優化中央空調系統實現節能降耗

尹麗萍

（浙江中維建筑工程設計有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430000）

隨著科技發展，中央空調系統為人們提供了舒適的生活與工作環境。但是，中央空調系統的運行產生的能耗量非常大，是建筑能耗中的一項主要內容。中央空調系統初始設計要求滿足極端情況下的建筑冷負荷，而實際運行中，絕大多數時間都是處于部分負荷運行的。同時，系統運行受季節、室內人數等因素影響，會產生一定的波動，如果系統不能根據實際負荷進行動態調節，則會產生能源浪費問題，同時，對系統設備也會造成一定的影響。當前，全球能源問題日益突出，節能環保已經成為全社會的共識。優化中央空調系統，實現節能降耗，是當前降低建筑能耗，提高建筑可持續發展的重要手段。

1 中央空調系統構成

1.1 系統構成

中央空調系統構成主要包括中央空調機組1、風機盤管系統2、冷凍泵3、冷卻泵4、冷卻塔5、膨脹水箱6等六部分組成。如圖1所示。

圖1 中央空調系統基本構成

1.2 系統運行

系統運行中，中央空調機組內高溫高壓制冷劑（如R22等）經過節流裝置后變成低溫低壓制冷劑，然后進入蒸發器，同時冷凍泵將高溫冷凍水回水送入蒸發器盤管，使之與低溫低壓制冷劑熱交換變成低溫冷凍水，并通過冷凍泵作用將其送至各風機盤管，由冷卻盤管吸收熱量降低空氣溫度，最后通過風機向功能間送風，達到空調降溫效果。制冷劑在蒸發器中吸收熱量由汽液兩相轉變成汽相，進入壓縮機壓縮至過熱蒸汽，再進入冷凝器放熱，其釋放出的熱量由冷卻泵送入冷凝器盤管的低溫冷卻水帶走，溫度升高后的冷卻水再送至冷卻塔與空氣發生熱交換，最終形成低溫冷卻水，作為循環使用，而在冷凝器中放熱后的制冷劑再進入節流裝置。

2 中央空調系統節能降耗的重要意義

空調系統能耗是建筑能耗中不可忽視的重要部分，現階段的空調系統多數使用的均為不可再生能源，電力能源是占比最大的部分。中央空調系統能源使用量需求較大，在全球能源日漸匱乏的當下，能耗問題已經成為制約中央空調系統優化發展的根本因素。同時，空調系統的運行會增加氮氧化物、硫化物等污染物質的排放，對自然環境具有一定的破壞性。因此，當前中央空調系統的運行已經不能滿足人類可持續發展要求，節能降耗是其發展的核心課題。當前，既有中央空調系統能耗巨大，采取有效的節能技術措施，加強節能降耗，能夠使既有空調系統達到良好的節能效果。因此，加強對中央空調系統的節能優化，合理利用有效節能策略降低系統能耗，不僅能夠實現節能降耗，達到可持續發展要求的目的，同時，還可以降低電力投入，減少系統運行成本，提高系統運行經濟性。

3 中央空調系統中存在的能耗問題

3.1 系統運行自身存在的能耗問題

在我國中央空調系統運行中，人工運行管理仍占據主要地位，智能化管理控制系統配置程度較低，從而難以確保系統運行保持在合理區間。隨著建筑冷負荷需求以及氣候環境變化，中央空調冷負荷處于動態變化過程，人工管理難以及時響應建筑冷負荷需求變化情況，從而導致能源利用率低、能耗高的問題。

