（廣東工業(yè)大學，廣州 510006）

0 引言

以廣州為代表的我國夏熱冬暖地區(qū)，夏季濕熱多雨，年平均氣溫21.8℃左右，故空調能耗在該地區(qū)公共機構/建筑能耗中占比很大。當前國家正在全力推進節(jié)約型公共機構示范單位創(chuàng)建和綠色校園建設，通過節(jié)能改造來降低空調能耗、提升空調能效顯得尤為重要。

在中央空調系統(tǒng)節(jié)能改造實踐研究方面，通過對具體改造案例的分析和研究可以更好地檢驗改造方案和選用技術的適用性。閆軍威等［1］針對既有中央空調運行過程中存在的問題，建立了空調節(jié)能管理控制系統(tǒng)，改造后部分項目平均節(jié)能率達28%以上。劉金平等［2］通過采用冷水系統(tǒng)水力平衡及冷水機組優(yōu)化控制、增加冷凍水泵及實現(xiàn)變頻調節(jié)等措施的綜合節(jié)能改造，節(jié)能率可達26.3%。賀淼淼等［3］對空調系統(tǒng)冷水供水溫度、流量等運行參數(shù)建立基于功率的能耗模型，采用遺傳算法進行運行策略優(yōu)化，優(yōu)化后空調系統(tǒng)節(jié)能13.24%。文獻［4］通過對某變風量空調系統(tǒng)控制改造的研究，表明采用變靜壓變送風溫度控制方法后室內(nèi)熱舒適性得到明顯提高，且在部分負荷下節(jié)能效果較為明顯。

在中央空調系統(tǒng)節(jié)能技術數(shù)學模型仿真研究方面，凌善旭等［5］在所建立的空調系統(tǒng)模型的基礎上研究了部分負荷下系統(tǒng)冷凍水及冷卻水流量等參數(shù)對系統(tǒng)調控的優(yōu)先級與節(jié)能潛力，系統(tǒng)全局優(yōu)化控制，節(jié)能率可達11.7%。文獻［6］的研究結果表明，對集中供冷中央空調系統(tǒng)能耗影響最大的參數(shù)是溫度、濕度，對于單棟建筑的系統(tǒng)耗冷量，室外溫度、濕度兩個變量就能夠解釋其超過90%的變化。王賀等［7］通過開展基于IMC-P的空調冷卻水溫度控制研究，發(fā)現(xiàn)基于育種算法的串級內(nèi)?？刂破飨到y(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性最好。此外，王躍等［8］在夏熱冬暖地區(qū)建立了開式湖水源熱泵空調系統(tǒng)，制冷能效比達到3.74 W/W。

以上空調系統(tǒng)節(jié)能改造項目，通過運用單一或綜合節(jié)能技術初步達到了節(jié)能效果，但建立數(shù)學模型并與節(jié)能改造實踐效果進行比較分析方面有待進一步研究。因此，本文針對某大型集中供冷中央空調系統(tǒng)特點及在實際運行過程中存在的主要問題，提出多種空調節(jié)能技術相耦合的節(jié)能改造方案，實現(xiàn)既有空調系統(tǒng)的遠程集中控制和節(jié)能優(yōu)化運行；建立基于多元線性回歸統(tǒng)計法的中央空調系統(tǒng)基期能耗-影響因素數(shù)學模型，并對節(jié)能量進行計算和比較分析。本項目的實踐及研究結果可為該地區(qū)中央空調系統(tǒng)節(jié)能改造提供參考和借鑒。

1 系統(tǒng)概況及存在問題

1.1 系統(tǒng)概況

本項目改造的中央空調系統(tǒng)供冷區(qū)域為6棟公共教學樓，總實際改造涉及供冷面積約為9.3萬m2。該空調系統(tǒng)采用區(qū)域集中供冷系統(tǒng)技術，冷站將一次冷凍水輸送到建筑內(nèi)的板換間后通過板式換熱器與二次側冷凍水進行換熱，再對教學樓內(nèi)各教室進行供冷。其中一次側冷凍水的設計溫度為3/12.5 ℃，二次側冷水設計溫度為6.5/13.5 ℃，設計用冷指標為180 W/m2，總設計冷負荷2.38萬kW。所有均采用上送上回的風方式空調系統(tǒng)。本系統(tǒng)換熱設備及空氣處理機等主要設備具體參數(shù)見表 1，2。

