HVAC的節能性、可測性

HVAC的節能性、可測性

上海申弘閥門有限公司

1 前言

在公共建筑的全年能耗中，大約有50%~60%消耗于采暖通風與空調（含冷熱源）系統，且其節能潛力很大。建設節約型社會理念，促使采暖、通風與空調（HVAC）節能應用技術發展與實現。由于HVAC工程師與樓控(BA)工程師密切合作，HVAC控制已獲得了成功的范例。但是，HVAC工藝設計缺少可測性，可控性和節能性的實例仍然存在，這時，無論在自控系統進行怎樣的投資，也無法實現HVAC的節能控制。多年來的的實際工程，使我們有以下幾點體會：

• HVAC的節能性是節能控制的前提條件。
• HVAC節能設備的運行管理，必須依靠自動控制。
• HVAC要實現自動控制，必須具備可測性、可控性。

2  HVAC節能性是節能控制的前提，自控是節能運行的必然

以下簡單回顧HVAC節能裝置及其控制，說明自身節能性對節能的重要性，而自控是節能運行的必要條件。

•  節能冷、熱源系統及其自控的必要性

2.1.1 熱、冷、電聯產（CCHP）

CCHP是一種建立在能量的梯級利用概念的基礎上，將制冷、供熱及發電過程一體化

的多聯產總能系統。《公共建筑節能設計標準》中指出“具有熱電廠的地區，宜推廣利用電廠余熱的供熱、供冷技術”。

(1) *性

新型能源生產、供應系統，其能源利用效率高；用戶無污染；可緩解電力供需矛盾；

運行費用低，多增加的投資4年內償還。

(2) 必須進行集中監測、控制與管理，如溫度、壓力、流量的監測與控(3)實例西安西郊熱電廠中間抽汽――西安西開發區換熱站     蒸汽供吸收式制冷機

                                                  如新材料園、開發區創業中心

                                汽-水換熱器熱水供小區采暖

2.1.2 冰蓄冷

冰蓄冷系統是在電力負荷低谷期（夜間），用機械壓縮式制冷機制冰，將冷量以冰的形

式貯存起來。在電力負荷高峰期，用融冰將冷量釋放出來，實現移峰填谷，，以滿足空調負荷需要。

(1) *性

減少業主運行費用（低谷電價低）；實現國家電網移峰填谷，平衡電網負荷。

(2) 應用條件

一般，在設計日蓄冰供冷>空調負荷的40%；電力峰谷差價>2；使用雙工況壓縮式制冷機。

(3) 應用實例

西北電力調度通信樓冷站等工程（西安）。

(4) 監測控制

由于冰蓄冷系統與常規制冷系統在監控與管理方面不一致，其監控與管理更為復雜。例如，以西北電力為例，23:00～7:00為主機單制冰（兩臺主機）應按負荷預測決定制冰量；7:00～17:00為主機與融冰聯合制冷；應按實際冷負荷自動調節融冰和主機供冷的比例，盡可能地把蓄冰在當日用光。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。為此，需要控制多達12個電動閥門（電動調節閥和電動蝶閥）、冷機及附屬裝置（水泵、冷卻塔等）按不同工況進行控制。

難點：負荷預測

小插曲：本大樓位于居民區內，冷卻塔（4臺）設備在附樓屋頂，夜間蓄冰工況風機噪聲擾民嚴重。如果冷卻塔設計在主樓屋頂則噪聲影響可大大減輕，可見，規劃、設計是一個系統工程，牽扯到方方面面。

