合同能源管理在中央空調節(jié)能改造中的應用分析

梁曉英，袁 磊

（1.臨沂科技職業(yè)學院 智能制造系，山東 臨沂 276000；2.臨沂市羅莊區(qū)發(fā)展和改革局，山東 臨沂 276000）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源短缺的問題日益突顯，節(jié)約能源意義深遠，其已經(jīng)成為我國的一項國家戰(zhàn)略。我國的建筑領域能耗高，建筑節(jié)能是當前節(jié)能的重點領域之一。而中央空調作為現(xiàn)代大型建筑必備的配套設施，其能耗占建筑總能耗的40%～60%，所以中央空調節(jié)能是建筑實現(xiàn)節(jié)能的主攻方向。我國現(xiàn)有中央空調能效水平與發(fā)達國家仍存在較大差距，中央空調具有巨大的節(jié)能潛力，但因節(jié)能改造費用高昂、施工難度較大等原因，致使中央空調的節(jié)能改造工程長期難以推行，而合同能源管理模式的出現(xiàn)，不僅解決了用能單位的融資難、費用高的問題，而且用戶在合同結束后享有節(jié)能設備和先進技術。合同能源管理是上個世紀70 年代中期以后在國外逐漸發(fā)展起來的，經(jīng)過不斷地發(fā)展和完善，這一機制在西方發(fā)達國家逐步得到推廣和應用，同時近年合同能源管理在中國的運營實踐表明，基于市場的合同能源管理機制同樣適合中國國情。

1 中央空調能耗現(xiàn)狀

中央空調是現(xiàn)代大型建筑必不可少的設施，空調系統(tǒng)中制冷機組的壓縮機、冷凍水泵、冷卻水泵、空氣處理機組風機、冷卻塔風機和末端設備的風機是整個中央空調中的動力來源，同時也是系統(tǒng)能源消耗的根源所在，從能耗占比來看，制冷主機最大，空氣處理機組風機和空調末端設備風機次之，水泵占比較少。同時，由于在設計、運行和管理過程中存在一些不合理因素，造成了這些設備巨大的能源浪費，增加了運行成本。

1.1 “大馬拉小車”

在現(xiàn)有的空調系統(tǒng)中，絕大部分的空調制冷機組存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，這主要由于設計人員在計算空調冷熱負荷時，一方面是按照冷負荷指標方法估算得來的，而不是按照逐時負荷計算所得；另一方面冷負荷指標本身就是經(jīng)驗值，與實際建筑冷熱負荷存在誤差；再者，為了防止極端天氣出現(xiàn)，設計人員還會在估算出的冷熱負荷基礎上再加上一定的安全系數(shù)，勢必會在選型時增大設備的容量，造成設備在運行過程中長期處于低負荷低效率的運行工況，存在嚴重的能源浪費。

1.2 “大流量小溫差”

目前，在中央空調系統(tǒng)運行過程中普遍存在“大流量小溫差”的現(xiàn)象，冷凍水供回水溫差僅有2℃～3℃，甚至更低，遠低于5℃的設計溫差。這主要是由于水泵選型不當和維保人員管理不善造成的[1]。水泵選型過大，水泵流量越大，在主機冷負荷確定的情況下，供回水溫差越小。根據(jù)功率與流量的關系可知，水泵流量越大，水泵所需的功率越大，造成不必要的能量浪費。同時，在部分負荷下，僅對水泵臺數(shù)控制而不對管路阻力進行調節(jié)也會導致水泵過載，使水泵流量增加，功率增大，造成能源浪費。

1.3 余熱浪費

公共場所多采用混合式空調系統(tǒng)，新風與一部分回風混合后經(jīng)空氣處理通過風管系統(tǒng)送入空調房間，還有一部分回風直接排出室外，這部分空氣的溫度比室外空氣溫度低很多，在排出的過程中，就會有大量的余熱排出；同時，新風在送入空氣處理機組之前，如果不進行預處理，將會消耗更多的冷量來抵消這部分熱量，造成能源浪費。另外，對于一些制冷機組的冷凝熱如果沒有再利用而直接排至大氣，也將造成能源的浪費。

1.4 設備腐蝕與結垢

空調系統(tǒng)能耗高的另外一個重要原因就是水側結垢與管材腐蝕。一方面，就開式冷凍水系統(tǒng)而言，噴水室在對空氣進行熱濕處理過程中，使冷凍水系統(tǒng)中夾雜了空氣中的氧氣、細菌及其他有害物質，經(jīng)過長期的運行，就會導致制冷機組蒸發(fā)器側管路、冷凍水輸送管道被腐蝕及其內壁結垢；另一方面，在水冷式制冷機組中，冷凝熱被冷卻水帶走后通過冷卻塔釋放到大氣中，冷卻水在冷卻塔中與空氣進行熱交換時，必然會將空氣中的氧氣、細菌等物質帶入到冷卻水系統(tǒng)，也會腐蝕冷卻水輸送管道，并形成水垢。研究表明，每增加0.1mm 厚度的水垢將使空調主機制冷量降低14%左右[2]，從而大大影響換熱器的傳熱效果，降低機組的運行效率，減少機組和管道的使用壽命。

