中央空調系統能效管理專利技術應用研究

楊東

（鄭州春泉節能股份有限公司 河南 鄭州450052）

中央空調系統能效管理專利技術應用研究

楊東

（鄭州春泉節能股份有限公司 河南 鄭州450052）

中央空調系統已普遍應用。據數據顯示，我國南方80%以上的新建公共建筑均安裝有中央空調系統。冬冷夏熱區域，如黃河流域、長江以北地區的50%以上新建的民用住宅小區亦安裝有中央空調。隨之而來的高能耗，已成為政府和社會各界關注的焦點。本文以中央空調能效管理的專利技術應用為主，研究分析建筑能耗管理的，以提高能源利用效率，從而達到節能減排和治理霧霾的目的。

能效管理；專利技術；應用研究

1 背景介紹

隨著我國經濟的飛速發展，大型商用中央空調應用越來越普遍。20世紀90年代以前只能在星級酒店、高檔商務樓和國家機關辦公建筑等少數場所見到的中央空調，經過20多年的發展，已廣泛應用于普通百姓家中。目前，商業住宅小區、一般公共建筑均安裝有中央空調系統。中央空調的舒適性是其它空調系統不可比的。據數據顯示，我國南方80%以上的新建公共建筑均安裝有中央空調系統。冬冷夏熱區域，如黃河流域、長江以北地區的50%以上新建的民用住宅小區亦安裝有中央空調。

圖1

在中央空調大面積使用的同時也推升了建筑能耗。據《中國建筑節能年度發展研究報告》（2012清華大學建筑節能研究中心著）數據顯示，建筑能耗已成為我國國民經濟中三大（工業、建筑和交通）高能耗之一。2010年建筑總能耗（不含生物質能耗）為6.77億占全國總能耗的20.9%。而建筑能耗中空調能耗占50%～60%。如圖1所示，在建筑能耗統計信息中，主要以照明、電梯等電設備、生活及公共用水、中央空調系統等為主要耗能設備。其中中央空調系統作為房屋建筑內的“耗能大戶”，已占建筑總能耗的50%以上。因此，如何提升中央空調的用能效率，降低其能耗，成為政府和社會紛紛關注的焦點。

中央空調的高能耗所帶來的環境資源壓力越來越大，建筑節能減排和治理霧霾形勢嚴峻。

2 能效管理專利技術探討

中央空調的能耗問題也引起了科研院所、高校和企業的高度關注，如何進行節能降耗，提高能耗的應用效率，科技工作者做了大量的研究，并研制出相應的技術產品，開發出一些專利技術。從國家知識產權局網站上分析，已公布中央空調能效管理專利技術分為四大類。

一是中央空調節能管理控制類。如主機系統的管理控制、未端系統的管理控制、通風系統的管理控制，以及室內溫度控制等。主要專利有：“中央空調節能智能控制系統及控制方法200510017349.7”，2009年授權；“智能型風機盤管200410060269.5”，2007年授權；“一種多點監測控制的節能溫控裝置201020615709.X”，2011年授權；“一種遠程節能管理的空調控制器201220310386.2”，2013年授權；“基于WiFi的空調溫控管理系統201420540105.1”，2015年授權。

二是計量監測類。主要用于中央空調的分戶、分室計量監測（收費）和能源中心設備監測、未端風機盤管的監測,以及公共建筑能耗監測。主要專利有：“中央空調計量收費的當量能量計費方法200510017906.5”，2007年授權；“多端口多檔速風機盤管狀態監測裝置200820221553.X”，2009年授權；“一種集中供熱或制冷計量溫控裝置201120331256.2”，2012年授權；“一種用于中央空調和集中供暖的當量表201120331218.7”，2012年授權；“無線式中央空調當量表201120350633.7”，2012年授權。

三是通訊、傳輸類。主要用于監測、抄表時的網絡通訊、數據傳輸的穩定性和及時性。主要專利有：“半雙工通訊收發控制方法及裝置200710141425.4”，2011年授權；“中央空調計費數據傳輸網絡及管理器201120350636.0”；“RS485總線轉換接口電路結構201521123129.8”，2016年授權。

四是檢測類。主要用于對多檔速電機等設備的運行檢測，故障處理。主要專利有：“基于電壓互感技術的多檔速電機檔位識別方法及裝置ZL200810231195.5”，2011年授權；“一種電機運行狀態故障判斷方法及其檢測裝置201010556440.7”，2013年授權；“一種基于電壓互感技術的簡易電機檔位識別裝置201220440593.X”，2013年授權；“具有電機故障檢測功能的空調溫控裝置201320675862.5”，2014年授權。“具有掉電檢測功能的WiFi無線溫控器的硬件結構201420540225.1”，2015年授權；“多檔速電機檔位控制線掉線檢測裝置的硬件結構201420543694.9”，2015年授權；“多檔速電機檔位接錯檢測裝置的硬件結構201420540176.1”，2015年授權。