2.1.3常規冷站及其冷機臺數控制――負荷隨動跟蹤節能系統

(1) 利用實測冷負荷進行冷機臺數控制

機械壓縮式制冷機冷站占應用少則數十千瓦，多則1、2百千瓦，按負荷需求啟動冷機，可達到較好的節能效果。

(2) 應用實例

屬常規應用，很多工程上采用。實例工程說明：需要采用自動控制，控制方面分為兩

種：閉環自動控制；開環操作指導控制。

(3) 蓄熱系統及其控制

電熱鍋爐蓄熱、太陽能蓄熱，故需進行監測與控制。在西北電力調度通信樓應用電鍋爐。

(4) 空氣源、水源、地源熱泵節能及其控制

利用可再生的自然能源制冷和制熱。

應用實例：漢陽陵地下保護陳列館（陜西咸陽）采用地下水源熱泵冬季供熱，夏季制冷。3口井，夏季從1號井中抽水供冷機冷卻水用，然后回灌到2、3號井，作為冬季蓄熱用；定期1、2、3號井分別為抽水、回灌井互換使用，井間距50m。井與井間只用一根管連接，井口需要電動蝶閥等設備，按程序開、關，以滿足井互換使用要求。為此，必須采用自動控制系統，進行集中遠程監控，才能完成系統工作。

以上是冷、熱裝置節能控制。

2.2 輸送系統節能及其控制的必要性

2.2.1 變風量（VAV）輸送系統節能控制

(1) 應用場合

利用負荷測量（反映負荷的風管靜壓或反映負荷的末端閥門開度）自動控制風機轉速達到節能，效果明顯。空調系統必須按VAV設計。

必須采用自動監測與自動控制技術，才能達到節能運行，取得節能效果。

(2) 應用實例

西北電力調度通信樓。

2.2.2變水量(VWV)節能系統及其控制

(1) 應用場合

   利用實測負荷控制水泵轉速的負荷隨動系統。

應用在空調制冷系統的冷凍水、冷卻水系統及生活給水的定壓供水系統上。水泵一般都在數十千瓦，其節能效果也很顯著。

應用在冷站上，冷機應允許冷凍水、冷卻水有一定的變化范圍。例如，遠大吸收式制冷機冷凍水流量允許在50％～120％；冷卻水流量在40％～140％之間變化。

低頻率要求：保證供水不利點資用壓頭；蒸發器、冷凝器低水量要求。當冷凍泵保證了蒸發器低水流量要求時，可取消壓差旁通。

(2) 應用實例

西安開發區創業中心冷站

2.3 末端裝置節能及其自控的必要性

2.3.1 變風量（VAV）末端裝置的控制

(1) 應用場合

采用VAV末端裝置（風量調節閥、風機、流量測量及DDC裝置等）代替傳統的風機盤管裝置（FCU）調節室溫，利用調節進入房間的風量（一次風）調節室溫。

優點：總風量按負荷需求變化，可節約風機能量；免去冷盤管漏水和滋生細菌的可能。

(2) 應用實例

西北電力調度通信樓

(3) 工程中遇到的問題

VAV末端裝置（含DDC）應整體設計組裝，不允許現場組裝（包括回風過濾網都不能隨意更換）。末端DDC的選擇要安全可靠（一般末端DDC掛在現場總線上，經區域控制器接到C總線上），在整體出廠前已調試好。噪聲控制（特別是串聯型帶風機型）雖然是HVAC自身的問題，但影響總體效果，應關注。

2.3.2低溫送風系統及其控制

(1) 應用場合

空調低溫送風可大大減少輸送風量，不但風管尺寸可以縮小，且使風機輸送功率減小，有利于節能。空調機組在VAV系統中是調節送風溫度恒定，其他監控內容同一般空調機組。

應注意，送入的一次風（低溫）應與回風（室內）混合后送入房間，以避免冷風感。

(2) 應用實例

西北電力調度通信樓

(3) 室外溫度補償控制――室外溫度隨動系統

    應用在舒適性空調的空調機組送風系統上，維持室溫（或回風溫度）恒定。但室溫設定值隨室外溫度變化而按比例變化，達到既舒適又節能的目的。下面是室外溫度補償控制的一例。在夏季室溫設定值隨室外溫度增加而增加，可減少室內外的溫差造成人體的不舒適感；當提高1℃設定值，可節約8%冷量，其節能效果可觀。          

