酒店中央空調智能云端控制的碳減排應用研究

張曉冬，高喜玲，王鐵勇

（1.中國建筑技術集團有限公司湖北建筑設計分院，武漢 430000；2.江蘇建筑職業技術學院，江蘇 徐州 221116；3.北京清大原點建筑設計有限公司，江蘇 徐州 221116）

2021年9月11日，中國承諾大國擔當——“30·60”碳達峰碳中和專題展覽亮相中國科技館，而我國在經歷了近30年的全面改造后，建筑運行碳排放總量和占比均達到歷史最高，因此，建筑領域碳達峰、碳中和目標實現的難度也較大[1]。截至2019年，我國建筑運行階段產生碳排放約為21億t CO2，占全國碳排放總量的20%左右。建筑領域的能源消耗是造成溫室氣體排放的重要因素之一，其中，建筑運行相關的CO2排放分為直接排放和間接排放。直接排放是建筑運營過程中直接燃燒化石能源所產生的碳排放，主要有北方城鎮供暖鍋爐、炊事和生活熱水等產生的碳排放；間接排放主要指建筑用電及城鎮集中供暖購買熱力、電力的相關碳排放[2]。隨著太陽能、風能和核能等再生能源的并網使用，高壓輸電技術的推廣，我國能源結構已經進行了深遠的變革，煤炭的快速退出需要從現在主體能源50%以上比重下降到5%以下，非化石能源需提高到85%以上。城市建設也從大規模建設轉為更新、改造和性能提升，“精細修繕結合高性能提升”才是未來建筑的主流方向[3]。

建筑領域是能源和資源的終端消費方，主動降低運行碳排放才是降低現有建筑能耗的主要方向。而對于空調行業來說，一方面需要繼續大幅度提升中央空調的能效，另一方面也要合理規劃建筑用電方案，按需用電、節約電費，通過智能管控、能源管理等新技術應用，促使中央空調系統由“單一的產品節能”向“提高系統能源總利用率”轉變，也是實現雙碳目標的重要措施。

1 某酒店中央空調既有控制下能耗情況

公共建筑中用電量最大的仍是中央空調系統，約占建筑整體能耗的40%，同時因為運行效率低也存在10%～30%能源浪費問題。在既有建筑領域智能化控制改造、升級，設備監控和環境監測等方面，增加基于感知和傳輸應用的平臺[4]，充分利用算法、物聯網等先進的通信系統，提高現有設備效率，有效節約用電。

1.1 工程概況

下面以某酒店中央空調智能化控制升級為例，分析改造前后電費節約情況，探討既有公共建筑的節能潛力，分析改造升級中設備運營方的經濟效益，以期最大限度地推進中央空調智能化改造步伐。

工程概況：該酒店項目位于北京豐臺區，客房數量為118間，7層，建筑高度23.1m，2020年重新裝修改造，中央空調主機采用風冷熱泵模塊機組，設備配置參數見表1。

表1 設備配置參數

1.2 酒店既有中央空調系統運行能耗

該酒店中央空調在既有控制情況下，主機運行臺數、負載率及電費見表2。

表2 既有控制基礎能耗分析（商業用電0.9元/kWh）

從表2統計數據來看，該酒店空調年運行耗電量約為110 kWh，電費約為99萬元，能耗較大，運行成本也較高。若要提高總體的運行能效水平，必須要加強運維人員的培訓管理，改變系統控制策略，才可以有效地降低用電費用，節能減排。

