優(yōu)化中央空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能降耗

尹麗萍

（浙江中維建筑工程設(shè)計有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430000）

隨著科技發(fā)展，中央空調(diào)系統(tǒng)為人們提供了舒適的生活與工作環(huán)境。但是，中央空調(diào)系統(tǒng)的運行產(chǎn)生的能耗量非常大，是建筑能耗中的一項主要內(nèi)容。中央空調(diào)系統(tǒng)初始設(shè)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(shù)時間都是處于部分負荷運行的。同時，系統(tǒng)運行受季節(jié)、室內(nèi)人數(shù)等因素影響，會產(chǎn)生一定的波動，如果系統(tǒng)不能根據(jù)實際負荷進行動態(tài)調(diào)節(jié)，則會產(chǎn)生能源浪費問題，同時，對系統(tǒng)設(shè)備也會造成一定的影響。當(dāng)前，全球能源問題日益突出，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為全社會的共識。優(yōu)化中央空調(diào)系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)能降耗，是當(dāng)前降低建筑能耗，提高建筑可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

中央空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成主要包括中央空調(diào)機組1、風(fēng)機盤管系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)基本構(gòu)成

1.2 系統(tǒng)運行

系統(tǒng)運行中，中央空調(diào)機組內(nèi)高溫高壓制冷劑（如R22等）經(jīng)過節(jié)流裝置后變成低溫低壓制冷劑，然后進入蒸發(fā)器，同時冷凍泵將高溫冷凍水回水送入蒸發(fā)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(fēng)機盤管，由冷卻盤管吸收熱量降低空氣溫度，最后通過風(fēng)機向功能間送風(fēng)，達到空調(diào)降溫效果。制冷劑在蒸發(fā)器中吸收熱量由汽液兩相轉(zhuǎn)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(fā)生熱交換，最終形成低溫冷卻水，作為循環(huán)使用，而在冷凝器中放熱后的制冷劑再進入節(jié)流裝置。

2 中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗的重要意義

空調(diào)系統(tǒng)能耗是建筑能耗中不可忽視的重要部分，現(xiàn)階段的空調(diào)系統(tǒng)多數(shù)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(diào)系統(tǒng)能源使用量需求較大，在全球能源日漸匱乏的當(dāng)下，能耗問題已經(jīng)成為制約中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)展的根本因素。同時，空調(diào)系統(tǒng)的運行會增加氮氧化物、硫化物等污染物質(zhì)的排放，對自然環(huán)境具有一定的破壞性。因此，當(dāng)前中央空調(diào)系統(tǒng)的運行已經(jīng)不能滿足人類可持續(xù)發(fā)展要求，節(jié)能降耗是其發(fā)展的核心課題。當(dāng)前，既有中央空調(diào)系統(tǒng)能耗巨大，采取有效的節(jié)能技術(shù)措施，加強節(jié)能降耗，能夠使既有空調(diào)系統(tǒng)達到良好的節(jié)能效果。因此，加強對中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化，合理利用有效節(jié)能策略降低系統(tǒng)能耗，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗，達到可持續(xù)發(fā)展要求的目的，同時，還可以降低電力投入，減少系統(tǒng)運行成本，提高系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。

3 中央空調(diào)系統(tǒng)中存在的能耗問題

3.1 系統(tǒng)運行自身存在的能耗問題

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

以某中央空調(diào)系統(tǒng)為例，其采用區(qū)域集中供冷技術(shù)，冷站將一次冷凍水輸送至建筑內(nèi)板換間，利用板式換熱器進行二次側(cè)冷凍水換熱，再對建筑內(nèi)各功能區(qū)進行供冷。

在系統(tǒng)運行中，一是空調(diào)機組及板換間設(shè)備由人工管理、板換間二次循環(huán)泵的供水壓力為經(jīng)驗值，過渡季節(jié)對室外新風(fēng)降溫的應(yīng)用不足等，都增加了系統(tǒng)運行能耗。二是中央空調(diào)供冷面積較大且各區(qū)域?qū)囟鹊囊蟛煌耙坏肚小钡墓芾砟Ｊ讲荒芴峁┕δ軈^(qū)域個性化供冷，降低了系統(tǒng)整體運行能效。三是對系統(tǒng)運行重要參數(shù)的監(jiān)控不足，不能充分保證空調(diào)能源利用率。系統(tǒng)對室溫控制主要是根據(jù)單點回風(fēng)溫度確定，不能對實際供冷效果進行準(zhǔn)確判斷，可能會造成室內(nèi)溫度過低，造成嚴(yán)重浪費的同時也影響人體舒適。四是未對空調(diào)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(tǒng)能耗。