                    圖1    新風補償特性例

Ks. 夏季補償比，本例為62.5%；Kw. 冬季補償比，本例為10%；

θ1c.室內初始給定基準值，本例為18℃；θ2A.夏季補償起始點，本例為20℃；

θ2c為冬季補償起始值，本例為10℃

將室外溫度傳感器及室內溫度傳感器的溫度信號輸入到DDC，由DDC運算后輸出室溫設定值，DDC控制空調機盤管上的電動調節的開度，改變冷（熱）水量，以恒定室內溫度。由此可見，室外溫度補償控制系統，必須依靠自動化系統才能完成節能運行。

2.3.3焓差控制

(1) 應用場合

充分、合理地利用回風能量及新風能量，實現節能控制。應用在空調機組送風系統，由于需根據新、回風焓值比較來控制新風量與回風量的比例，故空調機組的新、回、排風門都應是電動調節風閥。   

(2) 控制

利用溫度和相對濕度可以測出空氣的焓值，故需設置新風溫、濕度傳感器，回風溫、濕度傳感器，分別測量新、回風的焓值，DDC再進行比較兩者焓差，對新、回、排風門進行控制。

(3) 夜間凈化（利用自然冷源）

應用在由空調機組送風的商場、會議室、宴會廳等大空間場合，在夏季夜間室外新風溫度低時，室內采用全部送新風運行。一方面用新風置換室內空氣，增加衛生條件；一方面使維護結構，室內設施降溫，減少次日空調冷負荷。要求新、回、排風門能集中控制，并且一定要有排風裝置。此外，還有空調熱回收裝置的節能應用與控制等。

2.4 建筑設備容量正確選擇的必要性

HVAC容量是根據一年中不利的氣象條件選定的。但是，在實際運行中并不是始終處于不利的氣象條件，這就產生了冗余設計，這種冗余設計是合理的。

我們從2005年8月至今對西安市10家賓館、寫字樓的HVAC及自控進行初步調研，發現有過大的不合理冗余設計，對節能有不同的影響。雖然為我們調查的范圍不大，不具有代表性，只想將初步調查的結果匯報給大家，僅供參考。

在調查的十家中有三家冷機裝機容量過大，有的安裝兩臺冷機，在熱的天氣也只用一臺就夠了，冷機單機容量過大，不能進行臺數控制，不利節能。這種配置冷卻泵、冷凍泵也相應地會存在冗余過大的情況。

在十家中有三家冷機容量合理，但冷卻泵、冷凍泵容量過大。其中一家賓館無論開一臺冷機還是兩臺冷機，只開一臺冷卻泵、冷凍泵就可以了。可見在一臺冷機運行時，泵的能耗就顯得過大了。

在十家中只有四家HVAC采用了自動控制，其中還包括模擬儀表控制系統。有三家采用溴化鋰吸收式冷機，其中一家冷卻泵采用了變水量控制，取得很好的節能效果。

對已建成的系統，當水泵容量過大時，建議在滿足冷機對水量要求以及滿足不利末端裝置資用壓頭要求前提下，采用變水量控制，以達節能要求。

3 建筑設備的可測性、可控性是實現節能控制的必要條件

3.1 冷卻水路連接中的問題及改進建設

在進行冷機運行臺數控制時，同步地對冷卻泵和冷卻塔臺數進行控制，以節約冷卻泵、冷卻塔風機的電耗。 一般來說，一臺冷機對應一臺冷卻泵，一臺冷卻塔。還應說明，所謂一臺冷卻塔，有時是有兩個冷卻塔組合而成。為了實現冷卻塔運行臺數的控制，需要在冷卻塔進、出水管處設置大孔徑、價格昂貴的電動蝶閥，進行通、斷控制。    由于水路的不同連接方式，所需的電動蝶閥數量不同，這會影響造價，有的連接方式無法控制，失去可控性。下面舉工程事例加以說明。3.1.1冷卻塔入水口為環形供水管路    西安某物資管理局冷站為兩臺冷機、兩組冷卻塔（1﹟、2﹟），每組冷卻塔有由兩臺冷卻塔組合而成，冷卻塔監控系統如圖2所示，進水為環形供水。為對應冷機運行臺數，在進水管上需安裝多達8臺DN200口徑的電動蝶閥，在出水管上需安裝2臺DN250口徑的電動蝶閥，才能完成冷卻塔臺數控制，加大了監控設備的造價。  圖2冷卻塔為環形供水時監控系統圖        圖3 冷卻塔并聯供水監控系統圖

