90年代工业化国家在电脑与自动控制技术日臻完善的条件下，大力推进建筑智能化，对建筑物的节能进行综合管理并获得了显著的效果。越来越多的国家开始执行全面的节能政策，把建筑物的节能上升为重要的战略举措。因此，节约能源和降低污染理所当然地列为建筑智能化系统的第一要素。
一，节能与智能化系统节能，实际上是探讨如何最大限度地减少能量浪费。 从使用能源的目的和方式进行划分，节能可以分成直接节能，广义节能和潜在节能三种类型。 直接节能，指的是减少不合理的需求来节约能耗。例如，在白天时通常就应该关闭路灯一类的室外照明，暖通系统机组、风管的漏风应该尽可能少。一句话，直接节能就是根本不应该消耗的能源坚决不消耗。 广义节能，则是指在满足需要的前提下提高能源的利用率，从而减少能源的消耗。例如，空气热回收设备的利用，保温墙体材料的应用，生活用水的“二次利用”等。 潜在节能，是把能够利用的能源尽可能地利用起来。例如，对太阳能的利用就是潜在节能的典型实例。美国有些建筑利用公共走廊地毯下安装的踏板，将人体走路时的重力作用带动发电机的中心轴，产生的电能解决了走廊等的照明。在可以预期的将来，潜在节能将极大地发展。 分析智能化系统的技术内容就可以知道，在这三种节能类型中，直接节能主要取决于人工管理和能源设计。如果一个智能化系统在运行中产生了直接节能效果，那就只说明能源设计本身可能是不合理，或者管理模式不科学。智能化系统仅仅是帮助人们堵塞了漏洞。 我国智能建筑的节能效果，目前主要体现在广义节能方面。由于智能化系统的介入，加强了对设备的运行控制能力，使得能源更加“精确化”地消耗。例如，上海博物馆利用对日照的实时监测来控制中庭的人工照明，使得照明亮度精确化，降低了耗电量；按照空调运行的流量进行调控，解决了空调冗余设计与实际运行需求的矛盾，等等。 我国从80年代开始被动太阳能的热利用，这是潜在节能的一个重要方面。然而，目前的被动太阳能利用只是简单地直接转换为生活用水，停留在低水平应用层。它与智能化系统尚未发生什么关系。而太阳能发电、雨水循环利用、人体动能等典型的主动型潜在节能，在我国的智能建筑实践中也还没有实现。但可以想象，这类主动型潜在节能的应用将会对智能化系统提出更高、更深的技术要求。例如，美国索托斯公司利用超市出入口的旋转门，将每个顾客推动旋转门的二、三秒动能转变为电能，供给整个超市的照明和空调。这就要求智能化系统进一步深化与供能设备、发电设备的系统集成，保证整个建筑内电力的调配和平衡。 由此可见，衡量一个建筑智能化系统的节能效益应该包括二个方面的内容：一方面是节能设计的范围、门类，是仅仅考虑了直接节能、还是包含了广义节能？是否具备潜在节能？另一方面是节能的实际效率和深度。节能效益到底有还是没有、高还是低？这些都是判别建筑智能化系统实际功效的重要指标。 统计数字表明，在通常的商用建筑中空调通风占整个能耗的50-60%，照明占25-35%。我国采用中央空调的实践时间不长，缺乏成熟经验。因此，实现和提高空调系统的节能是当前建筑节能的关键。 节能肯定会达到省钱的结果。但省钱不等于节能。例如，目前有一种“冰蓄冷技术”。它是预先利用电能把水冷冻成为冰，再用这些预制的冰进行空气调节时的降温。这种方法可以利用供电部门的政策优惠降低用电费用，但是只缓解了用电高峰的供求冲突。它并不在实际上节省电能。相反，由于“冰蓄冷技术”的热效率和二次能量转换，其总耗电量大于直接制冷设备。
二，空调动态特性与设计冗余上海博物馆在一九九二年筹建新馆时从博物馆“保护文物、利用文物”的基本功能出发，有意识采用电脑技术和自动控制技术，建立了一个智能建筑系统。自1995年12月中旬建成开通至今，已不间断地运行了三年半时间。智能化系统的重要效益之一，就是在及时合理地调整设备运行状态的同时获得了明显的综合节能效果。从三年半的统计数字看，每年水、电、煤气的实际支出与计算数字相比，节省的费用超过了当初建立楼宇自控子系统的投资费用。 上海博物馆在建筑智能化系统调试阶段也曾经发生过温湿度失控、能量浪费、设备受损的现象。针对这些问题，上海博物馆会同设计单位专门组织了“关阀与流量”的定量化测试。