2 中央空調系統智能控制升級后能耗狀況

2.1 中央空調智能云端控制系統

中央空調系統智能控制升級主要包含以下3個方面。

（1）空調設備數字化：能通過手機端/電腦端實現虛擬機房展示、數據動態監控、故障在線報警和預防性維護提醒功能。

（2）智能控制：能實現系統自動控制、云端自動調整運行參數、設備優先級動態決策、附屬設備智能控制和故障定位指導。

（3）節能降耗：通過邊緣計算技術、云端大數據分析、半監督模糊算法、AI自動尋優和機器學習優化，系統節能降耗達20%～30%。

將人工智能在建筑中央空調領域，以算法為中心進行深度定制、研發[5]，云端控制原理如圖1所示。根據客房入住率即空調回水溫度，及室外環境溫濕度變化，實時控制空調主機及水泵的運行工況。若入住率高，回水溫度高，溫度傳感器將數據傳送給算法中心，根據數據統計和分析，給出空調機組開啟臺數、功率和水泵變頻功率的最優化運行策略，再經定制私有協議，給出指令遠程控制主機和水泵；同樣室外溫度及濕度傳感器上傳出溫濕度變化信號，算法給出運行策略，室內室外2個維度校正運行策略[6]。智能按需供應，云端控制，云端智能分析和自動生成最優策略，下發給邊緣服務器，邊緣服務器接到指令后再下發給各設備。在確保室內冷/熱舒適性的前提下，最大限度地減少中央空調系統的運行能耗，實現人員舒適度及能耗之間的最優動態平衡。

圖1 中央空調智能云端控制示意圖

2.2 搭載智能云端控制系統能耗分析

搭載智能云端控制系統優化升級后，再次對能耗數據進行監測，設備負載率及電量消耗見表3。

表3 優化控制后能耗分析（商業用電0.9元/kWh）

從表3優化運行策略后的能耗分析來看，運行耗電量約為92.9 kWh，電費約為83.6萬元，優化后用電量比既有控制減少了16.8萬度，節約電費15.1萬元。如圖2所示，實測用電量可節約10%～20%，在1月、12月空調采暖季，能耗大的月份，經濟效益明顯，節能效果也越好。由此可見，該酒店中央空調系統經過智能化改造后，對于控制成本、提高經濟效益和提高運營效率效果顯著，是一個值得推廣的方案。

圖2 中央空調系統優化前后電費對比

3 中央空調智能云端控制節能降碳效果

既有建筑能耗構成主要是空調能耗、照明能耗，根據《北京市企業（單位）二氧化碳排放核算和報告指南（2016版）》和國家對華北地區的基準線排放因子的加權，折算系數建議采用的0.72 kgCO2/kWh，折算成CO2排放量。該酒店中央空調智能改造前后CO2年排放量見表4，節約排放量為0.012萬t CO2。

表4 酒店每年碳排放量

目前我國建筑行業每年運行碳排放（含直接碳排放和間接碳排放）約為21億t CO2，該酒店既有建筑中央空調系統經過智能化系統改造升級，可以減少每年碳排放量約為3.2億t CO2，雖然這部分碳排放量對于發電行業來說微不足道，但建筑節能是貫穿整個建筑生命周期的[7]，循環用能、累積節約和數量同樣非常可觀。同時所有中央空調系統的運行報表，通過大數據管理，對空調設備的能耗進行綜合分析，形成相關的數據，進行多維的剖析，同時，環境集合數據又為自控提供環境數據支撐[8]。通過用電數據采集整理，明確單個設備及整個空調系統的用電能耗、單位面積的能耗及負荷曲線，為運營維保提供依據支持。

4 結論

中央空調系統在實際運行過程中，由于運行維護人員對管理對象不了解，加之某些先天設計不足，缺乏科學的能源管理措施等，導致系統運行能耗過大，只有全面掌握各個空調設備用能情況，才能夠實現既定的節能目標?！霸乒苓叾恕钡母拍畲蛟炝恕拔锫摼W+大數據+人工智能算法”的智能系統，是解決公共建筑中央空調精細化管理的有效手段，可以實現能源監測可視化，對能耗進行實時監測。

因此，搭載智能云端控制系統的中央空調，充分利用大數據優勢深度挖掘數字資源，將有助于公共建筑規范能源消費，實現能效提升，在碳減排中發揮重要作用，中央空調行業的減碳行動，一定能為實現碳達峰、碳中和的目標作出積極貢獻。