建筑中央空調負荷管理系統性解決方案及應用

岳明（江蘇聯宏自動化系統工程有限公司，南京　210046）

Systemic solutions and application of building central air?conditioning load management

YUE Ming（Jiangsu Lianhong Automation Co.，Ltd.，Nanjing 210046，China）

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建筑中央空調負荷管理系統性解決方案及應用

岳明
（江蘇聯宏自動化系統工程有限公司，南京210046）

據統計，2014年全國最大空調負荷達2.3億kW，我國電網夏季高峰期空調負荷已占尖峰負荷的30%～40%。越來越多的空調使用，加劇了電網的峰谷差，降低了電網負荷率，造成了電力資源的極大浪費。相關電力負荷數據表明，大型公共建筑夏季高溫負荷是過渡季節的2倍多，以商業和居民生活為主的服務性用電負荷中夏季高峰期主要比例是溫度敏感性負荷即空調負荷，日益增長的空調負荷已成為高峰負荷不斷攀升的重要原因。而目前我國建筑領域90%以上空調系統處于人工操作狀態，空調系統降負荷與能效提升潛力巨大。有鑒于此，空調負荷管理已成為中國電力需求側管理的重點工作內容。

1　建筑中央空調用電情況分析

大型公共建筑的用電，包括照明、辦公設備、電梯、空調、供熱等多個系統，夏季由于集中空調系統的使用，用電量明顯高于其他季節。根據統計，大型公共建筑的空調用電量占建筑總用電量的40%～60%，其中用于輸配冷量的風機、水泵電耗占空調系統用電量的70%以上。以下以某大學圖書館建筑為例進行中央空調用電分析。

1.1用電量分析

圖1為2014年該圖書館建筑用電年報表情況。

圖1　某圖書館建筑2014年用電年報表截圖

從現有數據可看出，夏季供冷期和冬季供熱期，圖書館空調用電占建筑總用電的比例較高，最高7月份達55%，年耗電量40萬kWh。該建筑內中央空調用電量巨大，空調用電月能耗費用近5萬元，存在對中央空調系統進行節能改造和集中管控的必要性。

1.2用電負荷分析

圖2為2014年6月21日至30日圖書館總有功功率曲線。圖3為2014年10月21日至30日圖書館總有功功率曲線。

從現有曲線可以看出，日負荷曲線基本處于正態分布的正常狀態。從現有數據對比得出，圖書館在6月夏季供冷期與10月過渡季節的日平均負荷相差較大，分別為329 kW（6月）與178 kW（10月）；同樣，日最大負荷相差也較大，分別為782 kW（6月）與321 kW（10月）。

以上能耗數據的差異，主要與夏季供冷期空調等能耗設備的使用有關。可見，與過渡季節相比，夏季供冷的需求，對圖書館日平均負荷與日最大負荷的影響較大，負荷增加率達40%以上。

圖2　2014年6月21日至30日圖書館總有功功率曲線截圖

圖3　2014年10月21日至30日圖書館總有功功率曲線截圖

圖4為2014年6月25日的日負荷曲線。從圖4可以看出，圖書館夏季白天中央空調使用時，建筑總負荷基本處于570 kW左右；夜間中央空調停用時，建筑總負荷基本處于70 kW左右；晝夜負荷相差較大，且尖峰負荷較高（782 kW），可見如對中央空調系統采取節能改造，可實現建筑負荷的較大削減。

圖4　2014年6月25日圖書館總有功功率曲線截圖

1.3分析小結

根據以上典型大型公建的數據統計，可以得出以下結論：①機關、學校等大型公建用電量較大，是建筑用電優化的主要對象；②大型公建用電峰谷差較大，具備移峰填谷的潛力；③大型公建空調用電負荷是引起高峰負荷的主要因素，且缺乏管控，未按需實現供給情況較多，具備中央空調負荷管控潛力。

2　建筑中央空調負荷管理技術路線

建筑中央空調負荷管理主要技術路線是對中央空調系統的冷熱站、冷卻塔、空調機、新風機、風機盤管或變風量終端進行分布式控制和集中管理。進一步采用變流量控制技術，壓差及溫度PID控制調節技術，系統聯動控制技術，變頻調節控制技術，電耗、熱/冷媒耗實時計量技術等，對中央空調進行系統化節能控制和管理，實現中央空調節能控制和動態調節。主要技術內容如下：

