空调系统能效提升及运行管理系统技术集成与示范应用

张颜，潘立君，陈俊，赵晓宇

（同方泰德国际科技(北京)有限公司，北京 100083）

空调系统能效提升及运行管理系统技术集成与示范应用

张颜，潘立君，陈俊，赵晓宇

（同方泰德国际科技(北京)有限公司，北京 100083）

重庆某商场全年能耗较高，中央空调设备运行效率低，缺少智能调节手段，具有很大的节能潜力。该文根据商场能耗特点和运行模式制定了空调控制系统节能改造方案，应用适宜的节能产品和实际运行效率优化控制策略，包括中央空调节能专家群控、水泵变频、风机变频等策略。在同样的工况下，分别进行常规模式运行和节能模式运行，实测数据表明，空调系统单项节能率达到30%。

空调系统；智能化控制；专家节能系统;冷水机组;冷冻水泵;冷却水泵;冷却塔;空调机组；节能率

0 引言

有研究表明，建筑物及其空调系统的能耗问题日益显现，根据建筑物类型的差异，空调能耗占建筑总能耗的10%～60%[1]。空调系统在公共建筑中是能耗大户，而空调冷热源机组的能耗在整个空调系统中又占到了较大的比例。在公共建筑中，中央空调系统能耗约占建筑总能耗的50%～60%，而冷站能耗占中央空调能耗比例为50%～80%[2]。空调系统能根据负荷的变化调节室内温湿度，为居住者提供一个舒适的工作和生活环境。提高空调系统的能源利用率，同时不影响室内的舒适性，一个行之有效的方法是对空调运行优化控制和有效的运行管理。本文结合实例分析了采用中央空调节能专家控制系统，对重庆某商场空调系统的改造进行分析，阐述空调系统能效提升及运行管理系统技术的重要性。

1 项目概况

1.1 项目概况

重庆某商场是一座集购物、餐饮、娱乐、停车库及少部分办公为一体的大型购物商场。建筑层数10层，地上7层，地下3层；建筑面积16万m2，空调面积71，000m2，原设计工况：夏季空调总冷负荷为25，514kW，冬季空调总热负荷为8，370kW。

建筑能耗是包括使用过程中用于通风、空调、照明、办公用电、电梯、动力、给排水和热水供应等系统的能耗。2011年该商场年耗电量为1，876万kW·h，根据商场的能耗监测数据将建筑能耗分为空调系统、照明、电梯、办公及其它共4部分，各项能耗比例见图1。其中中央空调耗电占全年总耗电量的42%，约为783万kWh；商场空调系统年运行时间约为2，800h，空调系统单位建筑面积年均能耗为110kW·h(m2·a)，其中，制冷机能耗占49%，输配系统能耗占24%，冷却塔占6%，空调末端及新风设备能耗占14%，如图2所示。

图1 建筑各项能耗占比

图2 空调系统分项能耗占比

1.2 设备配置

中央空调及供暖系统主要设备清单如表1。

表1 中央空调主要设备表

1.3 运行情况

该项目中央空调系统配置5大1小6台制冷主机，以及一一对应的冷冻水泵和冷却水泵，从全年的运行记录统计分析，夏季负荷时一般有2台大主机投入使用，峰值时2大1小3台主机运行，低负荷时或夜间娱乐场所营业时运行开启1台大主机或仅开启1台小主机，空调设备设计余量偏大。统计中央空调运行记录表可见，中央空调冷冻水供水温度为7～9℃，供回水温差一般为3～4℃；冷却水进水温度26～28℃，供回水温差一般为3～4℃。

而系统采用人工方式控制中央空调设备的启停和运行台数随机性强，不能在负荷变化的情况下加减载主机台数和循环水流量，使得有时总的空调供回水温差低于3℃，造成输配系统的能源浪费；又有时冷冻水供回水温差偏大，很可能造成某些末端不能满足使用需求，影响空调区域内的舒适感。

2 改造工程

2.1 改造思路

合理设定运行状态参数，在保证空调需求的情况下节约低负荷时制冷主机和水泵、风机系统的电能消耗具有极其重要的经济意义。中央空调系统的节能控制就是依据负荷变化，自适应智能负荷调节冷冻机组，变频调节中央空调水泵、风机的运行。