表1 換熱設備具體參數(shù)

表2 空氣處理機具體參數(shù)

空調系統(tǒng)主要運行時間為每年4月底至11月中旬，教學日每天運行約12 h（08：30-20：30）。教學樓建筑能耗主要由冷耗及電耗兩部分組成，其中冷耗采用熱能表積算器來計量。據(jù)統(tǒng)計，改造前空調冷耗所占能耗費用的比例為51%。因此有必要對空調系統(tǒng)（特別是冷源側）進行分析和改造。

1.2 存在問題

在該系統(tǒng)物業(yè)管理中雖然配置了專人進行運行管理，但專業(yè)化程度低，且缺乏相匹配的智能化管理控制系統(tǒng)，無法保證空調系統(tǒng)運行在合理區(qū)間。由于空調冷負荷會隨室內(nèi)冷負荷需求、室外環(huán)境參數(shù)等動態(tài)變化，人工日常管理無法及時響應室內(nèi)冷負荷變化，故存在能源利用率低、冷耗浪費嚴重等現(xiàn)象，空調系統(tǒng)有較大的節(jié)能優(yōu)化潛力。具體存在問題分析如下：

（1）日常運行依靠人工現(xiàn)場操作，自動化程度低。建筑內(nèi)空調機組及板換間設備依靠專職的管理人員每天現(xiàn)場開關機，工作量大、系統(tǒng)自動化程度低，亟待改善；板換間二次側循環(huán)泵采用定供水壓力經(jīng)驗值，存在設置不合理的現(xiàn)象；過渡季節(jié)無法補充室外的新風降低空調冷負荷。

（2）人工管理存在開關機滯后性，無法實現(xiàn)精益化管理。由于供冷面積較大，且各功能區(qū)域溫度設定要求略有所不同，人工管理難免存在疏漏，人工“一刀切式”現(xiàn)場管理無法進行各功能區(qū)差別化及個性化供冷需求，存在“大流量、小溫差”等現(xiàn)象，導致中央空調系統(tǒng)整體運行能效未得到充分發(fā)揮。

（3）缺乏對重要參數(shù)的實時監(jiān)控，空調舒適性和能源利用率難以保障。系統(tǒng)缺乏溫度實時監(jiān)控，室溫控制僅通過采集單點回風溫度確定，難以對實際供冷效果、冷熱不均（最大達4 ℃左右）等問題進行全局性判斷。根據(jù)現(xiàn)場調研，個別反映室內(nèi)溫度偏低，不僅影響人體舒適感，同時造成了冷量嚴重浪費。板換間設備無法依據(jù)建筑冷負荷等參數(shù)（二次側供水回路壓力和溫度、室內(nèi)外溫度及末端負荷等）的變化來按需實時自動調節(jié)二次側水泵機組運行狀態(tài)和供水溫度難以保持高效運行。此外，未對實際用冷量、用電量進行采集監(jiān)測和分析，不利于深入挖掘空調系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

（4）空調末端機組控制老化，且未進行變頻運行控制?？照{機組水閥為電動通斷閥，僅能實現(xiàn)水閥的開關，無法對水量進行精確調節(jié)?？照{機末端組僅采用老式機械面板/旋鈕開關控制，精度低、故障率偏高。

（5）尚未進行空調系統(tǒng)調適，系統(tǒng)工況沒有運行在最佳狀態(tài)。

為有效解決以上問題，亟需對空調系統(tǒng)進行綜合節(jié)能改造，建立中央空調節(jié)能控制系統(tǒng)，全面提高空調自動化、智能化管理水平，在保障滿足末端用冷舒適性的前提下有效降低空調耗能。