     為了減少電動蝶閥的數量，并實現冷卻塔臺數控制，可按圖3所示的管路連接，可有2臺DN250的電動蝶閥代替8臺DN200的電動蝶閥，可減少約10萬余元（按進口電動蝶閥計），而且簡化了控制器的數字輸出點（DO）,簡化了控制線路，提高了運行的安全性。

3.1.2 三臺（或多臺）冷卻塔接水盤連通

西安某發展中心大廈冷站采用三臺冷卻塔對應三臺冷機，而三臺冷卻塔的接水盤是連通的，如圖4所示。當停止一臺（二臺）冷機時，需相應停止一臺（或兩臺）冷卻泵，需相應停止一臺（或二臺）冷卻塔（即關閉一臺或二臺冷卻塔的進水電動蝶閥）。但由于各冷卻塔接水盤是連通的，故運行的冷卻泵的吸水不僅從運行的冷卻塔出口吸水，還從關閉的冷卻塔吸水，這所謂的“借水現象”。由于各個冷卻塔補水閥不停地補水，而泵的運行臺數又減少，進入接水盤的水流量，大于水泵的水流量，流量失去平衡。這樣，經過一段時間，接水盤就會產生溢水現象，這在實際運行中已經出現，系統失去了可控性。

為了能正常運行，建議去掉接水盤的連通管，使每個冷卻塔都有單獨的出水管路，并建議適當加大接水盤的容積，其監控泵程如圖5所示，在每個出水管路上安裝一個電動蝶閥，就具有了可控性。

圖4三臺冷卻塔接水盤連通監控原理圖            圖5 三臺冷卻塔監控原理圖

3.1.3組合式冷卻塔各臺分別供水

西安某科教館冷站中共有三臺冷機、三組冷卻塔，每組由兩臺冷卻塔組成，如圖6所示。這種方案需對六條水路進行控制，總需12臺DN200的電動蝶閥。

建議將水路改為圖7連接，由三條水路進行控制，總需6臺DN250的電動蝶閥，可節約大量資金，便于控制，增加了安全性。圖6 三組冷卻塔6條水路監控原理圖         圖7三臺冷卻塔三條水路原理圖

• 水流開關安裝間距及其建議

為了檢測水泵運行狀態，比較好的方法是在管道內安裝水流開關。水流開關是一組葉片，安裝在水管內。水泵不運行，無水流，葉片下垂；當水泵運行時，有水流流動，在水流動壓下，葉片發生傾斜，并帶動一個微動開關，發出水流信號。

    要求水流開關不能遭水擊，且在安裝位置的前后，應有5D的均流管道（D－安裝管徑）。一般安在水泵出口處，為了防止水擊，應安裝在水泵與逆止閥之間，防止葉片被沖擊損懷。

    在實際工程中，水施圖逆止閥與水泵之間的距離很短，無流量開關的安裝條件，只好安裝在逆止閥之后，對葉片已無保護作用，在實際工程中已發現有將葉片損壞的現象。產生這種現象的原因是由于水施設計與樓控設計脫節，以及水施在先，樓控施工在后造成的。

我們建議在工程規劃、設計初期，有關工種應多協調，建議水路設計、施工應保證水流開關安裝條件。

• 冷凍水路連接中若干問題及測量系統組建的建議

冷機臺數控制一般是依據冷站系統中實需冷負荷測量數據進行在線自動控制。有一個問題逐漸引起人們的重視：冷凍水供、回水干管與集水器、分水器之間的連接，對于正確組建冷負荷測量系統至關重要。

