1、空調節能意義重大

　　空氣調節是智能建筑創(chuàng )造舒適高效的工作和生活環(huán)境所不可或缺的重要環(huán)節。在智能建筑中，HVAC各系統的監控點(diǎn)數量常常占全樓監控點(diǎn)總數的50%以上；HVAC各系統的耗電量常常占全樓總耗電量的50%以上。由此可見(jiàn)，HVAC各系統在智能建筑的一次投資和運行費用中占有極其重要的位置。

　　在不少建筑物中，或在建筑物的建設階段，BMS（樓宇管理系統）本身常常是整個(gè)智能化樓宇管理系統（IBMS）的主導成分，而HVAC各系統的控制部分又是BAS或BMS系統的主導成分；對于這類(lèi)建筑，HVAC控制系統的位置就更是舉足輕重。

　　在智能建筑中實(shí)現節電節能，特別是耗電耗能大戶(hù)──空調實(shí)現節電節能，本應是業(yè)主投資計算機控制（亦即使建筑具有“智能化”）所能期待的主要回報內容之一；然而目前國內在智能建筑的建設中，真正能做到這一點(diǎn)的是鳳毛麟角。也就是說(shuō)，只有極少數智能建筑（屈指可數�。�實(shí)現了節電節能，大多數智能建筑并沒(méi)有實(shí)現節電節能這一理應實(shí)現的回報。其中原委，正是本文要探討的內容。

　　2、工程現狀問(wèn)題頗多

　　2.1 空調及其控制系統的運行情況遠不理想

　　由北京市科協(xié)下達的“智能建筑軟課題”。曾對智能建筑的國內外發(fā)展狀況和技術(shù)內涵進(jìn)行過(guò)調查研究。在一年零三個(gè)月（1996.3-1997.6）的時(shí)間內，組織了北京工業(yè)大學(xué)及兄弟院校，從事自控、計算機、通訊、空調方面的教授、專(zhuān)家，對北京65座大樓進(jìn)行了普查；對北京京信大廈、京誠大廈、中化大廈、長(cháng)安俱樂(lè )部、遠南飯店、發(fā)展大廈、徐州中房大廈、上海博物館、上海市政府大廈、上海金茂大廈、鄭州期貨商城等建筑物進(jìn)行了實(shí)地考察。

　　用戶(hù)對樓宇自控系統運行情況的評價(jià)是：滿(mǎn)意的僅占30%，一般的占40%，差的竟占到30%.在調查中發(fā)現：除少數建筑物技術(shù)先進(jìn)、運行良好外，普遍存在著(zhù)各種各樣的問(wèn)題：有的技術(shù)不先進(jìn)，有的在運行中存在嚴重缺陷，有的根本不能開(kāi)通。

　　經(jīng)投入巨資設計安裝的計算機控制系統，如果根本不能開(kāi)通，或者在運行一段時(shí)間后由于這樣那樣的故障而被拆除，這不能不說(shuō)是一種嚴重的教訓，有關(guān)各方都應正視問(wèn)題、認真分析原因并采取切實(shí)有效的措施，避免重復發(fā)生。

　　應該指出，空調及其控制系統在運行中出現問(wèn)題并非我們國家所獨有。一位英國專(zhuān)家，Building Energy Management Systems（建筑能量管理系統）一書(shū)的作者，G.J.Levermore在他著(zhù)作的前言中寫(xiě)到：“我確實(shí)經(jīng)常詢(xún)問(wèn)設計人員、用戶(hù)和學(xué)生們，他們是否知道任何建筑物在調試后運行良好，然而回答是極為稀少。我希望我的書(shū)會(huì )幫助減輕此類(lèi)問(wèn)題。”

　　在我國的智能建筑中，由于發(fā)展極為迅速，而市場(chǎng)管理和技術(shù)管理等方面又存在著(zhù)一定程度的混亂，因此所暴露出來(lái)的問(wèn)題就更廣、更深、更嚴重一些。

