建筑中央空调负荷管理系统性解决方案及应用

岳明（江苏联宏自动化系统工程有限公司，南京　210046）

Systemic solutions and application of building central air⁃conditioning load management

YUE Ming（Jiangsu Lianhong Automation Co.，Ltd.，Nanjing 210046，China）



建筑中央空调负荷管理系统性解决方案及应用

岳明
（江苏联宏自动化系统工程有限公司，南京210046）

据统计，2014年全国最大空调负荷达2.3亿kW，我国电网夏季高峰期空调负荷已占尖峰负荷的30%～40%。越来越多的空调使用，加剧了电网的峰谷差，降低了电网负荷率，造成了电力资源的极大浪费。相关电力负荷数据表明，大型公共建筑夏季高温负荷是过渡季节的2倍多，以商业和居民生活为主的服务性用电负荷中夏季高峰期主要比例是温度敏感性负荷即空调负荷，日益增长的空调负荷已成为高峰负荷不断攀升的重要原因。而目前我国建筑领域90%以上空调系统处于人工操作状态，空调系统降负荷与能效提升潜力巨大。有鉴于此，空调负荷管理已成为中国电力需求侧管理的重点工作内容。

1　建筑中央空调用电情况分析

大型公共建筑的用电，包括照明、办公设备、电梯、空调、供热等多个系统，夏季由于集中空调系统的使用，用电量明显高于其他季节。根据统计，大型公共建筑的空调用电量占建筑总用电量的40%～60%，其中用于输配冷量的风机、水泵电耗占空调系统用电量的70%以上。以下以某大学图书馆建筑为例进行中央空调用电分析。

1.1用电量分析

图1为2014年该图书馆建筑用电年报表情况。

图1　某图书馆建筑2014年用电年报表截图

从现有数据可看出，夏季供冷期和冬季供热期，图书馆空调用电占建筑总用电的比例较高，最高7月份达55%，年耗电量40万kWh。该建筑内中央空调用电量巨大，空调用电月能耗费用近5万元，存在对中央空调系统进行节能改造和集中管控的必要性。

1.2用电负荷分析

图2为2014年6月21日至30日图书馆总有功功率曲线。图3为2014年10月21日至30日图书馆总有功功率曲线。

从现有曲线可以看出，日负荷曲线基本处于正态分布的正常状态。从现有数据对比得出，图书馆在6月夏季供冷期与10月过渡季节的日平均负荷相差较大，分别为329 kW（6月）与178 kW（10月）；同样，日最大负荷相差也较大，分别为782 kW（6月）与321 kW（10月）。

以上能耗数据的差异，主要与夏季供冷期空调等能耗设备的使用有关。可见，与过渡季节相比，夏季供冷的需求，对图书馆日平均负荷与日最大负荷的影响较大，负荷增加率达40%以上。

图2　2014年6月21日至30日图书馆总有功功率曲线截图

图3　2014年10月21日至30日图书馆总有功功率曲线截图

图4为2014年6月25日的日负荷曲线。从图4可以看出，图书馆夏季白天中央空调使用时，建筑总负荷基本处于570 kW左右；夜间中央空调停用时，建筑总负荷基本处于70 kW左右；昼夜负荷相差较大，且尖峰负荷较高（782 kW），可见如对中央空调系统采取节能改造，可实现建筑负荷的较大削减。

图4　2014年6月25日图书馆总有功功率曲线截图

1.3分析小结

根据以上典型大型公建的数据统计，可以得出以下结论：①机关、学校等大型公建用电量较大，是建筑用电优化的主要对象；②大型公建用电峰谷差较大，具备移峰填谷的潜力；③大型公建空调用电负荷是引起高峰负荷的主要因素，且缺乏管控，未按需实现供给情况较多，具备中央空调负荷管控潜力。

2　建筑中央空调负荷管理技术路线

建筑中央空调负荷管理主要技术路线是对中央空调系统的冷热站、冷却塔、空调机、新风机、风机盘管或变风量终端进行分布式控制和集中管理。进一步采用变流量控制技术，压差及温度PID控制调节技术，系统联动控制技术，变频调节控制技术，电耗、热/冷媒耗实时计量技术等，对中央空调进行系统化节能控制和管理，实现中央空调节能控制和动态调节。主要技术内容如下：