2 中央空調節(jié)能改造方案

對于既有建筑的中央空調系統(tǒng)來說，上述的不合理因素都可以通過節(jié)能改造加以避免。中央空調改造過程中，可通過以下改造方案實施。

2.1 冷熱源改造

首先，在計算冷負荷時采用計算機進行逐時冷負荷計算，再根據(jù)建筑特點選擇合適的安全系數(shù)確定空調冷負荷，從而選擇較為匹配的制冷主機。其次，對于常規(guī)的制冷機組，通過一大一小的制冷量配置機組，調整機組在節(jié)假日、夜晚時間僅有少部分制冷負荷情況下的運行臺數(shù)或更換為小制冷量機組運行，避免出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，減少運行費用。另外，對于大型建筑的空調系統(tǒng)改造，可充分利用峰谷電價差，進行冰蓄冷空調系統(tǒng)改造。冰蓄冷空調系統(tǒng)一方面可減少制冷主機容量，大大提高主機制冷效率，避免出現(xiàn)“大馬拉小車”情況；另一方面，冰蓄冷空調可利用夜晚進行制冷，白天將冷量釋放出來，對于少部分需要供冷的區(qū)域，僅需融冰供冷，減少運行制冷主機的時間，大大減少運行費用，節(jié)能效果明顯。而對于夏季采用常規(guī)制冷機組和冬季采用鍋爐或熱網(wǎng)供熱的系統(tǒng)，在有地表水、地下水或土壤源可利用的前提下，可利用地源熱泵系統(tǒng)進行改造升級，這樣改造后一套系統(tǒng)可滿足夏季供冷、冬季供熱的需求。如夏季水的溫度是18℃～35℃，比空氣溫度低得多，可降低冷凝溫度，提高制冷效率，冬季水的溫度是12℃～22℃，提高系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，提高制熱效果。地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)空調相比可節(jié)能25%以上，回收年限為5～8 年。

2.2 輸送設備改造

可采用“大溫差小流量”的改造方式，一般設計過程中冷凍水溫度采用5℃的溫差，在管路系統(tǒng)節(jié)能改造過程中可采用8℃的溫差設計，從而減少管路中的流量，以及管路中水泵的能源消耗。

針對水泵在負荷降低時仍長期處于定流量運行造成能耗大的問題，可以通過對冷凍水泵、冷卻水泵、風機進行變頻節(jié)能改造，采用溫差控制器監(jiān)測進出口冷凍水和冷卻水溫度，并將溫差信號反饋給變頻器，控制水泵在部分負荷下通過改變轉速來進行實時流量調節(jié)，實現(xiàn)按需供冷。在空調通風系統(tǒng)中，可采用高效節(jié)能的風機或變頻控制的空氣處理機組改造既有空調系統(tǒng)，或采用直流無刷風機盤管變風量控制方式，提高風機效率，減少風機運行能耗[3]。可降低空調總能耗的15%～35%，且投資小，回收期較短，只有1～2 年。

對于開放式冷卻水系統(tǒng)，可取消冷卻水池，將其改造為閉式冷卻水系統(tǒng)，將管路直接與冷卻水泵相連，水泵僅克服冷卻水流動過程中的流動阻力，大大減少水泵的能耗。此外，在能保證空調系統(tǒng)正常運行的前提下，優(yōu)化冷凍水和冷卻水管路系統(tǒng)，盡可能地減少管路中閥門和過濾器的數(shù)量，從而降低了管路系統(tǒng)中的局部阻力，減少了水泵的能耗。

對于空調系統(tǒng)中的風管和水管，進行隔熱保溫措施的節(jié)能改造，防止冷量或熱量發(fā)生損失，管路進行保溫棉隔熱后，可減少與周圍環(huán)境的熱量交換，降低能源消耗。

2.3 余熱回收利用改造

對于排風直接排出，新風直接送入空氣處理機組的空調系統(tǒng)，應設置熱回收裝置，使新風與排風進行熱量交換，可大大減少處理新風的制冷量，從而減少制冷機組的容量；而對于傳統(tǒng)的活塞式制冷機組或螺桿式制冷機組的改造，可增加余熱回收系統(tǒng)，充分利用制冷機組冷凝熱制取40℃～60℃生活熱水，既可減緩對大氣的熱污染，又能利用空調余熱實現(xiàn)節(jié)能目的，提高能源利用率。

2.4 維護保養(yǎng)改造

在對中央空調系統(tǒng)清洗保養(yǎng)時，需要定期對制冷機組冷凝器和蒸發(fā)器進行排污處理，以及對空氣處理機組中的表冷器、風機盤管、室外冷卻塔等換熱設備進行清洗處理，從而提高設備換熱效果，可大大提高制冷機組運行效率[4]。同時，可采用清洗管道機器人對水系統(tǒng)和風系統(tǒng)中的水管和風管定期進行污垢處理和管道清理，減少空氣和水的阻力，提高風機和水泵的電耗，改善空氣的品質。再者，可通過增加冷凍水軟化裝置和冷卻水自動加藥裝置，改善冷凍水和冷卻水水質，提高熱交換熱器的換熱效果，減少對水泵或風機的輸送損耗。