以某中央空調系統為例，其采用區域集中供冷技術，冷站將一次冷凍水輸送至建筑內板換間，利用板式換熱器進行二次側冷凍水換熱，再對建筑內各功能區進行供冷。

在系統運行中，一是空調機組及板換間設備由人工管理、板換間二次循環泵的供水壓力為經驗值，過渡季節對室外新風降溫的應用不足等，都增加了系統運行能耗。二是中央空調供冷面積較大且各區域對溫度的要求不同，“一刀切”的管理模式不能提供功能區域個性化供冷，降低了系統整體運行能效。三是對系統運行重要參數的監控不足，不能充分保證空調能源利用率。系統對室溫控制主要是根據單點回風溫度確定，不能對實際供冷效果進行準確判斷，可能會造成室內溫度過低，造成嚴重浪費的同時也影響人體舒適。四是未對空調末端機組進行變頻運行控制，控制精度低，故障率較高，增加了系統能耗。

3.2 系統使用存在的能耗問題

中央空調系統能耗較高的問題，不僅是由于系統自身運行產生的，還有系統之外在使用中不合理情況造成的問題。（1）建筑結構不合理。室內溫度受建筑結構的直接影響，建筑結構不合理會造成室內采光、通風效果較差，增加室外環境對室內溫度的影響，導致室內熱環境不穩定，系統在使用過程中出現能源浪費問題。（2）人們的使用習慣較差，節能意識不足。中央空調系統多用于公共場所，服務范圍廣泛，很多人并未形成節能意識，在不需要時不會隨手關閉空調，造成不必要的能源損耗，并且還有很多人在室內溫度較為舒適的情況下仍舊會選擇使用空調，使其處于長期運行狀態，不僅增加了系統運行能耗，同時，也會縮短中央空調的使用壽命。

4 中央空調系統節能控制改造及節能管理措施

4.1 中央空調系統節能優化改造

當前，中央空調系統節能改造空間較大，其中，加強對節能控制系統的優化改造，提高系統運行的自動化管理水平，加強對建筑冷負荷相關參數實時監控，采取相應的控制措施，調整二次側水泵機組運行狀態及供水溫度，從而提高系統運行的節能效果。在節能控制系統優化改造中，系統采用直觀監控界面，可視化效果良好，滿足遠程及本地運維操作及管理的需求，同時，具有可擴展性和兼容性，能夠與其他節能系統融合對接。

中央空調節能控制系統主要由運維監控層、現場監控層、硬件設備層構成。（1）運維監控層包括數據服務器、用戶監控、物業執行、遠程維護等客戶端構成。（2）智能現場控制柜為現場控制層，負責實時監測系統運行參數及狀態，采集數據與傳輸指令。（3）硬件設備層則是換熱器、水泵、變頻器等各類設備構成。

系統功能模塊包括：（1）換熱器控制模塊，主要負責監測換熱器運行及狀態，進行負荷預測控制、時刻表管理，故障報警及識別記錄等；（2）循環水泵控制模塊，主要負責監測并記錄水泵運行狀態、水泵遠程啟停與變頻控制、水泵故障識別與維護記錄、管網壓差監測及水泵變頻優化調節等；（3）電磁閥控制模塊，主要負責檢測與維護記錄控制模塊電動閥狀態，識別與記錄故障，遠程啟停控制、壓差檢測及電動閥開度調節等。

系統具體功能主要包括兩部分：一是現場控制，二是監控軟件。在現場控制中，（1）實時進行相關參數的采集，如水溫、壓力、電動調節閥開度、室外溫度等，將數據進行數模轉換并傳輸。（2）檢測運行中二次側循環泵狀態，如遠程工作情況、工頻狀態，使冷凍水循環泵進行變頻運行，并合理減少運行臺數。（3）監測室外環境條件，分析末端負荷變化情況，設定系統一次側供冷量動態化調節。（4）根據實際運行需求，可擴展控制器I/O模塊，完成遠程聯網通訊，同時，具有以太網接口，能夠實現手動切換應急控制模式。（5）現場通過觸控屏操作，并能夠進行實時監控。