上述專利技術對中央空調系統的能效管理應用起到非常重要的作用。比如，“中央空調節能智能控制系統及控制方法200510017349.7”、“中央空調計量收費的當量能量計費方法200510017906.5”、“半雙工通訊收發控制方法及裝置200710141425.4”、“基于電壓互感技術的多檔速電機檔位識別方法及裝置ZL200810231195.5”，“一種電機運行狀態故障判斷方法及其檢測裝置201010556440.7”等均為核心專利。

“中央空調節能智能控制系統及控制方法200510017349.7”提出了一個全新的中央空調節能自控理念“負荷隨動、同步調節”，使空調系統的主機和未端運行情況時實聯動。當未端的需求量（冷量或熱量）及時傳給空調主機，讓主機按需求生產、供應，實現“用多少、供多少”的主動使用模式。突破了傳統空調運行中的“供多少、用多少”的被動使用局模式。實現了主機和未系統的能量供、需平衡，達到能源應用效率最大化的目的。

“中央空調計量收費的當量能量計費方法200510017906.5”，在中央空調計量收費領域內提出一個全新的計費概念，把當量能量這一原理引入中央空調計費中，實現了空調供水溫度達到一定效果時的“有效果”計量，在中央空調計費領域是具有歷意義的創新。基于此專利技術研制的“當量空調表”填補了國際中央空調計量方面的空白，對行業技術有著突破性的貢獻。

“半雙工通訊收發控制方法及裝置200710141425.4”解決了目前80%以上現場總線（如RS485）應用所出現的通訊節點障阻問題，可以順利的實現通訊節點的跳轉，防止通訊癱瘓，確保系統通訊暢通、穩定、可靠，具有較高的新穎性。

“基于電壓互感技術的多檔速電機檔位識別方法及裝置ZL200810231195.5”專利技術突被了對多檔速電機檔位的識別難題。對多檔速電機檔位識別檢測，傳統的檢測方法是在每個檔位上接一根線，比如對三速檔位的電機檢測需要需要三根線才能完成。而本專利采用電壓互感原理，只需要一根線就能實現對三速檔的檢測。這樣就可以減少三分之二的線材和安裝成本，大大提高了工作效率和維護效率，節約了檢測成本。

“一種電機運行狀態故障判斷方法及其檢測裝置201010556440.7”是根據電機在不同的運行狀態在其線圈繞組或某一線圈組上的電壓不同，檢測其電壓值。然后，根據其電壓值來確定其運行狀態，判斷電壓故障。本專利技術對電機運行狀態故障檢測迅速準確，電路運行穩定可靠。突破了傳統用電流檢測識別電機運行故障方法的煩瑣和不準確性，具有較強的創造性。

3 能效管理專利技術應用

《公共建筑節能設計標準GB50189-2015》要求，集中供暖通風與空氣調節系統，應進行監測與控制。供暖空調系統應設置室溫調控裝置。中央空調能效管理專利技術可應用于中央空調系統運行中進行能效管理、能源監測、計量、節能控制、能源分析、評估、設備安全監測、故障檢測和運維服務中。它通過在線監測集中空調主機、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔（或深井泵）等動力設備能效及安全相關的運行參數，動態呈現中央空調系統運行的實時能效，為用戶提供有效直觀的節能數據依據，幫助用戶更科學、更合理的使用設備，降低能耗，延長設備的使用壽命。同時利用系統設置的預警值和報警值，對設備運行參數的異常情況實現自動診斷，并通過短信將報警信息及時發送到用戶手機，提高維護效率。

圖2

表一：2號樓空調系統主要設備參數

以鄭州市北環附近一商務樓的應用實例進行分析。該商務樓制冷、采暖全部采用大型中央空調系統。2014安裝中央空調能效管理系統，由總站和各分站兩個部分構成，見圖2。

總站負責管理各個分站，總站由一系列計算機、服務器等硬件系統和操作系統、應用軟件等軟件系統組成，將所有監測站點的數據進行收集、顯示并送入后臺數據庫進行分析和加工。遠程實時對各個分站的監測數據進行統計分析，為用戶提供管理依據。（使用單位在任何一臺聯網的電腦上通過授權帳號和密鑰，即可實時監測自己管理的所有項目，沒有平臺建設投資和后期管理之憂，提升管理效率，減少了總站的建設費用。）

分站安裝在中央空調機房現場，通過RS485總線和監測儀表相連，實時采集現場數據（溫度、壓力、電量、水量、冷熱量等），并將采集的實時數據通過TCP/IP通訊實時上傳給總站。