　　2.2 空調自控設計與空調設計嚴重脫節

　　在智能建筑中，空調自控系統的工程實(shí)施，目前大體上經(jīng)過(guò)下列工程步驟：由土建設計院的暖通空調專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行空調設計，并提出空調自控要求，有設計院自控專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行空調自控設計，由自控設備廠(chǎng)商進(jìn)行控制部分的方案設計和施工圖設計，并由自控設備廠(chǎng)商進(jìn)行控制部分的安裝調試，然后移交給物業(yè)管理部門(mén)進(jìn)行運行管理。

　　在上述的工程環(huán)節中，需涉及的單位包括設計院，土建施工單位，設備安裝單位，自控廠(chǎng)商等，當然還有起決定和控制作用的業(yè)主。這其中本應形成密切配合，一環(huán)扣一環(huán)的，平滑運轉的鏈條，然而，實(shí)踐證明：其中各個(gè)重要環(huán)節常常嚴重脫節，遺留后患，并給樓宇自動(dòng)化系統的正常運行和節能效果帶來(lái)嚴重問(wèn)題。

　　脫節現象常常表現為：

　�。�1）設計院暖通空調專(zhuān)業(yè)人員對自控專(zhuān)業(yè)提的要求往往深度不夠：一般均未提供全年工況劃分，相應的空氣處理過(guò)程焓濕圖，各種工況下各種執行機構的動(dòng)作要求及工作狀態(tài)，工況轉換的邊界條件等。

　�。�2）設備安裝單位的設備安裝工作未按規程進(jìn)行，在安裝完畢之后對各個(gè)風(fēng)系統和水系統并未進(jìn)行認真的測試和平衡。

　�。�3）自控設備供應廠(chǎng)商，在競標時(shí)，往往“什么工作都能做”；但在工程實(shí)施時(shí)，或者缺乏必要的專(zhuān)業(yè)人才，或者工程人員比例嚴重不足，因而無(wú)力針對具體工程進(jìn)行具體分析，常常憑借一些“copy”來(lái)的東西甚至未經(jīng)消化來(lái)應付工程。自控設備廠(chǎng)商的調試工作也普遍不到位：比如針對建筑物特性和具體管網(wǎng)特征的一些參數選擇粗糙，夏季、冬季和過(guò)度季節等不同空調工況普遍未進(jìn)行足夠調試等。

　�。�4）業(yè)主對樓宇能量管理系統（BEMS）的安排，它的節能潛力，它在運行中可能出現的問(wèn)題往往心中無(wú)數，對于空調設計和空調自控設計中的重大方案問(wèn)題往往缺乏判斷能力，亦未組織必要的論證。有些投資者對于已建和在建的智能建筑BEMS方面屢屢發(fā)生的問(wèn)題甚至處于幾乎盲目狀態(tài)。

　　智能建筑建成之后，不僅可以節電節能，而且可以極大的提高運行管理水平，大量的減少維護管理人員；但應該指出的是：對維護管理人員的素質(zhì)要求高了。特別是業(yè)主必須選擇一個(gè)合格的設備運行負責人，他（她）應該了解HVAC各系統及其控制系統的運行原理。

　　必要的投資之后，管理就至關(guān)重要。業(yè)主可以在建設初期就注意選擇和培養管理人才。必要時(shí)，亦可在建設過(guò)程的各個(gè)環(huán)節以至全過(guò)程（從設計方案到系統運行）聘請技術(shù)專(zhuān)家以避免盲目性。

　　3、設計體制有待調整

　　3.1 動(dòng)態(tài)設計和穩態(tài)設計

　　傳統的暖通空調設計，本質(zhì)上是一種穩態(tài)設計，它是以室內外的穩定狀態(tài)為基礎進(jìn)行設計的。比如空調負荷計算：室內條件是室內設計溫度和濕度，室外條件是每年平均不保證50小時(shí)的室外溫度和濕度的統計值（某種人為規定的極值條件），在此基礎上計算出房間空調設計負荷，并成為整個(gè)空調設計的基礎。各種風(fēng)系統和水系統的水力平衡計算，也主要是為了選擇風(fēng)機或泵的大小，一般計值（某種人為規定的極值條件），在此基礎上計算出房間空調設計負荷，并成為整個(gè)空調設計的基礎。各種風(fēng)系統和水系統的水力平衡計算，也主要是為了選擇風(fēng)機或泵的大小，一般很少進(jìn)行詳細的運行分析，且常常是憑經(jīng)驗用估算來(lái)完成的。

