第 4 章 某办公综合体节能系统改造应用
4.1 工程概况。
本文以吉林市 B 公司办公综合体为实例，进行改造设计，并总结出节能效果。
吉林市 B 公司办公综合体由地下室及地上各个单体构成。其占地面积总共为 6.3 万平方米。
4.2 节能改造工程设计依据。
《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005《公共建筑节能改造技术规范》JGJ176-2009《民用建筑能耗数据采集标准》DL/T448-2000《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008《智能建筑设计标准》GB/T50314-2006《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008《HW-BA5000 系列 楼宇设计说明书》
4.3 产品选型。
为了节约资金、便于工程的使用、产品的开放性和维护及管理，海湾公司的 HW--BA5000 系列产品将是本系统整体设计工程案例的第一选择。
此系统在楼宇操控方面有较硬的技术，该产品主要是基于 Lonworks 网络传输基础上，达到完美的通讯连接。此系统覆盖到体育健身中心、全自动化小区以及大厦，该产品在本工程中只是实验阶段，并未投入使用。
4.3.1 HW--BA5000 系列产品介绍。
HW--BA5000 系统是 Lonworks 技术的现场总指挥，作为复杂的分散的总控系统，包括对工作集中站的管理，各种不同智能传感控制器的操控、命令的执行。由于 TCP/IP 网络协议在管理方面的作用，局域网和互联网都处于此系统的监控之下。HW--BA5000 功能繁多，拥有丰富软硬件的安防、消防系统和弱电系统，而楼宇自动化的总控是 HW--BA5000 的主打功能，其本身强大的办公集成一体化主要受益于建筑本身的布线系统。作为操控楼宇的基础，现场总线现已成为全球领先的全数字、双向、多站的通信系统，不但能够实现简易化操控，还能增加系统的安全指数。B 公司的HW--BA5000 在现场控制方面就利用了 LonkWorks 的长处，采用了时下最流行的双层网络布局。
本系统之所以能够在中央监控系统中心参考各种参数、控制方式、节约电气设备使用成本数据和监控设备运行状态，都归功于现场总线所起的作用，LonWorks 能够实现与监控体系的连接。
楼宇自动化控制系统的组件主要包括：传感系统、执行系统、DDC 模块以及管理站。楼宇自动化控制系统不但具备一套完整的通讯设备，还能够实现全自动控制，系统内的操控节点间自动进行网络通讯。通过与LonWorks 的连接，所有的控制和管理设备再也不像以前僵硬的控制程序操作的情形，可以使得信息分享更加便捷、快速。各控制器都可以利用节点独立工作，前提是总控制系统在工作，而且自启程序可以有效防止断电。
系统中所运用到的拓扑结构很好的实现了传输功能，其中拓扑结构的类型主要有：星形、总线型以及自由结构。传输介质主要为屏蔽双绞线。特点如下：
整个体系通过了 Lonworks 的协议认证，作为全球领先的全数字、双向、多站的通信系统，Lonworks 的 DDC 控制器可以完成网络通讯的任务，其开放性决定了它能够与多种通过 Lonworks 的协议的产品构建在一起。
DDC 控制器是符合国际通用准则的，界面简单易懂便于操作，内部功能齐全，还能够实现远程下载。
B/S 结构和标准的 IE 浏览器提供通俗易懂的人机智能界面，方便用户了解和操作。其系统的完整性主要通过联网温控器和 DDC 的完美连接，实现联网温控器系统与楼宇自控系统在同一平台完美结合。
4.3.2 HW--BA5000 系统网络构成。
LonWorks 系统实现信息传递的媒介是网络接口板控制中心，其信息传递速度很快，可达 78Kbps,网络接口板的连接部位是基于 PCI 局部总线的扩展插槽，再具体一点，效用发挥主要在台式 PC 机上 HW--BA5000 路由器的网络优化功能和网络通讯质量的效果非常明显，它在现场总线系统网路与主线的连接之间起着至关重要的作用。而且还有缩短不必要的网络节点的数量，加大网络之间的传输距离的效用。一般总线网络拓扑有效距离2700 米，路由器有效数 63 个，而且各路由器延伸出一个分支，分支的网络拓扑通讯有效距离和总线相同，DDC 有效数 63 个。