2.1控制方法依据

通过实时监测负荷侧冷冻水的供、回水温度及冷冻水总流量，从而决定开停冷水机组的台数、负荷调节及机组运行状态。

2.2冷冻水变水温、变水量调节

采用水泵变频技术，保持冷机侧限定的流量，变水温与变水量综合进行调节，实现节能。

2.3空调末端调节

（1）空调末端系统（风机盘管）的节能控制。控制参考依据：室内外温差、室内温度；控制变量：设定温度、温差、运行时间等。

（2）空调末端系统（新风机组）的节能控制。控制参考依据：新风量、二氧化碳浓度；控制变量：风门开度、风机频率等。

（3）空调末端系统（空调箱或组合空调）的节能控制。控制参考依据：新风量、室内温度和室内外温差；控制变量：设定温度、设定新风量、风门开度、风机频率等。

图5为中央空调负荷管理系统结构图。

3　建筑中央空调系统化解决方案

以下从中央空调负荷管理和动态需求侧响应角度出发，进行实施方案系统化设计。

3.1节能调荷控制方案

（1）机组节能控制。对冷冻机组进行集成，实现机组根据空调水回水的温度实现自动启停控制。对冷冻机组进行自动加减载控制，实现空调系统根据末端负荷的变化，自动调节系统运行工况，降低系统能耗。

图5　中央空调负荷管理系统结构图

（2）完善中央空调系统水温、水压力、冷量、用电量等变量的监测和计量，以实现系统能效比的综合评估。

（3）冷冻水泵、冷却水泵的变频改造。对水系统进行变流量技术改造，使系统能根据空调负荷的变化，自动调整系统运行工况与负荷相适应，降低系统能耗。

3.2冷冻站节能控制

3.2.1冷水机组运行监控

系统通过网关与冷水机组连接，进行实时监测；系统可以通过空调控制平台对冷水机组进行远程控制。

（1）加载控制

系统监测出温度传感器所测的冷冻水供水温度，高于当前的冷冻水供水温度设定温度；系统根据机组的运行时间和系统的实时负荷，确认机组已经接近满负荷运行，且已持续一定时间。

当以上2项要求均能满足，系统才进入以下机组加载程序。

新冷水机组启动的延迟时间已经结束（延迟时间可以设定）；新冷水机组禁止运行的命令未激活。

以上各项要求均能满足，新冷水机组立即启动。

（2）减载运行

目前运行的机组台数多于1台；运行机组的平均负载小于某个设定值；温度传感器所测的冷冻水供水温度小于当前的冷冻水供水温度设定值；机组减载延迟已经结束。

当系统同时满足以上条件时，系统选择处于在线状态的机组中累计运行时间最长的机组进行减载控制。

（3）运行监测

对机组的运行状态进行监测，实时监测机组压缩机的状态、冷凝器、蒸发器温度、压缩机电流、冷冻水供回水温度、冷却水供回水温度。

3.2.2冷冻水系统节能控制

冷冻水系统分为冷冻泵的控制和压差旁通阀的控制，冷冻泵采用变频技术进行恒温差控制，旁通阀的控制主要为保证系统末端最不利压差的需求。

（1）冷冻泵控制

为实现对冷冻水系统的节能运行，对水系统采用变流量调节，系统采用在保证最不利压差的前提下，恒温差控制。通过在水系统供、回水总管上分别设置温度传感器Tg和Th，通过DDC检测供、回水温差ΔT的变化来控制变频器，对水泵进行全变频调速控制，为了满足主机的最低水流量要求为变频器设定最低运行频率。

（2）旁通阀的控制

为保证系统安全可靠运行，系统通过控制旁通阀开度来实现对集分水器之间压差的控制，使系统压差保证在适宜范围内。图6为旁通阀控制图。

图6　旁通阀控制方框图

（3）冷却水系统节能控制

为实现系统节能运行，方案对水系统进行变流量调节，增加相应传感器及变频运行设备。冷却泵系统采用定冷却水回水温度对水泵的频率进行PID调节即流量的调节。图7为冷却水系统控制方框图。

图7　冷却水系统控制方框图

（4）冷却塔系统节能控制

冷却塔系统采用定冷却水供水温度控制，根据设定温度与实际温度之差自动调节风机运行的台数。如果回水温度超出设定值，则系统自动增加或者减少冷却塔风机开启的台数，以保持出水温度在设定范围。

3.3新风机组节能控制

利用自动化技术，通过动态调节控制，实现满足新风需求的最小新风量供给，改善室内空气质量，补充足够的新风，从而降低新风的处理能耗和输送能耗，并且大幅降低空调系统的总能耗。图8为新风机组控制原理图。