对不同供能条件、不同运行状态下最远端和最近端的空调机的流量数值和控制效果进行“在线寻优”。 测试的内容包括冷热水的水泵开启台数、供水压力和回水压力等各种工况数值；及空调机电磁调节阀的流量、进出水压力等。实测数据表明，空调系统是个具有强烈动态特点的非线性系统。智能化系统要真正实现空调控制、达到节能的目标，流量控制是关键。 首先，整个空调系统在运行中存在着极其复杂的动态扰动。在智能化系统下，当一台空调的调节阀有开度变动时，会影响到同层面供回水系统的流量和压差。这些流量和压差的变化及随之产生的重新调节，立即引起整个空调系统流量的紊乱变化。因此，采用了智能化系统以后，空调系统的运行处于绝对的动态调整状态。静态计算的方法已经完全不适宜了。 其次是空调运行中能量交换的动态性。在巡回采样周期为一分钟的运行趋势图上就可以清楚地看到，运行过程中自控系统按照回风、新风的温湿度与设定参数的差值，不停顿地改变着各台空调机电磁调节阀的开启度。最终形成了冷热水管总流量值处于不停的变化之中。 调试实测数据还表明，流量同阀门的开启状态密切相关，与压差之间不存在正比关系。当压差增加50%的时候，同一水管位置的流量有时候会增加200%以上，有时候却几乎没有变化。在接近的压差下实际流量值既可以大几倍，也可能小几倍！因此，空调设计中考虑空调系统供回水的压差作用完全是为了克服建筑水柱高度所产生的水压、维持最小流量值的需要。此时必须注意到建筑高度所造成的水压既作用于供水管，又同时作用于回水管。如果用静态的“恒定压差”来强制空调系统的运行是极不合理的。 上海博物馆调试实测数据中，空调系统在“恒定压差”运行中实际流量曾经超过设计额定值200%！可见，原空调设计存在着相当大的设计冗余。冗余当然不利于节约能源。 建筑空调设计的冗余现象是极其普遍的。空调设计中的冗余大致出于二个原因：一种是静态设计带来的合理冗余。设计师按照当地气象资料的极端气温条件来确定各台空调的负荷峰值，然后再根据全部峰值之和来确定最大需求值和供能设备。显然，在实际运行中肯定不会始终处于极端气象条件下。这就产生了设计的冗余。另外，运行过程中各空间的最大负荷并不是产生在同一时间段，在时间上有一定的参差，这又形成了供能的冗余。这二种设计冗余应该说是不可避免的，或者说是合理的设计冗余。 还有另一种人为的冗余则是完全不合理的。由于至今对空调系统的设计和认识缺乏足够的实践，虽然早就在1986年就颁布有《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》，但是在实际设计中大多沿用经验设计，只考虑“冬天热得上去，夏天冷得下来”。在计算出来的能量负荷上不仅没有乘以小于1的“同时使用系数”，反而乘上了几倍仅凭估计的“保险系数”。此外，节能设计标准对运行管理部门还没有足够的约束力。结果造成了设计时加大保险系数，运行时不考虑能耗的多少，这种不合理的冗余自然造成了空调能源的极大浪费。 因此，在空调节能方面除了诸如提高制冷机效率、回收排风中的能量、杜绝管道泄漏、采用保温材料等等措施以外，更需要依靠智能化系统来弥补合理冗余与不合理冗余带来的不足，彻底解决“大马拉小车”问题。这里一定要明确，智能化系统对动态非线性空调系统的控制，必须以流量作为空调供回水系统的基本控制对象。确立流量控制是空调精确化运行核心的思想。智能化系统通过对空调系统从源头到末端的全供回水系统的随动控制，及时调整总供水流量，才能保证现场温湿度的调控要求，才能实现精确化运行，才能收到节能的成效。
三，空调的阀门“零 开度众所周知，在空调运行控制中阀门开度是主要的调节内容。特别是阀门的“零”开度控制是保证控制精度、取得广义节能的关键。阀门的“零”开度既与阀门的选型相关，也与运行状态有关。 无论什么原因造成阀门泄漏时，不仅会影响到控制精度，也标志着运行中能量的白白浪费。因此建筑智能化系统切实保证阀门的“零”开度运行是不可忽视的基本要求。在调试时绝对不能够仅仅停留在测量智能化系统是否给出了关阀电信号。 分析阀门的机械结构，通常的球阀由于受力面是一个球面，水流方向与阀杆运动方向之间存在着一个小于90°的球面角。