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【摘 要】本文介紹了樓宇自控產品專業制造商Delta controls總結多年能源管理及咨詢方面的經驗和施工、調試過程中遇到的一些問題而得的，一套暖通空調系統控制中的行之有效的節能措施，對冷熱源系統、空調系統及VAV系統的節能控制進行了詳細的論述。
【關鍵詞】空調控制 經驗 節能措施
隨著我國經濟建設的發展，商用建筑（寫字樓、賓館、飯店、大中型商場等）大量興建，而這些采用中央空調的商用建筑普遍存在著高能耗的問題；這將會導致能源供應緊張的局面加劇，給經濟的持續發展帶來不利影響。在采用中央空調的建筑中，中央空調能耗一般要占去整個建筑總能耗的50％左右，在商場和綜合大樓中，這一數字更可能高達60％以上。因此，節約商業建筑空調能耗是刻不容緩的。
空調系統的能耗主要由兩部分構成，一是為了供給空氣處理設備所需冷量和熱量而產生的冷熱源能耗，如壓縮式制冷機的電耗，吸收式制冷機的蒸汽或燃氣消耗，鍋爐的燃煤、燃油、燃氣或電能消耗等；一是風機和水泵為房間送風和輸送空調循環水時消耗的電能。
通過樓宇自動化系統（BAS）實現對空調末端設備的節能自動控制——當空調負荷發生變化時，采集相關參數值并代入運算，根據運算結果改變冷水機組工作狀態、冷凍（溫）水和冷卻水流量以及冷卻塔風機的風量，確保冷水機組始終工作在效率最佳狀態，使主機始終處于高轉換效率的最佳運行工況，可以達到節能的目的。
另外，通過BAS對中央空調系統末端的新風機、空調機乃至風機盤管等裝置進行狀態監視并進行“精細化”控制，也就是利用DDC（直接數字控制器）對檢測的相關量值進行PID（比例、積分、微分）運算，實現對上述設備的PID控制，也可收到一定的節能效果，同時創造舒適的環境。
本文將介紹Delta controls根據多年建筑節能及能源管理的施工、調試的經驗總結出的一套行之有效的空調系統控制中的節能措施，為建筑節能乃至全社會的可持續發展提供助力。
1 供回水溫差控制
令冷水系統或熱水系統保持供回水處于大溫差（避免溫差過小）狀態是一項具備明顯經濟優勢的節能措施。
中央站（冷水機組、鍋爐或板換）冷水或熱水的供應流量會因空調末端負荷大小的變化而變化，空調末端負荷大小的變化受溫差（室外溫度與空調送風溫度）的影響較為明顯。定流量空調系統中該“因變而變”的現象且較為顯著。事實上，為了適應末端流量變化的需求，往往出現冷水或熱水會一如既往的經供水管道、風機盤管、回水管道流走。但是，大部分時候，這些冷水或熱水是過量的，也就是說，中央站（冷水機組、鍋爐或板換）并沒有進行應有的減小流量方面的調節。這樣的話，定流量空調系統中，中央站（冷水機組、鍋爐或板換）缺少應有的節能措施，從而難以制造相應的節能效益。變流量空調系統正是為了解決上述中，定流量系統難以根據末端負荷的變化調節流量而造成的能源浪費，這一問題而被設計出來并得到應用的，但是現在已經有針對該問題進行有效解決的設備和設計方案。
（1）去除空調水的供回水旁通支路設計
在當下這個網絡數字DDC控制和VFD控制盛行的時代，當今的冷水機組和熱水鍋爐已具備視負荷大小進行功率調整的能力，空調水系統無需考慮旁通設計。如設備選擇合理，完全可以消除供水系統和回水系統混合的現象，保證所有的空調供水在任何時間只進入負載設備。
（2）水泵分組
去除供回水旁通支路并不意味著只需一組冷凍水泵即可完成工作。在大型的供水系統中采用一次泵/提升泵成組設計將會使系統非常高效，并且可以大幅降低備份系統建設的實施成本；同時，現代化的基于網絡的控制系統將使泵組的運行得到有效的控制。
（3）對每個負載進行溫差監測
