理工大學的教師談到香港建筑中空調系統在運行中出現的諸多問題。作者在會議討論中曾要求給出出現問題的比例評估，回答是：大約是一半對一半，（精確統計很難做7、到）。一位英國專家，“Building Energy Management Systems”（建筑能量管理系統）一書的作者，G.J.Levermore在他著作的前言中寫到：“我確實經常詢問設計人員、用戶和學生們，他們是否知道任何建筑物在調試后運行良好，然而能夠回答的很少。我希望我的書會幫助減輕此類問題?！笨梢?，空調運行出現這樣那樣問題的情況相當普遍，只不過我國出現的情況，往往由于對工程項目的行政管理和技術管理力度不夠，對智能建筑的技術研究和總結的力度不夠，因此范圍可能更大些，問題性質更嚴重些。1.0.3 智能建筑空調運行問題的初步分析 當一棟建筑物，其VAV系統被取消，或其空調自控系統處于癱瘓8、狀態時，人們都急于了解原因是什么？是什么原因造成了如此嚴重的后果？現場分析的經驗表明：此種分析任務往往是十分艱巨的，問題往往盤根錯節，原因往往相互交織，有的甚至很難剖剝以便找到問題的真正根源。根據我國現行的設計體制，空調系統的建成和使用，大體上經過以下四個主要環節：（）空調系統設計，一般由土建設計院的暖通設計人員完成；（）空調系統安裝，調試，一般由設備安裝公司完成；（）空調自控系統的設計、安裝和調試，一般是在設計院暖通專業人員的參與下，由自控設備廠商完成；（）空調及其自控系統的運行管理，由業主委托的物業管理部門完成。根據我國工程實踐的目前現狀，常常出現的情況是：四個主要環節都沒有工作到位，形成9、下一道工序工作于上一道工序不到位的基礎上，這勢必造成技術脫節；而且問題一旦出現，又會成為責任不清、很難判斷的困難局面。下面針對比較普遍的情況加以說明：（）空調系統的設計是空調系統及其控制系統能夠良好運行的技術基礎。設計院一般能夠按傳統的辦法完成空調系統（包括冷熱源系統）的設備選擇，但對空調系統的運行往往考慮不夠，對于所提空調系統對自動控制的工藝要求條件也往往深度不夠。在由陸耀慶教授主編的“暖通空調設計指南”中提出：“設計供暖空調自動控制時，作為工藝設計者的暖通專業人員，應向自控專業人員提供下列各項資料：工藝流程圖；供暖、空調系統的平面圖，圖上應標明空氣處理設備、執行機構、敏感元件等的具體位置、10、動作情況、要求和量程等；有工況分區的表明空氣處理過程的焓濕圖；各個空調房間的溫濕度基數、允許波動范圍、整定值范圍等；在各種工況下，各種執行機構的動作要求及其工作狀態，如參數調節、全開、全關等；工況轉換的邊界條件或相應的控制程序；開機與停機的控制程序；各項參數的檢測要求和自動保護、自動聯鎖、自動報警以及顯示、記錄等的具體要求?！钡珡脑O計實踐來看，所提資料的深度普遍不夠。特別是其中的第條，一般沒有提供。這是一部分專業性較強的工作，一旦或缺，常常留下難以彌補的空洞。（）空調設備的安裝質量，是空調系統及其控制系統能夠良好運行的物質基礎。一些正規的設備安裝公司，目前都很注意工作質量，因此空調設備的安裝質11、量得到了很大提高。但安裝完畢之后，普遍沒能進行認真的測試。各個風系統和水系統，從干管到末端裝置，并沒有調整到設計要求值。因此，雖然也經過了工程驗收手續，但用戶接手的仍然是一個未經過認真調試的系統；而且不能排除工程本身可能存在著出力不夠，無法平衡，嚴重堵塞等重大隱患。（）由自控設備廠商完成的空調自控系統的方案設計、深化設計、安裝和調試，往往是目前出問題最多的環節。廠家在競標階段，往往就沒有在具體分析設計方案、系統運行、節能措施等重大技術問題上下很大功夫；而在工程實施階段，由于人力不足或專業不齊備或骨干力量不強，（外商工程部人力嚴重不足、與市場部不相匹配的現象普遍存在），就勢必造成相應的設計、施工12、和調試質量粗糙，遠沒有達到相應的技術要求，甚至有弄虛作假的現象。不少廠家，也包括一些世界著名廠商在中國的分公司，著眼于短期效益，不在工程質量和用戶服務方面下真功夫，長期運營卻未能樹立起節能樣板，相反，卻留下了令用戶可畏的根本未能開通運行的反面實例。（）在整個建設階段和長起運行周期，投資者的著眼點顯然起著控制和決定性的作用。