空調系統能效提升及運行管理系統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）

空調系統能效提升及運行管理系統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，缺少智能調節手段，具有很大的節能潛力。該文根據商場能耗特點和運行模式制定了空調控制系統節能改造方案，應用適宜的節能產品和實際運行效率優化控制策略，包括中央空調節能專家群控、水泵變頻、風機變頻等策略。在同樣的工況下，分別進行常規模式運行和節能模式運行，實測數據表明，空調系統單項節能率達到30%。

空調系統；智能化控制；專家節能系統;冷水機組;冷凍水泵;冷卻水泵;冷卻塔;空調機組；節能率

0 引言

有研究表明，建筑物及其空調系統的能耗問題日益顯現，根據建筑物類型的差異，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中又占到了較大的比例。在公共建筑中，中央空調系統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]。空調系統能根據負荷的變化調節室內溫濕度，為居住者提供一個舒適的工作和生活環境。提高空調系統的能源利用率，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能專家控制系統，對重慶某商場空調系統的改造進行分析，闡述空調系統能效提升及運行管理系統技術的重要性。

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的能耗。2011年該商場年耗電量為1，876萬kW·h，根據商場的能耗監測數據將建筑能耗分為空調系統、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；商場空調系統年運行時間約為2，800h，空調系統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 空調系統分項能耗占比

1.2 設備配置

中央空調及供暖系統主要設備清單如表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℃。

而系統采用人工方式控制中央空調設備的啟停和運行臺數隨機性強，不能在負荷變化的情況下加減載主機臺數和循環水流量，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

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

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

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新風回風比。充分利用過渡季節室外溫度低于室內設定溫度的特性調節新回風比，最大限度發揮過渡季新風免費供冷優勢；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，以節省空調能耗。

2.2 節能控制策略

當負荷發生變化時，對中央空調系統的需求也發生了變化，以變頻的手段配合優化的控制策略，盡可能多地降低系統的運行能耗（運行費用）。根據運行數據，動態調整制冷（熱）主機的運行臺數，在必要時調整制冷（熱）主機的供水溫度；動態調整冷凍水（熱水）流量，保持冷凍水（熱水）系統始終處于經濟運行狀態；動態調整冷卻水流量，使制冷主機能耗和冷卻水輸送能耗之和最低，保持制冷系統始終處于經濟運行狀態；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；根據被控區域空氣質量的變化情況，動態調整風量和水量，保持系統始終處于經濟運行狀態。

3 空調系統改造節能效果

3.1 冷水機組節能

一般來講，在蒸發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，蒸發溫度每提高1度制冷量約提高3%[2]。

中央空調節能專家群控系統除了依據負荷變化合理控制冷機開啟臺數，使冷水機組自身保持較高的效率外，更能優化冷卻側的運行。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，將使得冷機的節能率達到8～15%左右，而在非炎熱季節，隨著濕球溫度的降低，冷卻水供水水溫會顯著降低達7℃，將使得冷機的節能率達到18%左右。

3.2 冷凍水泵節能

根據運行記錄可知，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，冷凍水泵平均節能率約50%。

3.3 冷卻水泵節能

我們根據系統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，根據冷卻水泵的轉速和開啟臺數來確定冷卻塔風機頻率，雖然冷卻塔開啟數量增加，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，其節能率可達45%左右。

3.5 末端空調機組節能

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。空調機組電機的節電率在45%左右。

4 節能率模擬測試

4.1 節能率測試方法

中央空調系統不論單個設備還是整個系統的改造，包括控制改造和設備改造，都是為了產生和輸出冷量/熱量，那么對此系統節能率的評價應該可以采用單位產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能率后，可以認為可代表系統的綜合節能率，在能耗計量系統軟件中，即可時刻采用此節能率去計算實時的節能量：

我們選擇常規模式和節能模式在相同工況下交替運行的方式，進行節能率測算。

（1）常規模式：選擇此模式可在組態界面中選擇啟動制冷命令后按照常規工頻方式運行系統，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，但選擇常規模式的模塊將不再進行節能控制，實現單組或整個系統的工頻運行。

（2）節能模式：選擇此模式可在組態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，可變轉矩設備根據節能算法調節轉矩運行，并且運行過程中將給出專家提示。

4.2 測試數據分析

通過改造商場空調系統處于調試運行階段，期間我們對空調系統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 臺冷機運行統計時間內節能模式單位冷量耗電量0.340511，常規模式單位冷量耗電量0.394357。其節能率為13.65%（小時計算值得平均值）。

2 臺冷機運行統計時間內節能模式單位冷量耗電量0.28897，常規模式單位冷量耗電量0.354584。其節能率為18.52%。

3 臺冷機運行統計時間內節能模式單位冷量耗電量0.327101，常規模式單位冷量耗電量0.353871。其節能率為7.56%。

綜上所述，3臺時應該在臺數優化的前提下討論節能率，優化到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

引入中央空調節能專家控制系統并改善風系統運行，對重慶某商場空調系統實施的節能改造，在改善運行工況的同時，調節電機頻率實現節能，經降頻與功率變化關系之間的推算，結合中央空調系統的實際改造經驗數據，預計改造后降低建筑空調年能耗費用201萬元，空調系統單項節能率30%，綜合節能率11%，節能效果明顯，對類似大型公共建筑的中央空調系統節能改造具有一定參考價值。

[1]清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告[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，主要從事建筑節能改造與曖通空調設計工作。

孫蘇，李紅