因此无论阀门处于怎样的开度上，阀杆始终会受到一个水流的向上分力。当水流量超过一定值，水流产生的向上分力等于或者大于阀杆调节执行器的向下压力时，必然会使阀杆上浮而发生泄漏。这就是通常认为球阀允许不超过3%的泄漏量的原因。如果盲目地加大执行器压力，强制不发生泄漏，那么强大的水流压力将引起对空调表冷器等设备和管路的损伤。 蝶阀是用转动截止面的方式来调节水流的。阀杆的运动调节方向与水流方向始终一致。在接近关阀时，蝶阀截止面与水流方向也接近垂直。因此蝶阀的“零”开度容易得到保证。只要在阀体强度允许的范围内通常不会有泄漏。 保证阀门的“零”开度主要在于解决水流量的超负荷。可以从三个方面考虑措施：一是更换阀门的类型，如前所述，把球阀调换成为蝶阀。但是，蝶阀的开启-流量曲线不适宜用在末端空调器水管上。而且，如果实际水流量极大，那么蝶阀的关闭不仅掩盖了空调器超负荷运行的反常现象，而且会加剧设备的损坏。可见，这种办法并不可取。第二种方法是在每台空调的进回水管之间增加旁通管路，采用三通阀来代替二通阀。用分流的办法保证空调表冷器的水流量不超限。这种方式可以保证控制精度，也保护了设备。但是末端的旁通回路不仅增加了管路设备和工程量，而且增加了能耗。最合理的办法是通过智能化系统的全面设计，对空调系统供水的每个环节都进行自动控制，按照空调运行的需求随动地控制水流流量，既确保所需要的水流量，又不产生超限。从根本上杜绝了泄漏。这个方法充分保证了控制要求，也可以收到最大的节能效果，更有利于设备的正常运行。对于大多数的智能建筑只要略微增加少量的监控点和设备，上述方案也是很容易实现的。
四，控制模式与设定值上面强调了空调节能中空调设计与智能化系统的协调关系。那么智能化系统本身是否也存在控制的优劣呢？智能化系统的控制模式与节能之间有没有关系呢？答案是肯定的。智能化系统的控制模式，控制参量和控制函数的选择，与空调节能同样有着密切的关系。/P> 按照系统调节参数的不同，可以将智能化系统的控制模式划分成为三种类型：第一种是自动锁定系统。例如按照设定的温湿度值作为调节参数。使之保持恒定不变或者不超过指定的偏差。通常将它称为“定值调节系统”。一般的空调都采用这种调节方式。第二种称为程序调节系统。即以时间为调节参数，按照事先给定的时间函数来调节系统的运行状态。照明的定时启停就是典型的实例。也称为“定时调节系统”。第三种则是随动调节系统。按照设定的室内温湿度值与室外自然气温之间的差值进行调节就是标准的随动调节。它是以一个确定的差值作为调节参数。 在一些人的印象中，空调系统的温湿度控制精度越高，消耗的能量会越大。另一种相反的意见,则根据美国国家标准局提出的“夏季设定温度值下调1°C将增加9%能耗，冬季将设定值上调1°C将增加12%能耗”的报告，认为“空调温湿度控制精度越高，节能效果越明显”。这二种看法都把设定值与控制精度二个不同的概念混为一谈了。更混淆了它们与调节参数的关系。 设定值，指的是系统运行稳态的性能目标值。而控制精度则是标志着实际温湿度与设定值之间的动态偏差的大小。如果系统不能够运行在设定值的允许偏差范围，说明整个空调系统处于失控状态。如果设定值设置不当，则无法保证建筑的使用功能。因此，设定值的确定是空调设计的合理性问题，是直接节能问题。设定值完全应该由建筑物的功能需求来确定。 从能耗的角度看，空调系统的设定值对于不同的空调运行模式有着完全不同的意义。 间歇运行空调系统启动前，建筑空间的温湿度条件是与自然气候浑然一体的。因此其能耗的大小主要取决于设定值。设定值与自然气温的差值越大，能耗就越大。目前，大多数间歇运行空调系统采用固定温湿度值作为调节参数，或者按事先给定的时间函数作为调节参数。这从节能的角度都不尽合理。对于舒适性要求的空调系统，为了节约能量，应当采用随动调节，将室内温湿度与室外自然气温之间的差值作为调节参数。参照人体工程学的观点，建议选择5°C的固定偏差值。 全日制恒温空调系统就不同了。它一旦运行起来后就使整个建筑空间内形成了一个全年相对稳定的小气候环境。这时，空调系统只要提供很少的能量，能够克服自然气候的季节渐变和昼夜渐变影响，就可以继续维持小气候环境的恒定。因此全日制空调的能耗取决于已经达到的稳态设定值与自然气候干扰之间的差值。大多数情况下全年中自然气候吸热和放热二种相反的热交换轮番扰动，因此，在我馆的实践中宏观的全年能耗与设定值的高低几乎无关。 必须指出，无论实际运行中采用那种控制模式，共同的技术基础是定值调节。只有在确保系统能够实现定值调节功能的前提下，才可以用简单的改变控制调节参数的方法实现定时调节，或随动调节。因此，在系统调试时一定要首先检验定值调节的可靠性。