3.3.1 冷負荷計算及與管路連接的關系

(1)冷負荷計算

 QC＝CG(t2-t1)   KW                                              (1)

式中  QC-----實測冷負荷  KW;

      C-----水的比熱，4.186KJ/Kg℃;

      G-----負荷回水流量    Kg/S；

      t1t2---冷凍供水、回水溫度  ℃

    應特別說明，公式中G應為由負荷來的總回水流量，不應包括壓差旁通流量；t2應為負荷總回水溫度，不應為回水與旁通水的混合溫度。回水流量G用流量變送器(FT)測量，由于流量響應快，時間常數小，是實時測量QC的重要參數。

(2）管道連接對測量冷負荷的影響

目前，空調系統負荷側水系統多為變流量系統（利用電動兩通調節閥調節），而冷源側是定流量系統（保護冷機蒸發器）。所以在供、回水系統中設有旁通閥，并利用供、回水干管壓差信號，通過DDC自動調節旁通閥的開度，巧妙地一方面使供、回水干管壓差恒定，使系統壓力工況穩定；同時又滿足了負荷側變水量、冷源測定水量的要求。

    由于壓差旁通管路有的連接在集水器與分水器之間，有的連接在供、回水干管之間；以及由負荷來的回水管有的是多管、有的是單管連接在集水管上。上述不同連接方式對于測量公式中的流量G及T2都是不同的影響，下面舉幾個工程實例加以說明。

3.3.2壓差旁通連接在集、分水器，由負荷來的多管連接在集水器上

圖8 方案1  TE－溫度傳感器；          圖9 方案2（空調工藝由深圳筑博建筑工程設

FT－流量變送器；PT－壓力變送器         計有限公司設計）  

    圖8是這種方案的連接圖，是傳統的，暖通常采用的方法，這對于穩定供、回干管之間的壓差是有利的（集、分水器可視為穩壓器），但這種方案所測的流量G是負荷流量與旁通流量之和(泵的流量)，近似不變量；TE2是回水與旁通水流量的混合溫度。這種方案只能靠混合溫度與供水溫度之差來反映冷負荷。其所設置的昂貴的流量變送器失去了冷量測量的意義。

3.3.3壓差旁通連接在集水器與分水器之間，由負荷來的單管接在集水器上

圖9是由深圳筑博建筑工程設計有限公司設計的西安新材料園冷站系統，現運行良好。這種連接可以用一個流量變送器測量負荷回水總流量，也便于測量回水溫度，且容易滿足流量變送器安裝條件(足夠長直管段)的要求，保證了可測性、穩定性及測量精度的要求，也便于系統壓差工況的穩定。            

圖10 方案3（空調工藝由中國建筑西北建筑設計研究院設計）

3.3.4壓差旁通管連接在供、回水干管上

圖10方案是中國建筑西北建筑設計研究院為西安創業廣場大廈冷站設計的方案。壓差.旁路連接在供回水干管上，這種方案無論集水器上連接多少個回水管，均可采用一個流量變送器和一個回水溫度傳感器測量實際冷負荷，減少了硬件投資。這種方案在施工中，需注意保證流量變送器的安裝條件，即回水管從集水器到與旁通管連接之間要有足夠長的直管段，這在施工中稍一疏忽，就可能失去可測性。

    現在生產的冷機如溴化鋰吸收式制冷機其冷凍水、冷卻水的水流量允許變化值較大，為變水量節能控制提供了實施條件，下表為部分冷機有關額定參數。

考慮到近年來，隨著電子技術與應用的發展，使變頻器的性價比提高，提供了水泵、風機變頻調速的設備條件。因此，現在廣泛采用水泵變頻調速的節能措施來節約水泵電耗，同時也可以實現水泵軟啟動，使系統工況穩定。