一旦空調分水支路或三通閥門已經安裝，造成低溫差問題的唯一源頭就只能是HVAC末端冷凍水的供水直接流進回水。要解決這一問題，需在空調設備的回水管路安裝溫度傳感器，并使用回水溫度做為閥門控制的條件參數；如果回水溫度接近設定值，即對閥門的開度加以限制。如此不但可有效解決低溫差的問題，同時還對提高設計人員閥門規格選擇的靈活性有所幫助。
2 AHU節能控制
節能控制的關鍵問題是能否“使用室外新風來實施無功耗制冷”。在實現“使用室外新風來實施無功耗制冷”的過程中，兩個應用較多的技術是干球溫度切換和焓值控制。其中干球溫度切換是指以室外干球溫度為上限，根據氣候條件在23~26℃之間調節溫度設定點。該技術使用簡單，故障排查容易，僅需要一個室外溫度傳感器即可實現應用。
但是，僅依靠一個室外溫度傳感器可能會因工作條件的影響（如陽光直射影響）而無法滿足應用的需要。安裝多點位的室外溫度傳感器進行溫度采集，通過取平均值或最小值的方式進行處理是可行的方法；同時，多傳感器的安裝使用也可以提升信號的可靠性。此外，在系統中引入GCL+（編程語言）可實現在計算前檢測傳感器是否處于故障狀態，從而在事前確定是否將其檢測結果納入計算過程。以上顯著的技術優勢決定了干球溫度切換可以適用于大型建筑群的系統。
然而，盡管干球溫度切換實施成本低廉，但它的工作特點決定了它不適用于高濕度的氣候區域。在這些區域，應采用焓值切換作為比較室外新風和室內回風的全熱量（焓值），選擇熱量低的風源為主要風源的處理方式。
在大型系統或變回風（熱負荷變化明顯）的空調系統中，可以采用監測空氣焓值，根據監測值控制節能動作的技術手段；在較小型的系統或回
風濕度沒有明顯變化的系統中，可以根據空氣焓值的監測值來進行焓值的穩定性控制；
在很多節能裝置中，常進行風量控制用來保證所需的室外新風量。風量的測量的方式方法是多種多樣的，而控制實現的目標都是類似的：在保證最小新風的前提下，實現溫度的舒適性控制。
滿足風量需求的前提下的干球溫度切換的控制流程（空氣側）如下：
◆ 在送風風機關機/預熱（冷）時段、夜間低溫保護或手動強制模式下，保證新風風門全關；
◆ 對新風風門、回風風門、排風風門的開度進行PID調節，維持混風溫度處于溫度設定點；
◆ 在制冷模式下設置混風溫度為較排風設定溫度低1.2℃，在制熱模式下設置混風溫度等于排風設定溫度；
◆ 當室外新風溫度高于溫度上限值（初始值為24℃，可調整）時，在CO2條件控制下保證室外新風量最小；
◆ 回風風閥開度由送風靜壓控制時，調節新風風閥維持混風溫度處于設定點。
其中的兩個技術關鍵點是建筑室內靜壓控制（忽略新風風門開度的影響，模擬調節混風風門開度）和根據排風溫度調整混風溫度設定點（在不同的現場模式下采用不同的溫度補償量）。
3 夜間換風（無功耗或微功耗）制冷
夜間換風被用于建筑使用前的預冷，要求室外新風閥和排風閥全部打開，回風閥完全關閉。
如果需要進行氣流跟蹤監測，則要保證送風風量不大于回風機風量，將建筑靜壓設定點設為零。VAV BOX的流量至少應該設為最大風量的50%；如果能維持有足夠的風量分配給所有的VAV BOX，那么每個VAV BOX都應該以最大風量運行——這將顯著減少對風機功率的需求，并停止風道靜壓重新設定，保證風機能夠維持低速運行。夜間換風特別適合于對建筑外區的預冷，也適用于建筑內區。如果某些個別區域的換風效果已經超過設定的要求，這些區域的風機應該恢復到閑置狀態（關閉），以防出現過冷的情況。而在進行區域換氣時，再熱設備必須處于鎖定停止狀態。
在滿足以下條件時，可激活換風模式：
◆ 室外空氣的干球溫度至少低于外區平均空間溫度10℃；
◆ 外區的平均空間溫度高于占用狀態冷卻設定點5℃；