五，过渡过程与控制优化外来的扰动使得空调系统原有的平衡被破坏。智能化系统发挥调节作用，让系统重新建立新的平衡。在旧平衡转入到新的平衡所经历的过程在自动控制系统中称为“过渡过程”。用曲线来描述过渡过程，不同的控制函数可以归纳为三种不同的轨迹。一种是振荡不收敛的过渡过程。被调节量始终在设定值的上下波动，严格地说是一直处于不稳定状态，达不到新的平衡稳态。但是，只要该函数不是发散型的，而且被调量的振幅不超过允许的精度范围，在工艺上也认为是受控的。另一种是衰减的振荡过程，是一条收敛曲线。即经过有限的周期变化就趋于稳定的新平衡。再就是最为理想的“非周期性”的过渡过程。即被调节量能够无振荡地趋近设定值，同时整个过渡过程中保持在设定值的同侧。 对于间歇运行空调系统，在自动控制过程中，超调现象越严重，能源的浪费就越大。过渡过程越短，节能效果自然越好。所谓“控制精度”，实质上就是过渡过程曲线与稳态的误差。如果稳态误差范围大，特别是在设定稳态值上下振荡，能耗自然就比较多。因此对于智能化系统，节能效果取决于超调量、调节时间和稳态误差三项指标。真正改进控制算法、减少超调量、提高控制精度，是精确化运行的主要途径。 实际系统往往是复杂的。过快的调整反而会产生反弹超调现象。控制精度越高，系统越容易引起振荡。调节时间过短，也容易引起振荡。片面地提高控制精度以缩小调节范围、追求最小调整时间，有时候会适得其反。这就要注意在调试中利用“多变量系统的最少拍无波纹”技术。选择恰当的采样周期和控制函数，使系统输出响应的调整时间、波纹、超调量等指标综合最优化，从而经过最少拍数达到稳态，实现最小调整时间。对于舒适性空调系统这类时间要求不高的大惯性控制系统，建议略微放宽调节时间要求，使其接近单向趋近设定稳态方式，可以得到较大的节能效益。但是千万不要把控制算法设计成一拍就达到设定值。 在设计和调整控制函数的时候，还要注意机电设备反向动作时不可避免的“空程”问题。有时候智能化系统数值化电信号可以达到的微小调整量，到了实际的机械装置上可能化为“零”动作！因此，智能化系统的调节精度不等于阀门等机械装置所能够达到的调节精度。
六，节能 需要全建筑大系统集成以上的讨论其实都是上海博物馆智能化系统安装、调试、运行中遇到的一些情况和思考。即使在当时，有些也实在是属于ABC一类的东西。但是，就是这些问题，曾经在空调设计和智能化系统的有关人员中反复争论过很长时间。承蒙许多同行对上海博物馆智能化系统的关切和不时询问，现在作这个简单的小结，算是回答和解释。 可能上海博物馆的实践仅仅是一个特例，上述具体的技术内容不一定具有普遍意义。不过，有一点可以肯定，智能化系统要产生节能效益，必须是整个建筑系统大集合共同努力的综合效果。智能化系统的技术水平再高、设备再先进，没有建筑设计的配合、没有与设备的集成，不仅节能是空想，连起码的控制效果也会达不到！更需要说明的是，空调系统的节能效果除了与空调设计密切关联外，与建筑物的地理环境和日照，墙体的材料和厚度，门窗的开敞和对流，人工照明的应用情况等诸多建筑设计因素都有着不可分割的联系。因此，除了重视智能化系统本身的技术提高、积极推广智能化系统的应用以外，更需要把智能化系统与建筑设计、施工、运营、服务、管理结合起来，与建筑内的设备设施结合起来，实行建筑大系统的集成。 把建筑智能化系统的研究和引进从弱电学科领域拉回到建筑本身，真正确立和实现建筑在智能化系统支持下满足现代信息化社会需求的可持续发展目标。这就是我们的体会和努力方向！
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