在監控軟件中，主要具備遠程監控、能耗分析、節能控制、警報提示、數據查詢及導出、權限管理等功能。（1）遠程監控功能中，以系統原理圖形式，確保良好可視化界面，對冷源系統運行各項參數進行直觀實時監測；通過界面直觀展示系統運行過程中室內外溫度及供水回水、壓力、用冷量、用電量等相關數據；進行在線遠程集中控制，如設備啟停、參數設置等。（2）能耗分析功能中，能夠實時監測冷源系統運行的用電量和用冷量等數據，并進行數據統計分析。（3）節能控制功能中，根據各功能區實際需求設定設備啟停時間及溫度設置等；跟隨室內冷負荷變化情況，對二次側循環泵運行頻率、供水溫度等進行自動調節，優化調節二次側供水回水壓差；對最不利回路系統壓差進行監測，采用模糊算法判斷系統運行是否滿足該回路要求，并根據判斷及時作出反應。（4）報警提示功能中，可以實現對網絡通訊狀態異常、參數超出設置閾值、能耗超出限制等情況的報警，同時，可以進行故障問題的詳細記錄、查詢與導出。（5）數據查詢及導出主要是對設備狀態參數數據、系統能耗數據、控制參數數據等形成的各種數據報表進行查詢與導出。（6）權限管理功能中，可根據不同的角色設置不同的用戶權限，如設置管理員權限、操作員權限、維修員權限等，進行崗位功能需求匹配，并對用戶權限進行最小化控制，確保系統操作的便捷性和安全性；在該功能中，還設置幫助文檔，可以對系統操作手冊進行在線查詢，提供系統操作及參數設置幫助。

通過對中央空調節能控制系統進行優化改造，系統控制界面中有冷源監控、運行管理、能耗監測、系統管理、設備管理、參數設置、故障報警及幫助等，根據需求，相關人員可以進行狀態設定，包括遠程狀態、停止狀態、應急狀態。

4.2 中央空調系統節能管理

加強中央空調系統節能降耗，不僅需要優化系統本身的節能控制改造，同時，還需要注重優化系統運行環境，提高節能管理控制。一方面，加強建筑設計節能性。合理控制窗墻比，在確保室內采光充足的基礎上，合理降低窗墻比，降低外窗耗熱量，減少建筑冷負荷需求；提高門窗氣密性，室內換氣次數從0.9次/h下降至0.6次/h，建筑冷能耗就可以下降8%左右，因此，良好的氣密性門窗材料及密封設置也可以有效降低建筑冷負荷需求；加強外墻保溫設計，應用保溫材料，提高室內環境的舒適度，降低中央空調系統運行需求。

另一方面，加強節能降耗宣傳，提高中央空調系統使用者對節能降耗重要性的認識與重視，自覺形成節能行為習慣，提高系統能耗控制。同時，在運行管理方面，相關管理人員可以加強功能分區節能控制，根據建筑實際日常需求，對不同的功能分區進行合理劃分，依照空間大小、人員流量等情況調控環境溫度。

4.3 節能控制效果分析

直接對系統節能控制改造及管理前后的相關運行參數進行采集與對比分析，改造前后完整供冷周期（通常為每年4～11月）的用冷量、折算用冷費用比情況如表1所示。

表1 改造前后全供冷周期用冷量及折算用冷費用對比表

由表1可知，系統改造后節能效果顯著，用冷量減少72.25kW·h，費用降低61.64萬元，具有較高經濟效益。

5 結語

綜上所述，中央空調系統優化改造，落實節能降耗，對提高系統運行經濟性，順應社會綠色節能的可持續發展要求具有重要現實意義。通過系統節能控制改造，解決當前中央空調系統中面臨的能耗浪費、自動化程度低等問題，根據建筑冷負荷變化自動調節控制系統運行狀態，提高整體節能效果，加強系統監控，確保中央空調穩定運行，同時，加強對系統使用管理，提高使用過程中的節能操作，全面降低系統運行過程中面臨的能耗問題，獲得良好的節能效果和經濟效益。