这样就能实现整个楼宇自控系统的安全性和稳定性，大大减少网络传输过程中的流量，能够达到用更少的设备实现更大区域的有效监控。
4.3.3 HW--BA5000 系统组态管理软件。
HW-BA5000 系统主要是一种解决在智能系统集成业务过程中软件管理方面的问题的软件系统。与普通的图形处理软件相比，它的专业性更强，它是一款基于全自动建筑操控体系的软件，在软件内部安装多个解决办法，如：火灾警报体系解决办法、消防体系解决办法以及楼宇控制体系解决办法，方便的实现了各系统间的互相配合，提供了各建筑系统中个子系统的设计模板和解决方案。此外，楼宇自动化控制系统借鉴了 IE 简洁的界面设计和 WEB 网站标准，操作简单易上手，能够帮助操作者很好的实现管理工作。
楼宇自动化控制系统兼备多种软件和硬件接口，软件接口如 DDE 接口、OPC 等 ,硬件接口如 232/485 接口、MODBUS 等，这使得楼宇自动化控制系统成为了最受欢迎的平台。HW-BA5000 有效的实现了楼宇自控系统的集成，使系统集成变得比以前更加的便捷，规范，安全性更高。
4.4 节能改造工程设计范围。
4.4.1 节能改造工程设计概况。
（1）由市政引来两路 10kV 电源，采用电缆直埋的方式引入地下室高压配电室。满足近远期园区内所有用电要求。
（2）负荷等级：此楼属于一类建筑。其中：此次改造涉及的用于管理的网络电力属于一级负荷，为了保证系统的可靠性，此系统采用市电+柴油发电机电源+UPS 供电。一级负荷还包括：生活水泵电力、走道照明、客梯电力、弱电中心电力、安防系统等；消防负荷主要包括：应急照明、喷淋泵；消防电梯、消防水泡泵、排烟风机、污水泵、防火卷帘、防排烟风机、消防泵等；二级负荷包括：空调系统电力、换热站电力、生活泵房电力等；其它用电为三级负荷。
（3）低压配电系统：配电电压 380/220V,采用 TN-C-S 系统配电。消防负荷采用是双电源末端切换。配电系统采用放射式和树干式相结合的方法。
（4）弱电机房：此次改造的系统设备设置在一层弱电机房中。采用UPS 作为后备应急电源，UPS 的容量根据系统设置为 20kW.
（5）电能计量方式：原工程采用高压集中计量。此次改造会根据使用方的需求，在相应回路上设置计量模块。
（6）原设计中，当非消防设备电动机超过 11KW 时就需要以减压的形式启动，其方式就是软启动。此次改造将会通过模块控制电机的启停运行。
（7）照明系统：灯具改造，将荧光灯光源更换成 LED 光源。各个照明配电箱内增加模块控制。
（8）空调系统：在控制箱内增加模块，控制电机。兼具输出手动控制和自动控制的功能；（9）电梯系统：在控制箱内增加模块，控制电机。满足大量开关设备的监视要求；可通过插针和软件设定支持多种输入输出形式。
4.4.2 HW-BA5000 系统设置。
此次改造将 HW-BA5000 系统主机设置在地下一层弱电机房中。在机房中设置 PC 主机，打印机等设备。由专用的 UPS 电源供电。总线通过专用弱电线槽以放射式的供电方式，送入两个弱电井内，弱电线槽在电井内竖向贯通。根据模块数量，在每个弱电井内设置 2 台路由器。每台路由器与需要监控的设备对应的箱体内的 DDC 模块相连接。
4.4.3 节能改造工程设备清单。
由于是已建成工程，所以改造不能面面俱到。只能根据使用方提供的耗能数据，有的放矢的选择改造设备。
4.4.4 节能改造工程竖向系统。
1#办公楼的竖向系统图，此系统图中包括 1#办公楼内所有的用电设备。本次改造，将针对照明、电梯、风机、水泵的控制箱。将各类模块设置在相应的控制箱内，并通过屏蔽双绞线：n（RVVSP-2X1.0）进行网络连接，集中引至一层弱电机房的控制中心。
4.5 节能产品在改造工程设计中的应用。
4.5.1 供配电系统设备监控。