2 節(jié)能改造方案及思路

2.1 改造方案整體思路

針對該空調系統(tǒng)存在的主要問題，重點提高板換間設備的自動化運行管理水平，建立集中供冷中央空調節(jié)能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)空調冷源系統(tǒng)無人值守、節(jié)能運行。

控制系統(tǒng)提供遠程與本地監(jiān)控功能，采用移動信號進行數(shù)據(jù)通訊和傳輸；同時采用雙系統(tǒng)設計理念，提供的本地監(jiān)控功能可確保系統(tǒng)在網(wǎng)絡通訊等出現(xiàn)故障時緊急切換為本地人工應急控制模式，確保教學樓中央空調系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行。

控制系統(tǒng)能夠依據(jù)建筑冷負荷（二次側供水回路壓力和溫度、室內(nèi)外溫度及末端負荷等）參數(shù)的變化來按需實時自動調節(jié)二次側水泵機組運行狀態(tài)和供水溫度，實現(xiàn)系統(tǒng)整體節(jié)能。二次側水泵控制和供水溫度控制采用多種控制優(yōu)化方案，設置最不利點參數(shù)監(jiān)測，在保證滿足最不利點壓力需求的前提下，進行水溫/壓差優(yōu)化控制。（1）二次側供水溫度的優(yōu)化控制：通過比較二次供水溫度設定值與實際供水溫度，將結果輸入PID 控制器，PID控制器則通過精確控制一次側電磁調節(jié)閥的開度來控制板式換熱器一次側冷水流量，進而達到調節(jié)二次側供水溫度的目的。（2）二次側水泵優(yōu)化變頻控制［9］：通過二次側供回水管壓差來動態(tài)調節(jié)其運行頻率，實現(xiàn)水泵的優(yōu)化變頻控制，通常變化范圍在30～50 Hz區(qū)間內(nèi)。

控制系統(tǒng)采用直觀的監(jiān)控界面，以系統(tǒng)原理圖形式，確保系統(tǒng)界面可視化效果好，便于遠程及本地運維操作及管理。

充分考慮系統(tǒng)的可擴展性和兼容性，可與未來其它節(jié)能控制系統(tǒng)相互融合及對接。

2.2 節(jié)能控制系統(tǒng)架構

節(jié)能控制系統(tǒng)主要包括運維監(jiān)控層、現(xiàn)場控制層以及硬件設備層等組成，控制系統(tǒng)架構如圖1所示。其中運維監(jiān)控層由數(shù)據(jù)服務器及運維管理等各功能客戶端組成；現(xiàn)場控制層即智能現(xiàn)場控制柜，主要完成空調系統(tǒng)運行參數(shù)和狀態(tài)的實時監(jiān)測，完成采集數(shù)據(jù)和指令的上傳及下發(fā)；硬件設備層主要由位于一、二次側的換熱器、水泵、變頻器、電磁閥、水溫傳感器、壓差傳感器及電量冷量計量表具等部分組成。

圖1 系統(tǒng)架構示意

系統(tǒng)功能模塊主要包括換熱器控制模塊、二次側循環(huán)水泵控制模塊、電動調節(jié)閥控制模塊等3部分，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

2.3 系統(tǒng)具體功能

集中供冷中央空調節(jié)能控制系統(tǒng)具體功能包括現(xiàn)場控制和監(jiān)控軟件兩部分。

2.3.1 現(xiàn)場控制

（1）實時采集一、二次側水溫、壓力、調動調節(jié)閥開度、室外溫濕度等參數(shù)，完成數(shù)模轉換及傳輸；（2）檢測二次側循環(huán)泵運行狀態(tài)，包括遠程狀態(tài)、工頻狀態(tài)，實現(xiàn)冷凍水循環(huán)泵變頻運行和運行臺數(shù)控制；（3）根據(jù)室外溫濕度和空調末端負荷需求的變化，根據(jù)系統(tǒng)設定動態(tài)調節(jié)一次側供冷量；（4）控制器可按需求擴展I/O模塊，可實現(xiàn)遠程聯(lián)網(wǎng)通訊，具備以太網(wǎng)接口以及手自動切換應急控制模式；（5）觸控屏可進行實時監(jiān)控及現(xiàn)場操作。

