雙碳目標(biāo)下教育建筑空調(diào)能耗管理的探討

楊 虎，史 旭，謝潤榮

（廣州華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司 廣州 510045）

0 前言

我國是個(gè)幅員遼闊、人口眾多的大國，但是能源缺乏，經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、城市化的不斷提高，能源供應(yīng)不足的問題日漸突出。根據(jù)相關(guān)資料顯示，目前全國建筑全過程能耗占能源消費(fèi)總量的比重約為46.5%［1］，其中制冷、采暖的能耗約占建筑能耗的2/3［2］，教育類建筑的情況也不例外［3］。

隨著國家“2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年達(dá)到碳中和”的雙碳戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)的提出，對(duì)于各類建筑實(shí)現(xiàn)低排放的要求越來越嚴(yán)。教育建筑由于使用人員眾多、管理復(fù)雜、空調(diào)運(yùn)行不科學(xué)的問題顯得更為突出。教育建筑具有不同時(shí)段、不同功能房間空調(diào)用電負(fù)荷不均衡等復(fù)雜的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的空調(diào)配電、控制管理和低水平的維護(hù)也使得空調(diào)能耗無謂的浪費(fèi)［4］。本文以廣州某在建?？茖W(xué)校為案例，對(duì)教育建筑空調(diào)能耗的管理進(jìn)行了探討。

1 教育建筑空調(diào)系統(tǒng)管控的現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)教育建筑空調(diào)系統(tǒng)的管理大多存在以下情況：

⑴未對(duì)空調(diào)的耗能進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量，很多項(xiàng)目的照明與空調(diào)混合配電、空調(diào)用電無法監(jiān)控［5］。能耗數(shù)據(jù)存在不全面、不完整的情況，無法識(shí)別空調(diào)用電量是否合理，缺少對(duì)空調(diào)高能耗的原因進(jìn)行深入分析的技術(shù)手段和工具。

⑵空調(diào)設(shè)備新舊混雜，設(shè)備功率和配電線路匹配性差，用電線路負(fù)荷大、能耗過高容易導(dǎo)致線路老化，同時(shí)存在電氣火災(zāi)的隱患。

⑶缺乏空調(diào)集中管控的工具，其管理的方式主要是通過時(shí)間控制器或人工進(jìn)行集中斷電，效率低下且長期采用停電關(guān)機(jī)容易造成空調(diào)壓縮機(jī)的損壞［6］。同時(shí)，空調(diào)開機(jī)時(shí)間長，溫度設(shè)置極端，長時(shí)間地滿載運(yùn)行，也會(huì)導(dǎo)致空調(diào)故障頻發(fā)，降低使用壽命。

⑷無任何故障預(yù)警措施，在空調(diào)使用季節(jié)設(shè)備故障頻發(fā)，維修工作量加大導(dǎo)致效率低下，維護(hù)人員疲于奔命。同時(shí)，空調(diào)帶故障運(yùn)行的情況下，制冷效果不能保障，也會(huì)增加耗電量，從而浪費(fèi)大量的空調(diào)能耗。

2 廣州某?？茖W(xué)校的空調(diào)管理系統(tǒng)

2.1 項(xiàng)目概況

廣州某?？茖W(xué)校遷建工程選址位于廣州市增城區(qū)中部，東距增城區(qū)中心14 km，西距廣州市45 km。本項(xiàng)目用地為山地，規(guī)劃總建筑面積為15 萬m2，均為低層和多層的公共建筑群。該校共包含行政辦公樓（Z1#）；學(xué)前教育組團(tuán)、信息資訊樓、美術(shù)樓、音樂舞蹈組團(tuán)、排演中心及宿舍樓等共41棟建筑。項(xiàng)目總體效果如圖1所示。

圖1 某專科學(xué)?？傮w效果Fig.1 General Modification of a College

2.2 空調(diào)管家系統(tǒng)典型平面設(shè)計(jì)

學(xué)校行政辦公樓4 樓平面布置如圖2 所示，各辦公室內(nèi)空調(diào)的型式為壁掛分體或柜機(jī)。

圖2 某?？茖W(xué)?？照{(diào)能耗管理系統(tǒng)典型平面布置（行政樓4層）Fig.2 Typical Layout of Air Conditioning Energy Consumption Management System of a College（Fourth Floor of Administrative Building）

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)（教室、排演室、宿舍樓等處的設(shè)置原則基本相同），無論空調(diào)設(shè)備采用何種型式，其電力配電均采用單獨(dú)系統(tǒng)的方式，即空調(diào)配電自成系統(tǒng)。室內(nèi)各種類型的空調(diào)設(shè)備也都采用掛機(jī)空調(diào)管家模塊或柜機(jī)空調(diào)管家模塊接入電源，每組空調(diào)管家模塊配置人體紅外感應(yīng)器。同時(shí)，部分功能要求較高的房間設(shè)置了無線溫濕度傳感器、門磁傳感器或窗磁感應(yīng)器，按照設(shè)定值進(jìn)行精確控制。所有空調(diào)管家模塊和感應(yīng)器均采用無線連接方式，通過各樓層設(shè)置的智能網(wǎng)關(guān)將實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳到空調(diào)云服務(wù)管理軟件，同時(shí)接收系統(tǒng)軟件的管理指令，對(duì)設(shè)備實(shí)行有效地控制［7］。

2.3 空調(diào)管家系統(tǒng)各功能部件

2.3.1 智能網(wǎng)關(guān)

