浅析超高层建筑的中央空调系统的动态负荷预判技术

王瑾烽 钱晓阳

摘 要：超高层建筑的能耗问题是全球性的难题。超高层建筑中央空调系统设备庞大繁杂， 几乎遍及楼宇每一角落，通过对超高层建筑的各个耗能设备运行参数进行实时跟踪，动态研判负荷需求，对中央空调冷冻（热）水系统进行动态控制，使中央空调系统的节能控制更加准确。

关键词：超高层建筑 中央空调 节能 控制

随着中国综合国力的增强和城市化进程的不断推进，超高层建筑在我国的各大城市遍地开花。中国成为继美国之后超高层建筑最多的国家，成为世界建筑业的标杆。超高层建筑的外墙，基本采用玻璃幕墙。为了营造一个舒适良好的办公、生活环境，超高层建筑内部通常安装大型中央空调系统。中央空调系统在有效调节建筑内部温度的同时，也消耗了大量的能源。

一、我国超高层建筑的能耗状况

超高层建筑中央空调系统包含上千台机电设备，主要由供冷系统、供热系统、供水系统、供风系统以及自动控制系统等组成。中央空调节能系统的控制原理是对冷冻机房内的全部设备，包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔等设备进行优化控制，通过各设备运行参数的检测与反馈，寻找冷冻机房的最低总能耗，控制各机房设备运行在最低能耗工况。由于寻优方式的不同，一般不能保证每一台套设备都运行在最低能耗，而是根据当前的负荷需求，寻找整个冷水机房的最佳效率点，控制不同的台数组合总的运行效率最低，从而保证每台冷水机组运行在最佳效率点附近。由于现存的中央空调系统存在着时滞性、非线形、时变性和不确定性等多个缺点，传统控制方式的局限性制约了节能控制不能稳定运行在最佳效率点。[1]

建筑能耗主要是由建筑物内部的耗能设备如风机、水泵和照明等电气设备运行产生的，其中采暖、空调能耗约占60%-70%。大量的统计数据表明，空调系统占一般宾馆、写字楼总能耗的 30%～40%，一些大型中央商场甚至占建筑总能耗的 50%左右。建筑耗能、工业耗能和交通耗能是现阶段我国的三大“耗能大户”。1我国每年建造大量的新建建筑，只有3%左右是节能建筑。如果再不采取节能措施，2020年建筑能耗将达到11亿顿标准煤。

二、常见超高层建筑的中央空调节能控制方式

我国现阶段超高层建筑中央空调节能主要的控制模式有三类。

第一类的机房群控系统，其控制原理是对水泵进行变频控制，通过对冷却塔和冷水机组的起动、运行和停止的控制达到节能目的。

第二类是机房节能控制系统，其控制原理是寻找空调系统的最优效率点，从而对整个冷水机房的运行进行优化协调。

第三类是中央空调节能系统集成化管理。一套完整的中央空調系统主要由制冷机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和散热水塔组成。组成部件较多，须进行有序的集成化管理，提高节能减排的效果。

无论哪种模式其核心为智能化变频控制。中央空调的能量循环离不开水与风的循环，而水泵和风机是不可或缺的一个环节。根据设计规范，水泵、风机都是按系统最大流量和压差进行配置的，但现场环境不总是运行在最大状态，而且是非线性变化的，因此，只用变频控制很难达到最优控制。现代建筑是一个智能化的建筑体，广泛采用楼宇智能化设备，具有自动化办公与通讯、自动化消防与保安、自动化设备运行等功能。在智能化大楼内对中央空调的运行采用智能化控制和管理，更大地提高了设备运行的经济性和可靠性，其节能效果在国际上已普遍认可。

三、超高层建筑的动态负荷预判技术

针对超高层建筑的中央空调系统分布点数量大、设备庞大繁杂的特点，采用了智能化集成、分布式群控的中央空调控制系统。通过完善中央空调系统集中控制平台，对离心式冷水机组、冷冻泵、冷却泵、热水泵、冷却塔等耗电设备设置能量检测，远程监控。

由于中央空调系统是一个变负荷的系统，空调负荷随外界环境变化及空调使用量的变化而变化。另外，中央空调的负荷随着气候及外界温湿度变化而波动，在中央空调的节能控制中采用先进的冷冻（热）水负荷动态控制，对负荷进行预判断，有效的解决中央空调冷冻（热）水系统的时滞性和大惰性问题，实现中央空调能源管理控制系统多区域冷热量均衡分配，实现离心冷水机组、冷冻泵、冷却泵、热水泵、冷却塔风机的智能管理及节能优化，保证冷水机房动态地运行在最佳效率点上，实现最佳节能效果。具体实现路径：

（一）完善中央空调系统能耗计量，完善集中控制平台

根据超高层建筑各楼层用户的特点，查找人为控制很难解决的能耗浪费现象。通过设置能量检测系统实现能耗监测数据实时采集与传输，经过集中控制平台，对水泵、冷水机组、冷却水系统和冷却塔等设备实现无人值守运行自动控制。

（二）构建智能化集成、分布式群控的中央空调系统

构建基于工业以太网的集中控制平台，设置模糊能效控制，达到能量平衡分配。通过分布式控制子网，实现对区域冷（热）量均衡控制，对泵组的优选组合控制以及基于COP优化的主机群控。

四、结语

通过对超高层建筑物各楼层的耗能设备实际运行参数（如：电量、水量、气量、集中供热量、供冷量）和环境变化（如温度、湿度等）的实时跟踪，在满足高品质的公共建筑环境要求的前提下，以管理为抓手，以技术创新的突破口，通过负荷动态预判解决中央空调系统时滞性、非线性和不确定性问题，使中央空调控制系统更加准确。实现自适应性智能化集中控制，改善能源紧缺的局面，实现节能、减排，促进国民经济可持续发展具有重要而深远的意义。

参考文献

[1]陈永顺.中央空调节能系统集成化管理在高铁站的应用[J].技术经济与管理，2017（3）.