2.3.2 監(jiān)控軟件

（1）遠程監(jiān)控功能：實現(xiàn)以系統(tǒng)原理圖的形式直觀的實時監(jiān)測冷源系統(tǒng)的各運行參數(shù)；針對冷源系統(tǒng)運行的實時室內(nèi)外溫度及供回水、壓力、流量、用電量、用冷量等數(shù)據(jù)進行直觀界面展示；實現(xiàn)遠程在線集中控制，包括設備啟停、參數(shù)設置、控制模式、系統(tǒng)總覽等；（2）能耗分析功能：實現(xiàn)對冷源系統(tǒng)運行的電耗、冷耗等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和分析統(tǒng)計；（3）節(jié)能控制功能：包括實現(xiàn)依照設定的啟停時間（如教學日歷、節(jié)假日等）進行啟?？刂萍皽囟仍O置；針對隨室外溫度和室內(nèi)負荷的變化自動調整二次側循環(huán)泵運行頻率、供水溫度，增加二次側供回水壓差優(yōu)化調節(jié)；綜合監(jiān)測最不利回路的系統(tǒng)壓差，系統(tǒng)采用模糊算法判定是否滿足該回路的運行要求并做出反應；（4）報警提示功能：實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊狀態(tài)異常報警、系統(tǒng)參數(shù)超限報警、運行能耗超限報警等；具備故障記錄、查詢及導出功能；（5）數(shù)據(jù)查詢及導出：提供所有設備狀態(tài)參數(shù)、系統(tǒng)能耗（用電、用冷量）參數(shù)、控制參數(shù)等歷史數(shù)據(jù)的多種報表查詢及導出；（6）權限管理功能：支持對不同角色人員（如管理員、物業(yè)操作人員、維修人員等）分配不同的用戶權限，匹配各崗位功能需求，并最小化原則控制用戶權限，保障系統(tǒng)安全性和實操便捷性；幫助文檔：在線查詢系統(tǒng)操作手冊，便于系統(tǒng)操作及參數(shù)設置。

改造后的系統(tǒng)控制界面主要包括冷源監(jiān)控、運行管理、參數(shù)設置、能耗監(jiān)測、設備管理、故障報警、系統(tǒng)管理及幫助等部分。通過本系統(tǒng)可按需將中央空調設定在遠程、應急和停止狀態(tài)。

3 節(jié)能效果分析

GB/T 28750-2012［10］中給出了 3 種節(jié)能量的測量及驗證方法：基期能耗-影響因素模型法、直接比較法和模擬軟件法。文獻［11］中指出對于集中供冷中央空調系統(tǒng)而言，由于系統(tǒng)整體能耗受室外溫濕度、人員及運行管理方式等外部因素影響較大，而改造過程中一般采取多項節(jié)能技術相疊加，它們之間存在顯著的相互影響。故測算空調系統(tǒng)改造前后的整體節(jié)能效果，宜采用基期能耗-影響因素模型法。為了從時間維度全面考察節(jié)能改造的實際效果，本文分別采用了基期能耗-影響因素模型法和直接比較法進行分析。

3.1 基期能耗-影響因素模型的建立與驗證

參考文獻［11］，采用多元線性回歸分析方法，建立集中供冷中央空調系統(tǒng)的基期能耗-影響因素數(shù)學模型并進行驗證，為集中供冷中央空調系統(tǒng)節(jié)能改造的節(jié)能量計算提供參考。

