节省投资及智能建筑能量计量方案.doc

节省投资的智能建筑能量计量方案 【摘要】由于在智能建筑中，节能问题是最重要的问题之一。而HVAC（采暖、通风和空调）系统消耗的能源要占到大楼消耗能源的很大一部分。因此，我们有必要来关注楼宇自控系统中能量的计量问题。以及在按照BACnet标准设计的楼宇自控系统中，对如何设计出既经济又合理的能量计费系统，提出了我们的看法。【关键词】智能建筑 BACnet标准 楼宇自控系统 节能 能量计量节能可以说是楼宇自动控制系统的出发点和归宿。众所周知，在智能建筑中，HVAC（采暖、通风和空调）系统所耗费的能量要占到大楼消耗的总能量的极大部分比例，大致在50%60%左右。特别是冷冻机组、冷却塔、循环水泵和空调机组、新风机组，都是耗能大户。采用最优化的节能控制模式来满足大楼的功能要求，不仅为物业管理带来很大的经济效益，而且还可使系统在较佳的工况下运行，从而延长设备的使用寿命。节能在楼宇自动控制系统的设计、制造、安装和使用管理中，是一个永恒的课题。节能的思想应该贯穿于工作之始终。 国家建设部颁布的民用建筑节能管理规定（2000年10月1日起施行）中明确指出，国家鼓励发展在建筑物的采暖和空调工程中采用节能技术（产品），供热采暖系统温度调控和分户热量计量技术与装置等。 在建筑技术政策纲要（19962010）中也明确指出，研究开发用户可自行调节的按实耗热量计量的仪表、采暖系统、节能型供热制冷系统设备。加强建筑节能标准化工作，包括民用建筑采暖能耗检测，空调能耗检测等通用检测方法标准等。 我国第一部“热量表”标准“CJ 1282000”也已于200l年6月正式颁布执行了。 本文仅对智能建筑中的能量（热量或冷量）的计量，进行一些探讨，以引起业界同行们的注意，使得节能问题成为从招标开始，在设计、工程的施工、验收和工程等级的评估方面，都能作为一个重要的问题来看待。 我们先来看一个例子。在美国旧金山市，很多联邦政府机构所在的450 Golden Gate Avenue（Phillip Burton Federal Building），这座建筑，有22层，建筑面积13万护，是旧金山市第二大办公大楼，是一座老建筑。在由ASHRAE（美国采暖、制冷和空调工程师协会）提出的BACnet协议，并迅速被批准为美国国家标准后，该建筑即被选为BACnet示范工程，按照BACnet协议来改造该建筑，工程项目的名称就是“450 Golden Gate Project”，大约有45家供应商参与此工程，由BACnet协议保证这些厂商之间的产品的互操作性，使其能协调一致地工作，该建筑共有1000多个DDC控制器，在1998年底完工并交付使用，并通过了严格的测试。由美国政府服务管理总局（U.S. General Services Administration，简称GSA）负责管理该建筑。改造后的建筑，其能量管理系统（Energy Management System，简称EMS）的运行费用，每年平均节约50万美元以上。这是一个在楼宇自动控制系统中，节能取得重大成果的例子之一。是BACnet协议作为楼宇自控系统的相关标准的大规模应用的首例，可以说在BACnet协议的历史上，是具有重大意义的成功例子之一。 在BACnet系统中，可以有一种方法来进行能量计量：1 采用专用的能量计量子系统 目前实际工程中采用得较普遍也是比较有名的就是法国的Schlumberger公司的系统。该系统的应用框图如图1所示。图1 Schlumberger公司的专用能量计量系统从图2可看出，冷冻水经过供水管进入空调器（或其他消耗冷量的设备）后，再从回水管作为回水出来，通过供水温度计、回水温度计和流量计，分别测得该时刻3个数据Tin，Tout和qv，数据采集单元中含有一个积分仪，在该积分仪上，就可直接读出累计消耗的冷量。同时可通过MBUS把数据送到数据集中器，进行统计，最后通过RS232口，把数据汇总后，送到楼宇自动控制系统。完成冷量计量。