張顏，潘立君，陳俊，趙曉宇

（同方泰德國際科技(北京)有限公司，北京 100083）

空調(diào)系統(tǒng)能效提升及運(yùn)行管理系統(tǒng)技術(shù)集成與示范應(yīng)用

張顏，潘立君，陳俊，趙曉宇

（同方泰德國際科技(北京)有限公司，北京 100083）

重慶某商場全年能耗較高，中央空調(diào)設(shè)備運(yùn)行效率低，缺少智能調(diào)節(jié)手段，具有很大的節(jié)能潛力。該文根據(jù)商場能耗特點(diǎn)和運(yùn)行模式制定了空調(diào)控制系統(tǒng)節(jié)能改造方案，應(yīng)用適宜的節(jié)能產(chǎn)品和實(shí)際運(yùn)行效率優(yōu)化控制策略，包括中央空調(diào)節(jié)能專家群控、水泵變頻、風(fēng)機(jī)變頻等策略。在同樣的工況下，分別進(jìn)行常規(guī)模式運(yùn)行和節(jié)能模式運(yùn)行，實(shí)測數(shù)據(jù)表明，空調(diào)系統(tǒng)單項(xiàng)節(jié)能率達(dá)到30%。

空調(diào)系統(tǒng)；智能化控制；專家節(jié)能系統(tǒng);冷水機(jī)組;冷凍水泵;冷卻水泵;冷卻塔;空調(diào)機(jī)組；節(jié)能率

0 引言

有研究表明，建筑物及其空調(diào)系統(tǒng)的能耗問題日益顯現(xiàn)，根據(jù)建筑物類型的差異，空調(diào)能耗占建筑總能耗的10%～60%[1]?？照{(diào)系統(tǒng)在公共建筑中是能耗大戶，而空調(diào)冷熱源機(jī)組的能耗在整個空調(diào)系統(tǒng)中又占到了較大的比例。在公共建筑中，中央空調(diào)系統(tǒng)能耗約占建筑總能耗的50%～60%，而冷站能耗占中央空調(diào)能耗比例為50%～80%[2]。空調(diào)系統(tǒng)能根據(jù)負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度，為居住者提供一個舒適的工作和生活環(huán)境。提高空調(diào)系統(tǒng)的能源利用率，同時不影響室內(nèi)的舒適性，一個行之有效的方法是對空調(diào)運(yùn)行優(yōu)化控制和有效的運(yùn)行管理。本文結(jié)合實(shí)例分析了采用中央空調(diào)節(jié)能專家控制系統(tǒng)，對重慶某商場空調(diào)系統(tǒng)的改造進(jìn)行分析，闡述空調(diào)系統(tǒng)能效提升及運(yùn)行管理系統(tǒng)技術(shù)的重要性。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目概況

重慶某商場是一座集購物、餐飲、娛樂、停車庫及少部分辦公為一體的大型購物商場。建筑層數(shù)10層，地上7層，地下3層；建筑面積16萬m2，空調(diào)面積71，000m2，原設(shè)計工況：夏季空調(diào)總冷負(fù)荷為25，514kW，冬季空調(diào)總熱負(fù)荷為8，370kW。

建筑能耗是包括使用過程中用于通風(fēng)、空調(diào)、照明、辦公用電、電梯、動力、給排水和熱水供應(yīng)等系統(tǒng)的能耗。2011年該商場年耗電量為1，876萬kW·h，根據(jù)商場的能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)將建筑能耗分為空調(diào)系統(tǒng)、照明、電梯、辦公及其它共4部分，各項(xiàng)能耗比例見圖1。其中中央空調(diào)耗電占全年總耗電量的42%，約為783萬kWh；商場空調(diào)系統(tǒng)年運(yùn)行時間約為2，800h，空調(diào)系統(tǒng)單位建筑面積年均能耗為110kW·h(m2·a)，其中，制冷機(jī)能耗占49%，輸配系統(tǒng)能耗占24%，冷卻塔占6%，空調(diào)末端及新風(fēng)設(shè)備能耗占14%，如圖2所示。