2.1控制方法依據

通過實時監測負荷側冷凍水的供、回水溫度及冷凍水總流量，從而決定開停冷水機組的臺數、負荷調節及機組運行狀態。

2.2冷凍水變水溫、變水量調節

采用水泵變頻技術，保持冷機側限定的流量，變水溫與變水量綜合進行調節，實現節能。

2.3空調末端調節

（1）空調末端系統（風機盤管）的節能控制。控制參考依據：室內外溫差、室內溫度；控制變量：設定溫度、溫差、運行時間等。

（2）空調末端系統（新風機組）的節能控制。控制參考依據：新風量、二氧化碳濃度；控制變量：風門開度、風機頻率等。

（3）空調末端系統（空調箱或組合空調）的節能控制。控制參考依據：新風量、室內溫度和室內外溫差；控制變量：設定溫度、設定新風量、風門開度、風機頻率等。

圖5為中央空調負荷管理系統結構圖。

3　建筑中央空調系統化解決方案

以下從中央空調負荷管理和動態需求側響應角度出發，進行實施方案系統化設計。

3.1節能調荷控制方案

（1）機組節能控制。對冷凍機組進行集成，實現機組根據空調水回水的溫度實現自動啟停控制。對冷凍機組進行自動加減載控制，實現空調系統根據末端負荷的變化，自動調節系統運行工況，降低系統能耗。

圖5　中央空調負荷管理系統結構圖

（2）完善中央空調系統水溫、水壓力、冷量、用電量等變量的監測和計量，以實現系統能效比的綜合評估。

（3）冷凍水泵、冷卻水泵的變頻改造。對水系統進行變流量技術改造，使系統能根據空調負荷的變化，自動調整系統運行工況與負荷相適應，降低系統能耗。

3.2冷凍站節能控制

3.2.1冷水機組運行監控

系統通過網關與冷水機組連接，進行實時監測；系統可以通過空調控制平臺對冷水機組進行遠程控制。

（1）加載控制

系統監測出溫度傳感器所測的冷凍水供水溫度，高于當前的冷凍水供水溫度設定溫度；系統根據機組的運行時間和系統的實時負荷，確認機組已經接近滿負荷運行，且已持續一定時間。

當以上2項要求均能滿足，系統才進入以下機組加載程序。

新冷水機組啟動的延遲時間已經結束（延遲時間可以設定）；新冷水機組禁止運行的命令未激活。

以上各項要求均能滿足，新冷水機組立即啟動。

（2）減載運行

目前運行的機組臺數多于1臺；運行機組的平均負載小于某個設定值；溫度傳感器所測的冷凍水供水溫度小于當前的冷凍水供水溫度設定值；機組減載延遲已經結束。

當系統同時滿足以上條件時，系統選擇處于在線狀態的機組中累計運行時間最長的機組進行減載控制。

（3）運行監測

對機組的運行狀態進行監測，實時監測機組壓縮機的狀態、冷凝器、蒸發器溫度、壓縮機電流、冷凍水供回水溫度、冷卻水供回水溫度。

3.2.2冷凍水系統節能控制

冷凍水系統分為冷凍泵的控制和壓差旁通閥的控制，冷凍泵采用變頻技術進行恒溫差控制，旁通閥的控制主要為保證系統末端最不利壓差的需求。

（1）冷凍泵控制

為實現對冷凍水系統的節能運行，對水系統采用變流量調節，系統采用在保證最不利壓差的前提下，恒溫差控制。通過在水系統供、回水總管上分別設置溫度傳感器Tg和Th，通過DDC檢測供、回水溫差ΔT的變化來控制變頻器，對水泵進行全變頻調速控制，為了滿足主機的最低水流量要求為變頻器設定最低運行頻率。

（2）旁通閥的控制

為保證系統安全可靠運行，系統通過控制旁通閥開度來實現對集分水器之間壓差的控制，使系統壓差保證在適宜范圍內。圖6為旁通閥控制圖。

圖6　旁通閥控制方框圖

（3）冷卻水系統節能控制

為實現系統節能運行，方案對水系統進行變流量調節，增加相應傳感器及變頻運行設備。冷卻泵系統采用定冷卻水回水溫度對水泵的頻率進行PID調節即流量的調節。圖7為冷卻水系統控制方框圖。

圖7　冷卻水系統控制方框圖

（4）冷卻塔系統節能控制

冷卻塔系統采用定冷卻水供水溫度控制，根據設定溫度與實際溫度之差自動調節風機運行的臺數。如果回水溫度超出設定值，則系統自動增加或者減少冷卻塔風機開啟的臺數，以保持出水溫度在設定范圍。

3.3新風機組節能控制

利用自動化技術，通過動態調節控制，實現滿足新風需求的最小新風量供給，改善室內空氣質量，補充足夠的新風，從而降低新風的處理能耗和輸送能耗，并且大幅降低空調系統的總能耗。圖8為新風機組控制原理圖。