◆ 在建筑被占用之前6個小時以內。
實施夜間換風能節約多少能源呢？這取決于進行夜間換風當時的氣候條件（自然冷卻的時間越長，耗能越少）、公共設施耗能（如果按需供電，能節省得更多）和內部負荷需求。但是，采用夜間換風控制策略的附加費用幾乎可以忽略不計，因為所有的硬件設備很可能早就存在了。可以利用趨勢分析和累計法，對夜間換風時段的風機能量消耗及預估的冷卻節能效果進行跟蹤。
此外，夜間換風也對保證室內空氣質量滿足要求有所幫助。通過換風能夠清除建筑內的臭氣、煙和其他空氣污染物。
4 空調冷/熱水供水溫度再設定
重新設定加熱水和制冷水的溫度設定點以滿足系統負荷要求是自氣動控制時代就有的一種控制策略；然而與氣動控制系統不同，DDC系統可以用精確的區域負荷驅動技術來實現對設定點的重新設定。
采用根據加熱閥的開度對熱水供水溫度進行再設定的控制方法，可保證系統只在有加熱需求時執行開閥命令（以供水溫度為依據）。冷凍水供水溫度再設定也可采用同樣的方法，即只在有制冷需求時，調節冷凍水閥開度，再根據冷凍水閥的開度來進行對冷凍水供應溫度的再設定。
為什么要重新設定供水溫度呢？因為這樣做可以減少傳輸和待命損耗，允許閥門工作在接近于其“最佳狀態”的位置上。對于冷凍水系統，冷凍水供水溫度每提高1℃，冷機效率就能夠提高大約1%。
例如：當項目中投運的HVAC末端設備足夠少、空調負荷足夠小時，勢必導致HVAC空調末端總體冷/熱水能量需求偏小，造成空調的水閥開度過小，直接造成冷/熱水流量偏小，甚至低于一臺水泵最低頻率下的流量。如果，這個流量依然大于需求流量，那么，會造成過量的冷/熱水經供水管、盤管流回回水管的現象。這時，空調冷/熱水供水溫度再設定就變得十分必要了。
而在這種情況下，如果冷熱媒的供水溫度可調節——比如，在夏季，將其自7℃提升至9℃，就會得到一個可喜的效果——小能量、大流量，最大程度地避免了小流量現象引起的直流現象。
因此，BMS（Building Manage System）必須具備設定冷凍水或空調熱水供水溫度的功能。BMS可以通過以下方法實現空調冷/熱水供水溫度的再設定：
1) VAV BOX根據末端風閥閥位狀態計算出所需的最佳冷卻量，從而將VAV風扇速率、風道靜壓設得盡可能低。
2) 在不會導致區域過分加熱的前提下，將VAV送風溫度設定得盡可能低——曲線降低，直到至少一個區域（區域數可調整）要求充分加熱。引入閥門執行器（尤其是三態閥）的開度反饋、實施加熱指令（模擬控制閥）控制是實現這一目標的兩種方式。當可使用自然冷卻時，將送風溫度再設定到可能的最低值。
3) 在滿足冷凍水散熱最大需求的前提下，將冷凍泵壓差、泵速設的盡可能低——曲線降低直到至少一個閥門處于全開狀態（最多不能超過可調整的設定數量）。
4) 在保證最多只有不超過一個冷凍水閥門全開的前提下，將冷凍水供水溫度設定得盡可能高。
5) 在滿足換熱器最大換熱需求的前提下，將熱水泵壓差、泵速設定得盡可能低——曲線降低直到至少一個閥門處于全開狀態。
6) 在保證最多只有不超過一個調節閥全開的前提下，將熱水供水溫度設定得盡可能低。
以上列出的所有再設定都要基于以下兩個原則：
◆ 泵和風扇的運行速率最小化（通常約為額定功率的20%）；
◆ 冷凍水和熱水流量需求在保證冷機、鍋爐正常工作的前提下最小化。
這樣做的目的是減少總的能源消耗。
對關鍵部分的能源消耗進行監測和趨勢分析可以給控制策略的調整提供很好的支持。監測設備的輸出功率是一個有效途徑。根據冷機提供的功率監測值，再加上對鍋爐功率的檢測，可以實現對能源系統完整的監測。
5 變靜壓控制
