空調系統(tǒng)能效提升及運行管理系統(tǒng)技術集成與示范應用

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）

空調系統(tǒng)能效提升及運行管理系統(tǒng)技術集成與示范應用

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，中央空調設備運行效率低，缺少智能調節(jié)手段，具有很大的節(jié)能潛力。該文根據(jù)商場能耗特點和運行模式制定了空調控制系統(tǒng)節(jié)能改造方案，應用適宜的節(jié)能產(chǎn)品和實際運行效率優(yōu)化控制策略，包括中央空調節(jié)能專家群控、水泵變頻、風機變頻等策略。在同樣的工況下，分別進行常規(guī)模式運行和節(jié)能模式運行，實測數(shù)據(jù)表明，空調系統(tǒng)單項節(jié)能率達到30%。

空調系統(tǒng)；智能化控制；專家節(jié)能系統(tǒng);冷水機組;冷凍水泵;冷卻水泵;冷卻塔;空調機組；節(jié)能率

0 引言

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

1 項目概況

1.1 項目概況

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，空調面積71，000m2，原設計工況：夏季空調總冷負荷為25，514kW，冬季空調總熱負荷為8，370kW。

建筑能耗是包括使用過程中用于通風、空調、照明、辦公用電、電梯、動力、給排水和熱水供應等系統(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系統(tǒng)、照明、電梯、辦公及其它共4部分，各項能耗比例見圖1。其中中央空調耗電占全年總耗電量的42%，約為783萬kWh；商場空調系統(tǒng)年運行時間約為2，800h，空調系統(tǒng)單位建筑面積年均能耗為110kW·h(m2·a)，其中，制冷機能耗占49%，輸配系統(tǒng)能耗占24%，冷卻塔占6%，空調末端及新風設備能耗占14%，如圖2所示。

圖1 建筑各項能耗占比

圖2 空調系統(tǒng)分項能耗占比

1.2 設備配置

中央空調及供暖系統(tǒng)主要設備清單如表1。

表1 中央空調主要設備表

1.3 運行情況

該項目中央空調系統(tǒng)配置5大1小6臺制冷主機，以及一一對應的冷凍水泵和冷卻水泵，從全年的運行記錄統(tǒng)計分析，夏季負荷時一般有2臺大主機投入使用，峰值時2大1小3臺主機運行，低負荷時或夜間娛樂場所營業(yè)時運行開啟1臺大主機或僅開啟1臺小主機，空調設備設計余量偏大。統(tǒng)計中央空調運行記錄表可見，中央空調冷凍水供水溫度為7～9℃，供回水溫差一般為3～4℃；冷卻水進水溫度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設備的啟停和運行臺數(shù)隨機性強，不能在負荷變化的情況下加減載主機臺數(shù)和循環(huán)水流量，使得有時總的空調供回水溫差低于3℃，造成輸配系統(tǒng)的能源浪費；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，影響空調區(qū)域內的舒適感。

2 改造工程

2.1 改造思路

合理設定運行狀態(tài)參數(shù)，在保證空調需求的情況下節(jié)約低負荷時制冷主機和水泵、風機系統(tǒng)的電能消耗具有極其重要的經(jīng)濟意義。中央空調系統(tǒng)的節(jié)能控制就是依據(jù)負荷變化，自適應智能負荷調節(jié)冷凍機組，變頻調節(jié)中央空調水泵、風機的運行。

中央空調專家節(jié)能群控系統(tǒng)進行智能優(yōu)化控制采用變頻技術和節(jié)能專家控制技術，利用變頻器、控制器、傳感器等控制設備的有機結合，構成溫度閉環(huán)和壓差閉環(huán)等控制回路進行自動控制，自動調節(jié)水泵的輸出流量，自動調節(jié)風機的轉速；不僅能使室內溫濕度維持在設定狀態(tài)，讓人感到舒適滿意，同時提高系統(tǒng)的自動化控制水平，使整個中央空調系統(tǒng)工作狀態(tài)安全穩(wěn)定，延長設備的使用壽命，更重要的是具備良好的節(jié)能效果，確保各個部分的設備運行達到最佳狀態(tài)。

在末端空調機組的回風管道、新風管道上加裝電動風閥智能調節(jié)新風回風比。充分利用過渡季節(jié)室外溫度低于室內設定溫度的特性調節(jié)新回風比，最大限度發(fā)揮過渡季新風免費供冷優(yōu)勢；在夏季，在滿足室內新風需求的情況下，將新風負荷降至最低，以節(jié)省空調能耗。