該商務樓總建筑面積約15.4萬m2，是集商業、辦公為一體的綜合性建筑，商業面積為6萬m2，一號寫字樓建筑面積為3.9萬m2，二號樓建筑面積4.3萬m2，地上建筑為25層，地下3層。其中二號樓機房安裝了中央空調能效管理系統，中央空調系統機房在負三層。2號樓空調系統主要設備參數見表一、表二。

圖3

根據中央空調能效管理系統對空調系統運行記錄的數據統計分析，抽取2015年第三季度的運行記錄，期間每天冷水機組的運行時間為08：00----22：00，按照冷凍水系統與冷卻水系統運行的不同溫差所占比重的時間進行統計分析，統計結果見圖3、圖4。

表二：2號樓空調系統主要設備參數

圖4

表三：監測數據

由圖可知，從不同冷凍水運行溫差所占時間的比重分析，該空調水系統運行過程中，冷凍水溫差在5℃以下的

運行時間占運行時間的93%，其中冷凍水溫差在3—4℃所占的時間比重最大，達到41%，而冷凍水溫差在5℃以上的運行時間只占總時間的7%，冷凍水溫差在6--7℃的運行時間僅占總時間的1%，與冷凍水側設計6/13℃的7℃溫差相差很遠。而冷卻水溫差在3℃以下所占時間比重達44%，3℃以上只占總運行時間的56%。

綜合以上分析，原中央空調系統冷凍水溫差在5℃以下運行時間達到總運行時間的93%，該空調水系統存在明顯的“大流量小溫差”現象。因此，將該建筑空調水系統的節能檢測作為檢測重點，以做進一步的節能分析。

該二號樓水系統共配備冷卻（凍）6臺水泵，通過中央空調能效管理系統對2#、3#水泵數據的監測(未啟動節能自控程序)。監測數據見表三。

從 2#、3#冷凍水泵運行工況下的流量分析，2#、3#泵流量分別超出機組的蒸發器額定流量（168L/S=604.8m3/h）47.6%和48.9%。一般對于離心機組而言，蒸發器的最大允許流量為額定流量的120%-130%，冷凍水流量達到額定流量148%，超過蒸發器的最大允許值，造成蒸發器內水流偏大，影響機組的使用壽命。

從水泵耗功率的監測數據上看，冷凍水泵運行工況下，2#、3#泵的電機負載率分別為99.5%和100.6%，3#冷凍泵運行工況下電機處于過載狀態，長期處于超載狀態容易影響電機使用壽命甚至燒壞電機。

啟動節能控制程序后對2#、3#泵所監測的數據見表四。

通過表三和表四的2#泵、3#泵監測數據不難看出，啟動節能控制程序后2#泵的水流量減少19.93%，功耗減少20%；3#泵的水流量減少20%，功耗減少20%；在進行節能自控調節之后水流量下降，電力功耗也有較大的幅度的下降，但是其水泵進/出口的壓力并沒改變。這說明在水泵進/出口壓力平衡的情況下，同樣能夠達到節能舒適的目的。

表四：啟動節能控制程序后的監測數據

4 綜述

中央空調系統能效管理專利技術在該項目二號樓應用能夠提供實際能效數據、高效管理，掌握各類負荷的實際用量，從而將原有的經驗式宏觀管理模式轉變為精細式數字管理模式。通過該系統，管理人員可以作到“能效分析、安全預警、系統診斷、能耗統計、合理用能”，大大提升管理水平。

結論，中央空調能效管理專利技術可以使中央空調系統節約能源20%，有效地推進建筑節能減排，有利于大氣霧霾的治理。

［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［M］.2012:4-5.

［2］GB50189-2015.公共建筑節能設計標準［S］.2015:34-35.

［3］劉金松，王湘涵.對霧霾大氣污染的調查與綜合防治［J］.工程技術（文摘版），2016（04）:45-46.

Application of Patent Technology in Energy Efficiency Management of Central Air Conditioning System

Yang Dong
(Zhengzhou Chunquan energy Limited by Share Ltd,Zhengzhou,Henan,450052)

The central air conditioning system has been widely used.According to the data,more than 80%of the new public buildings in South China are equipped with central air-conditioning system.Winter cold summer hot areas,such as the the Yellow River River Basin,the northern part of the Yangtze River more than 50%,the new residential residential area is also equipped with central air conditioning.The ensuing high energy consumption has become the focus of attention of the government and the community.This paper focuses on the application of patented technology in energy efficiency management of central air conditioning,studies and analyzes the management of building energy consumption so as to improve the efficiency of energy utilization,so as to achieve the goal of energy saving,emission reduction and haze control.

Energy efficiency management Patent technology Application research

TP273+.1

A

1003-5168（2017）04-0055-05

2016-12-30

楊東，(1972-)，男,高級工程師，碩士研究生，研究方向：建筑暖通空調節能。