在使用建筑类设备时需要耗用大量的气、水、热和电，而这些能源的消耗量就要由相应的仪表来测量。而和以往使用的仪表相比，在抄表方面智能化远程管理体系运作效率更高[12]
.智能化远程管理体系在抄表时是借助于计算机实现网络传输，其表现的作用除了远程对气、水和电进行检测、自动计量以及费用显示，还可以上传到中央管理操作站，利用能源信息管理软件，对上传的数据进行运算、分析。对于用户的用量提出节能控制报警。综上来说，智能化远程管理体系在抄表方面体现的优势包括：通过集中计费配置和结算，节省了人力资本和时间成本。可靠的电子数据传输，避免了人为错误的读数，提高消计量的准确度。计费数据可以被纳入 BA系统的集中管理，作为日后调整系统运行的重要依据。
此次改造中，将 HW-BA5401 模块设置在低压柜中，需要计量的回路中。对整体建筑用电进行电流、电压、频率、视在功率、有功功率、无功功率、电能等参数的监控，记录，绘制表格及打印。
4.5.2 照明监控系统。
建筑设备获取更加高效的监控管理的核心就是运行智能化的照明节能监控系统。在设计照明设备时，通过专有控制方式通过整合各系统功能，在设备中设计了可调控的照明器，通过照明灯固有的传感器，有效的对所需灯光进行调控，也可以通过远程控制简化操作过程。这种集成设计照明器的方式不仅节约了大量的能耗，也保证了光线的柔和程度。通过设备监测系统回馈的灯光数据，可以根据环境灯光的需要，对灯光程度可控，根据室外或室内的光线和灯光照明时间来控制照明开关。
4.5.3 电梯监控系统。
由于电梯的曳引机拖动负载时，是根据轿厢重量进行调整的，需要借助对重使得轿厢达到平衡状态，避免轿厢与对重之间的重量差消耗多余的机械势能，因此这种改进可以有效节约电梯系统的整体耗能。
这种减少电梯轿厢对重差的方法可以利用对电梯电动机的效率特征数据进行测量和分析。电流功率如下面公式所示，电动机在有功情况下的功率输出值和功率输入值之间的比值。
在电梯启动之后，负载状况开始变化。电梯内部的电机总功率值也处于持续上升阶段。这样就导致电梯内电机工作时电流值不断上升，在电机工作时，当变动损耗值和固定的损耗值一致时，电机运作状态就是最优的，产生的效用也是最大的[13]
.以吉林市 B 公司办公大厦 1#电梯运行状况为例，统计出在电流标幺值 I*超过 0.6,此时电机运作状态良好；而电流标幺值I*在 0.8 和 0.9 左右时，电机运作状态就是最优的；但是在电流标幺值 I*低于 0.6 的情况，电机运作效率就有下降的趋势，而在 I*很小时其效率下降的速率会增大。因此，在对电梯进行制动控制时，将电流标幺值控制在0.8~0.9 时可以实现最大限度地节能。此次改造在电梯控制箱内设置HW-BA5203 模块，根据上述分析，设置模块参数，对电梯运行达到最优效率。
4.5.4 空调设备监控系统。
一、改造前空调系统介绍。
本建筑从一楼到四楼的空调均采用冷水空调，其制冷功率为：
1820RT（6400kW）五楼到十三楼的空调均用联机系统，其制冷功率为2542kW.一楼到十三楼总功率为 11950kW,冷冻水供回水温度：7/12°C,冷指标：89W/㎡。在地下室设置 2 台空调机组。
1、空调水系统。
冷水空调末端装置的流量随电动二通阀的调节而改变的一次泵系统。
热水喝冷水经由不同的管道流通，主管道各自独立，采用的是异程式，支管道采用的是同程式。设备主机房内分水器各环路供水管上设置动态平衡阀，供水干管在地下一层棚下布置，支管道均设有数字锁定平衡阀，这样即使冷水系统的流量发生变动，也可以保障各个支管道维持平衡状态，整个系统既可以保证制冷，也可以保证供暖。整个系统运用了变频调速补水泵定压。系统中还安装了智能软化装置[15].
2、空调风系统。
空调系统中大多运用的是新风和风机盘管系统，一些较为宽阔的空间运用到的是全空气式。风机盘管能够保证夏季的制冷，而在冬天会制动。
开启新风系统。全空气系统夏季供冷，冬季停止运行，风量大于 3000 立方米每小时的排风统均设置热回收装置。全空气空调为上送上回一次回风系统，空调机组新风入口采用电动密闭风阀与风机联锁，新风回风及送风调节阀均为电动风量调节阀。过渡季可全新风运行。预留远程控制接口[14].