由于空調用冷站的水泵約為數十千瓦，數量較多，建議采用變流量節能技術。由于是新技術應用，需考慮方方面面，比如，應保證不利末端資用壓頭的要求，應有一低電源頻率的要求；為保證冷機冷凍水、冷卻水低水流量的要求，應有一相應的低電壓頻率的要求。這要綜合各方面要求，鎖定電源頻率。另外，如果冷凍泵低電源頻率保證了蒸發器的低水流量的要求，可以免去旁通管路。

冷凍水泵變頻調速一般是根據冷負荷測量參數進行的，冷卻水泵一般是根據冷卻供、回水溫差來進行的，故都應合理組建測量系統。

3.4建筑設備強電控制柜應具有被遠程控制可能

3.4.1 冷機、水泵、風機等的強電控制柜應具有手/自動轉換開關，開關置于手動位置，可在現場用啟、停開關調試開、停；開關置于自動位置時，可由BA進行遠程控制啟、停。

3.4.2 照明控制箱應具有手/自動轉換開關，并具有照明控制用接觸器。當轉換開關打在手動時，現場手動控制照明；當開關置于自動位置時，可由BA對照明進行控制。

3.4.3 空調機組的新、回、排風門應有電動調節風門，便于節能控制。

4. 設計、施工中存在的問題及其建議

規劃設計應考慮到節能、管理等的要求，并按照《公共建筑節能設計標準》“對建筑面積20000㎡以上的全空氣調節建筑，在條件許可的情況下，空調系統、通風系統，以及冷、熱源系統宜采用直接數字控制系統”。 

4.1 規劃、設計初期水路布置存在的問題及其建議

由于規劃、設計初期各專業間缺少配合、交流，所以有關管道布置不一定都考慮到可測性、可控性的問題。但是，現在大多數空調都采用了樓控系統，所以有關管路的布置就顯得突出。

我們建議應為正確組建測量系統而布置管路的連接。例如，流量變送器要求在其安裝位置的前、后（按水流方向）有一定長度的直管段要求，一般要求*D、后5D（D—安裝管徑）。這是為了消除管道中流動的渦流，改善流速場的分布，提高測量精度和測量的穩定性。直管段的設計應按照具體流量變送器及管道中阻力件的情況，按說明書要求而定。為了延長流量變速器的使用壽命，流量變速器應設計在回水管路上。

另外，在電動調節閥、電動蝶閥管路上，應設計有手動截止閥，以便于日后維修方便。

4.2 強電控制柜及空調設備訂貨要滿足BA要求

4.3 樓控設計應與HVAC設計緊密配合，避免設計脫節、漏項、錯項等。提出對HVAC節能性、可測性、可控性的要求

4.4 各工種施工配合存在的問題及其建議

冷站及其控制工程是多工種、多技術的綜合工程，需要建筑設備工程師、給排水工程師，樓控工程師及現場施工工程師緊密配合，相互明確分工界面又相互支持，才能保證測量系統的正確組建。

在實際工程中，水施常常為了減少占地面積，使管路安裝非常緊湊，無法保證儀表對測量的要求，需要整改、延誤工期，造成浪費。建議施工中引起各方面的重視。

總之，我們建議設計部門、業主和集中商應遵循建筑設備、建筑電氣、建筑設備自動化一體化整合設計的理念，在規劃、設計和施工中，都需要多工種的密切配合。相互提出技術要求，相互協調。我們深深體會到在樓控的方案設計中，建筑設備工程師起到*的作用。在這里我們祝愿建筑設備界的朋友們在今后的工作中做出更大的貢獻。

本文提出的問題是從測量與控制角度提出的，是否準確，尚望建筑設備、給排水工程界及自控界的朋友們予以指正。

參考文獻：

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[4]張子慧、黃翔. 樓宇控制系統存在的問題及改進建議. 《電氣&建筑》. 建筑弱電冊. 2003.11

[5]遠大Ⅷ型雙效蒸汽制冷機樣本

[6]遠大Ⅷ型直燃機樣本

[7]公用建筑節能設計標準  GB 50189-2005

與本文相關的論文有：低溫安全閥在黑龍江建龍鋼鐵應用