图8　新风机组控制原理图

图9　组合空调控制原理图

监控功能如下：检查风机电动机的工作状态，确定是处于“开”还是“关”；调节表冷器/加热器水阀的开度，进行送风温度控制；定时启/停风机；测量新风过滤器两侧的压差，以及时检测过滤器是否需要清洗或更换；检测手动/自动转换状态。

3.4组合空调节能控制

建筑的不同楼层组合空调箱提供经处理过的空气，满足制冷或采暖以及补充新风的需求。方案对组合空调根据现场的温湿度等情况进行动态PID调节，从而避免浪费。图9为组合空调控制原理图。

监控功能如下：检查送风机电动机的工作状态，确定是“开”还是“关”；测量新风温度，以了解室外气候状况，进行室外温度补偿；测量送风温度参数，以了解机组处理空气的最终（送风）状态；测量回风温度数据，以了解室内空气状况；测量过滤器两侧压差，以及时检测过滤器是否需要清洗或更换；检测手/自动转换状态；启/停风机；依据温度偏差，调节表冷器水阀开度；调节新风阀和回风阀控制新回风比；根据负荷情况控制送风量；季节自动切换；节假日设定或按时间表控制。

3.5风机盘管节能控制

采用联网型风机盘管控制器，实现对室内温度的精确控制，对风机转速控制和对风机盘管回水管电动阀的开/关控制，同时还能够通过中央控制室对每个房间温度进行远程设定和监控。可对风速进行高、中、低3速设定；现场按键可进行温度设置，模式选择，风机运行选择等；可远程实时监测运行状态；可远程控制模式和参数设置：温度设置、模式设置、风机运行设置、键盘锁定、节能模式、睡眠模式、定时控制参数设置等；液晶显示运行模式、风速、设定温度、水阀状态、时间日期等信息；节能模式限制可设定温度范围。图10为风机盘管控制系统结构图。

图10　风机盘管控制系统结构图

4　典型项目案例应用效果

以某大型公建中央空调系统实际调控情况为例，分别选取前后2天不同日期，在室外温度基本一致为32℃的情况下，对中央空调系统分别进行手动和自动调控运行，并保证前后2天的空调末端回风温度均在26℃，未影响室内环境舒适度。

通过相关运行曲线和用电数据分析得出，前后2天的中央空调冷冻站平均总功率可相差20%左右。采取自动调控措施后，中央空调冷冻站日用电量从手动状态的4 759 kWh显著降低至自动状态的3 544 kWh，节能效果明显，能效提升率达25%。

与此同时，通过监控工作站统一发出指令，采取减少空调末端设备水阀开度的方式，降低系统需量，实现柔性调峰，冷冻站实时总功率从184 kW下降到77 kW，

响应时间不超过10 min，实现动态需求响应，降负率超过15%以上。

由此可见，实施中央空调负荷管理和动态需求侧响应后，可远程对中央空调系统的冷水机组进行加卸载、供水温度调节、水泵加卸载和变频运行等，以上措施可有效提升中央空调系统能效和降低系统运行负荷，中央空调能效提升率不低于20%，动态负荷调节率不低于15%。

5　结束语

通过建设中央空调自动化管控系统，可采用系统化的节能控制技术永久性降低负荷，高峰时执行自动化管控指令，实现动态电力需求响应，可以有效降低高峰负荷，从而通过闭环的按需自动化调节控制实现永久性降低电力负荷和动态需求响应调峰，获得显著的经济效益与社会效益。

Systemic solutions and application of building central air⁃conditioning load management

YUE Ming
（Jiangsu Lianhong Automation Co.，Ltd.，Nanjing 210046，China）

摘要：结合建筑中央空调系统用能现状，从机组、冷冻站、新风机组、组合空调等方面的节能控制，描述中央空调负荷管理系统性解决方案及典型项目案例应用效果，从而实现降低电力负荷并实现动态需求侧响应调峰。

关键词：中央空调；负荷管理；节能控制

Abstract：Combined with the construction of central air⁃con⁃ditioning system with current energy，this paper describes the ap⁃plication of the central air conditioning load management system solutions and typical project cases from the aspects units，refrigera⁃tion station，fresh air units and air conditioning，so as to realize the permanent reduction of power load and dynimic demand response for peak shaving.

Key words：central air⁃conditioning; load management; ener⁃gy⁃saving control

DOI:10.3969/j.issn.1009-1831.2016.03.006

收稿日期：2016-03-03

作者简介：岳明（1981），男，江苏南京人，本科，工程师，主要从事建筑节能及电力需求侧管理技术项目工作。

中图分类号：F407.61；TK018

文献标志码：B