3.2 系統(tǒng)使用存在的能耗問題

中央空調(diào)系統(tǒng)能耗較高的問題，不僅是由于系統(tǒng)自身運行產(chǎn)生的，還有系統(tǒng)之外在使用中不合理情況造成的問題。（1）建筑結(jié)構(gòu)不合理。室內(nèi)溫度受建筑結(jié)構(gòu)的直接影響，建筑結(jié)構(gòu)不合理會造成室內(nèi)采光、通風(fēng)效果較差，增加室外環(huán)境對室內(nèi)溫度的影響，導(dǎo)致室內(nèi)熱環(huán)境不穩(wěn)定，系統(tǒng)在使用過程中出現(xiàn)能源浪費問題。（2）人們的使用習(xí)慣較差，節(jié)能意識不足。中央空調(diào)系統(tǒng)多用于公共場所，服務(wù)范圍廣泛，很多人并未形成節(jié)能意識，在不需要時不會隨手關(guān)閉空調(diào)，造成不必要的能源損耗，并且還有很多人在室內(nèi)溫度較為舒適的情況下仍舊會選擇使用空調(diào)，使其處于長期運行狀態(tài)，不僅增加了系統(tǒng)運行能耗，同時，也會縮短中央空調(diào)的使用壽命。

4 中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制改造及節(jié)能管理措施

4.1 中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化改造

當(dāng)前，中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造空間較大，其中，加強對節(jié)能控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造，提高系統(tǒng)運行的自動化管理水平，加強對建筑冷負荷相關(guān)參數(shù)實時監(jiān)控，采取相應(yīng)的控制措施，調(diào)整二次側(cè)水泵機組運行狀態(tài)及供水溫度，從而提高系統(tǒng)運行的節(jié)能效果。在節(jié)能控制系統(tǒng)優(yōu)化改造中，系統(tǒng)采用直觀監(jiān)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(jié)能系統(tǒng)融合對接。

中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)主要由運維監(jiān)控層、現(xiàn)場監(jiān)控層、硬件設(shè)備層構(gòu)成。（1）運維監(jiān)控層包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、用戶監(jiān)控、物業(yè)執(zhí)行、遠程維護等客戶端構(gòu)成。（2）智能現(xiàn)場控制柜為現(xiàn)場控制層，負責(zé)實時監(jiān)測系統(tǒng)運行參數(shù)及狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)與傳輸指令。（3）硬件設(shè)備層則是換熱器、水泵、變頻器等各類設(shè)備構(gòu)成。

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

系統(tǒng)具體功能主要包括兩部分：一是現(xiàn)場控制，二是監(jiān)控軟件。在現(xiàn)場控制中，（1）實時進行相關(guān)參數(shù)的采集，如水溫、壓力、電動調(diào)節(jié)閥開度、室外溫度等，將數(shù)據(jù)進行數(shù)模轉(zhuǎn)換并傳輸。（2）檢測運行中二次側(cè)循環(huán)泵狀態(tài)，如遠程工作情況、工頻狀態(tài)，使冷凍水循環(huán)泵進行變頻運行，并合理減少運行臺數(shù)。（3）監(jiān)測室外環(huán)境條件，分析末端負荷變化情況，設(shè)定系統(tǒng)一次側(cè)供冷量動態(tài)化調(diào)節(jié)。（4）根據(jù)實際運行需求，可擴展控制器I/O模塊，完成遠程聯(lián)網(wǎng)通訊，同時，具有以太網(wǎng)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)手動切換應(yīng)急控制模式。（5）現(xiàn)場通過觸控屏操作，并能夠進行實時監(jiān)控。