3.1.1 基期能耗-影響因素模型的建立

（1）基期內(nèi)空調系統(tǒng)日實測能耗：既有教學樓建筑集中供冷中央空調系統(tǒng)能耗的影響因素有環(huán)境溫度、相對濕度、教室使用率等，現(xiàn)選取以上3個關鍵因素（主要考慮用冷量，暫不考慮空調末端用電量），采用多元線性回歸分析方法建立中央空調系統(tǒng)基期能耗-影響因素模型，如下：

式中Eb，d——基期內(nèi)空調系統(tǒng)日實測冷耗；

β0，β1，β2，β3——多元線性回歸系數(shù)；

tb，d，φb，d，Zb，d——基期內(nèi)室外環(huán)境日平均溫度、平均相對濕度及教室使用率。

（2）基期內(nèi)空調系統(tǒng)日校準能耗：

式中Ea，d——空調系統(tǒng)日校準冷耗；

Sr——統(tǒng)計報告期內(nèi)空調系統(tǒng)供冷面積；

Sb——基期內(nèi)空調系統(tǒng)供冷面積；

Tr——統(tǒng)計報告期內(nèi)的空調系統(tǒng)日運行時間；

Tb——基期內(nèi)的空調系統(tǒng)日運行時間；

tr，d，φr，d，Zr，d——統(tǒng)計報告期內(nèi)室外環(huán)境日平均溫度、平均相對濕度以及教室使用率。

（3）統(tǒng)計報告期內(nèi)節(jié)能量：

式中Er，d——統(tǒng)計報告期內(nèi)空調系統(tǒng)日實測冷耗。

3.1.2 模型驗證

空調系統(tǒng)進行節(jié)能改造后，于2018年6月投入節(jié)能運行，2019年9月對改造后的系統(tǒng)進行了節(jié)能量測量。綜合考慮教學樓用能規(guī)律，盡可能減少其他因素影響，現(xiàn)選取2017年9月的4個正常教學周（09.03～09.30）作為基期，2018年9月的4個正常教學周（09.02～09.29）作為統(tǒng)計報告期。該周期內(nèi)教學安排全部開放中央空調，故教學樓內(nèi)各教室的有效使用率等同于課室空調的開放率，以教學課程安排為準，另外，根據(jù)實際測算增加10%自習使用時間加以修正。采用SPSS 17.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件進行多元線性回歸分析，計算得到該空調系統(tǒng)的基期能耗-影響因素數(shù)學模型。

該回歸模型的變異系數(shù)R2=0.954＞0.75，說明模型的擬合度滿足要求。線性回歸模型的顯著性檢驗結果導出見表3，4。

表3 模型顯著性檢驗

表4 回歸系數(shù)顯著性檢驗

取α=0.05，即95%的置信區(qū)間，查F分布表得Fα（p，n-p-1）=F0.05（3，24）=3.01，從表 3 可以看出，F(xiàn)=185.749＞F0.05（3，24），故模型的線性回歸顯著。查t分布表得tα/2（n-p-1）=t0.025（24）=2.064，模型項前的回歸系數(shù)及其t檢驗值的絕對值分別為 2.251，5.837，2.536，22.728 均大于t0.025（24），說明室外環(huán)境溫度、相對濕度及教室有效使用率等3個關鍵因素的變化能較好地反應中央空調系統(tǒng)冷耗的變化，模型的線性關系亦顯著。

計算得到改造前基期內(nèi)4個完整的教學周的空調系統(tǒng)用冷量估計值，并與實際用冷量數(shù)據(jù)進行對比，如圖3所示。兩者的平均相對誤差為7.89%，驗證了本能耗模型具有較好的準確性和適用性。因此，對于影響因素較多并且復雜的中央空調系統(tǒng)來講，該模型可以在一定程度上為其能耗預測提供參考。