圖1 建筑各項(xiàng)能耗占比

圖2 空調(diào)系統(tǒng)分項(xiàng)能耗占比

1.2 設(shè)備配置

中央空調(diào)及供暖系統(tǒng)主要設(shè)備清單如表1。

表1 中央空調(diào)主要設(shè)備表

1.3 運(yùn)行情況

該項(xiàng)目中央空調(diào)系統(tǒng)配置5大1小6臺制冷主機(jī)，以及一一對應(yīng)的冷凍水泵和冷卻水泵，從全年的運(yùn)行記錄統(tǒng)計分析，夏季負(fù)荷時一般有2臺大主機(jī)投入使用，峰值時2大1小3臺主機(jī)運(yùn)行，低負(fù)荷時或夜間娛樂場所營業(yè)時運(yùn)行開啟1臺大主機(jī)或僅開啟1臺小主機(jī)，空調(diào)設(shè)備設(shè)計余量偏大。統(tǒng)計中央空調(diào)運(yùn)行記錄表可見，中央空調(diào)冷凍水供水溫度為7～9℃，供回水溫差一般為3～4℃；冷卻水進(jìn)水溫度26～28℃，供回水溫差一般為3～4℃。

而系統(tǒng)采用人工方式控制中央空調(diào)設(shè)備的啟停和運(yùn)行臺數(shù)隨機(jī)性強(qiáng)，不能在負(fù)荷變化的情況下加減載主機(jī)臺數(shù)和循環(huán)水流量，使得有時總的空調(diào)供回水溫差低于3℃，造成輸配系統(tǒng)的能源浪費(fèi)；又有時冷凍水供回水溫差偏大，很可能造成某些末端不能滿足使用需求，影響空調(diào)區(qū)域內(nèi)的舒適感。

2 改造工程

2.1 改造思路

合理設(shè)定運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，在保證空調(diào)需求的情況下節(jié)約低負(fù)荷時制冷主機(jī)和水泵、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的電能消耗具有極其重要的經(jīng)濟(jì)意義。中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制就是依據(jù)負(fù)荷變化，自適應(yīng)智能負(fù)荷調(diào)節(jié)冷凍機(jī)組，變頻調(diào)節(jié)中央空調(diào)水泵、風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。

中央空調(diào)專家節(jié)能群控系統(tǒng)進(jìn)行智能優(yōu)化控制采用變頻技術(shù)和節(jié)能專家控制技術(shù)，利用變頻器、控制器、傳感器等控制設(shè)備的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成溫度閉環(huán)和壓差閉環(huán)等控制回路進(jìn)行自動控制，自動調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；不僅能使室內(nèi)溫濕度維持在設(shè)定狀態(tài)，讓人感到舒適滿意，同時提高系統(tǒng)的自動化控制水平，使整個中央空調(diào)系統(tǒng)工作狀態(tài)安全穩(wěn)定，延長設(shè)備的使用壽命，更重要的是具備良好的節(jié)能效果，確保各個部分的設(shè)備運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài)。

在末端空調(diào)機(jī)組的回風(fēng)管道、新風(fēng)管道上加裝電動風(fēng)閥智能調(diào)節(jié)新風(fēng)回風(fēng)比。充分利用過渡季節(jié)室外溫度低于室內(nèi)設(shè)定溫度的特性調(diào)節(jié)新回風(fēng)比，最大限度發(fā)揮過渡季新風(fēng)免費(fèi)供冷優(yōu)勢；在夏季，在滿足室內(nèi)新風(fēng)需求的情況下，將新風(fēng)負(fù)荷降至最低，以節(jié)省空調(diào)能耗。

2.2 節(jié)能控制策略

當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時，對中央空調(diào)系統(tǒng)的需求也發(fā)生了變化，以變頻的手段配合優(yōu)化的控制策略，盡可能多地降低系統(tǒng)的運(yùn)行能耗（運(yùn)行費(fèi)用）。根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整制冷（熱）主機(jī)的運(yùn)行臺數(shù)，在必要時調(diào)整制冷（熱）主機(jī)的供水溫度；動態(tài)調(diào)整冷凍水（熱水）流量，保持冷凍水（熱水）系統(tǒng)始終處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)；動態(tài)調(diào)整冷卻水流量，使制冷主機(jī)能耗和冷卻水輸送能耗之和最低，保持制冷系統(tǒng)始終處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)；在保障冷源設(shè)備安全有效運(yùn)行的前提下，最大化地降低冷卻水的供水溫度；根據(jù)被控區(qū)域空氣質(zhì)量的變化情況，動態(tài)調(diào)整風(fēng)量和水量，保持系統(tǒng)始終處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

3 空調(diào)系統(tǒng)改造節(jié)能效果

3.1 冷水機(jī)組節(jié)能

一般來講，在蒸發(fā)溫度基本不變的情況下，離心式冷水機(jī)組的冷凝溫度每降低1度其壓縮機(jī)輸入功率降低約2～3%；在冷凝溫度基本不變的情況下，蒸發(fā)溫度每提高1度制冷量約提高3%[2]。