二、运用 HW--BA5515 模块对空调系统进行监控。
在整个建筑内，空调系统占有的比重相当大。空调机组的日控过程一般是单台 HW--BA5515 型控制模块完成。其使用的方式是自动调控的。目的是为了房间和公共区域的温度，湿度都保持在一个适宜的范围之内，这样方便管理，节能环保，还可以增长设备的使用时间。
三、空调机组的控制过程说明：
1、为了使送风的温度始终在规定范围内，通常会在冷冻水回水管或者热水回水管设置电动调节阀。HW--BA5515 型控制模块在察觉回风温度和预设温度有差异时，它就会自动利用自带 PID 算法来规范自动型调节开关。
对盘管内水量状态进行调节，以闭环的方式处理，进而能够保证送风温度处于规定温度区间。同时关闭调节阀。
2、新风的风阀和风机以及水阀是连接在一块的，当停风机停止的时候，也会直接停止风阀和水阀。风阀的启动早于风机。
3、使用全新风与绿色环保的理念相契合，当温度与全新风的温度一致时，HW--BA5515 型控制模块将闭合流通阀门，就能够利用自然风来调温，实现节能。
4、当季节由冬天转换为夏季或者由夏季转换为冬季时，程序就会自动调整相应的程序，让盘管水阀能够达到负反馈的标准。
5、为了防止冬天会冻裂表冷器的盘管，通常会在空调机组中设置防冻的警报装置。当室内温度达到需要调节到的温度时，HW--BA5515 型控制模块触发报警开关，并且开启水流阀门，闭合风阀门。
6、为了检测过滤网是否会有淤堵，会在过滤网处安置压差的开关，HW--BA5515 型控制模块还能够对此进行监管，并将得到的数据反馈到中央区域，这样一旦发生淤堵可以直接告知维护人员清扫。
7、为了检测送风机的运行状况，会在送风机的两侧安装压差开关，如果风机开启后，两侧并没有压差就可以断定送风机运行不正常，就会发出警报。
8、监视检测设备的手动，自动，运行，故障的状态。
9、有专门的时间程序可以自动开启或者关闭风机并且计算运行的时间。
4.5.5 风机盘管监控系统。
对中央空调的风机盘管体系实施网络化以及集中化的操控。空调风机盘管的本地控制设备时温控器，但是以往的温控器分散在大楼各处的，实际上处于无序管理的状态下，并没有统一管理，管理人员也不知道每个分机盘管的实际状态以及是否需要进行调整。所以为了改变这种状况，联网型温控器应运而生。
联网型温控器很好地解决了传统温控器无法进行统一管理这一致命地缺点，它通过中心控制有效的对风机盘管实施了操控与管制，楼房各处的风机盘管都可以通过温控器进行开启和关闭，控制中心还可以直接设定每个房间的温度，从而节能环保。
4.5.6 新风机组监控系统。
本工程设计有 26 台新风机组组成，安排 26 台 HW-BA5515 控制器与之一一对应，已达到自动操作模式。
新风机组的控制过程说明：
1、对送风温度值的操控原理是：按照设置的温度以及送风的温度，然后经过 PID 调控，改变冷热水阀门，从而可以实现。季节不同，情况也不同。处于夏季，设置的温度值要小于送风温度值，所以要将水阀门变大一些，相反，大于送风温度值时，要将水阀门变小一些。处于冬季，设置的温度值要小于送风温度值，所以要将水阀门变小一些，相反地要将水阀门变大一些。通过以上的调节和改变，可以使送风温度处于一个较稳定的水平。
2、新风的风阀和风机以及水阀是连接在一块的，当停风机停止的时候，也会直接停止风阀和水阀。风阀的启动早于风机。
3、为了防止冬天会冻裂表冷器的盘管，通常会在新风机组中设置防冻的警报装置。如果 HW-BA5515 控制装置接收到的温度与之前设置的温度值一样时，立刻发出警示信息，相关的风机以及风阀等立刻暂停工作状态，同时，水阀会被处于 ON 档。
4、为了检测过滤网是否会有淤堵，会在过滤网处安置压差的开关，同时，使用 HW-BA5515 控制装置可以有效的实施监测，将获得的数据传送至中央控制装置，然后在对其操作打印。这样一旦发生淤堵可以直接告知维护人员清扫。
5、为了检测送风机的运行状况，会在送风机的两侧安装压差开关，如果风机开启后，两侧并没有压差就可以断定送风机运行不正常，就会发出警报。
6、监视检测设备的手动，自动，运行，故障的状态。