上述装置也可用来测试和计量热能。图2 数据采集单元方框图这种方案的优点是它自成体系，对于每一个能量的测试计量单元，就像每家、每户的电表、水表一样，每家、每户可以清楚地知道自己所消耗的能量，只要每个能耗单位的价格已知，就立即可知道所需付的金额。因此，对于要精确测定每个耗能单元的耗能情况，并由此进行结算时，这种方案应是一种方便而可行的办法，对于任何楼宇自动控制系统都可以采用。目前，国内已有类似设计思想的产品（冷热量表）在研制。2 采用BACnet系统的分布式控制方案 如果楼宇自动控制系统采用通用的BACnet系统方案，就可以全面地灵活地设计和规划控制方案，做到既经济又合理，并可充分地满足业主的各种要求。 首先，我们不妨来分析一下用户在这方面的需求。在一幢智能大厦中，要像电表或水表一样，做到每户（每个房间）都要精确地测定和计量热能（或冷能）的消耗情况，并由此得出每户（每个房间）应支付的费用，虽然在技术上是做得到的，但实际上是很困难的。因为一幢智能大厦，至少有几百个房间，按照第一种方案，就要几百个数据采集单元，按目前的价格，平均每个数据采集单元需要人民币数千元，甚至近万元，这样仅仅能量（热量或冷量）计量装置的初期投资就是非常巨大的，是大部分业主难以接受的。 既然精确的计量需要耗费较大的一次性投资，目前也尚无这种必要。因此一种灵活的折衷方案就在各方面（包括业主）的考虑之中。图3 BACnet系统数据采集方框图我们来看图3，这是BACnet系统分布式数据采集方框图，对于需要计量和核算的范围，可以从单个房间扩大到一个区域（譬如说，一层楼或一层楼再分为两个区或四个区），在这个区域的总供水管和总回水管上各安装一只温度计，另外还需安装一只流量计就可以了（温度计是温度传感器的简称）。把所采集的该时刻3个模拟量数据输入到该传感器附近的DDC（直接数字控制器）中，根据热力学第一定律的基本公式，稍加变化，就可得到下列公式：式中：Q从时间0到1的能耗总量（J或Wh）：hin，hout供水、回水的焓值（Jkg）：qv表示水的体积流量（m3h）；p表示水的密度（kgm3）；表示时间（h）。 供水、回水的焓值分别是供水、回水温度的函数。水的体积流量可从流量计读得。水的密度也是温度的函数。 该积分公式的具体计算可用矩形法、梯形法、精确些。辛普森（Simpson）公式进行计算，时间计算步长可以是若干秒，可以根据BACnet标准所定义的日程表对象（Schedule），结合起来，就可得出结果。再通过BACnet的MSTP总线传送到工作站（Work station），存入数据库。系统管理员就可以从系统的数据库中直接取得相应的数据，再进行必要的分配与调整乘上单价，打印出报表来，就可以了。 因为流量计的价格与口径大小的关系，不仅仅是比例关系，几乎成为平方的比例关系。为了进一步降低一次性投资，还可以采取一些措施，譬如说，在不影响使用的条件下，用变径的方法，适当减小安装流量计部分的供水管的尺寸，尽量选用口径小一些的流量计，就可以降低工程的成本。此外，由于（以夏季为例）冷冻水集水器中的水温Tw与数据采集单元的供水温度Tin之间并没有有效负载，仅仅是冷冻水在管道中流动而引起的自然损耗，因此这两者之间可以近似地用简单的线性关系来表达：Tin = Tw kt1式中：Tin数据采集单元的供水温度；Tw冷冻水集水器中的水温；kt自然损耗系数（接近于0，用实验方法测定；如果距离短或管道保温条件好，也可忽略不计）；l从冷冻水集水器到该数据采集单元的距离；夏季取+，冬季取-。Tw是已知的（从冷冻水集水器中的温度传感器得到），这样就可用简单的方法得到Tin，所以在每个数据采集单元中可以少用一只温度传感器。在基本不影响精度的情况下，进一步降低了成本。 本方案的优点是一目了然的，它是精确性和实用性的比较完美的结合。配置灵活方便，不需要专门的能量计量系统，大大降低了工程的造价。这里也充分显示出按照BACnet标准制造与安装的楼宇自动控制系统的巨大威力和优越性。 应该说，节能是智能建筑