中央空調(diào)節(jié)能專家群控系統(tǒng)除了依據(jù)負(fù)荷變化合理控制冷機(jī)開啟臺數(shù)，使冷水機(jī)組自身保持較高的效率外，更能優(yōu)化冷卻側(cè)的運(yùn)行。使冷卻塔風(fēng)機(jī)同步低頻運(yùn)行，增大冷卻水的換熱面積，降低冷卻水供水溫度，即降低機(jī)組的冷凝溫度，從而提升冷機(jī)的效率，降低冷機(jī)的能耗。商場全年現(xiàn)有冷卻水供水溫度為22～33℃，重慶市的夏季室外計算濕球溫度為27.3℃，采用同步變頻技術(shù)在夏季炎熱期間運(yùn)行，冷卻水供水溫度可降低3～5OC左右，將使得冷機(jī)的節(jié)能率達(dá)到8～15%左右，而在非炎熱季節(jié)，隨著濕球溫度的降低，冷卻水供水水溫會顯著降低達(dá)7℃，將使得冷機(jī)的節(jié)能率達(dá)到18%左右。

3.2 冷凍水泵節(jié)能

根據(jù)運(yùn)行記錄可知，隨著負(fù)荷變化，冷凍水的供回水溫差基本保持在2～5OC之間，通過我們的優(yōu)化控制，將冷凍水的供回水溫差保持在5OC，差值提高0～3OC，冷凍水泵平均節(jié)能率約50%。

3.3 冷卻水泵節(jié)能

我們根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行各時期的濕球溫度，降低冷卻水供水溫度，增大冷卻水供回水溫差來降低冷卻水的流量，現(xiàn)有冷卻水的供回水溫差約為2～4OC左右，通過改造將冷卻水供回水溫差提高1～3OC，冷卻水泵的功耗降低約為55%。

3.4 冷卻塔節(jié)能

將采用“同步變頻、均勻布水”以及維持風(fēng)水比不變的技術(shù)，根據(jù)冷卻水泵的轉(zhuǎn)速和開啟臺數(shù)來確定冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率，雖然冷卻塔開啟數(shù)量增加，但單臺風(fēng)機(jī)功率大大降低，因此即使是冷卻塔風(fēng)機(jī)全部同時開啟也會降低冷卻塔的功耗，根據(jù)前述功率與頻率和流量的計算公式，我們可以計算出增加開啟一臺冷卻塔后，每臺冷卻塔的功率約為原有能耗的35～45%，定頻開啟2～3套冷塔，與6套冷塔同開變頻相比，其節(jié)能率可達(dá)45%左右。

3.5 末端空調(diào)機(jī)組節(jié)能

原來采取定風(fēng)量運(yùn)行方式，末端空調(diào)機(jī)組的負(fù)載率也是基本恒定，負(fù)荷變化時只是通過水閥的開度調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)組盤管水量，從而改變送風(fēng)溫度來滿足負(fù)荷需求。

改造后，冷凍水供回水溫差保持不變，空調(diào)機(jī)組通過變頻調(diào)節(jié)送風(fēng)量。末端負(fù)荷變化趨勢與冷凍水負(fù)荷變化趨勢基本一致?？照{(diào)機(jī)組電機(jī)的節(jié)電率在45%左右。

4 節(jié)能率模擬測試

4.1 節(jié)能率測試方法

中央空調(diào)系統(tǒng)不論單個設(shè)備還是整個系統(tǒng)的改造，包括控制改造和設(shè)備改造，都是為了產(chǎn)生和輸出冷量/熱量，那么對此系統(tǒng)節(jié)能率的評價應(yīng)該可以采用單位產(chǎn)量下的耗電量變化率來表示。

在合理選取一定時期測得以上節(jié)能率后，可以認(rèn)為可代表系統(tǒng)的綜合節(jié)能率，在能耗計量系統(tǒng)軟件中，即可時刻采用此節(jié)能率去計算實(shí)時的節(jié)能量：

我們選擇常規(guī)模式和節(jié)能模式在相同工況下交替運(yùn)行的方式，進(jìn)行節(jié)能率測算。

（1）常規(guī)模式：選擇此模式可在組態(tài)界面中選擇啟動制冷命令后按照常規(guī)工頻方式運(yùn)行系統(tǒng)，如對各個泵組進(jìn)行工頻運(yùn)行，風(fēng)機(jī)采取成組開關(guān)并工頻運(yùn)行等。選擇后程序?qū)⒆詣影错樞蜻M(jìn)行啟動，但選擇常規(guī)模式的模塊將不再進(jìn)行節(jié)能控制，實(shí)現(xiàn)單組或整個系統(tǒng)的工頻運(yùn)行。