在VAV空調機組風機的轉速控制中，一般根據風道最不利端或風道長度2/3處的靜壓值進行風機的轉速控制。VAV BOX的空氣流量需求通過風道靜壓設定點的再調整來保證得到滿足。變靜壓控制的工作機理是保證大多數VAV BOX處于理想工作狀態（風閥沒有全開），通過降低風道靜壓的方式，在不影響舒適度同時實現節能。
Delta controls的控制手段是每5分鐘監測一次是否有不少于85%的末端設備處于全開狀態，根據監測結果對風道靜壓的工作設定點進行加減調整。更為精細的處理手段是簡化空調分區，監測風閥的平均開度。
風道靜壓控制并不是唯一的控制手段，我們可以利用末端需求的反饋直接控制VFD的頻率輸出，調節風機轉速。此時，可將風道靜壓作為上限值來執行預熱、夜間換風、低溫保護，優化控制效果。
據粗略計算，2倍的風速需求需要8倍的電耗來實現。實現了VAV系統風機功率的有效控制，可以大幅減少系統的能源消耗。
同時，進行送風溫度的再設定也可以最大限度地減少風量需求，降低送風機送風頻率。對風機電耗和再加熱電耗數據的趨勢記錄，可以為操作人員提供排風溫度設定調試的參考依據。很顯然，較低的排風溫度更有利于提升盤管的冷卻效果。在潮濕的環境下，排風溫度還受到除濕作用的影響；因此數據的記錄顯得尤為重要——以此為依據，可使得控制措施的節能目標得到有效實現。
6 變流量泵的控制
對于HVAC變速泵的控制，Delta controls一般采取如下的控制方法：
◆ 用壓差變送器對變速泵進行控制（不直接用閥位置反饋作為控制點）；
◆ 在正向回水系統中，將壓差傳感器放置在最遠端；在逆向回水系統中，將壓差變速器在最近段和最遠端各放置一個；
◆ 根據閥位置反饋對壓差設定點進行重新設定，以實現能源消耗最小化；
◆ 控制水泵的PID循環速度很快，建議每秒掃描2次，因此應保證壓差傳感器輸入點和驅動設備的模擬輸出點在同一個控制器上（數據通過網絡傳送的速度不夠快）；
◆ 保證壓差傳感器的精度足夠高，最好達到±12inH2O（英寸水柱）或±0.4psig（磅/平方英寸）；
◆ 保證安裝在遠端管道上的壓差傳感器有足夠高的壓力等級，以便承受水擊的沖擊（建議選用能承受2000psig的壓差傳感器）。
7 VAV BOX的高級控制
（1）風道靜壓監測和控制
監測風道支管最不利端的靜壓力，控制器根據壓力需求調整送風機轉速來將靜壓力維持在設定點附近。
以排氣段（在所有防火閥前面）的靜壓作為安全控制監測值，當其達到高限值時關閉風機系統（VFD采用電氣連鎖實現安全關斷）。監測高壓開關并設置報警提示功能，在高壓報警復位前風機不自動啟動。
風道靜壓設定點應該根據VAV BOX服務區域的風量需求每5分鐘（時間可調整）重新設定一次：復位靜壓以保證最多15%的區域VAV BOX閥處于全開狀態；逐漸增大設定值以保證這些區域的VAV BOX風閥全開，保證傳輸的平均風量至少達到那些區域風量設定值的85%。
（2）排風和混風設定點控制
混風溫度設定點應該與送風溫度設定點相協調，以保證最大程度地利用自然冷卻，并滿足系統最小新風量的要求。
（3）VAV BOX最小風量設定
每個VAV BOX的最小風量設定值都要由區域控制器根據室外新風在中央空調VAV系統空氣處理器提供的當前一次新風中所占比例和VAV BOX服務區域的占用負荷進行重新計算。在試運行的時候，應該將每個區域的設計占用率輸入區域控制器，用這個值來確定室外新風需求的最小風量值（每個人20CFM）。如果某個區域被啟用，最小風量值應該保證新風換氣次數符合設計要求（如果使用風道電加熱，則最小風量至少要滿足保證風道加熱器運行的需要）。
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