2.2 節(jié)能控制策略

當負荷發(fā)生變化時，對中央空調系統(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)的運行能耗（運行費用）。根據(jù)運行數(shù)據(jù)，動態(tài)調整制冷（熱）主機的運行臺數(shù)，在必要時調整制冷（熱）主機的供水溫度；動態(tài)調整冷凍水（熱水）流量，保持冷凍水（熱水）系統(tǒng)始終處于經(jīng)濟運行狀態(tài)；動態(tài)調整冷卻水流量，使制冷主機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)濟運行狀態(tài)；在保障冷源設備安全有效運行的前提下，最大化地降低冷卻水的供水溫度；根據(jù)被控區(qū)域空氣質量的變化情況，動態(tài)調整風量和水量，保持系統(tǒng)始終處于經(jīng)濟運行狀態(tài)。

3 空調系統(tǒng)改造節(jié)能效果

3.1 冷水機組節(jié)能

一般來講，在蒸發(fā)溫度基本不變的情況下，離心式冷水機組的冷凝溫度每降低1度其壓縮機輸入功率降低約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]。

中央空調節(jié)能專家群控系統(tǒng)除了依據(jù)負荷變化合理控制冷機開啟臺數(shù)，使冷水機組自身保持較高的效率外，更能優(yōu)化冷卻側的運行。使冷卻塔風機同步低頻運行，增大冷卻水的換熱面積，降低冷卻水供水溫度，即降低機組的冷凝溫度，從而提升冷機的效率，降低冷機的能耗。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℃，采用同步變頻技術在夏季炎熱期間運行，冷卻水供水溫度可降低3～5OC左右，將使得冷機的節(jié)能率達到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7℃，將使得冷機的節(jié)能率達到18%左右。

3.2 冷凍水泵節(jié)能

根據(jù)運行記錄可知，隨著負荷變化，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”以及維持風水比不變的技術，根據(jù)冷卻水泵的轉速和開啟臺數(shù)來確定冷卻塔風機頻率，雖然冷卻塔開啟數(shù)量增加，但單臺風機功率大大降低，因此即使是冷卻塔風機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45%左右。

3.5 末端空調機組節(jié)能

原來采取定風量運行方式，末端空調機組的負載率也是基本恒定，負荷變化時只是通過水閥的開度調節(jié)空調機組盤管水量，從而改變送風溫度來滿足負荷需求。

改造后，冷凍水供回水溫差保持不變，空調機組通過變頻調節(jié)送風量。末端負荷變化趨勢與冷凍水負荷變化趨勢基本一致?？照{機組電機的節(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

中央空調系統(tǒng)不論單個設備還是整個系統(tǒng)的改造，包括控制改造和設備改造，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行的方式，進行節(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)工頻方式運行系統(tǒng)，如對各個泵組進行工頻運行，風機采取成組開關并工頻運行等。選擇后程序將自動按順序進行啟動，但選擇常規(guī)模式的模塊將不再進行節(jié)能控制，實現(xiàn)單組或整個系統(tǒng)的工頻運行。

（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，選擇要啟動的機組和負荷側泵組后，程序將自動按順序啟動和控制相關設備運行，可變轉矩設備根據(jù)節(jié)能算法調節(jié)轉矩運行，并且運行過程中將給出專家提示。

4.2 測試數(shù)據(jù)分析

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

表2 冷機COP、SCOP、EER-SYS與各負荷率的關系

4.3 單位冷量耗電量分析

1 臺冷機運行統(tǒng)計時間內節(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 臺冷機運行統(tǒng)計時間內節(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 臺冷機運行統(tǒng)計時間內節(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與冷負荷率的關系說明同負荷率時可以開2臺，用此時2臺的電量和3臺的電量比，是節(jié)能率。COP應該是高了，水泵頻率可能升高了電耗，風機低了，但占比很少。

5 結論

引入中央空調節(jié)能專家控制系統(tǒng)并改善風系統(tǒng)運行，對重慶某商場空調系統(tǒng)實施的節(jié)能改造，在改善運行工況的同時，調節(jié)電機頻率實現(xiàn)節(jié)能，經(jīng)降頻與功率變化關系之間的推算，結合中央空調系統(tǒng)的實際改造經(jīng)驗數(shù)據(jù)，預計改造后降低建筑空調年能耗費用201萬元，空調系統(tǒng)單項節(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系統(tǒng)節(jié)能改造具有一定參考價值。

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

[2]江華，劉憲英，黃忠.中央空調能耗現(xiàn)狀調查與分析[J].制冷與空調，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目（項目編號：cstc2013jcsf0162）、重慶市可再生能源建筑應用城市示范配套能力建設項目論文之一

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)能改造與曖通空調設計工作。

孫蘇，李紅