中央空调专家节能群控系统进行智能优化控制采用变频技术和节能专家控制技术，利用变频器、控制器、传感器等控制设备的有机结合，构成温度闭环和压差闭环等控制回路进行自动控制，自动调节水泵的输出流量，自动调节风机的转速；不仅能使室内温湿度维持在设定状态，让人感到舒适满意，同时提高系统的自动化控制水平，使整个中央空调系统工作状态安全稳定，延长设备的使用寿命，更重要的是具备良好的节能效果，确保各个部分的设备运行达到最佳状态。

在末端空调机组的回风管道、新风管道上加装电动风阀智能调节新风回风比。充分利用过渡季节室外温度低于室内设定温度的特性调节新回风比，最大限度发挥过渡季新风免费供冷优势；在夏季，在满足室内新风需求的情况下，将新风负荷降至最低，以节省空调能耗。

2.2 节能控制策略

当负荷发生变化时，对中央空调系统的需求也发生了变化，以变频的手段配合优化的控制策略，尽可能多地降低系统的运行能耗（运行费用）。根据运行数据，动态调整制冷（热）主机的运行台数，在必要时调整制冷（热）主机的供水温度；动态调整冷冻水（热水）流量，保持冷冻水（热水）系统始终处于经济运行状态；动态调整冷却水流量，使制冷主机能耗和冷却水输送能耗之和最低，保持制冷系统始终处于经济运行状态；在保障冷源设备安全有效运行的前提下，最大化地降低冷却水的供水温度；根据被控区域空气质量的变化情况，动态调整风量和水量，保持系统始终处于经济运行状态。

3 空调系统改造节能效果

3.1 冷水机组节能

一般来讲，在蒸发温度基本不变的情况下，离心式冷水机组的冷凝温度每降低1度其压缩机输入功率降低约2～3%；在冷凝温度基本不变的情况下，蒸发温度每提高1度制冷量约提高3%[2]。

中央空调节能专家群控系统除了依据负荷变化合理控制冷机开启台数，使冷水机组自身保持较高的效率外，更能优化冷却侧的运行。使冷却塔风机同步低频运行，增大冷却水的换热面积，降低冷却水供水温度，即降低机组的冷凝温度，从而提升冷机的效率，降低冷机的能耗。商场全年现有冷却水供水温度为22～33℃，重庆市的夏季室外计算湿球温度为27.3℃，采用同步变频技术在夏季炎热期间运行，冷却水供水温度可降低3～5OC左右，将使得冷机的节能率达到8～15%左右，而在非炎热季节，随着湿球温度的降低，冷却水供水水温会显著降低达7℃，将使得冷机的节能率达到18%左右。

3.2 冷冻水泵节能

根据运行记录可知，随着负荷变化，冷冻水的供回水温差基本保持在2～5OC之间，通过我们的优化控制，将冷冻水的供回水温差保持在5OC，差值提高0～3OC，冷冻水泵平均节能率约50%。

3.3 冷却水泵节能

我们根据系统运行各时期的湿球温度，降低冷却水供水温度，增大冷却水供回水温差来降低冷却水的流量，现有冷却水的供回水温差约为2～4OC左右，通过改造将冷却水供回水温差提高1～3OC，冷却水泵的功耗降低约为55%。

3.4 冷却塔节能

将采用“同步变频、均匀布水”以及维持风水比不变的技术，根据冷却水泵的转速和开启台数来确定冷却塔风机频率，虽然冷却塔开启数量增加，但单台风机功率大大降低，因此即使是冷却塔风机全部同时开启也会降低冷却塔的功耗，根据前述功率与频率和流量的计算公式，我们可以计算出增加开启一台冷却塔后，每台冷却塔的功率约为原有能耗的35～45%，定频开启2～3套冷塔，与6套冷塔同开变频相比，其节能率可达45%左右。

3.5 末端空调机组节能

原来采取定风量运行方式，末端空调机组的负载率也是基本恒定，负荷变化时只是通过水阀的开度调节空调机组盘管水量，从而改变送风温度来满足负荷需求。

改造后，冷冻水供回水温差保持不变，空调机组通过变频调节送风量。末端负荷变化趋势与冷冻水负荷变化趋势基本一致。空调机组电机的节电率在45%左右。

4 节能率模拟测试

4.1 节能率测试方法

中央空调系统不论单个设备还是整个系统的改造，包括控制改造和设备改造，都是为了产生和输出冷量/热量，那么对此系统节能率的评价应该可以采用单位产量下的耗电量变化率来表示。