圖8　新風機組控制原理圖

圖9　組合空調控制原理圖

監控功能如下：檢查風機電動機的工作狀態，確定是處于“開”還是“關”；調節表冷器/加熱器水閥的開度，進行送風溫度控制；定時啟/停風機；測量新風過濾器兩側的壓差，以及時檢測過濾器是否需要清洗或更換；檢測手動/自動轉換狀態。

3.4組合空調節能控制

建筑的不同樓層組合空調箱提供經處理過的空氣，滿足制冷或采暖以及補充新風的需求。方案對組合空調根據現場的溫濕度等情況進行動態PID調節，從而避免浪費。圖9為組合空調控制原理圖。

監控功能如下：檢查送風機電動機的工作狀態，確定是“開”還是“關”；測量新風溫度，以了解室外氣候狀況，進行室外溫度補償；測量送風溫度參數，以了解機組處理空氣的最終（送風）狀態；測量回風溫度數據，以了解室內空氣狀況；測量過濾器兩側壓差，以及時檢測過濾器是否需要清洗或更換；檢測手/自動轉換狀態；啟/停風機；依據溫度偏差，調節表冷器水閥開度；調節新風閥和回風閥控制新回風比；根據負荷情況控制送風量；季節自動切換；節假日設定或按時間表控制。

3.5風機盤管節能控制

采用聯網型風機盤管控制器，實現對室內溫度的精確控制，對風機轉速控制和對風機盤管回水管電動閥的開/關控制，同時還能夠通過中央控制室對每個房間溫度進行遠程設定和監控。可對風速進行高、中、低3速設定；現場按鍵可進行溫度設置，模式選擇，風機運行選擇等；可遠程實時監測運行狀態；可遠程控制模式和參數設置：溫度設置、模式設置、風機運行設置、鍵盤鎖定、節能模式、睡眠模式、定時控制參數設置等；液晶顯示運行模式、風速、設定溫度、水閥狀態、時間日期等信息；節能模式限制可設定溫度范圍。圖10為風機盤管控制系統結構圖。

圖10　風機盤管控制系統結構圖

4　典型項目案例應用效果

以某大型公建中央空調系統實際調控情況為例，分別選取前后2天不同日期，在室外溫度基本一致為32℃的情況下，對中央空調系統分別進行手動和自動調控運行，并保證前后2天的空調末端回風溫度均在26℃，未影響室內環境舒適度。

通過相關運行曲線和用電數據分析得出，前后2天的中央空調冷凍站平均總功率可相差20%左右。采取自動調控措施后，中央空調冷凍站日用電量從手動狀態的4 759 kWh顯著降低至自動狀態的3 544 kWh，節能效果明顯，能效提升率達25%。

與此同時，通過監控工作站統一發出指令，采取減少空調末端設備水閥開度的方式，降低系統需量，實現柔性調峰，冷凍站實時總功率從184 kW下降到77 kW，

響應時間不超過10 min，實現動態需求響應，降負率超過15%以上。

由此可見，實施中央空調負荷管理和動態需求側響應后，可遠程對中央空調系統的冷水機組進行加卸載、供水溫度調節、水泵加卸載和變頻運行等，以上措施可有效提升中央空調系統能效和降低系統運行負荷，中央空調能效提升率不低于20%，動態負荷調節率不低于15%。

5　結束語

通過建設中央空調自動化管控系統，可采用系統化的節能控制技術永久性降低負荷，高峰時執行自動化管控指令，實現動態電力需求響應，可以有效降低高峰負荷，從而通過閉環的按需自動化調節控制實現永久性降低電力負荷和動態需求響應調峰，獲得顯著的經濟效益與社會效益。

Systemic solutions and application of building central air?conditioning load management

YUE Ming
（Jiangsu Lianhong Automation Co.，Ltd.，Nanjing 210046，China）

摘要：結合建筑中央空調系統用能現狀，從機組、冷凍站、新風機組、組合空調等方面的節能控制，描述中央空調負荷管理系統性解決方案及典型項目案例應用效果，從而實現降低電力負荷并實現動態需求側響應調峰。

關鍵詞：中央空調；負荷管理；節能控制

Abstract：Combined with the construction of central air?con?ditioning system with current energy，this paper describes the ap?plication of the central air conditioning load management system solutions and typical project cases from the aspects units，refrigera?tion station，fresh air units and air conditioning，so as to realize the permanent reduction of power load and dynimic demand response for peak shaving.

Key words：central air?conditioning; load management; ener?gy?saving control

DOI:10.3969/j.issn.1009-1831.2016.03.006

收稿日期：2016-03-03

作者簡介：岳明（1981），男，江蘇南京人，本科，工程師，主要從事建筑節能及電力需求側管理技術項目工作。

中圖分類號：F407.61；TK018

文獻標志碼：B