7、有专门的时间程序可以自动开启或者关闭风机并且计算运行的时间。
4.6 改造后工程节能效果分析。
在此次实验中，我们分别将电梯、空调、照明设备接入 HW--BA5000系统中，运行一周，得到如下结论。
4.6.1 电梯系统节能效果分析。
对吉林市 B 公司办公综合体 1#办公楼电梯进行电气节能改造过程中，对三相交流电变频变压调速电梯的机械动能进行控制，使得电梯在运行时根据机械动能从小到大的过程逐渐增加，保持电梯可以通过曳引机释放机械动能。同时使用电梯智能控制芯片，根据电梯的载重和选择楼层的跨度进行适当提速和减速，保持电梯能够平稳释放机械动能。
实际测试中，以周为单位对比改造前后一周（周一上午八点至周日下午八点）1#办公楼电梯的耗电情况，其电梯的载重量为 1000 千克，电梯的作业功率通常为 11 至 15 千瓦，不考虑电梯上下作业的速度。
由于每部电梯的报警系统和备用牵引系统的电动机时单独管理的，因此不作为此次试验的测量对象。
经过以上研究，可以知道：1#办公楼进行电梯节约能量整改后，可以节省 18%左右的电量。
4.6.2 空调系统节能效果分析。
对吉林市 B 公司 1#办公楼进行空调系统节能改造，首先要保证室内温度的舒适性，由于项目实验阶段为 3 月至 6 月，实验前后的室内温度差异性较大，所以，本实验是通过比较空调自身整体的负荷比例来说明节能效果。
吉林市 B 公司 1#办公楼安装的是多联机空调系统，此空调机组控制系统的组成部分为：比例加积分控制器、温度传感仪被安置于回风口处、压力差值调节阀其被安置于回水管处。在整个系统作业的过程中，实际温度被温度传感仪接收感应到，然后再被温度控制这一装置和设置的温度值进行对比，从而获得一个电压值信息，再经由 HW--BA5515 模块控制装置传输到系统 HW--BA5000 中，这样能够操控压力差值调节阀的行为，从而保证其温度处于某个水平。
在 1#办公楼的所有地方都安置着风机盘管。而操控该系统作业的构成部分为：控制器三速开关、温度控制装置与二通电动阀，而恒温仪分为开、关两个操作状态，其工作状态的改变使电动阀的行为也随之改变，它能够被安装于空调内部，从而保证室内可以处于一个合适的温度值，一般温度控制区间为：5 至 30 摄氏度。如果电动阀处于断开状态时，那么对应的电机也会停止作业。
经过以上试验，可以得知，如果要实现高效的节能必须降低空调的开启次数。空调的负荷率处于 40%至 80%这个区间内，其不仅制冷效果比较不错，同时还高效节能。此次实验，可以节省 25%左右的电量。
4.6.3 照明系统节能效果分析。
以吉林市 B 公司 1#办公楼作为照明节能实验的对象，原设计中，办公室等场所光源采用高效三基色节能荧光灯，配电子镇流器，COS%>0.9.光源显色指数 Ra>84,色温在 3500K~ 5500K 之间。镇流器的相关指标应当符合安全检测标准。荧光灯的节能性质也应当满足相关标准，符合强制性产品认证制度。
新设计首先将办公室、会议室、餐厅、走廊等区域的光源更换成 LED灯具。LED 灯具具有：光照效率高、显色指数高、光衰小、功率低、体积小、寿命长等优点。办公室由双管荧光灯（72W）更换成 LED 灯具（18W）；餐厅、走廊等区域的筒灯由原紧凑型荧光灯（24W）更换成 LED灯具（14W）。
采用 LED 替换传统光源的过程中，项目的节电率就能达到 50%.再在各个照明箱里安装 HW-BA5204 模块，按照室内的光照强度、时间对灯具进行启停监控。
我们将灯具根据实验要求进行设置，将采集及规范要求的所有数据输入到 HW--BA5204 模块中，通过此模块，对照明进行监测与控制。
【公式1】
从以上的分析可以得出，节能方案如果得到落实，吉林市 B 公司 1#办公楼每年照明系统可以节约 707743 度电。我们能够发现，一旦改变了照度的大小，那么对应的能量的损耗量就会出现很大的幅动。由于受季度差异性这一特征的影响，每一季度的节能状况做到一致是不可能的，但是总体来说，可以节能 30%.同时，灯具的好坏、不同的气候等都是节能效果好坏的重要影响因素，如果是使用较好的照明工具、天气晴朗且室内采光量充足，那么节能效果肯定是很好的。