3 用戶在進行中央空調節(jié)能改造時面臨的難題

盡管現(xiàn)有中央空調普遍存在能耗過高的現(xiàn)象，急需節(jié)能改造，但是用戶在進行改造時卻仍面臨著諸多的疑慮。首先，雖然企業(yè)的空調能耗巨大，存在節(jié)能潛力，但是具體有多大的節(jié)能潛力和改造空間，用戶不得而知。其次，中央空調節(jié)能改造費用高，融資比較困難，使得用戶不能立即拿出高額的資金用于空調節(jié)能改造，造成了即使空調能耗高也只是簡單地進行一些維修保養(yǎng)。再次，中央空調節(jié)能改造風險高，即便用戶投入了大筆資金，節(jié)能效果能否保證成了用戶比較擔憂的問題。最后，空調運行管理不能保證科學合理，用戶自己的內部操作人員不懂得中央空調專業(yè)知識和相關自動控制知識，只是簡單地開啟運行，不懂得根據(jù)季節(jié)、時段和人流量等實際負荷進行調節(jié)，致使供冷量總是大于實際需求量，所以，即使對中央空調進行了節(jié)能改造，節(jié)能效果依然不甚理想。

4 合同能源管理機制

合同能源管理機制的出現(xiàn)，從根本上解決了用戶的困惑。節(jié)能服務公司與用戶簽訂節(jié)能服務合同，確定節(jié)能目標，并向用能單位提供能源審計、節(jié)能改造方案設計、融資、原材料和設備采購、施工、安裝、調試、運行、維護保養(yǎng)等一系列服務，用能單位享受節(jié)能服務，節(jié)能服務公司靠減少的能源費用來回收其之前全部的投資和合理的利潤[5]。在合同能源管理機制中，一般不要求用戶承擔大筆的投資費用，甚至零投資、零風險，在雙方都嚴格遵守合同的前提下，用戶和節(jié)能服務公司能夠實現(xiàn)雙贏。

合同能源管理機制在中央空調改造中主要有以下特點：第一，節(jié)能服務公司具有專業(yè)化的團隊，從分析當前建筑中央空調的能耗，發(fā)現(xiàn)節(jié)能潛力，并根據(jù)用戶中央空調的能耗特點提出多套節(jié)能方案，到通過對比選出最佳方案，提出節(jié)能目標供用戶考慮和參考，是用戶值得信賴和托付的節(jié)能改造企業(yè)。第二，合同能源管理有多種類型，用戶可根據(jù)自身需求選擇合同類型。節(jié)能效益分享型合同能源管理面向的是無力承擔節(jié)能改造費用的用能單位，在項目改造之初，由節(jié)能服務公司承擔所有改造費用，用戶無需花費任何費用，雙方在合同期內還可以按照一定比例分享節(jié)能收益，合同期結束后，用戶無償享有節(jié)能服務公司提供的節(jié)能設備。節(jié)能量保證型合同能源管理是指用能單位以自己的信用等級進行融資、投資項目，節(jié)能服務公司在中央空調項目改造之初須在能源審計報告中必須提出節(jié)能目標，在節(jié)能項目改造完成后，再通過檢測和驗證節(jié)能量是否達到預期的效果，如果達到承諾的節(jié)能量，用戶支付改造工程費，如果沒有達到事先承諾的節(jié)能量，節(jié)能服務公司將給用戶補償承諾節(jié)能量與實際節(jié)能量之間的差額，從而降低了用戶進行節(jié)能改造的風險。以上兩種合同能源管理類型是現(xiàn)在中央空調節(jié)能改造常用的類型，無論采用哪種類型，節(jié)能服務公司為了獲取利潤，必然都會采用最優(yōu)的節(jié)能方案和節(jié)能環(huán)保產品，以保證改造項目的節(jié)能效果。第三，節(jié)能服務公司還會對用能企業(yè)內部空調維護操作人員進行專業(yè)培訓，提高其運行操作水平，使他們能夠根據(jù)空調負荷的變化來調節(jié)供冷量，做到按需供給，在提供舒適、安全環(huán)境的同時，減少額外的空調能源浪費。

5 結束語

當前，面對嚴峻的全球氣候變化形勢，我國就實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的目標向世界作出莊重承諾，節(jié)能是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標最有效、最符合實際的舉措，通過節(jié)能改造工程來提高能源利用效率是節(jié)能的一項重要方向，現(xiàn)有中央空調能耗普遍較高，中央空調節(jié)能勢在必行。合同能源管理這一雙贏模式能夠充分調動用能單位和節(jié)能服務公司進行節(jié)能改造的積極性，值得大力推廣，隨著這一節(jié)能機制在我國的不斷發(fā)展和完善，合同能源管理也必將在中央空調節(jié)能改造領域擁有廣闊的應用前景。