圖3 基期實測用冷量與模型估計用冷量對比

統(tǒng)計報告期內(nèi)系統(tǒng)節(jié)能量Es及節(jié)能率S：

計算得到Es=-98 074 kW·h，S=19.28%。即通過基期能耗-影響因素模型計算得出該系統(tǒng)改造后的節(jié)能率為19.28%。

3.2 直接比較法

直接比較法的測試主要依據(jù)為GB/T 31349-2014、GB/T 28750-2012 等標準和規(guī)范［12-20］。

由系統(tǒng)導出的2018年9月14日（改造后）運行參數(shù)及采集的2017年9月13日（改造前）運行參數(shù)進行具體分析，如圖4所示。由圖4可以看出，改造前后室內(nèi)溫度基本穩(wěn)定在25～27 ℃之間，即改造后空調系統(tǒng)完全滿足使用需求；改造后的逐時用冷量均低于改造前，特別是下午13：00課前時段逐時節(jié)能率達到47.71%，分析原因主要得益于改造后系統(tǒng)能夠依據(jù)建筑冷負荷的變化，通過參數(shù)補償來實時調節(jié)系統(tǒng)運行工況，最大程度減少不必要的浪費。（兩天氣象條件及教室使用率基本一致，2018年9月14日，溫度為26～35 ℃，雷陣雨轉晴；2017年9月13日，溫度為27～36℃，多云轉晴。）

圖4 改造前后逐時用冷量及室內(nèi)外溫度變化曲線

圖5 改造前后2個供冷周期年度用冷量對比

如圖5所示，直觀地對比分析系統(tǒng)改造前后2個完整的供冷周期（通常為每年4月下旬至11月中上旬）的每月統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以看出2019年節(jié)能改造后教學樓的實際用冷量為243.18萬kW·h，折算用冷費用為188.54萬元，2017年節(jié)能改造前的用冷量為316.38萬kW·h，折算用冷費為245.29萬元，每年節(jié)約用冷費56.75萬，實測節(jié)能率經(jīng)計算為23.14%。除2019年8月份暑假教學樓開放考研自習室增加了用冷量以外，其余月份均呈現(xiàn)下降趨勢，且過渡季節(jié)（4月、11月）更為明顯，其中4月份的月節(jié)能率達到46.13%。

本項目改造后的實測節(jié)能率為23.14%，考慮到年氣候變化及教室冷負荷實際需求的影響，該節(jié)能率與基期能耗-影響因素模型法計算得出的理論節(jié)能率19.28%可認為基本一致。由于項目節(jié)能改造前能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計很難做到完整、連續(xù)，故可嘗試優(yōu)先選用基期能耗-影響因素模型法計算出的節(jié)能量/節(jié)能率應用到中央空調合同能源管理節(jié)能改造項目中。

本項目改造投資成本約70萬，每年節(jié)約用冷費56.75萬，即不到1.5 a就可以收回項目改造成本，具有良好明顯的節(jié)能示范和經(jīng)濟效益。

4 結論

（1）針對某集中供冷中央空調系統(tǒng)自動化程度低、冷耗浪費嚴重等問題，對其進行了節(jié)能改造，建立了集中供冷中央空調節(jié)能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)空調冷源系統(tǒng)無人值守、節(jié)能運行。

（2）控制系統(tǒng)能夠依據(jù)建筑冷負荷（二次側供水回路壓力和溫度、室內(nèi)外溫度及末端負荷等）參數(shù)的變化來按需實時自動調節(jié)二次側水泵機組運行狀態(tài)和供水溫度，實現(xiàn)系統(tǒng)整體節(jié)能；系統(tǒng)同時具備本地監(jiān)控功能，確?？照{系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行。

（3）采用多元線性回歸分析方法，建立集中供冷中央空調系統(tǒng)的基期能耗-影響因素數(shù)學模型并進行驗證，模型的線性回歸顯著，可為集中供冷中央空調系統(tǒng)節(jié)能改造的節(jié)能量計算提供參考。

（4）系統(tǒng)改造后每年可節(jié)約用冷費56.75萬，不到1.5 a就可以收回項目改造成本，具有良好的節(jié)能示范作用和經(jīng)濟效益。

（5）系統(tǒng)改造后的實測節(jié)能率為23.14%，與基期能耗-影響因素模型法計算得出的節(jié)能率19.28%基本一致。