在合理选取一定时期测得以上节能率后，可以认为可代表系统的综合节能率，在能耗计量系统软件中，即可时刻采用此节能率去计算实时的节能量：

我们选择常规模式和节能模式在相同工况下交替运行的方式，进行节能率测算。

（1）常规模式：选择此模式可在组态界面中选择启动制冷命令后按照常规工频方式运行系统，如对各个泵组进行工频运行，风机采取成组开关并工频运行等。选择后程序将自动按顺序进行启动，但选择常规模式的模块将不再进行节能控制，实现单组或整个系统的工频运行。

（2）节能模式：选择此模式可在组态界面中选择启动制冷命令，选择要启动的机组和负荷侧泵组后，程序将自动按顺序启动和控制相关设备运行，可变转矩设备根据节能算法调节转矩运行，并且运行过程中将给出专家提示。

4.2 测试数据分析

通过改造商场空调系统处于调试运行阶段，期间我们对空调系统在不同工况下的运行效率进行了如下测试对比，见表2。

表2 冷机COP、SCOP、EER-SYS与各负荷率的关系

4.3 单位冷量耗电量分析

1 台冷机运行统计时间内节能模式单位冷量耗电量0.340511，常规模式单位冷量耗电量0.394357。其节能率为13.65%（小时计算值得平均值）。

2 台冷机运行统计时间内节能模式单位冷量耗电量0.28897，常规模式单位冷量耗电量0.354584。其节能率为18.52%。

3 台冷机运行统计时间内节能模式单位冷量耗电量0.327101，常规模式单位冷量耗电量0.353871。其节能率为7.56%。

综上所述，3台时应该在台数优化的前提下讨论节能率，优化到2台。COP与冷负荷率的关系说明同负荷率时可以开2台，用此时2台的电量和3台的电量比，是节能率。COP应该是高了，水泵频率可能升高了电耗，风机低了，但占比很少。

5 结论

引入中央空调节能专家控制系统并改善风系统运行，对重庆某商场空调系统实施的节能改造，在改善运行工况的同时，调节电机频率实现节能，经降频与功率变化关系之间的推算，结合中央空调系统的实际改造经验数据，预计改造后降低建筑空调年能耗费用201万元，空调系统单项节能率30%，综合节能率11%，节能效果明显，对类似大型公共建筑的中央空调系统节能改造具有一定参考价值。

[1]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告[R].2014中国城市科学研究系列报告，2014:62-78.

[2]江华，刘宪英，黄忠.中央空调能耗现状调查与分析[J].制冷与空调，2005(增刊):31-33.

Technical Integration and Demonstrative Application of Energy Efficiency Promotion and Operation Management System in Air Conditioning System

A shoppingmall in Chongqing hashigh energy consumption and low operation efficiency of centralair-conditioning equipment for lack of intelligentadjustment strategiesw ith huge potential for energy-saving.According to the energy-consumption characteristics and the operationmodes of shoppingmalls,energy conservation innovation plan for air-conditioning control system ismade,adopting suitable energy conservation products and controllableoperation efficiency strategies likegroup control for HVAC system，variable pump frequency strategy and variable fan frequency.Air-conditioning system isoperated in the conventionalmodeand energy-savingmodeunder the sameworking conditionsand theactualdata proves the singleenergy-saving rateofair-conditioning system isup to 30%.

air-conditioning；intelligentcontrol； expertenergy-saving system；chiller；chilled pump；chilling pump；cooling tower；air handling unit；energy saving ratio

TU 855

A

1671-9107（2014）06-0039-04

基金论文：该论文为重庆市科委科技惠民计划项目（项目编号：cstc2013jcsf0162）、重庆市可再生能源建筑应用城市示范配套能力建设项目论文之一

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.06.039

2014-05-09

张颜（1985-），男，山东荷泽人，本科生，工程师，主要从事建筑节能改造与暧通空调设计工作。

孙苏，李红