　　暖通空調系統的自動(dòng)控制系統的設計，特別是暖通空調系統的計算機控制系統的設計，是建立在系統日常運行的基礎上的，也就是說(shuō)，本質(zhì)上是一種非穩態(tài)的動(dòng)態(tài)設計。計算機控制系統要求動(dòng)態(tài)分析資料，而暖通空調設計提供的是有限的穩態(tài)數據──這大約是當前智能建筑建設中，暖通空調系統設計與暖通空調系統控制系統設計嚴重脫節的重要原因。

　　這種情況是歷史原因形成的，且并非我們國家所獨有。一位美國專(zhuān)家，Direct Digital Controls for HVAC Systems（用于暖通空調的DDC控制）一書(shū)的作者，T.B.Hartman在書(shū)中寫(xiě)到：“由于DDC技術(shù)的發(fā)展而提供的改進(jìn)HVAC系統的機會(huì )，在建筑設備系統的設計中，很少被充分研究。建筑業(yè)中的大多數設計工作，是來(lái)自于估算，而不是嚴格分析。打破現有設計原則的想法和行動(dòng)，仍然被認為是冒險。使用高性能控制的設計，要求設計者反復考慮，如何使系統最有效的組成，而這種思考對廣泛應用的估算原則是一種挑戰。”

　　3.2 高性能設計和知識更新

　　在我國智能建筑當前的設計體制中，一般的情況是：土建設計院的暖通空調專(zhuān)業(yè)人員做暖通空調系統設計，且由自控專(zhuān)業(yè)人員做暖通空調系統的控制系統設計。但其中控制系統的設計，一般沒(méi)有達到施工圖設計的深度，而要控制設備廠(chǎng)商或集成商重新做“弱電”方案設計和其后的施工圖設計。

　　目前有的設計院提出做計算機控制（即“智能”的一部分）設計的要求，有的設計院做了一些嘗試，有的設計院則為此做著(zhù)技術(shù)準備。以長(cháng)遠來(lái)說(shuō)，土建設計院承擔“智能”部分設計也許是具有競爭力的，但就目前情況來(lái)看，“智能”部分設計仍然是自控設備廠(chǎng)商和系統集成廠(chǎng)商的天地。

　　T.B.Hartman提出一種“High-Performance Systems”（高性能控制系統）的概念：使設計人員從氣動(dòng)控制的限制所需要的簡(jiǎn)單穩態(tài)控制中解放出來(lái)，采用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。這種高性能控制系統設計，比傳統設計方法精細得多，但它有極為可觀(guān)的節能回報。

　　高性能系統的設計是建筑在動(dòng)態(tài)分析的基礎上的。設計者選擇評估高性能設計方案的工具，必須能夠恰當的、準確的預測建筑物在實(shí)際運行條件下的熱流和能耗。也就是說(shuō)，必須能夠提供動(dòng)態(tài)結論。

　　T.B.Hartman對國外咨詢(xún)公司的描述，我們的設計人員和設計院可做為借鑒和參考：“想做高性能設計的公司，必須更好地、不斷地使自己的設計人員由于DDC技術(shù)的出現而進(jìn)行知識更新。我的經(jīng)驗是：極少有公司愿意承擔這個(gè)任務(wù)。很多公司傾向于過(guò)高地估計他們對先進(jìn)技術(shù)的知識和理解。人們很少能聽(tīng)到，設備設計公司的經(jīng)理承認他們缺乏先進(jìn)控制技術(shù)以進(jìn)行高性能設計，但只有極少數公司具備這種能力。做為對進(jìn)行高性能設計任何考慮的起點(diǎn)，就是這些設計院長(cháng)們認識到需要獲取知識和技術(shù)以便確保設計目標能夠全部實(shí)現。”

　　4、能量分析方法依舊

　　在智能建筑HVAC系統的研究、設計和運行管理中，需要一種工具以便評估或預測建筑物在實(shí)際運行條件下的全年能耗──這就是所謂“建筑能量分析”方法（Building Energy Analyses）。