就智能建筑的空調系統來說，空調系統對一次投資和運行費用的作用，業主往往估計不足，對重大技術方案（如VAV系統，控制方案選擇等）及其在國內外的實踐經驗往往心中無數。這樣，在BAS系統中占重要比例的HVAC系統控制的設計、調試和驗收等工作即可能處于某種盲目和失控狀態。一旦問題形成13、，可能已是上亦難下亦難的騎虎之勢。此外，業主還應注意選擇和培養一個合格的HVAC系統運行管理人員。智能系統能夠大幅度的節能節電，并大幅度的節省維護管理人員；但對運行管理人員的素質要求，卻大大的提高了。合格的運行管理人員，不僅要懂一般的機電知識，而且要掌握HVAC系統的運行原理，了解計算機網絡知識，具備豐富的實踐經驗。工程實踐表明，運行管理水平也是系統運行成功的重要環節。沒有這個環節，即使設計、安裝、調試等環節嚴謹，也是毫無意義的。1.0.4 智能建筑需要精心設計精心施工 種種行業上、工程上、以及歷史上的原因所形成，在傳統設計中確實存在著粗放的地方，比如在工程實踐中，用估算或實質上的估算代替冷熱14、負荷計算和水力平衡計算的現象普遍存在。這種“估算”設計，對于手動控制的傳統空調系統也許能夠解決問題；但對于以計算機控制為特點的智能建筑空調系統就遠遠不能滿足要求。應該指出，傳統的設計方法與智能建筑的發展不相適應的情況并非我國所獨有。一位美國專家，“Direct Digital Controls for HVAC Systems（用于暖通空調的DDC控制）”一書的作者，曾對此做過評述：“DDC控制技術的發展為改善HVAC系統的性能提供了機會，但在建筑設備系統的設計中卻很少去探索和利用這些機會。建筑業大多數設計工作是基于估算（rules of thumb），而不是嚴格的分析計算。打破現有設計和運行15、原則的想法仍然被認為是冒險。采用高性能控制的設計要求設計者反復考慮如何才能組成最高效率的系統，而這種考慮對目前廣泛應用的估算原則是一種挑戰。”從我國智能建筑實踐的實際情況出發，也許需要分三個層次，提出對HVAC系統及其控制系統設計、調試和運行的要求：第一，要確保HVAC系統及其控制系統的正常運行。這一要求本是最基本的，但卻并非所有建筑物都能真正達到。第二，是實現一定程度的節能。這一要求也原本是投資“智能”系統的正常回報，然而實踐中能真正做到這一步的就很少了。第三，是實現HVAC系統運行的全面優化。這一要求對于我國大多數智能建筑來說，恐怕是一種長遠目標，需要逐步達到。 建筑熱環境是多種傳熱形式和16、多種傳熱渠道交織的極其復雜的動態熱系統。真正實現智能建筑空調節能，將包括空調系統形式和空調設備的選擇，空調自控系統控制策略和自控設備的選擇，室外自由冷源和建筑物蓄熱放熱的巧妙利用，以及空調及其自控系統的運行管理等諸多因素。根據ASHRAE（美國采暖冷凍空調工程師協會）的研究成果：大型辦公樓建筑采用不同空調系統形式下的冷熱源全年能耗比較中可以看出，不同空調系統形式和不同控制方法，其冷熱能耗相差極遠，可以達到一倍甚至兩倍以上。如果在加上全面優化運行等措施，智能建筑空調系統節能的潛力是極其巨大的。1.0.5 參考資料1 北京自動化學會“智能建筑”研究課題組，“智能建筑”軟課題研究報告，1997.6；17、2 John Burnett, Jianlei Niu, Assessing the Environmental Performance of Air-Conditioned Office Buildings, Proceedings of International Symposium on Building and Urban Environmental Engineering, 1997;3 G.J.Levermore, Building Energy Management Systems, An application to heating and control, E&FN Spon,1992；4 陸耀慶主編，暖通空調設計指南，建工出版社，1996年5月；5 T.B.Hartman, Direct Digital Controls for HVAC Systems, McGraw-Hill, 1993；6 ASHRAE, Application Handbook, 1995。