（2）節(jié)能模式：選擇此模式可在組態(tài)界面中選擇啟動制冷命令，選擇要啟動的機(jī)組和負(fù)荷側(cè)泵組后，程序?qū)⒆詣影错樞騿雍涂刂葡嚓P(guān)設(shè)備運(yùn)行，可變轉(zhuǎn)矩設(shè)備根據(jù)節(jié)能算法調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，并且運(yùn)行過程中將給出專家提示。

4.2 測試數(shù)據(jù)分析

通過改造商場空調(diào)系統(tǒng)處于調(diào)試運(yùn)行階段，期間我們對空調(diào)系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行效率進(jìn)行了如下測試對比，見表2。

表2 冷機(jī)COP、SCOP、EER-SYS與各負(fù)荷率的關(guān)系

4.3 單位冷量耗電量分析

1 臺冷機(jī)運(yùn)行統(tǒng)計時間內(nèi)節(jié)能模式單位冷量耗電量0.340511，常規(guī)模式單位冷量耗電量0.394357。其節(jié)能率為13.65%（小時計算值得平均值）。

2 臺冷機(jī)運(yùn)行統(tǒng)計時間內(nèi)節(jié)能模式單位冷量耗電量0.28897，常規(guī)模式單位冷量耗電量0.354584。其節(jié)能率為18.52%。

3 臺冷機(jī)運(yùn)行統(tǒng)計時間內(nèi)節(jié)能模式單位冷量耗電量0.327101，常規(guī)模式單位冷量耗電量0.353871。其節(jié)能率為7.56%。

綜上所述，3臺時應(yīng)該在臺數(shù)優(yōu)化的前提下討論節(jié)能率，優(yōu)化到2臺。COP與冷負(fù)荷率的關(guān)系說明同負(fù)荷率時可以開2臺，用此時2臺的電量和3臺的電量比，是節(jié)能率。COP應(yīng)該是高了，水泵頻率可能升高了電耗，風(fēng)機(jī)低了，但占比很少。

5 結(jié)論

引入中央空調(diào)節(jié)能專家控制系統(tǒng)并改善風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行，對重慶某商場空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施的節(jié)能改造，在改善運(yùn)行工況的同時，調(diào)節(jié)電機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)節(jié)能，經(jīng)降頻與功率變化關(guān)系之間的推算，結(jié)合中央空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際改造經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)計改造后降低建筑空調(diào)年能耗費(fèi)用201萬元，空調(diào)系統(tǒng)單項(xiàng)節(jié)能率30%，綜合節(jié)能率11%，節(jié)能效果明顯，對類似大型公共建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造具有一定參考價值。

[1]清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告[R].2014中國城市科學(xué)研究系列報告，2014:62-78.

[2]江華，劉憲英，黃忠.中央空調(diào)能耗現(xiàn)狀調(diào)查與分析[J].制冷與空調(diào)，2005(增刊):31-33.

Technical Integration and Demonstrative Application of Energy Efficiency Promotion and Operation Management System in Air Conditioning System

A shoppingmall in Chongqing hashigh energy consumption and low operation efficiency of centralair-conditioning equipment for lack of intelligentadjustment strategiesw ith huge potential for energy-saving.According to the energy-consumption characteristics and the operationmodes of shoppingmalls,energy conservation innovation plan for air-conditioning control system ismade,adopting suitable energy conservation products and controllableoperation efficiency strategies likegroup control for HVAC system，variable pump frequency strategy and variable fan frequency.Air-conditioning system isoperated in the conventionalmodeand energy-savingmodeunder the sameworking conditionsand theactualdata proves the singleenergy-saving rateofair-conditioning system isup to 30%.

air-conditioning；intelligentcontrol； expertenergy-saving system；chiller；chilled pump；chilling pump；cooling tower；air handling unit；energy saving ratio

TU 855

A

1671-9107（2014）06-0039-04

基金論文：該論文為重慶市科委科技惠民計劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：cstc2013jcsf0162）、重慶市可再生能源建筑應(yīng)用城市示范配套能力建設(shè)項(xiàng)目論文之一

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.06.039

2014-05-09

張顏（1985-），男，山東荷澤人，本科生，工程師，主要從事建筑節(jié)能改造與曖通空調(diào)設(shè)計工作。

孫蘇，李紅