　　建筑能量分析方法是ASHRAE（美國采暖冷凍空調工程師協(xié)會(huì )）自70年代中期，在建筑物熱狀態(tài)計算機數學(xué)模擬技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的。建筑能量分析方法技術(shù)復雜，程序龐大；因此從一開(kāi)始，即有很多學(xué)者致力于簡(jiǎn)化方法的研究，以便適應不同場(chǎng)合、不同范圍和不同精度的要求，（作者也曾參與1985年丹麥第一屆暖通世界大會(huì )上關(guān)于建筑能量分析方法的自由論壇：Workshop──“Is the simplified method good enough？”），并由此產(chǎn)生了大量的簡(jiǎn)化方法及其分類(lèi)。但總的來(lái)說(shuō)，有代表性的仍然是詳細的逐時(shí)模擬的方法。

　　建筑能量分析方法的主要技術(shù)，包括建筑物的熱模擬，建筑設備（包括冷熱源）的熱模擬，以及動(dòng)態(tài)氣象資料等，有代表性的典型程序，是美國能源局的DOE-2和美國陸軍研究院的BLAST等。 1982年美國加州大學(xué)LBL實(shí)驗室A.H.Rosenfeld教授在北京第一屆中美能源環(huán)境會(huì )議上，提出了“建筑節能技術(shù)與中國公寓式住宅的能耗問(wèn)題”的論文，其中采用美國DOE程序，采用上海和北京的氣象資料，對中國公寓式住宅的采暖能耗問(wèn)題做了分析，并提出了節能建議。 此后，我國學(xué)者在國內也對建筑物逐時(shí)模擬方法的應用做了探索。

　　建筑能量分析方法的核心是一組反映房間熱特性的熱平衡方程式。房間是由維護結構所形成的空間，由外墻、外門(mén)、內墻、內門(mén)、地面、樓板、頂棚系統和窗子系統等組成的維護結構把室內室外隔成了兩個(gè)氣候環(huán)境。太陽(yáng)輻射和室外氣溫變化等因素，通過(guò)輻射、對流和傳導三種形式作用于維護結構；維護結構本身既有熱阻又有熱容，它通過(guò)自身的調節作用后把室內外環(huán)境的變化因素聯(lián)結在一起；而室內環(huán)境也有人體、照明、設備等發(fā)熱發(fā)濕因素影響著(zhù)熱平衡，而且各墻、窗、家具表面之間以及各表面與空氣之間也通過(guò)輻射和對流交換著(zhù)熱量。此外，空氣滲透和通風(fēng)空調系統又把室內和室外環(huán)境聯(lián)結在一起。這種室內、維護結構、室外三個(gè)部分，輻射、傳導、對流三種形式相互作用相互影響而不斷變化的錯綜復雜的局面，構成了實(shí)際建筑熱過(guò)程的復雜圖象。

　　上述方程組是建筑物動(dòng)態(tài)負荷分析的基礎，也是建筑物空調自控設計的基礎。實(shí)現空調節能的根本途徑，就在于巧妙地利用室外條件、維護結構、室內條件和空調設備的相互作用關(guān)系，既創(chuàng )造出舒適高效的室內環(huán)境，而同時(shí)又實(shí)現大幅度節能的目的。

　　5、結束語(yǔ)

　　調查表明：已建成的智能建筑中空調自控系統的運行出現一定程度的問(wèn)題相當普遍，根本未能開(kāi)通或運行一段時(shí)間后被拆除的例子也屢見(jiàn)不鮮。對問(wèn)題的剝離分析表明：業(yè)主的認識和安排──HVAC系統設計──施工安裝──HVAC控制系統設計安裝──調試──運行，各個(gè)環(huán)節常常出現嚴重脫節的現象；其中自控設備廠(chǎng)商在設計和調試中不到位常常引起嚴重后果。業(yè)主可以聘請專(zhuān)家加強全過(guò)程的監督管理，確保建成HVAC各系統起碼能夠正常運行，進(jìn)而追求實(shí)現一定程度的節能，在此基礎上再實(shí)現運行的全面優(yōu)化，以便達到最大限度的節能效果。