智能網(wǎng)關(guān)是連接物聯(lián)網(wǎng)終端與管理平臺(tái)的樞紐，支持以太網(wǎng)及2G/3G/4G 上網(wǎng)，向下支持LoRa 雙信道通訊，抗干擾能力強(qiáng)，無線通訊性能穩(wěn)定。

2.3.2 壁掛空調(diào)空調(diào)管家

適用于分體壁掛式空調(diào)的智能控制和管理，自動(dòng)與網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)，支持各項(xiàng)實(shí)時(shí)電力參數(shù)測(cè)量、溫度的檢測(cè)和管理信號(hào)的執(zhí)行。

2.3.3 柜機(jī)空調(diào)管家（如圖3）

圖3 柜機(jī)空調(diào)管家模塊Fig.3 Cabinet Air Conditioner Butler Module

適用于單相或三相立式空調(diào)的智能化控制和管理，功能與掛機(jī)空調(diào)管家類同。

2.3.4 無線溫濕度傳感器、門磁傳感器及人體紅外傳感器

各類傳感器（見圖4）與空調(diào)管家進(jìn)行無線通訊，實(shí)現(xiàn)溫濕度、門磁開閉狀態(tài)、有人/無人等的聯(lián)動(dòng)控制。

圖4 傳感器Fig.4 Sensor

2.4 本工程空調(diào)管家系統(tǒng)的組成拓?fù)鋱D（見圖5）

圖5 某?？茖W(xué)?？照{(diào)能耗管理系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.5 Topology of Air Conditioning Energy Consumption Management System of a College

2.5 設(shè)備清單（見表1）

表1 設(shè)備清單Tab.1 Equipment List

2.6 本工程空調(diào)管家系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)

空調(diào)設(shè)備的開機(jī)數(shù)量、位置、當(dāng)前運(yùn)行模式、用電量、開機(jī)時(shí)長等等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)做到隨時(shí)監(jiān)控。管理軟件采用了大數(shù)據(jù)和云技術(shù)，提供了全面準(zhǔn)確的歷史數(shù)據(jù)和管理手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行能耗計(jì)量、能耗分析，極大地減輕了管理負(fù)擔(dān)，降低人工成本，提升了管理效率［8］。

空調(diào)控制可以采用多種控制原則，可單獨(dú)控制每一臺(tái)設(shè)備的開關(guān)機(jī)或分區(qū)分片的集中開關(guān)機(jī)，調(diào)整空調(diào)運(yùn)行的溫度、風(fēng)力、時(shí)間、溫度范圍以及空調(diào)禁用等措施。系統(tǒng)亦可采用按時(shí)間計(jì)劃表自動(dòng)運(yùn)行，對(duì)預(yù)訂教室、會(huì)議室等場(chǎng)所進(jìn)行預(yù)冷等舒適性節(jié)能措施。在設(shè)置了人體紅外探測(cè)器和門窗磁探測(cè)器的房間，可以實(shí)現(xiàn)人走關(guān)機(jī)或限制開機(jī)的功能，避免能源浪費(fèi)。

系統(tǒng)診斷出潛在故障后，空調(diào)的監(jiān)測(cè)預(yù)警功能可對(duì)常見故障包括缺氟、冷凝器堵塞、室內(nèi)風(fēng)機(jī)故障、室外風(fēng)扇異常、室內(nèi)濾網(wǎng)臟堵、毛細(xì)管或過濾器堵塞等提供故障的早期預(yù)警。避免空調(diào)長期帶傷工作，以突發(fā)的方式暴露問題，從而影響正常的辦公、教學(xué)和生活。通過從容有序地安排集中維保，避免零散的維修造成整體費(fèi)用上升，最大限度減少緊急維修的概率，顯著降低維保成本［9］。也可以通過維修后設(shè)備的運(yùn)行情況，對(duì)維保工作的品質(zhì)實(shí)現(xiàn)評(píng)估和監(jiān)管。

2.7 空調(diào)管家系統(tǒng)的服務(wù)管理界面（見圖6）

圖6 某?？茖W(xué)?？照{(diào)能耗管理系統(tǒng)服務(wù)界面Fig.6 Service Interface of Air Conditioning Energy Consumption Management System of a College

3 結(jié)語

綜上所述，對(duì)空調(diào)設(shè)備在線智能管控時(shí)，在滿足所在場(chǎng)所工作溫度要求的前提下，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。從空調(diào)設(shè)備運(yùn)行、故障、維護(hù)的全面歷史管理數(shù)據(jù)的記錄和分析中，對(duì)運(yùn)行管理、自動(dòng)優(yōu)化控制、設(shè)備故障診斷、維保管理等方面全方位著手，能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)設(shè)備全生命周期的精細(xì)化管理，顯著提升管理效益，降低空調(diào)能耗，節(jié)約維保及折舊等綜合成本［10］。本系統(tǒng)也適用既有項(xiàng)目空調(diào)設(shè)備的管理改造，同樣可以起到降低能耗、提升管理水平、降低運(yùn)維成本的作用。

廣州某?？茖W(xué)校建成投入使用后，可持續(xù)對(duì)空調(diào)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、積累和分析。同時(shí)，將空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)與其它教育建筑的空調(diào)能耗做對(duì)比，為空調(diào)能耗管理技術(shù)的進(jìn)一步提升提供數(shù)據(jù)支撐。