在監(jiān)控軟件中，主要具備遠程監(jiān)控、能耗分析、節(jié)能控制、警報提示、數(shù)據(jù)查詢及導(dǎo)出、權(quán)限管理等功能。（1）遠程監(jiān)控功能中，以系統(tǒng)原理圖形式，確保良好可視化界面，對冷源系統(tǒng)運行各項參數(shù)進行直觀實時監(jiān)測；通過界面直觀展示系統(tǒng)運行過程中室內(nèi)外溫度及供水回水、壓力、用冷量、用電量等相關(guān)數(shù)據(jù)；進行在線遠程集中控制，如設(shè)備啟停、參數(shù)設(shè)置等。（2）能耗分析功能中，能夠?qū)崟r監(jiān)測冷源系統(tǒng)運行的用電量和用冷量等數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。（3）節(jié)能控制功能中，根據(jù)各功能區(qū)實際需求設(shè)定設(shè)備啟停時間及溫度設(shè)置等；跟隨室內(nèi)冷負荷變化情況，對二次側(cè)循環(huán)泵運行頻率、供水溫度等進行自動調(diào)節(jié)，優(yōu)化調(diào)節(jié)二次側(cè)供水回水壓差；對最不利回路系統(tǒng)壓差進行監(jiān)測，采用模糊算法判斷系統(tǒng)運行是否滿足該回路要求，并根據(jù)判斷及時作出反應(yīng)。（4）報警提示功能中，可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)異常、參數(shù)超出設(shè)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(dǎo)出。（5）數(shù)據(jù)查詢及導(dǎo)出主要是對設(shè)備狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)、控制參數(shù)數(shù)據(jù)等形成的各種數(shù)據(jù)報表進行查詢與導(dǎo)出。（6）權(quán)限管理功能中，可根據(jù)不同的角色設(shè)置不同的用戶權(quán)限，如設(shè)置管理員權(quán)限、操作員權(quán)限、維修員權(quán)限等，進行崗位功能需求匹配，并對用戶權(quán)限進行最小化控制，確保系統(tǒng)操作的便捷性和安全性；在該功能中，還設(shè)置幫助文檔，可以對系統(tǒng)操作手冊進行在線查詢，提供系統(tǒng)操作及參數(shù)設(shè)置幫助。

通過對中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，系統(tǒng)控制界面中有冷源監(jiān)控、運行管理、能耗監(jiān)測、系統(tǒng)管理、設(shè)備管理、參數(shù)設(shè)置、故障報警及幫助等，根據(jù)需求，相關(guān)人員可以進行狀態(tài)設(shè)定，包括遠程狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)、應(yīng)急狀態(tài)。

4.2 中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能管理

加強中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗，不僅需要優(yōu)化系統(tǒng)本身的節(jié)能控制改造，同時，還需要注重優(yōu)化系統(tǒng)運行環(huán)境，提高節(jié)能管理控制。一方面，加強建筑設(shè)計節(jié)能性。合理控制窗墻比，在確保室內(nèi)采光充足的基礎(chǔ)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(nèi)換氣次數(shù)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(shè)置也可以有效降低建筑冷負荷需求；加強外墻保溫設(shè)計，應(yīng)用保溫材料，提高室內(nèi)環(huán)境的舒適度，降低中央空調(diào)系統(tǒng)運行需求。

另一方面，加強節(jié)能降耗宣傳，提高中央空調(diào)系統(tǒng)使用者對節(jié)能降耗重要性的認(rèn)識與重視，自覺形成節(jié)能行為習(xí)慣，提高系統(tǒng)能耗控制。同時，在運行管理方面，相關(guān)管理人員可以加強功能分區(qū)節(jié)能控制，根據(jù)建筑實際日常需求，對不同的功能分區(qū)進行合理劃分，依照空間大小、人員流量等情況調(diào)控環(huán)境溫度。

4.3 節(jié)能控制效果分析

直接對系統(tǒng)節(jié)能控制改造及管理前后的相關(guān)運行參數(shù)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(tǒng)改造后節(jié)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(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

綜上所述，中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化改造，落實節(jié)能降耗，對提高系統(tǒng)運行經(jīng)濟性，順應(yīng)社會綠色節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展要求具有重要現(xiàn)實意義。通過系統(tǒng)節(jié)能控制改造，解決當(dāng)前中央空調(diào)系統(tǒng)中面臨的能耗浪費、自動化程度低等問題，根據(jù)建筑冷負荷變化自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)運行狀態(tài)，提高整體節(jié)能效果，加強系統(tǒng)監(jiān)控，確保中央空調(diào)穩(wěn)定運行，同時，加強對系統(tǒng)使用管理，提高使用過程中的節(jié)能操作，全面降低系統(tǒng)運行過程中面臨的能耗問題，獲得良好的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。